研究簡(jiǎn)介:介紹了有害藻華（HABs）對(duì)全球湖泊生態(tài)系統(tǒng)平衡的威脅，以及磷（P）和氮（N）這兩種關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中的作用。HABs的頻繁發(fā)生和規(guī)模擴(kuò)大不僅破壞了生態(tài)平衡，還對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)，影響飲用水供應(yīng)、食品安全和休閑活動(dòng)。磷曾被認(rèn)為是淡水生態(tài)系統(tǒng)的限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但近年來(lái)的研究表明，氮和磷的共同作用對(duì)HABs的形成至關(guān)重要。春季通常表現(xiàn)為磷限制，而夏季和秋季則可能轉(zhuǎn)變?yōu)榈拗?，這與季節(jié)性的溫度和氣象條件有關(guān)。沉積物中磷的釋放是一個(gè)已知現(xiàn)象，其釋放速率可能隨季節(jié)變化，尤其在溫暖季節(jié)增加。在某些情況下，沉積物磷釋放對(duì)水柱磷的貢獻(xiàn)可能超過(guò)外部磷輸入，成為影響HABs的關(guān)鍵因素。

研究人員選擇太湖的一個(gè)半封閉灣作為研究對(duì)象，使用高分辨率透析和擴(kuò)散梯度薄膜采樣技術(shù)來(lái)測(cè)量沉積物中可移動(dòng)磷和鐵的分布，以評(píng)估內(nèi)部磷負(fù)荷在形成季節(jié)性氮限制中的作用。

研究結(jié)果顯示，沉積物中可移動(dòng)磷的季節(jié)性變化顯著，沉積物-水界面的SRP擴(kuò)散通量在不同季節(jié)有較大波動(dòng)，且與微生物介導(dǎo)的鐵氧化還原循環(huán)密切相關(guān)。內(nèi)部磷負(fù)荷在前藻華期和藻華期對(duì)氮限制有顯著影響，為控制HABs提供了新的視角和方法。

Unisense微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)被用來(lái)測(cè)量沉積物和水體中的溶解氧（DO）濃度和氧化還原狀態(tài)。測(cè)量三個(gè)沉積物柱用于測(cè)量水-沉積物剖面中的溶解氧（DO）濃度和氧化還原狀態(tài)（Eh），使用氧氣和氧化還原微電極測(cè)試完成。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究結(jié)果表明，在前藻華期和藻華期，沉積物中的磷釋放對(duì)水體中氮的限制起到了重要作用。這與過(guò)去認(rèn)為磷是限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的觀點(diǎn)不同，顯示了氮和磷共同作用對(duì)HABs形成的影響。通過(guò)高分辨率透析和擴(kuò)散梯度薄膜技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)沉積物-水界面的溶解反應(yīng)性磷（SRP）通量在不同季節(jié)有顯著變化，這些變化與沉積物中鐵的氧化還原循環(huán)密切相關(guān)。估算了沉積物中SRP的累積通量對(duì)水柱中總磷（TP）增加的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其占據(jù)了相當(dāng)大的比例，從而證實(shí)了內(nèi)部磷負(fù)荷在氮限制中的顯著作用。研究結(jié)果為通過(guò)地質(zhì)環(huán)境工程方法控制內(nèi)源磷負(fù)荷提供了理論依據(jù)，這可能有助于在前藻華-水華階段維持磷限制條件，減少有害藻華的發(fā)生。

圖1、太湖美良灣采樣點(diǎn)位置圖

圖2、沉積物核心中反應(yīng)性磷和鐵濃度的垂直分布，每月采樣間隔為10毫米。結(jié)果表明反應(yīng)性磷和鐵濃度之間存在相關(guān)性，*表示0.05水平顯著性，**表示0.01水平顯著性。

圖3、2016年2月到2017年1月沉積物-水體剖面的溶解氧（DO）濃度和滲透深度的月度變化。值為三次重復(fù)分析的均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4、2016年2月到2017年1月沉積物-水體剖面的Eh值的垂直變化。值為三次重復(fù)分析的均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

圖5、2016年2月到2017年1月美良灣沉積物-水體剖面中溶解反應(yīng)性磷（SRP）和溶解鐵（Fe(II)）的月度分布。圖中顯示的是SRP與溶解鐵（Fe(II)）之間的相關(guān)系數(shù)，雙星號(hào)表示p<0.01水平的顯著性。

結(jié)論與展望

內(nèi)部磷（P）負(fù)荷來(lái)自沉積物在季節(jié)性氮（N）限制有害藻華（HABs）中的重要作用已被提出，盡管缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。本研究以大型淺水湖泊太湖的一個(gè)富營(yíng)養(yǎng)化灣為對(duì)象，調(diào)查內(nèi)部磷對(duì)氮限制的貢獻(xiàn)，研究時(shí)間為2016年2月到2017年1月。根據(jù)水柱中葉綠素a（Chla）濃度的增加，確定了從2月到8月的前藻華期和藻華期，在此期間，總氮與總磷（TN/TP）比率從43.4指數(shù)下降至7.4。高分辨率透析（HR-Peeper）和擴(kuò)散梯度薄膜（DGT）分析顯示沉積物中可移動(dòng)磷（SRP和DGT-可溶磷）在垂直分布上存在較大變化，沉積物-水界面的SRP擴(kuò)散通量范圍從-0.01到6.76 mg/m2/d（負(fù)號(hào)表示向下通量）。

Unisense微電極系統(tǒng)被用來(lái)測(cè)量沉積物和水體中的溶解氧（DO）濃度和氧化還原狀態(tài)（Eh）。溶解氧是水體中氧氣的溶解形式，是評(píng)估水體氧化狀態(tài)和生物活動(dòng)的重要參數(shù)。氧化還原狀態(tài)（Eh）則是衡量水體中氧化劑和還原劑相對(duì)活躍程度的指標(biāo)，對(duì)于理解沉積物中發(fā)生的化學(xué)和生物過(guò)程至關(guān)重要。

Unisense微電極系統(tǒng)使得研究者能夠監(jiān)測(cè)DO和Eh的季節(jié)性變化，這對(duì)于理解季節(jié)性氮限制和磷負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化具有重要意義。SRP與孔隙水中可溶性Fe(II)濃度之間存在顯著線性相關(guān)性，反映了可移動(dòng)磷的時(shí)空變化受微生物介導(dǎo)的鐵氧化還原循環(huán)控制。質(zhì)量估算顯示，沉積物中SRP的累積通量占水柱中總磷（TP）增加的54%。這些發(fā)現(xiàn)得到了沉積物SRP通量與水柱TN/TP之間顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01）的支持。這些結(jié)果為內(nèi)部磷負(fù)荷在前藻華期和藻華期造成氮限制的主要作用提供了有力證據(jù)。