摘要


有人提出，沉积物中磷（P）的内部负荷在有害藻华（HAB）的季节性氮（N）限制中起着重要作用，尽管缺乏实验证据。在这项研究中，对来自大型浅水湖泊太湖的富营养化海湾进行了研究，以调查在一年的现场采样期间（2016年2月至2017年1月）内部磷氮限制的贡献。根据水体中叶绿素A浓度的增加，确定了2月至8月为花前盛期，在此期间，全氮与总磷（TN/TP）的比值随月份呈指数下降，从43.4降至7.4。高分辨率透析（HR Peeper）和薄膜扩散梯度（DGT）分析表明，沉积物中可移动P（SRP和DGT不稳定P）的垂直分布有很大变化，导致沉积物-水界面的SRP扩散通量从−0.01至6.76 mg/m2/d（负号表示向下通量）。SRP与孔隙水中可溶性Fe（II）浓度之间存在显着的线性相关性，反映出流动P的时空变化受微生物介导的Fe氧化还原循环控制。质量估算表明，沉积物中SRP的累积通量占水华前期水柱中观察到的TP增加量的54%。在同一时期，沉积物SRP通量与水柱TN/TP之间观察到的显着负相关（pb 0.01）支持了这些发现。总的来说，这些结果为内部磷负荷在花期前引起氮限制的主要作用提供了坚实的证据。


1.导言


有害藻华（HAB）在世界范围内发生的数量和频率都在不断增加。它们严重威胁湖泊生态系统的平衡，通过影响饮用水供应、粮食安全和娱乐用途对公众健康构成威胁（Brooks等人，2016年）。赤潮是水体富营养化的既定指标，水体富营养化是由水体中人为营养物的过度富集引起的（Paerl和Otten，2013年）。氮（N）和磷（P）是富营养化的关键营养素；它们在促进淡水生态系统中浓度显着增加的有害生物方面发挥着主导作用（Peñuelas等人，2013年；Schindler等人，2016年；Tong等人，2017年）。


在过去几十年中，P被视为淡水生态系统中的主要限制性营养素（Schelske 2009；Schindler等人，2008年，2016年），基于多尺度实验的证据，包括长期案例研究和多年整湖评估（Ho和Michalak 2017；Schindler等人，2008年，2016年）。因此，与氮限制相比，磷限制受到了更多的研究关注，这鼓励了对磷输入的有效控制措施的发展，而氮的控制被蓝藻氮固定所抵消（Correll 1998；Lewis et al.2011；Schindler et al.2008）。然而，从瓶式生物测定到整个湖泊的一系列规模的营养物富集实验结果表明，浮游植物的大量生长和赤潮的形成受氮和磷的富集控制，而不仅仅是氮或磷（Chen等人，2013年；Lewis和Wurtsbaugh，2008年；Lewis等人，2011年；Paerl等人，2016年；Xu等人，2015年）。研究发现，氮和磷的限制作用在不同季节、不同地区、甚至在湖泊内的空间上都存在时间上的差异。通常在春季观察到磷限制，而在夏季和秋季，当温度和气象条件有利于形成赤潮时，磷限制通常会转变为氮限制（Bullerjahn等人，2016年；Chaffin等人，2013年；Janssen等人，2017年）。从磷限制到双重限制的范式变化是因为蓝藻固氮不能始终满足湖泊生态系统对氮的需求。磷的输入可以通过沉积物中磷的释放来维持，而氮的缺乏通常是由于反硝化作用（Lewis et al.2011；Paerl et al.2016）。


由于内部沉积物负荷导致的磷释放已得到广泛认可（Janssen等人2017年；Lepori和Roberts 2017年；Paytan等人2017年；Xie等人2003年），在外部磷输入减少后，磷释放通常持续5-15年（Jeppesen等人2005年；Watson等人2016年；Welch和Cooke 2005年）。沉积物P释放速率可能随季节变化，通常在温暖季节观察到增加（Spears et al.2012；Yang et al.2013）。据报道，在一些湖泊中，沉积物P释放到水柱中的贡献超过了外部P输入，并成为影响赤潮的关键因素（Nürnberg and LaZerte 2016；Penn et al.2000；Sondergaard et al.2003；Wu et al.2017）。在某些情况下，磷的内部扩散循环本身无法触发HAB，但与外部磷负荷增加结合时，可能会导致水华（Matisoff等人，2016）。然而，很少有实验证据证明沉积物中的磷负荷会导致氮和磷浓度的不平衡，并且季节变化会从磷限制变为氮限制（Orihel et al.2015）。


本研究选取太湖半封闭海湾，研究了内部磷负荷对水体季节性养分限制的影响。采用高分辨率渗析（HR-Peeper）和薄膜扩散梯度（DGT）采样器测量沉积物中可移动P和Fe（II）的分布。计算了通过沉积物-水界面（SWI）的扩散通量及其对水柱P的贡献，从而评估了内部P负荷对季节性氮限制形成的作用。


2.材料和方法


2.1.湖泊描述和现场


太湖位于长江三角洲东南部，中国沿海平原（图1）。这是一个大型浅水湖泊，平均深度约2.0米，面积2340平方公里。20世纪60年代，太湖的一些地区首次报告了有害的藻类水华（秦等人，2004年）。到20世纪90年代中后期，受影响的区域逐渐扩展到湖泊的大部分地区（Xu等人，2017年）。在HAB事件期间，根据Chla浓度，蓝藻占浮游植物生物量的大部分（60–90%）（Otten等人，2012年；Xu等人，2017年）。2007年5月，发生了一场广为宣传的饮用水危机，无锡市饮用水厂因一个非常大的“蓝藻垫”而停止运行（秦等人，2010年）。此后，中国中央和地方政府采取了一系列措施，以减少湖泊的外部营养负荷（吴和胡，2008年；杨和刘，2010年）。因此，2007年后，梅梁湾的TN和TP浓度持续下降，恢复到20世纪90年代初观察到的水平（Xu et al.2017）。然而，Chla浓度并没有像预期的那样随TN和TP的减少而降低。

图1。太湖梅梁湾采样点位置（由Xu等人2017年修改）。


采样点位于南京地理与湖泊研究所太湖生态系统研究实验室（TLLER）（北纬31°26′18〃，东经120°11′12〃）附近的梅梁湾（图1）。梅梁湾是太湖最富营养化的区域之一（Xu等人，2014）。2007年至2009年，梅梁湾每年的叶绿素浓度继续增加，达到43μg/L的峰值，此后保持在20μg/L以上（Xu等人，2017年）。连接梅梁湾的三条河流吴井港、芝湖港和梁溪河都已被当地政府关闭，以防止外来污水进入梅梁湾。


2.2.HR-peeper和DGT取样器的原理和制备


HR窥视器装置包含30个等间距200μL的腔室，完全装有去离子水，垂直分辨率为4.0 mm（丁等人2010；徐等人2012），腔室表面用0.45μm硝酸纤维素膜覆盖。平衡后，通过分析室内的样品溶液，测量沉积物孔隙水中的可溶性分析物浓度。


DGT是一种被动取样技术，用于测量分析物的不稳定部分（Zhang等人2014；Zhang和Davison 1995）。同时，在二维水平（2D）上进行高分辨率DGT测量，可以灵敏地反映溶液浓度和固相再补给的局部变化（丁等人2015；桑特纳等人2015）。为此，使用厚度为10至100μm的薄扩散层，DGT测量通常解释为时间平均通量（μg-cm）−2秒−1）（Santner等人，2015）如式（1）所示：



其中t是部署时间；A是凝胶的暴露面积（cm2）；M是整个展开时间内相应的累积质量（μg）。


使用氧化锆结合凝胶的钼蓝表面染色法，使用氧化锆DGT在2D-亚毫米水平上测量不稳定P（丁等人，2013年）（丁等人，2011年）。在DGT探针的组装过程中，锆氧化物结合凝胶被Durapore®PVDF膜（微孔；0.45μm孔径；0.10 mm厚度）覆盖，并使用新型平面塑料支架组装在一起（丁等人，2016b）。Zr氧化物DGT和HR Peeper探针均由EasySensor Ltd.（www.EasySensor.net）提供。在部署之前，他们用氮气脱氧至少16小时。


2.3.抽样和分析


从2016年2月到2017年1月，每月从采样点采集九个沉积物芯（直径9厘米，长度30厘米）。现场将每个岩芯中沉积物和上覆水的厚度调整至约20 cm。采集后3小时内将岩芯运送至实验室。将三个岩心放入一个槽中，培养2-3天，以部署HR Peeper和Zroxide DGT探针。使用循环水浴将现场温度保持在同一水平。对于HR-Peeper和Zr-oxide DGT探针的部署，首先将一个HR-Peeper探针插入其中一个芯中并部署24小时。随后，将一个Zr-oxide DGT探针插入同一个芯中，并将其再培养24小时。使用7月收集的芯进行初步试验，结果表明，在培养3天之前或之后，沉积物中溶解氧浓度（DO）和溶解氧渗透深度（OPD）没有显着变化（图S1）。


使用氧和氧化还原微电极（丹麦Unisense），三个岩心用于测量水沉积物pro文件中的溶解氧（DO）浓度和氧化还原状态（Eh）。在氮气气氛下，将剩余的三个沉积物岩芯切成1.0厘米的部分，深度低于表面10厘米。沉淀段在室温下冻干−80°C，然后储存在4°C下进行分析。海底深处的沉积层−20到−选择30 mm（负数表示SWI下方的深度）进行细菌丰度分析。样本分析的详细信息见支持信息。


2.4.通过SWI的SRP通量计算


根据菲克第一定律（Boudreau 1996），根据公式（2）计算穿过SWI的SRP（F）扩散通量，并使用公式（3）计算沉积物弯曲度（Boudreau 1996）：




式中φ表示沉积物孔隙度（无量纲）；θ代表沉积物弯曲度（无量纲）；D0指H2PO4的溶质扩散系数−,C是使用HR Peeper测定的SRP浓度（mg/L）；z代表深度（mm）；ð∂∂CzÞz¼0指SWI附近的SRP浓度梯度（斜率）与深度数据（通常为20mm或更小）。


2.5.统计分析


使用SPSS v19进行统计分析。0软件。使用Pearson相关系数分别分析两个变量之间的相关性，在显着性水平为PB0.05和PB0.01。2015年2月至2016年1月的水质数据也用于分析，监测数据由TLLER提供。