3.结果


3.1.一般水质和沉积物质量


表1概述了基本水质特征。水温在9.2至31.2°C之间变化，溶解氧浓度在5.95至12.2 mg/L之间变化，最低水平出现在7月（5.95 mg/L）和8月（6.32 mg/L）。pH值在8.29到9.57之间变化，最大值出现在7月（9.25），然后是6月（8.21）。2016年2月至10月，Chla的浓度范围为12.3 mg/L至178.4 mg/L，8月的浓度也相对较高（153.4 mg/L）。TN的浓度范围为9月的1.63 mg/L至8月的4.92 mg/L，而TP的浓度则呈上升趋势，从2月的0.056 mg/L至8月的0.46 mg/L，随后在2017年1月降至0.08 mg/L。总氮与总磷之比（TN/TP）呈现下降趋势，从2016年2月的43.4降至2016年9月的7.4，然后在2017年1月上升至21.2。2015年2月至2016年1月，Chla、TN、TP浓度和TN/TP比值也出现了类似的趋势。在这两个数据集中，叶绿素a浓度与总磷浓度呈正相关（均为p0.01），而叶绿素a浓度与总氮浓度之间不存在相关性。


表1 2015年2月至2017年1月太湖梅梁湾采样点的水质特征。




表2列出了基本的沉积物质量特征。在表层沉积物中，TOC、TN和TP的浓度变化不大。在大多数采样时间，活性铁和磷的浓度显示出相似的分布，从4月到5月，铁的浓度和从4月到6月，P的浓度都非常低（图2）。细菌丰度的浓度范围为1.33E+11到11.4E+11拷贝，3月份的值明显高于所有其他月份。OPD从6月的0.6毫米到2月的3.4毫米不等，6月到8月的OPD值相对较低（0.6到1.6毫米）（图3）。Eh值随沉积深度的增加而降低（图4），3.5 cm表层的所有平均值均为N300 mv（表2）。


表2 2016年2月至2017年1月太湖梅梁湾采样点的沉积物特征。



图2。沉积物芯中活性磷和铁浓度的垂直分布，每月从梅梁湾取样，间隔10mm。结果表明，活性磷和铁浓度之间存在相关性，在0.05水平下，显着相关性用*表示，在0.01水平下，显着相关性用**表示。数值为三次重复分析的平均值±标准差。

图3。2016年2月至2017年1月期间每个月沉积物水剖面中溶解氧浓度和渗透深度的变化。数值为三次重复分析的平均值±标准差。


3.2.可溶性Fe（II）和SRP的高分辨率分布


上覆水中可溶性Fe（II）和SRP的分布和孔隙水剖面如图5所示。可溶性Fe（II）和SRP的浓度从3月到4月急剧上升，直到7月和8月一直保持较高水平，之后呈下降趋势。在所有采样时间内，可溶性Fe（II）和SRP在深度增加方面均表现出类似的变化，即在上部剖面区域呈现出最初较低且稳定的浓度分布，随后浓度增加至特定深度，然后浓度降低至剖面底部。在所有样本中，铁和磷与非常显着的水平呈正相关（P0.01）（图5）。

图5。2016年2月至2017年1月太湖梅梁湾沉积物水剖面中可溶性活性P（SRP）和可溶性Fe（II）的月分布。所示数值为SRP和可溶性Fe（II）之间的相关系数，双星号表示pb 0.01水平的显着性。


为了更好地描述SRP和可溶性Fe（II）剖面的特征，表3总结了增加阶段（Dip）开始的深度、每个剖面中的最大浓度（Cmax）以及出现最大浓度（Dmax）的深度。对于SRP，倾角从−3月为20毫米，6月至8月为4毫米，随后下降到更深的水平−12月28毫米。Dmax也变得较浅−3月至3月为72毫米−7月为12毫米，随后深度下降至−2017年1月为84毫米。Cmax从2月的0.133 mg/L增加到6月的1.73 mg/L，然后在2017年1月下降到0.01 mg/L。可溶性Fe（II）的倾角、Dmax和Cmax的变化与SRP的变化相似，在6月至8月期间，最浅的倾角为4mm，最浅的Dmax为4mm−9月为16毫米，6月最大Cmax为5.31毫克/升。


表3 2016年2月至2017年1月太湖梅梁湾SRP和可溶性Fe（II）剖面的垂直分布特征，如图5所示。


3.3.DGT不稳定P的二维分布


每个月的DGT不稳定P（以DGT通量表示）的2D分布在亚毫米级进行成像（图6）。很明显，在2月份的整个剖面中，DGT通量相对较低，但在6月份之前，DGT通量呈上升趋势，随后在2017年1月之前呈下降趋势。DGT通量在6月份最大，其次是7月份。同时，6月和7月的最高浓度高于其他月份，深度显示最高浓度更接近SWI。


3.4.SRP在沉积物-水界面上的扩散通量


图7显示了每个月SWI的SRP通量，范围从−12月为0.01 mg/m2/d，6月为6.76 mg/m2/d（负号表示向下通量）。从2月到7月，通量呈上升趋势，并在8月之前保持在较高水平（4.75–6.76 mg/m2/d），随后在2016年12月之前有所下降。最大正通量出现在6月，比10月的最小正通量高337倍。发现SRP通量与OPD、温度和移动P的三个剖面特征参数（Dip、Dmax和Cmax）呈线性相关（图8）。

图7。2016年2月至2017年1月太湖梅梁湾沉积物-水界面SRP扩散通量。


图8。2016年2月至2017年1月期间，SRP通量与OPD、温度和移动P的三个剖面特征参数（Dip、Dmax和Cmax）呈线性相关。


4.讨论


4.1.赤潮对营养素月变化的响应


Chla浓度超过20和40μg/L被定义为水华，尤其是太湖有害水华（Xu等人，2015年）。在这项研究中，月平均Chla为56μg/L，反映出梅梁湾的赤潮造成了非常严重的危害（表1）。从2月到5月，叶绿素浓度保持在较低水平，只有3月的值超过20μg/L，这段时间被视为开花前阶段。从6月到8月，Chla浓度急剧增加，浓度范围极高（45–153μg/L），即确定为开花期。这段时间之后，9月份的叶绿素浓度急剧下降，然后在11月份迅速上升。在太湖和其他湖泊中观察到了这种现象（Giles等人，2016年），这表明在9月出现了水华崩溃，然后在11月出现了晚季水华。


在Chla和TP之间观察到显着的正相关（pb 0.01），而Chla和TN之间不存在这种相关性。这一发现与Xu等人（2017）进行的统计研究一致，其中，根据1992-2012年期间的数据，太湖中的年均TP浓度与Chla浓度显着相关。相反，在1992-2006年和2007-2012年期间，TN浓度与Chla的相关性较弱或不显着。结合Xu等人（2017）的研究，这项研究证明，无论是在年度还是月度尺度上，浮游植物生物量对TP浓度的变化都有强烈的响应。


TP的浓度在冬季（2016年12月和2月以及2017年1月）和春季（2016年3月至5月）较低，而在夏季（2016年6月至8月）和秋季（2016年9月至11月）较高。水柱中的TN浓度呈相反的模式，导致夏季和秋季（7.4–15.4）的TN/TP值低于冬季和春季（17.6–43.4）。观察到的总氮/总磷的变化主要是由总磷浓度的变化引起的，因为总磷的月变化远大于总氮（表1）。


TN/TP比率通常用于预测氮或磷是否会限制浮游植物的生长（Smith 2006；Verburg et al.2013），其假设是存在一个最佳的TN/TP比率，可以促进最大的浮游植物生物量生产。Guildford和Hecky（2000）提出，在湖泊和海洋中，氮限制出现在TN/TP b 9，而磷限制出现在TN/TP N 22.6时，9和22之间的TN/TP表示N和P co限制。在许多实地研究中，导致从磷限制转变为氮限制的TN/TP比值阈值有所不同，部分原因是浮游植物物种的变化（Klausmeier等人，2004）。在太湖中，用于确定氮或磷限制的总氮/总磷比率阈值被确定为21.5–24.7，此时营养物含量低于7.75–13.95 mg/L总氮和0.41–0.74 mg/L总磷（马等人，2015年）。根据该标准，磷限制发生在2016年2月至5月，而氮限制发生在2016年6月至2017年1月。这一发现与Xu等人（2015）的稀释生物测定研究结果一致，表明磷限制控制了初花期，氮限制控制了夏秋花期。


TN/TP的指示功能进一步得到了其与初花期Chla浓度关系的支持。这些关系可以使用指数方程很好地拟合，该方程涵盖2015年和2016年2月至8月的开花前阶段（p b 0.01）（图9A）。当分析完整的年度数据集（即从1月到12月）时，没有发现相关性，这表明TN/TP比更适合预测开花前阶段的营养限制。

图9。2015年2月至2017年1月太湖梅梁湾叶绿素浓度与TN/TP比值（A）和SRP通量与TN/TP比值（B）的关系。红点和黑点分别显示了2015年2月至2016年1月和2016年2月至2017年1月的数据。（关于本图例中颜色的说明，读者可参考本文的网络版。）


4.2.内磷负荷的月变化及其控制机制


孔隙水扩散通量计算表明，在梅梁湾采样期间，整个SWI的SRP通量变化很大（图7），在一年采样期的所有11个月内，P从沉积物释放到上覆水域。在4月至9月期间，在SWI观测到了高水平的通量。研究发现，在富营养化的丹麦湖泊中，内部磷负荷的持续时间比报告的要长，从5月到8月，沉积物的磷截留率为负值（Søndergaard等人，2013年）。最大通量（6.76 mg/m2/d）出现在6月，OPD最低（0.6 mm），反映出上层沉积物几乎处于缺氧状态。值得注意的是，这个值远大于N1。9 mg/m2/d，之前在梅梁湾使用静态沉积物培养法进行了报道（Zhang等人，2006年）。在静态培养实验中，在静态培养之前，将上覆的水抽出并通过0.45μm滤膜过滤，以去除颗粒干扰；因此，氧气不可避免地被引入上覆水中，导致上层沉积物层氧化。这可能是之前报告的较低通量的一个促成因素（Zhang等人，2006年）。


本研究中观察到的通量水平也高于梅梁湾（McCarthy et al.2007）报告的1.08 mg/m2/d、伊利湖（Matisoff et al.2016；Paytan et al.2017）报告的0.16–2.91 mg/m2/d和迪芬贝克湖（Nürnberg et al.2013）报告的有氧培养下的1.49±1.8 mg/m2/d。另一方面，本研究中的数值低于之前在伊利湖和迪芬贝克湖厌氧培养下观察到的9.34±6.48 mg/m2/d（Matisoff et al.2016）和16.28±3.48 mg/m2/d（Doig et al.2017）。这进一步表明，梅梁湾SWI的SRP通量处于好氧和缺氧条件之间的中间水平。


通过SWI的SRP通量变化是沉积物水剖面中SRP浓度垂直变化的结果。高SRP通量源于SWI处陡峭的SRP浓度梯度，加上低倾角和Dmax以及高Cmax值（表3，图5）。最大Dmax值出现在从海底深处延伸的区域−12毫米到−84毫米。通过DGT不稳定P的2D成像，沉积物中移动P的这种变化更加明显（图6）。这反映了P在沉积物中的高流动性，这导致了高季节波动，活性沉积物层的厚度比之前报道的要大得多（Giles等人2016；Smith等人2011）。

图6。2016年2月至2017年1月，在太湖梅梁湾，通过DGT探针分析测量的沉积物水剖面中不稳定磷浓度的二维热图分布。


铁氧化还原循环被认为是控制沉积物中磷迁移率的主要因素（Sondergaard等人，2003）。这项研究的结果清楚地说明了SRP和可溶性铁（II）、活性铁和活性磷之间的显着相关性，以及SWI处OPD和SRP通量之间的显着相关性（图2、5、8）。在现场，通过DGT分析同时测量不稳定铁和磷，获得了直接证据，表明在整个太湖的14个地点，DGT不稳定磷与DGT不稳定铁呈正相关（丁等人，2016a）。与孔隙水测量相比，DGT测量反映了铁（II）和磷通过易还原的氢氧化铁还原溶解的释放（丁等人，2016a）。这种现象也在其他湖泊中观察到（Gao等人2016；Yao等人2016）。因此，本研究提供了直接证据，证明沉积物中磷再活化的季节变化受铁氧化还原循环的控制。


之前的研究表明，氢氧化铁的化学还原通常发生在Eh b 200 mv下（Christophoridis和Fytianos 2006），而在本研究中，在上部35 mm表层沉积物层中检测到N300 mv值（图4；表2）。这可能反映出氢氧化铁的还原主要是由微生物介导的（Melton et al.2014）。应注意的是，从4月到6月，在沉积物中观察到的活性铁和磷含量极低（表2），随后从4月开始，孔隙水SRP和可溶性铁（II）一直急剧增加（图5）。这可能是由于促进微生物还原氢氧化铁，如3月份细菌数量增加所反映的（表2）。

图4。2016年2月至2017年1月期间每个月沉积物水剖面中Eh的垂直变化。数值为三次重复分析的平均值±标准差。


4.3.内源性磷对季节性营养限制的贡献


随着淡水生态系统双营养模式的建立，强调了内部磷负荷在季节性氮限制中的因果作用。沉积物中P的释放有可能增加TP的浓度，降低水体中TN/TP的比率，尤其是在外部P输入显着减少的情况下（例如太湖）。因此，限制状态从磷限制转移到氮限制，这种平衡调节着浮游植物的生长。最近的几项研究通过对水柱的实地调查和建模来验证这一假设。例如，Nikolai和Dzialowski（2014）观察到富营养化水库（美国格兰德湖）中的缺氧深度（定义为DO b2 mg/L的水柱深度）分别与表层TP和TN/TP呈正相关和负相关。基于这些发现，作者推断，内部磷负荷在富营养化水库表层营养物浓度和TN/TP比值的变化中起着重要作用。Wu等人（2017年）对超富营养化湖泊（中国滇池）内循环对水体富营养化的贡献水平进行了建模。结果表明，77%的总磷和72%的总氮输入归因于内部负荷过程，这决定了富营养化湖泊的营养限制。


在本研究中，通过将SRP的扩散通量乘以月份内的天数，计算每个月每单位沉积物面积（m2）的P的内部负荷质量。还通过将TP浓度乘以水柱总深度，计算了每个月每单位沉积物面积（m2）水柱中TP的总质量，结果见表4。每平方米水柱中的TP含量从2月的151.2 mg/m2增加到2016年8月的1242 mg/m2。2月至8月（开花前）水柱中总磷的总增加量为1091 mg/m2，而磷的内部负荷质量范围为2月的0.32 mg/m2至6月的202.7 mg/m2。2月至8月，磷的总释放量为593.6 mg/m2，占开花前水柱中观察到的总磷增加量的54%。


表4太湖梅梁湾2016年2月至2017年1月期间，内部磷负荷对水体中TP浓度月度变化的贡献的质量估算。


值得注意的是，使用扩散通量估算的内部磷负荷应低于实际质量，因为沉积物中磷的释放也会发生在其他过程中，如浅水湖泊中的水动力扰动。虽然这项研究没有评估这种影响，但太湖由于其浅水深度和地形，经常受到波浪过程的干扰（You等人，2007年）。太湖的现场观察表明，当风速在0 m/s至7.0 m/s之间变化时，不会出现明显的沉积物释放（Zhu等人，2007年）。相反，当暴露在8.0 m/s的风速下时，水柱中的SRP浓度是无风条件下（0 m/s）浓度的两倍，反映出8.0 m/s或更大的强风可能会导致扰动，并从沉积物中释放P（Zhu等人，2005）。Yang等人（2016年）进一步揭示，强风诱导的营养物质增加促进了蓝藻细胞的生长，使其在相对较低的营养条件下达到较高的生物量，并导致2007年至2015年太湖38.3%的延长水华事件（N300 km2）。


本研究还调查了沉积物中SRP的扩散通量与水体中TN/TP之间的关系，但在分析覆盖整个一年期的数据集时，未发现相关性。然而，当仅比较2015年至2016年花期前的数据时，观察到这些参数之间存在显着的负相关（p0.01）。基本假设是2015年的沉积物SRP扩散通量与2016年本研究测得的值相同（图9B）。这与内部负荷对水体中总磷浓度的贡献的估算一致。TLLER最近三年的监测数据显示，梅梁湾内水体中TP和TN浓度的月变化与外湾相似，而内湾沉积物的SRP通量大于外湾（McCarthy et al.2007；Zhang et al.2006）。这意味着，内部磷负荷对梅梁湾水柱中总磷浓度的增加起到了重要作用，因此，在水华前期，总氮/总磷比值降低。脱氮造成的氮损失可能会加剧梅梁湾的氮限制（McCarthy et al.2007），尽管其作用应该受到限制，如水柱中TN浓度的相对较小变化所示（表1）。需要进一步的研究来综合评估内部氮负荷的贡献。


4.4.现场影响


内部磷负荷改变赤潮营养限制条件的能力已被假设，但缺乏直接证据支持。这项研究提供了直接证据，支持内部磷负荷在水柱季节性氮限制中起到因果作用。此外，当赤潮对TN/TP的变化和营养限制的转变有敏感反应时，内部磷负荷的重要作用发生在开花前。这些结果通过地质环境工程方法（如主动封顶和稳定处理）扩展了内部磷负荷控制的理论范围（Mackay et al.2014），有可能控制内部磷负荷，从而在预开花期维持磷限制条件。该策略为双重营养减少提供了一种有用的替代方法，因为可以更快速、更经济地控制磷浓度（Douglas et al.2016）。


致谢


本研究由中国国家自然科学基金（41621002,41571465,41322011）和全国顶尖青年专业人才培养计划（W0207023）共同资助。中国科学院太湖湖泊生态系统研究实验室（TLLER）提供了环境监测数据。