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季節(jié)性缺氧是深水湖庫(kù)的典型特征。在亞熱帶水庫(kù),夏季出現(xiàn)熱分層并伴隨湖下層水體有機(jī)質(zhì)持續(xù)分解易導(dǎo)致季節(jié)性缺氧現(xiàn)象。盡管水庫(kù)的缺氧和富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)系已比較清楚,但缺氧條件下沉積物中磷(P)的生物地球化學(xué)過(guò)程與釋放通量的研究不多。本研究于2017年春(富氧)、夏(缺氧)季節(jié)對(duì)福建閩江水口水庫(kù)湖泊區(qū)沉積物開(kāi)展觀測(cè)研究(圖1)。結(jié)合采用連續(xù)提取法(SEDEX)和薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)(DGT),對(duì)沉積物剖面磷組分及活性磷濃度進(jìn)行精細(xì)測(cè)量,并估算了沉積物-水界面(SWI)磷的表觀釋放通量。此外,在2018年夏季采集沉積物及上覆水開(kāi)展室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),考察水中溶氧(DO)濃度變化及其對(duì)磷釋放的影響。研究目的包括:(1)識(shí)別水庫(kù)沉積物剖面磷組分的垂直分布特征;(2)探明控制沉積物中磷循環(huán)的主要因子;(3)闡明季節(jié)性缺氧對(duì)沉積物磷釋放的影響。
Unisense微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用
使用微電極研究系統(tǒng)(Unisense,Denmark)表征了基板(CW填充)周圍微環(huán)境中的DO含量和ORP。
圖1福建閩江水口水庫(kù)采樣站位
沉積物磷形態(tài)
基于連續(xù)提取法(SEDEX)的結(jié)果表明,沉積物中磷組分和磷濃度在不同沉積物深度和不同季節(jié)存在差異(圖2)??偭自诖杭竞拖募镜臐舛确秶謩e為0.30-1.33和0.26-1.38 g kg-1,其中鐵結(jié)合態(tài)磷(Fe-P)是主要的磷形態(tài),在春、夏季的占比分別高達(dá)76%和80%;其次是鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)和碎屑磷(detrital P),在春季的濃度范圍分別為0.02-0.12和0.05-0.10 g kg-1,均略高于夏季;可交換態(tài)磷(exchangeable P)的濃度最低(0-0.01 g kg-1)。流域廣泛分布紅壤(富含F(xiàn)e2O3/MnO2)是水口水庫(kù)沉積物中Fe-P占比高的主要原因。
圖2 2017年春季(a)和夏季(b)不同深度沉積物磷組分分布特征
活性磷分布
薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)(DGT)獲取的沉積物剖面(0-12 cm)活性磷(PO43-)濃度的分布存在季節(jié)性差異(圖3)。夏季PO43-濃度最大值(17.73μmol L-1)出現(xiàn)在1 cm左右;春季濃度最大值(8.30μmol L-1)出現(xiàn)在4 cm左右。在夏季的0-1 cm和春季的0-4 cm沉積物深度,DGT-PO43-濃度與DGT-Fe2+和DGT-S2-濃度顯著正相關(guān)(p<0.05)(圖4)。這種活性磷含量分布的季節(jié)性差異主要與沉積物Fe-P的還原性溶解及“P-Fe-S”耦合循環(huán)過(guò)程有關(guān)。
圖3 2017年春季和夏季沉積物-水界面PO43-、Fe2+和S2-濃度分布
圖4沉積物中DGT-PO43-與DGT-Fe2+(a1、b1)和DGT-S2-的(a2、b2)關(guān)系
沉積物-水界面磷釋放
基于上覆水和沉積物中DGT-PO43-濃度計(jì)算沉積物-水界面磷釋放通量。結(jié)果表明,在溫度較高、DO濃度較低的夏季,磷表現(xiàn)為從沉積物向上覆水釋放,釋放通量為1.30 mg m-2 d-1,而溫度較低、DO較高的春季則表現(xiàn)為從上覆水向沉積物下滲,下滲通量為0.03 mg m-2 d-1。
基于DO濃度梯度變化(1、2、3、4、5、6 mg L-1)的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著培養(yǎng)體系中DO濃度的降低,上覆水中PO43-濃度呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)。上述結(jié)果表明季節(jié)性缺氧是影響沉積物磷循環(huán)和磷釋放的關(guān)鍵因素(圖5)。
圖5季節(jié)性缺氧調(diào)控水庫(kù)沉積物-水界面磷循環(huán)概念模型
本研究探討了亞熱帶水庫(kù)季節(jié)性缺氧在調(diào)節(jié)沉積物-水界面磷循環(huán)、釋放及其對(duì)維持水庫(kù)及下游水生態(tài)系統(tǒng)健康的潛在作用。