Does external phosphorus loading diminish the effect of sediment dredging on internal phosphorus loading? An in-situ simulation study  

外部磷負荷是否會削弱沉積物疏浚對內源磷負荷的控制效果？一項原位模擬研究  

來源：Journal of Hazardous Materials, Volume 394, 2020, 122548

《危險材料雜志》第394卷，2020年，文章編號122548  

 

摘要內容

 

論文摘要指出，通過一年期原位模擬實驗（結合疏浚與懸浮顆粒物SPM輸入處理）研究發現：  

1. 疏浚的積極作用：移除富營養化沉積物表層（30 cm），顯著降低沉積物總磷（TP）、活性磷（NH?Cl-P/Fe-P/Org-P）含量，提升沉積物磷吸附容量（Qmax增加），改善沉積物-水界面（SWI）氧化環境（溶解氧DO↑，氧滲透深度OPD↑），促進活性磷向惰性磷（Ca-P/Res-P）轉化，從而抑制內源磷釋放。  

2. SPM的負面影響：外部輸入的SPM富含有機質（OM平均8.81% vs 沉積物6.69%）和活性磷（Fe-P↑67%），其沉積加速了疏浚后沉積物磷活性恢復，通過消耗DO（降至0.61-5.38 mg/L）和提高磷再補給能力（R值↑），增加內源磷釋放風險。  

3. 關鍵驅動因素：溫度（T）、溶解氧（DO）和磷再補給能力（R）是影響SWI磷通量的核心因子（解釋率86.69%）。  

4. 管理建議：為維持疏浚效果，需同步控制外部SPM輸入（如構建前置庫/生態濕地）。  

 

研究目的

 

1. 量化疏浚與外部SPM輸入對內源磷遷移轉化的交互影響。  

2. 揭示SPM削弱疏浚效果的機理（磷形態轉化、吸附特性、界面氧化還原環境）。  

3. 提出富營養化湖泊內源-外源磷協同管控策略。  

 

研究思路

 

1. 原位模擬設計：  

   ? 采集太湖梅梁灣沉積物柱（100個，直徑9 cm），設置四組處理：  

 

     ? ND（未疏浚，無SPM輸入）  

 

     ? D（疏浚移除30 cm沉積物，無SPM輸入）  

 

     ? NDS（未疏浚，有SPM輸入）  

 

     ? DS（疏浚，有SPM輸入）  

 

   ? 湖底原位培養1年（2018.1-2018.12），定期采樣分析。  

 

2. 多指標監測：  

   ? 沉積物/SPM性質：含水率（WC）、燒失量（LOI）、總磷（TP）、磷形態（NH?Cl-P/Fe-P/Al-P/Org-P/Ca-P/Res-P）。  

 

   ? 界面環境：溶解氧剖面（Unisense微電極，圖2）、堿性磷酸酶活性（APA）。  

 

   ? 孔隙水磷動態：高分辨率滲析（HR-Peeper測SRP，圖4）、薄膜梯度擴散（DGT測活性磷，圖5）、磷再補給能力（R= DGT-P/SRP，圖6）。  

 

 

 

   ? 通量計算：靜態培養法與Fick擴散模型。  

 

   ? 吸附特性：Langmuir模型擬合Qmax/EPC?（圖7）。  

 

3. 統計分析：冗余分析（RDA）解析磷通量驅動因子（圖9）。  

 

測量數據及其研究意義與來源圖表

 

1. SPM與沉積物基本性質（圖1）  

   ? 意義：SPM的TP（782.62 vs 549.52 mg/kg）和LOI（8.81% vs 6.69%）顯著高于表層沉積物，證明其作為外源污染載體輸入活性磷（Fe-P↑53%）。  

 

   ? 來源：圖1（WC/LOI/TN/TP的季節變化）。  

 

2. 溶解氧剖面（圖2）  

   ? 意義：疏浚（D組）使SWI溶解氧（DO↑至4.59-8.89 mg/L）和氧滲透深度（OPD↑）顯著改善；SPM輸入（NDS/DS組）通過OM降解耗氧，使DO降至0.61-5.38 mg/L。  

 

   ? 來源：圖2（Unisense電極實測DO剖面）。  

 

3. 磷形態演變（圖3）  

   ? 意義：疏浚（D組）使活性磷（NH?Cl-P+Fe-P+Org-P）占比↓，惰性磷（Ca-P+Res-P）占比↑至61.8%；SPM輸入（DS組）逆轉該趨勢，330天后磷形態恢復至未疏浚狀態。  

 

   ? 來源：圖3（各形態磷含量隨時間變化）。  

 

4. 孔隙水SRP與DGT-P（圖4-5）  

   ? 意義：疏浚初期（D組）孔隙水SRP↑（因沉積物磷再補給能力↑）；SPM輸入（DS組）夏季使SRP和DGT-P峰值↑，釋放風險加劇。  

 

   ? 來源：圖4（HR-Peeper數據）、圖5（DGT數據）。  

 

5. 磷再補給能力R（圖6）  

   ? 意義：SPM輸入使NDS/DS組R值夏季峰值達0.49（ND組≈0），表明SPM顯著增強沉積物向孔隙水補給磷的能力。  

 

   ? 來源：圖6（R值季節變化）。  

 

6. 吸附特性（圖7）  

   ? 意義：疏浚提升沉積物最大吸附量（Qmax↑）；SPM的EPC?更高（易釋放磷），導致DS組長期EPC?高于D組。  

 

   ? 來源：圖7（Langmuir模型擬合曲線）。  

 

7. 磷通量對比（圖8）  

   ? 意義：靜態培養法（F1）顯示SPM使疏浚后沉積物由“磷匯”轉為“磷源”；Fick模型（F2）表明SPM輸入使DS組夏季通量顯著高于D組（p<0.05）。  

 

   ? 來源：圖8（F1/F2通量值）。  

 

結論

 

1. 疏浚的長期效益：移除富磷層可持久提升沉積物磷吸附容量（Qmax），促進活性磷向惰性形態轉化，抑制內源釋放。  

2. SPM的核心破壞作用：外源SPM輸入通過三重機制削弱疏浚效果：  

   ? 輸入高活性磷（Fe-P↑）和OM（LOI↑8.81%）  

 

   ? 降解OM消耗DO，創造厭氧環境（DO↓至<2 mg/L）  

 

   ? 提高磷再補給能力（R值↑0.49）  

 

3. 關鍵驅動因子：溫度（T）、DO和R值共同調控86.69%的磷通量變異（圖9）。  

4. 管理啟示：單一疏浚無法持續控制內源負荷，需結合流域措施（緩沖帶/人工濕地）阻斷外源SPM輸入。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

測量指標：沉積物-水界面溶解氧（DO）剖面（0至-80 mm深度，分辨率0.2 mm）  

設備：Unisense微電極系統  

研究意義：  

1. 量化疏浚的氧化環境改善效應：  

   ? 高分辨率剖面（圖2）顯示疏浚（D組）使SWI溶解氧（4.59-8.89 mg/L）顯著高于未疏浚組（ND組3.14-7.82 mg/L），氧滲透深度（OPD）增加，直接驗證疏浚通過移除有機質減少耗氧，創造抑制磷釋放的氧化環境。  

 

2. 揭示SPM的耗氧機制：  

   ? SPM輸入（NDS/DS組）導致DO在夏季驟降（最低0.61 mg/L），剖面顯示厭氧層擴展至界面附近。結合OM數據（LOI↑）證實SPM降解是耗氧主因，為Fe-P還原釋放創造條件。  

 

3. 指示磷釋放熱點區域：  

   ? DO<2 mg/L的深度區間與高SRP濃度區（圖4）高度重合（r= -0.81, p<0.01），明確厭氧層是內源磷釋放的“熱點區域”，疏浚通過擴大氧化區降低該風險。  

 

4. 支撐管理決策：  

   ? OPD可作為疏浚效果評估指標（OPD↑≈內源控制能力↑）；SPM輸入導致的OPD↓預示內源釋放風險回升，需觸發外源管控措施。