An investigation of the effects of capping on internal phosphorus release from sediments under rooted macrophytes (Phragmites australis) revegetation

覆蓋對蘆葦根系植被下沉積物內(nèi)磷釋放的影響

來源：Environmental Science and Pollution Research（2018年）25:24682–24694

 

論文總結(jié)

摘要核心內(nèi)容

研究了在根生大型植物（蘆葦，Phragmites australis）再植被條件下，沉積物覆蓋（capping）對內(nèi)部磷釋放的影響。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：

 

磷形態(tài)變化：蘆葦生長導(dǎo)致沉積物總磷（TP）和鈣結(jié)合磷（Ca-P）顯著減少（平均減少291.1 mg kg?1和224.2 mg kg?1），而鐵吸附磷（Fe-P）增加（從26.4增至124.8 mg kg?1），表明植物吸收促進了磷的活化和形態(tài)轉(zhuǎn)化。

覆蓋效果：盡管覆蓋（使用清潔土壤）能短期降低孔隙水可溶性活性磷（SRP）濃度，但蘆葦再植被增強了沉積物磷的移動性，導(dǎo)致磷擴散通量隨孵化時間增加。

機制解析：蘆葦根系分泌有機酸，溶解沉積物中的礦物磷（如Ca-P），并通過鐵氧化還原循環(huán)促進磷釋放；覆蓋層未能有效阻斷這種生物驅(qū)動下的磷再活化。

 

管理啟示：根生植物再植被可能削弱覆蓋技術(shù)的磷固定效果，建議在湖泊修復(fù)中結(jié)合物理-生態(tài)工程措施以優(yōu)化內(nèi)源磷控制。

 

摘要強調(diào)，根生大型植物再植被是沉積物磷循環(huán)的關(guān)鍵擾動因子，覆蓋技術(shù)評估需考慮植物-沉積物相互作用。

研究目的

本研究旨在：

 

評估耦合效應(yīng)：揭示蘆葦（P. australis）再植被對沉積物覆蓋控制內(nèi)源磷釋放的影響，填補植物-覆蓋交互作用的知識空白。

量化磷動態(tài)：通過長期實驗（120天）測量磷形態(tài)、孔隙水SRP、擴散通量等參數(shù)，解析磷活化的時空規(guī)律。

識別驅(qū)動機制：探究有機酸分泌、pH變化和鐵循環(huán)等生物地球化學過程在磷再活化中的作用。

 

指導(dǎo)修復(fù)實踐：為富營養(yǎng)化湖泊修復(fù)中覆蓋技術(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，避免植物引入的負面效應(yīng)。

 

研究思路

研究采用長期模擬實驗與多參數(shù)監(jiān)測相結(jié)合的策略：

 

實驗設(shè)計：

 

材料采集：從巢湖采集沉積物、上覆水和蘆葦根莖，使用清潔土壤作為覆蓋材料（厚度：0、2、5、10、18 cm），設(shè)置5種處理（各20重復(fù)）。

模擬系統(tǒng)：在室外連續(xù)流動培養(yǎng)系統(tǒng)中進行120天孵化（2014年7月至12月），模擬自然條件（水深40±5 cm），定期更換湖水以維持營養(yǎng)狀態(tài)。

 

植物種植：蘆葦根莖種植密度80株/m2，預(yù)培養(yǎng)30天后開始測量。

 

采樣與分析：

 

環(huán)境參數(shù)：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測量沉積物-水界面的溶解氧（DO）和pH剖面（方法節(jié)）。

磷測量：

 

磷形態(tài)：順序提取法分析沉積物TP、Ca-P、Fe-P、Al-P、松散結(jié)合磷（Loose-P）和有機磷（Org-P）（Fig. 2）。

 

 

孔隙水SRP：高分辨率透析裝置（HR-Peeper）以2 mm分辨率測量SRP和Fe(II)濃度（Fig. 4）。

 

擴散通量：基于Fick定律計算SRP跨界面通量（Fig. 5）。

 

植物生長：測量生物量、根長、根活性等形態(tài)指標（Fig. 3）。

 

數(shù)據(jù)分析：使用ANOVA和相關(guān)性檢驗（如Pearson）分析時空差異，評估覆蓋厚度和植物生長的效應(yīng)。

 

測量數(shù)據(jù)、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數(shù)據(jù)，其具體來源和科學意義如下：

1. DO和pH剖面數(shù)據(jù)（來自 Fig. 1）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：DO滲透深度在實驗?zāi)┢陲@著增加（覆蓋10 cm和5 cm處理最明顯）；pH在覆蓋處理中升高（7-8），對照區(qū)接近中性（~7）。

 

研究意義：Unisense電極數(shù)據(jù)揭示覆蓋層提高了沉積物氧化層厚度（DO深度增加），但同時導(dǎo)致堿性環(huán)境（pH升高），可能促進磷解吸。這種氧化還原梯度變化是磷釋放的關(guān)鍵驅(qū)動因子。

 

2. 磷形態(tài)變化數(shù)據(jù)（來自 Fig. 2）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：TP和Ca-P含量隨時間下降（如Ca-P從初始~500 mg kg?1降至~300 mg kg?1），F(xiàn)e-P含量上升（從~50 mg kg?1增至~150 mg kg?1）；Al-P和Org-P變化不顯著。

 

研究意義：蘆葦吸收優(yōu)先利用Ca-P（穩(wěn)定形態(tài)），同時活化Fe-P（活性形態(tài)），表明植物生長改變了磷的穩(wěn)定性，增加生物可利用性。

 

3. 植物生長特征數(shù)據(jù)（來自 Fig. 3）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：蘆葦總生物量、根長、根表面積等指標隨覆蓋厚度增加而升高（如18 cm覆蓋處理生物量最高）；根活性在實驗后期下降。

 

研究意義：覆蓋層提供物理支持，促進根系發(fā)育，但根活性降低可能反映營養(yǎng)競爭；植物生長參數(shù)與磷吸收直接相關(guān)，解釋磷減少原因。

 

4. 孔隙水SRP和Fe(II)剖面數(shù)據(jù)（來自 Fig. 4）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：SRP和Fe(II)濃度在沉積物表層（0-30 mm）呈現(xiàn)峰值分布；覆蓋處理中SRP濃度短期下降，但120天后顯著升高（如2 cm覆蓋處理SRP從~2 mg L?1增至~4 mg L?1）。

 

研究意義：HR-Peeper數(shù)據(jù)證實磷釋放與鐵還原耦合（SRP與Fe(II)正相關(guān)，Table 2），蘆葦根系創(chuàng)建局部厭氧微區(qū)，驅(qū)動Fe(III)還原和磷溶解。

 

5. SRP擴散通量數(shù)據(jù)（來自 Fig. 5）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：覆蓋初期（Day 0）SRP通量從沉積物向上覆水擴散；120天后，厚覆蓋處理（10 cm和18 cm）通量反向（從水向沉積物），但對照和薄覆蓋（2 cm）通量達峰值。

 

研究意義：通量計算表明覆蓋短期有效，但長期下植物活動逆轉(zhuǎn)磷流向，凸顯蘆葦再植被導(dǎo)致內(nèi)源負荷增加。

 

6. 相關(guān)性數(shù)據(jù)（來自 Table 2和附表）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：SRP與Fe(II)顯著正相關(guān)（r > 0.9, p < 0.001），植物生物量與Fe-P正相關(guān)、與Ca-P負相關(guān)。

 

研究意義：統(tǒng)計驗證鐵還原是磷釋放主機制；植物生長指標與磷形態(tài)關(guān)聯(lián)，證實根系活動調(diào)控磷遷移。

 

主要結(jié)論

 

磷再活化顯著：蘆葦再植被導(dǎo)致沉積物磷移動性增強，TP和Ca-P減少，F(xiàn)e-P增加，不利于覆蓋的長期磷固定。

覆蓋效果受限：盡管覆蓋短期降低孔隙水SRP，但植物驅(qū)動下的磷擴散通量隨時間增加，厚覆蓋（10-18 cm）僅能部分抵消負面效應(yīng)。

機制主導(dǎo)：有機酸分泌和鐵還原是磷活化的核心過程，pH升高（Unisense數(shù)據(jù)）進一步促進解吸。

 

修復(fù)啟示：單一覆蓋技術(shù)可能無法有效控制內(nèi)源磷，需結(jié)合植物管理（如收割）或聯(lián)合技術(shù)（如化學鈍化）以平衡生態(tài)修復(fù)目標。

 

詳細解讀：使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)被用于高分辨率測量沉積物-水界面的溶解氧（DO）和pH剖面（方法節(jié)），其數(shù)據(jù)是解析磷釋放環(huán)境驅(qū)動的關(guān)鍵。具體研究意義如下：

測量數(shù)據(jù)描述

Unisense電極提供：

 

DO剖面：以毫米級分辨率測量DO濃度，確定氧化層厚度（如DO滲透深度）。

pH剖面：實時監(jiān)測孔隙水pH變化，反映微生物和根系活動的影響。

 

時空動態(tài)：實驗初期和末期對比（Fig. 1），顯示覆蓋處理下DO和pH的演變。

 

研究意義解讀

 

量化氧化還原狀態(tài)：Unisense數(shù)據(jù)顯示覆蓋層顯著增加DO滲透深度（Fig. 1），表明氧化層擴展，本應(yīng)抑制厭氧磷釋放。然而，pH同步升高（至8以上），創(chuàng)造堿性條件，反而促進磷從沉積物解吸（因羥基競爭吸附位點）。這種矛盾效應(yīng)解釋為何覆蓋未能完全阻斷磷釋放——氧化作用被堿化作用抵消。

關(guān)聯(lián)植物活動：pH升高與蘆葦根系分泌有機酸相關(guān)（討論節(jié)），Unisense剖面捕捉到根際微環(huán)境變化（如表層pH峰值），直接證實植物生理活動改變沉積物化學性質(zhì)，驅(qū)動磷活化。

支持機制推斷：DO和pH數(shù)據(jù)與磷形態(tài)變化（Fig. 2）和孔隙水SRP（Fig. 4）耦合：高pH促進Ca-P溶解，低DO區(qū)域（根際）觸發(fā)Fe還原，導(dǎo)致Fe-P增加和SRP釋放。Unisense測量為“有機酸-鐵還原”機制提供環(huán)境背景。

 

技術(shù)優(yōu)勢：Unisense電極的毫米級分辨率（Fig. 1）避免整體測量誤差，精準識別界面梯度。沒有這些數(shù)據(jù)，研究無法確認微環(huán)境變化的主導(dǎo)性，或解釋覆蓋效果的空間異質(zhì)性（如薄覆蓋與厚覆蓋差異）。

 

總之，Unisense電極數(shù)據(jù)不僅是描述性指標，更是因果解析的核心——它證實覆蓋層通過改變DO和pH影響磷行為，但植物引入的生物擾動（如根際堿化）逆轉(zhuǎn)了正面效應(yīng)。該技術(shù)的應(yīng)用提升了研究的機制深度和管理啟示，強調(diào)湖泊修復(fù)需統(tǒng)籌物理覆蓋和生物過程。