The role of turbulence in internal phosphorus release: Turbulence intensity matters

湍流在內(nèi)部磷釋放中的作用湍流強(qiáng)度很重要

來(lái)源：Environmental Pollution（2019年，第252卷）

 

論文總結(jié)

研究通過(guò)模擬環(huán)境湍流場(chǎng)景，系統(tǒng)分析了不同湍流強(qiáng)度對(duì)沉積物內(nèi)部磷釋放的影響，重點(diǎn)探討了湍流混合與沉積物懸浮的交互作用對(duì)磷動(dòng)態(tài)的調(diào)控機(jī)制。以下是對(duì)論文的詳細(xì)總結(jié)。

 

摘要概括

摘要指出，水動(dòng)力波動(dòng)（如湍流）可觸發(fā)沉積物懸浮并伴隨內(nèi)部磷釋放，但湍流混合與沉積物懸浮對(duì)磷動(dòng)態(tài)的交互影響尚需深入理解。本研究通過(guò)模擬近似均勻湍流場(chǎng)景，測(cè)量了上覆水中的總磷（TP）、磷酸鹽（PO?-P）和懸浮沉積物（SS）濃度變化，以及沉積物-水界面（SWI）的溶解氧（DO）、Fe(II)和可溶性反應(yīng)磷（SRP）剖面分布。結(jié)果表明，湍流強(qiáng)度（ε）顯著影響磷釋放：低強(qiáng)度湍流（ε = 3.6 × 10?3 m2/s3）導(dǎo)致SRP通量增加，PO?-P濃度上升36.36%；中高強(qiáng)度湍流（ε = 1.3 × 10?2 至 7.4 × 10?2 m2/s3）雖促進(jìn)氧擴(kuò)散至表層沉積物形成鐵氧化物，但磷擴(kuò)散超過(guò)鈍化作用，導(dǎo)致SRP通量增大；然而，高湍流強(qiáng)度下SS吸附和生物同化作用可固定部分磷，使PO?-P濃度下降達(dá)47.75%。研究證實(shí)了隨湍流強(qiáng)度增加，磷緩沖機(jī)制從鐵結(jié)合向沉積物吸附切換。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問(wèn)題：

 

評(píng)估不同湍流強(qiáng)度對(duì)沉積物磷釋放過(guò)程的影響，量化TP、PO?-P和SS的動(dòng)態(tài)變化。

探究湍流環(huán)境下磷的緩沖機(jī)制（如氧擴(kuò)散、鐵循環(huán)、沉積物吸附），識(shí)別主導(dǎo)過(guò)程。

 

為富營(yíng)養(yǎng)化水體內(nèi)部磷負(fù)荷管理提供理論依據(jù)，尤其關(guān)注水動(dòng)力條件的作用。

 

研究思路

研究采用微宇宙實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)分析策略：

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：從長(zhǎng)江支流玉林河口采集沉積物柱狀樣和上覆水，在近似均勻湍流模擬系統(tǒng)（AHTS）中設(shè)置5個(gè)湍流強(qiáng)度梯度（ε = 3.6 × 10?3、1.3 × 10?2、3.3 × 10?2、7.4 × 10?2 m2/s3）和靜態(tài)對(duì)照組，每組3個(gè)重復(fù)，進(jìn)行30天孵化實(shí)驗(yàn)。

參數(shù)測(cè)量：

 

水化學(xué)指標(biāo)：定期監(jiān)測(cè)上覆水TP、PO?-P、濁度（SS代理）、pH（Fig. 2）。

微環(huán)境剖面：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（型號(hào)未指定）測(cè)量SWI處DO、Fe(II)、SRP的垂直分布（步長(zhǎng)0.05 mm），結(jié)合薄膜擴(kuò)散梯度（DGT）技術(shù)獲取高分辨率數(shù)據(jù)（Fig. 3-4）。

 

通量計(jì)算：基于DGT數(shù)據(jù)計(jì)算SRP和Fe(II)跨界面通量（Fig. 5）。

 

數(shù)據(jù)分析：采用方差分析（ANOVA）、相關(guān)性分析（Pearson）評(píng)估湍流強(qiáng)度與參數(shù)間關(guān)系。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)、其來(lái)源（圖編號(hào)）及研究意義：

 

上覆水TP、PO?-P和濁度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 2）

 

數(shù)據(jù)：TP濃度隨湍流強(qiáng)度增加而上升，ε = 7.4 × 10?2 m2/s3時(shí)TP達(dá)4.42 mg/L（較初始值增40倍）；PO?-P在低湍流（ε = 3.6 × 10?3 m2/s3）時(shí)上升36.36%，但在高強(qiáng)度下下降47.75%；濁度與TP正相關(guān)，ε = 7.4 × 10?2 m2/s3時(shí)達(dá)41700 NTU。

 

研究意義：證實(shí)湍流通過(guò)懸浮沉積物增加TP負(fù)荷，但PO?-P減少表明SS吸附主導(dǎo)磷固定；濁度變化直接反映沉積物再懸浮程度，關(guān)聯(lián)磷形態(tài)轉(zhuǎn)化。

 

DO剖面數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 3）

 

數(shù)據(jù)：靜態(tài)組DO穿透深度1.38 cm；湍流組氧滲透增強(qiáng)，ε = 1.3 × 10?2 m2/s3時(shí)穿透深度達(dá)1.9 cm，但ε = 7.4 × 10?2 m2/s3時(shí)降低30.81%。SWI處DO濃度最高237 μM。

 

研究意義：湍流促進(jìn)氧從水體擴(kuò)散至沉積物，形成氧化層抑制磷釋放；高強(qiáng)度湍流因懸浮物耗氧導(dǎo)致氧滲透深度減少，揭示氧動(dòng)態(tài)對(duì)磷循環(huán)的調(diào)控作用。

 

Fe(II)和SRP剖面數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 4）

 

數(shù)據(jù)：Fe(II)濃度隨深度增加，低湍流下峰值在10-15 mm處（1.57 mg/L）；SRP在表層低，深層升高（Dmax深度變化）。高強(qiáng)度湍流下SRP剖面趨于平緩，表明磷強(qiáng)烈動(dòng)員。

 

研究意義：Fe(II)分布反映鐵還原狀態(tài)，低湍流促進(jìn)Fe(II)擴(kuò)散支持磷釋放；SRP剖面變化指示磷從沉積物向上覆水遷移的強(qiáng)度，直接證明湍流驅(qū)動(dòng)內(nèi)源磷釋放。

 

SRP和Fe(II)通量數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 5）

 

數(shù)據(jù)：SRP通量在ε = 1.3 × 10?2 m2/s3時(shí)最高（32.94 μg/m2·d），高強(qiáng)度下通量減少至12.63 μg/m2·d；Fe(II)通量隨湍流增強(qiáng)而降低。SRP與Fe(II)濃度在低湍流下正相關(guān)（R值顯著），高強(qiáng)度下相關(guān)性減弱。

 

研究意義：中低湍流下磷釋放與鐵還原耦合，高強(qiáng)度下SS吸附解耦該關(guān)系，闡明磷緩沖機(jī)制的切換閾值。

 

概念機(jī)制圖（來(lái)源：Fig. 6）

 

數(shù)據(jù)：圖示湍流協(xié)同效應(yīng)，包括氧擴(kuò)散、沉積物懸浮、磷吸附和生物同化路徑。

 

研究意義：整合多過(guò)程，可視化湍流強(qiáng)度如何通過(guò)物理-生物化學(xué)途徑調(diào)控磷歸宿。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

湍流強(qiáng)度決定磷釋放模式：低強(qiáng)度湍流（ε ≤ 1.3 × 10?2 m2/s3）促進(jìn)磷擴(kuò)散，PO?-P濃度上升；高強(qiáng)度湍流（ε ≥ 3.3 × 10?2 m2/s3）觸發(fā)SS大量懸浮，吸附作用主導(dǎo)磷固定，使PO?-P下降。

緩沖機(jī)制切換：隨湍流增強(qiáng)，磷固定機(jī)制從鐵氧化物結(jié)合（依賴氧擴(kuò)散）切換到懸浮沉積物吸附（依賴SS含量），SS含量成為關(guān)鍵控制因子。

 

環(huán)境啟示：在沉積物輸運(yùn)減少的流域（如三峽水庫(kù)），高強(qiáng)度湍流可能因SS不足削弱磷吸附，加劇 eutrophication 風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)水力調(diào)控（如流量管理）優(yōu)化SS含量可抑制生物有效磷。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense微電極系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)、原位測(cè)量沉積物-水界面（SWI）的溶解氧（DO）剖面，其研究意義主要體現(xiàn)在：

 

高分辨率空間數(shù)據(jù)：Unisense電極的微米級(jí)尖端（步長(zhǎng)0.05 mm）可精確捕捉SWI處的DO梯度（Fig. 3），避免了傳統(tǒng)取樣擾動(dòng)。數(shù)據(jù)顯示氧滲透深度變化（1.38–1.9 cm），直接證實(shí)湍流增強(qiáng)氧從水體向沉積物的擴(kuò)散，為氧化層形成提供證據(jù)。

揭示氧動(dòng)態(tài)對(duì)磷循環(huán)的調(diào)控：DO剖面與Fe(II)、SRP數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)（Fig. 4-5），表明低湍流下高氧滲透促進(jìn)Fe(III)氧化物形成，抑制磷釋放；高強(qiáng)度湍流下氧消耗增加，削弱氧化屏障，但SS吸附補(bǔ)償此作用。Unisense數(shù)據(jù)直接量化了氧環(huán)境對(duì)鐵-磷耦合過(guò)程的影響。

支撐機(jī)制推斷：通過(guò)DO梯度計(jì)算氧通量，結(jié)合DGT的SRP通量，Unisense數(shù)據(jù)幫助識(shí)別湍流強(qiáng)度閾值（ε ≈ 1.3 × 10?2 m2/s3），在此之上SS吸附取代氧擴(kuò)散成為主控機(jī)制。沒(méi)有原位DO測(cè)量，這種切換機(jī)制難以驗(yàn)證。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Unisense系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和高精度，使其成為研究界面微環(huán)境的關(guān)鍵工具，尤其適用于水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)。本研究通過(guò)Unisense捕獲的動(dòng)態(tài)DO變化，為湍流-磷釋放模型提供了實(shí)證基礎(chǔ)，突出了微電極在環(huán)境過(guò)程研究中的不可替代性。

 

總之，丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)是本研究的基石，通過(guò)提供SWI處高分辨率氧分布，它直接揭示了湍流如何調(diào)控氧化還原條件，進(jìn)而影響磷形態(tài)轉(zhuǎn)化，為理解水動(dòng)力-生物地球化學(xué)耦合機(jī)制提供了關(guān)鍵證據(jù)。