研究簡介:介紹了有害藻華（HABs）對全球湖泊生態(tài)系統(tǒng)平衡的威脅，以及磷（P）和氮（N）這兩種關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)在富營養(yǎng)化過程中的作用。HABs的頻繁發(fā)生和規(guī)模擴大不僅破壞了生態(tài)平衡，還對人類健康構(gòu)成風險，影響飲用水供應(yīng)、食品安全和休閑活動。磷曾被認為是淡水生態(tài)系統(tǒng)的限制性營養(yǎng)物質(zhì)，但近年來的研究表明，氮和磷的共同作用對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，沉積物磷釋放對水柱磷的貢獻可能超過外部磷輸入，成為影響HABs的關(guān)鍵因素。

研究人員選擇太湖的一個半封閉灣作為研究對象，使用高分辨率透析和擴散梯度薄膜采樣技術(shù)來測量沉積物中可移動磷和鐵的分布，以評估內(nèi)部磷負荷在形成季節(jié)性氮限制中的作用。

研究結(jié)果顯示，沉積物中可移動磷的季節(jié)性變化顯著，沉積物-水界面的SRP擴散通量在不同季節(jié)有較大波動，且與微生物介導(dǎo)的鐵氧化還原循環(huán)密切相關(guān)。內(nèi)部磷負荷在前藻華期和藻華期對氮限制有顯著影響，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)被用來測量沉積物和水體中的溶解氧（DO）濃度和氧化還原狀態(tài)。測量三個沉積物柱用于測量水-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試完成。

實驗結(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水體中氮的限制起到了重要作用。這與過去認為磷是限制性營養(yǎng)物質(zhì)的觀點不同，顯示了氮和磷共同作用對HABs形成的影響。通過高分辨率透析和擴散梯度薄膜技術(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的累積通量對水柱中總磷（TP）增加的貢獻，發(fā)現(xiàn)其占據(jù)了相當大的比例，從而證實了內(nèi)部磷負荷在氮限制中的顯著作用。研究結(jié)果為通過地質(zhì)環(huán)境工程方法控制內(nèi)源磷負荷提供了理論依據(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±標準差。

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±標準差。

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)，雙星號表示p<0.01水平的顯著性。

結(jié)論與展望

內(nèi)部磷（P）負荷來自沉積物在季節(jié)性氮（N）限制有害藻華（HABs）中的重要作用已被提出，盡管缺乏實驗證據(jù)。本研究以大型淺水湖泊太湖的一個富營養(yǎng)化灣為對象，調(diào)查內(nèi)部磷對氮限制的貢獻，研究時間為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）和擴散梯度薄膜（DGT）分析顯示沉積物中可移動磷（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擴散通量范圍從-0.01到6.76 mg/m2/d（負號表示向下通量）。

Unisense微電極系統(tǒng)被用來測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，是評估水體氧化狀態(tài)和生物活動的重要參數(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活躍程度的指標，對于理解沉積物中發(fā)生的化學(xué)和生物過程至關(guān)重要。

Unisense微電極系統(tǒng)使得研究者能夠監(jiān)測DO和Eh的季節(jié)性變化，這對于理解季節(jié)性氮限制和磷負荷的動態(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，反映了可移動磷的時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之間顯著負相關(guān)（p<0.01）的支持。這些結(jié)果為內(nèi)部磷負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)。