红枫湖沉积物-水界面磷的生物地球化学循环、驱动机制与生态环境效应

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	红枫湖沉积物-水界面磷的生物地球化学循环、驱动机制与生态环境效应
	王敬富
导师	陈敬安
	2013
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位名称	博士
学位专业	地球化学
关键词	磷形态沉积物-水界面释放通量季节性分层微电极 X射线吸收近边结构谱
摘要	磷是湖泊富营养化最重要的限制性因子。湖泊沉积物磷的释放是造成湖泊水体持续富营养化的重要因素。我国云贵高原亚深水湖泊与东部浅水湖泊相比存在诸多特殊性，其沉积物内源磷释放过程、机制与生态环境效应日益引起广泛关注。本研究选取贵州红枫湖这一典型高原亚深水湖泊为研究对象，对沉积物-水界面磷的生物地球化学循环及其生态环境效应开展深入研究，旨在为该类型湖泊富营养化防治提供基础数据和科学指导。取得了如下主要成果和认识： (1)红枫湖沉积物磷具有较高的污染水平，羊昌河是全湖磷污染物的主要来源。红枫湖沉积物TP含量在297～10021 mg/kg之间，平均值为1160 mg/kg，大坝、后五和羊昌河区域沉积物TP含量超过2000 mg/kg。红枫湖同一湖区表层沉积物磷含量比10年前增加了约6.9%，反映了沉积物内源污染蓄积日益严重。 (2)从组成上看，红枫湖沉积物磷以NaOH-srP和rest-P为主，两者占沉积物TP的75%以上。NaOH-srP占沉积物TP 的44.2%～67.5%，均值为58.2%；rest-P占TP的14.6%～35.4%，均值为19.8%。羊昌河和大坝沉积物磷形态的剖面分布呈显著正相关(p<0.01, r=0.708–0.954)，表明羊昌河是全湖磷污染的主要来源。这一认识为红枫湖外源污染治理指明了方向。 (3)红枫湖内源磷的释放扩散机制主要是去分层过程造成的动力对流混合。红枫湖沉积物磷的释放过程与机制主要包括“磷形态转化”、“孔隙水离子扩散” 和“动力对流混合”。 NH4Cl-P、NaOH-srP和rest-P可以分别通过解吸作用、还原溶解作用以及微生物降解等途径转变为孔隙水中的溶解无机磷(DIP)，进而通过离子浓度扩散进入上覆水体，其中，NaOH-srP释放与沉积物硫酸盐的厌氧还原过程密切相关。按照Rydin et al. (2011)方法计算，41～80%的沉积磷将被释放，重新回到水体中，潜在长期平均释放速率为1.9～8.7 g/m2/year。扩散模型估算表明全湖磷释放量约为14.46 t/a。红枫湖去分层作用对内源磷释放扩散影响显著，2010年造成水体TP浓度从0.02 mg/L增加到约0.03 mg/L，考虑湖泊水深和体积因素，可以估算这一机制所造成的内源磷释放量是巨大的。 (4)原位高分辨率研究表明，红枫湖沉积物-水界面扩散边界层厚度约为0.7 mm，O2的扩散通量(J)为5.80～7.65 mmol/m2/d，O2的渗透深度为3.4±0.9～3.6±0.3 mm。利用PROFILE模型获得沉积物内部O2消耗速率为 0.083～0.134 nmol/m3/s。模拟的O2消耗分带差异反映了沉积物内部微生物结构和金属离子活性。H2S在深度为6.0±0.8 mm时开始出现，并在深度24.7±0.9 mm 处达到最高浓度14.1±0.8 mmol，在45.9 mm深度以下达到平衡(～1.56 mmol)，其微尺度剖面分布规律与硫酸盐还原菌分布和活性有关。沉积物-水界面pH值变化范围在7.3～8.2之间，呈弱碱性，总体随深度增加而降低，这与有机质氧化作用过程中的产酸反应及硫酸根等还原反应有关。利用X射线吸收近边结构 (XANES)技术分析了沉积物硫价态的剖面变化，揭示了湖泊沉积物中可能存在的产酸、硫酸根还原、硫的埋藏以及硫化物再氧化等一系列生物化学反应过程。 (5) 亚深水湖泊沉积物内源磷释放的环境效应主要体现为促进藻类秋季复苏。红枫湖水体藻类种群密度蓝藻>>绿藻>硅藻>甲藻，蓝藻为优势种属。沉积物中越冬藻类以硅藻为主，基本不含蓝藻。光照条件、温度和沉积物藻类组成是影响藻类复苏的主要因素。红枫湖藻类暴发主要集中在秋季初期，这一特点与众多大型浅水湖泊显著不同。秋季去分层过程造成的动力对流，导致大量的营养盐从沉积物中释放出来，增加了水体中藻类可利用的营养盐含量，同时，为沉降到湖底的藻类上浮提供水动力条件。秋初湖泊混合增加了水体中藻类可利用营养盐的含量，使蓝藻、绿藻和硅藻等种群密度在冬季长期维持在较高的水平。
其他摘要	Phosphorus (P) is the most important limiting factor for the lake eutrophication. Sediment may become a "source" of overlying water nutrients, and keep lakes stay in the eutrophication status. Compared with shallow lakes, sub-deep lakes located in the Southwestern Plateau, China, have many particular characteristics, in which P geochemical cycling mechanism across the sediment-water interface gradually attracted scholars’ concern. This study investigated the geochemical characteristics and environment effects of P at the sediment-water interface. The main conclusions were summarized are as follows: (1) Sedimentary P pollution in Hongfeng Lake is heavy. The most important source of phosphorus pollutants was from Yangchang River. In Hongfeng Lake, the total P contents in sediments ranged from 297 to 10021 mg/kg, with an average of 1160 mg/kg. The total sediment P contants in the outlet region, fish farm area, and Yangchang River were more than 2000 mg/kg. Total P in surface sediments of the varied lake regions were increased by approximately 6.9% than 10 years ago, reflecting the growing accumulation of sedimentary P pollution. (2) NaOH-srP occupied from 44.2% to 67.5% of the total P content, with a mean percentage of 58.2%. Rest-P accounted for 14.6% to 35.4% of the total P, with a mean value of 19.8%. NaOH-srP and rest-P occupied more than 75% of the total P. Good correlations were observed between vertical variations in P in the Yangchang River site and at the outlet area (p<0.01, r=0.708~0.954), suggesting that Yangchang River was the dominant P source of the whole lake, which provided the basis for formulating the appropriate P-control strategies and lake restoration measures.
学科领域	环境地球化学
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.gyig.ac.cn/handle/352002/5839
专题	研究生_研究生_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	王敬富. 红枫湖沉积物-水界面磷的生物地球化学循环、驱动机制与生态环境效应[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2013.

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