Successful control of internal phosphorus loading after sediment dredging for 6 years: A field assessment using high-resolution sampling techniques

采用高分辨率采樣技術進行現場評價，成功地控制了挖沙6年后的沉積物的磷負荷

來源：Science of the Total Environment 616–617 (2018) 927–936

 

論文概述

研究重點是對太湖梅梁灣實施疏浚6年后的效果進行季節性現場評估，旨在探究疏浚工程對控制沉積物內源磷釋放的長期有效性及其作用機制。

 

1. 摘要核心內容

摘要指出，研究團隊使用高分辨率孔隙水平衡儀（HR-Peeper）和薄膜擴散梯度技術（DGT）等原位被動采樣技術，季節性測量了太湖疏浚區與未疏浚區沉積物中可溶性活性磷（SRP）、可溶性二價鐵（Fe(II)）以及DGT有效態磷/鐵的濃度。結果表明，盡管疏浚6年后，水體和沉積物的常規化學質量指標改善不明顯，但疏浚顯著降低了沉積物中孔隙水SRP和DGT有效態磷的濃度及其向上覆水的擴散通量，且效果存在季節和空間深度差異（冬季和春季效果優于夏秋季）。DIFS模型模擬表明，疏浚后沉積物固體對磷的保持能力增強。鐵磷之間的顯著正相關性揭示了鐵氧化還原循環在調控疏浚效果中的關鍵作用，而夏秋季藻類的分解會抑制疏浚的有效性。

2. 研究目的

本研究的主要目的是利用高分辨率采樣技術，對太湖實施長達6年的沉積物疏浚工程進行現場評估，以明確其控制內源磷負荷的實際效果和季節性變化規律，并深入揭示其背后的地球化學機制。由于以往基于沉積物總磷含量等傳統方法評估長期疏浚效果不夠靈敏，且疏浚工程在實際應用中效果不一，本研究旨在通過更先進的技術手段，為疏浚工程的長期環境效應提供更科學、更精確的評估。

3. 研究思路

研究思路清晰，采用了現場對比、季節追蹤、高分辨率監測與模型模擬相結合的策略：

 

選址與采樣：在太湖梅梁灣選擇地理位置上鄰近的未疏浚區（對照點）和已完成疏浚6年的區域（處理點）（圖1），于2016-2017年四個季節（4月、7月、10月、1月）分別采集沉積物柱狀樣。

 

環境背景測定：分析兩個點位水體的基本理化性質（如溶解氧DO、總磷TP、總氮TN、葉綠素a等）（表1）和表層沉積物的性質（如總磷TP、反應性磷/鐵等）（表2），以了解環境背景。

 

 

高分辨率原位測量：使用HR-Peeper技術獲取孔隙水中SRP和Fe(II)的垂直剖面分布（圖3a, 圖5a），使用ZrO-Chelex DGT技術獲取DGT有效態磷和鐵的垂直剖面分布（圖3b, 圖5b），分辨率達到毫米級。

 

 

關鍵界面過程量化：使用Unisense微電極測量沉積物-水界面（SWI）的溶解氧剖面，以確定氧滲透深度（OPD）（圖2）?；贔ick第一定律計算SRP的擴散通量（圖4）。

 

 

動力學機制解析：應用DGT誘導沉積物通量（DIFS）模型，模擬磷從沉積物固體向溶液的再補給動力學參數（如R值、Kd值、響應時間Tc等）（表4），從動力學角度評估疏浚的影響。

 

數據整合與機理分析：綜合以上所有數據，通過相關性分析等手段，揭示鐵磷耦合關系，并闡釋疏浚效果季節性差異的原因。

 

4. 測量數據、來源及其研究意義

測量的數據類型與意義

 

水體和沉積物理化性質（來自 表1 和 表2）

 

數據：水體中的DO, pH, TP, TN, Chla等；沉積物中的TP, TN, TOC, 反應性P/Fe。

 

研究意義：提供了研究區域的整體環境背景。數據顯示疏浚區與未疏浚區多數常規指標無顯著差異，突顯了使用高分辨率技術評估疏?！半[性”效果的必要性。反應性Fe在4月和7月的顯著降低，是后續解釋鐵磷耦合機制的重要線索。

 

氧滲透深度（OPD）（來自 圖2）

 

數據：通過Unisense微電極測量的沉積物-水界面溶解氧濃度垂直剖面。

 

研究意義：OPD是反映沉積物表層氧化還原狀態的關鍵指標。研究發現疏浚后OPD在4月和1月有所增加（分別增加0.4 mm和0.6 mm），說明疏浚改善了沉積物表層的氧化環境，這有利于鐵氧化物形成，從而吸附固定磷。

 

磷/鐵的高分辨率分布（來自 圖3 和 圖5）

 

數據：孔隙水SRP/Fe(II)和DGT有效態P/Fe的毫米級垂直分布曲線。

 

研究意義：這是論文的核心證據。數據顯示，疏浚顯著降低了孔隙水SRP和DGT有效態P的平均濃度和峰值。效果在空間上具有異質性（不同深度效果不同），在時間上具有季節性（冬春季效果更佳）。這直接證明了疏浚對抑制內源磷釋放的有效性，并揭示了其效果的復雜性。

 

磷擴散通量（來自 圖4）

 

數據：基于孔隙水SRP梯度計算的從沉積物向上覆水的擴散通量。

 

研究意義：量化了內源磷負荷的大小。結果顯示，疏浚后SRP擴散通量在4月、7月和1月顯著降低了76.7%、61.3%和86.6%，但在10月無顯著差異。這為“疏浚成功控制了內源磷負荷”提供了最直接的量化支持，并證實了夏秋季效果較差。

 

磷釋放動力學參數（來自 表4）

 

數據：通過DIFS模型得到的R值（CDGT/CSOL）、Kd值（固液分配系數）、Tc值（響應時間）等。

 

研究意義：從動力學角度揭示了疏浚對磷遷移轉化的影響機制。例如，4月份疏浚后R值和Kd值增大，Tc值減小，表明沉積物固體對磷的保持能力增強，磷的固-液交換動力學更快地趨向于吸附固定，這從過程層面解釋了疏浚為何能有效降低孔隙水磷濃度。

 

5. 主要結論

論文得出以下核心結論：

 

疏浚有效控制了內源磷負荷：盡管常規水質和沉積物指標改善不明顯，但高分辨率技術證實，疏浚6年后，沉積物孔隙水中的SRP濃度、DGT有效態磷濃度以及磷向上覆水的擴散通量均顯著降低，證明疏浚在控制內源磷釋放方面是成功的。

疏浚效果具有時空異質性：疏浚效果在冬春季（1月、4月）優于夏秋季（7月、10月）；在垂直剖面上，對表層以下（如8-20 mm）沉積物的影響比對最表層（0-8 mm）更為顯著。

鐵氧化還原循環是關鍵機制：磷與鐵（無論是孔隙水還是DGT有效態）始終呈現顯著正相關。疏浚通過改善沉積物表層的氧化條件（如增加OPD），促進了鐵氧化物的形成，增強了通過“鐵陷阱”機制對磷的固定作用，這是疏浚生效的核心地球化學原理。

藻類分解抑制疏浚效果：在夏秋季，藻華沉降和分解消耗大量氧氣，造成厭氧環境，促使鐵氧化物溶解，釋放其結合的磷，從而部分抵消了疏浚的積極效果。

 

高分辨率技術的優勢：與傳統方法相比，HR-Peeper和DGT等高分辨率原位采樣技術能夠更靈敏、更準確地評估疏浚等環境修復工程的長期效果。

 

6. 詳細解讀：Unisense微電極測量數據的研究意義

論文中使用丹麥Unisense微電極測量了沉積物-水界面（SWI）附近的溶解氧（DO）濃度垂直剖面。

測量數據：獲得了不同季節、不同點位（疏浚與未疏浚）SWI上下數厘米范圍內的DO濃度連續分布圖，并據此計算出氧滲透深度（OPD）（圖2）。數據顯示，疏浚后OPD在4月增加了0.4 mm，在1月增加了0.6 mm。

詳細研究意義解讀：

 

定義沉積物關鍵界面的氧化還原狀態：OPD是判斷沉積物表層是處于氧化還是還原環境的直接、關鍵指標。Unisense微電極提供的毫米級分辨率數據，能夠精確描繪出氧化層（富含DO）和其下的還原層（DO匱乏）的邊界。疏浚后OPD的增加，直接證明了疏浚工程改善了沉積物表層的氧化環境。

連接疏浚工程與鐵磷耦合機制：OPD的測量是理解整個研究核心機制——鐵磷耦合——的橋梁。其邏輯鏈如下：

 

疏浚行動-> 移除了富含有機質和還原性物質的表層沉積物 -> 改善了沉積物-水界面的物理結構和化學環境。

Unisense電極數據證實 -> 氧化層增厚（OPD增加）-> 為鐵的存在形態創造了有利條件。

在氧化條件下，可溶性的Fe(II)被氧化成不溶性的Fe(III)氧化物/氫氧化物（如水鐵礦），這些新形成的鐵氧化物具有巨大的比表面積和強烈的吸附能力。

 

這些鐵氧化物作為“磷陷阱”，有效吸附并固定了孔隙水中的磷酸鹽，從而阻止其向上覆水擴散。這正是研究中觀察到疏浚區孔隙水SRP和DGT有效態P濃度降低的根本原因之一。

 

解釋疏浚效果的季節性差異：Unisense的數據顯示，疏浚對OPD的改善效果在冬春季（4月、1月）更明顯，而在夏秋季（10月）甚至出現OPD減少。這與磷釋放通量的季節性變化模式高度一致。在夏秋季，藻類大量繁殖后死亡分解，消耗大量氧氣，使沉積物表層迅速轉為厭氧，削弱甚至逆轉了疏浚創造的氧化環境，導致鐵氧化物溶解，磷被釋放。因此，Unisense的DO剖面數據為解釋“為何疏浚在夏秋季效果不佳”提供了關鍵的環境證據。

 

綜上所述，Unisense微電極測量得到的溶解氧剖面和OPD數據，遠不止是一個環境參數。它是將物理疏浚工程、沉積物地球化學過程（鐵磷耦合）和最終環境效應（磷釋放控制）三者有機聯系起來的核心觀測證據，極大地增強了論文關于疏浚機制論證的完整性和說服力。