季节性缺氧是深水湖库的典型特征。在亚热带水库，夏季出现热分层并伴随湖下层水体有机质持续分解易导致季节性缺氧现象。尽管水库的缺氧和富营养化的关系已比较清楚，但缺氧条件下沉积物中磷（P）的生物地球化学过程与释放通量的研究不多。本研究于2017年春（富氧）、夏（缺氧）季节对福建闽江水口水库湖泊区沉积物开展观测研究（图1）。结合采用连续提取法（SEDEX）和薄膜扩散梯度技术（DGT），对沉积物剖面磷组分及活性磷浓度进行精细测量，并估算了沉积物-水界面（SWI）磷的表观释放通量。此外，在2018年夏季采集沉积物及上覆水开展室内培养实验，考察水中溶氧（DO）浓度变化及其对磷释放的影响。研究目的包括：（1）识别水库沉积物剖面磷组分的垂直分布特征；（2）探明控制沉积物中磷循环的主要因子；（3）阐明季节性缺氧对沉积物磷释放的影响。


Unisense微电极研究系统的应用


使用微电极研究系统（Unisense，Denmark）表征了基板(CW填充)周围微环境中的DO含量和ORP。

图1福建闽江水口水库采样站位


沉积物磷形态


基于连续提取法（SEDEX）的结果表明，沉积物中磷组分和磷浓度在不同沉积物深度和不同季节存在差异（图2）。总磷在春季和夏季的浓度范围分别为0.30-1.33和0.26-1.38 g kg-1，其中铁结合态磷（Fe-P）是主要的磷形态，在春、夏季的占比分别高达76%和80%；其次是钙结合态磷（Ca-P）和碎屑磷（detrital P），在春季的浓度范围分别为0.02-0.12和0.05-0.10 g kg-1，均略高于夏季；可交换态磷（exchangeable P）的浓度最低（0-0.01 g kg-1）。流域广泛分布红壤（富含Fe2O3/MnO2）是水口水库沉积物中Fe-P占比高的主要原因。

图2 2017年春季（a）和夏季（b）不同深度沉积物磷组分分布特征


活性磷分布


薄膜扩散梯度技术（DGT）获取的沉积物剖面（0-12 cm）活性磷（PO43-）浓度的分布存在季节性差异（图3）。夏季PO43-浓度最大值（17.73μmol L-1）出现在1 cm左右；春季浓度最大值（8.30μmol L-1）出现在4 cm左右。在夏季的0-1 cm和春季的0-4 cm沉积物深度，DGT-PO43-浓度与DGT-Fe2+和DGT-S2-浓度显著正相关（p<0.05）（图4）。这种活性磷含量分布的季节性差异主要与沉积物Fe-P的还原性溶解及“P-Fe-S”耦合循环过程有关。

图3 2017年春季和夏季沉积物-水界面PO43-、Fe2+和S2-浓度分布

图4沉积物中DGT-PO43-与DGT-Fe2+（a1、b1）和DGT-S2-的（a2、b2）关系


沉积物-水界面磷释放


基于上覆水和沉积物中DGT-PO43-浓度计算沉积物-水界面磷释放通量。结果表明，在温度较高、DO浓度较低的夏季，磷表现为从沉积物向上覆水释放，释放通量为1.30 mg m-2 d-1，而温度较低、DO较高的春季则表现为从上覆水向沉积物下渗，下渗通量为0.03 mg m-2 d-1。


基于DO浓度梯度变化（1、2、3、4、5、6 mg L-1）的室内模拟实验结果表明，随着培养体系中DO浓度的降低，上覆水中PO43-浓度呈现明显增加的趋势。上述结果表明季节性缺氧是影响沉积物磷循环和磷释放的关键因素（图5）。

图5季节性缺氧调控水库沉积物-水界面磷循环概念模型


本研究探讨了亚热带水库季节性缺氧在调节沉积物-水界面磷循环、释放及其对维持水库及下游水生态系统健康的潜在作用。