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湖泊富营养化是水的质量问题在全球,需要确定和控制营养源的关键。磷释放速率沉积物岩心实验室测定是判断内部磷负荷的作用和指导管理决策有价值的方法。
富营养化是全球水质问题,湖泊,有一个关键的需要确定和控制营养源。从湖泊沉积物内源磷(P)的加载可以解释在富营养化的总磷负荷的主要部分,还有一些营养型湖泊。沉积物岩心实验室测定的磷释放速率是一种方法,用于确定内部磷负荷的作用,并指导管理决策。实验测定沉积物磷释放的两个主要备选方案估计内部负载存在:随着时间的推移和P物质平衡变化hypolimnetic磷原位测量。使用基于实验室的沉积物孵育来量化内部的P负荷实验方法是一种直接的方法,使其成为湖泊管理和恢复的重要工具。
沉积物岩心的实验室孵化可以帮助确定内部与外部P负荷的相对重要性,以及用来解答各种湖泊管理和研究的问题。我们说明了使用沉积物核心孵化,评估的硫酸铝(明矾)治疗减少底泥磷释放的效果。可以使用这种方法进行调查等研究的问题包括沉积物再悬浮和生物扰动对磷释放的影响。
这种方法也有其局限性。假设必须就提出:沉积物岩心整个湖外推结果,决定在什么时间段来衡量养分释放,以及解决可能的芯管的文物。一个全面的溶解氧监测策略,以在湖中评估的时间和空间的氧化还原状态提供了更大的信心,从沉积物核心的孵化估计全年P加载。
随着越来越多的世界各地的湖泊,从文化富营养化受苦,测定水质恶化的原因正在成为湖泊管理和恢复越来越重要。磷(P)装载到湖泊通常牵连的富营养化,因为它是最常见的营养限制藻类生长1。从历史上看,磷负荷在湖泊量化通过点和非点源集中于外部来源,或P原产于分水岭。然而,从湖泊沉积物内源负荷可以占到很大一部分在富营养化湖泊2-5全磷负荷,如果不是大多数,。因此,即使大幅降低外部负载的湖泊可能会失败,导致水质改善是由于从5-8沉积物磷释放的首要作用。因为磷负荷的生态和社会影响,包括成本和P控制的难度是P加载是,重要的是准确识别制定管理策略之前。
至少两种不同的机制负责磷的释放沉积物。 1)在缺氧或缺氧期间,还原条件下可导致磷酸铁羟基氧化物沉积物-水界面的脱离,从而导致从沉积物溶解磷酸盐扩散进入水柱9-11。沉积物表面的2)干扰,通过风引起的再悬浮和扰动,可以通过解吸磷从再悬浮的沉淀颗粒,或从沉积物孔隙水中释放溶解磷的水柱导致P的释放到水柱,分别为11-13。
三种主要的方法可用于量化内部P装载到湖泊14,15。 (1) 在变化hypolimnetic总磷(TP),随着时间的现场测量时,可以使用监控数据是可用的。 在现场测量的基础上的内部负荷估计从环境数据的内在空间和时间变化相关的高可变性受苦,会受到监管不力频率14。 (2)质量平衡可以被用来估计内部负载,当全部比例的预算可以构造。然而,它是罕见的,足够的数据都可以在P投入和出口来构建一个全部比例的预算16。 (3)实验确定沉积物磷的释放速率可以使用,在与区域范围磷的释放( 即缺氧期)和持续时间的信息,计算出内部P荷载组合。这是内部P加载量化的直接方法,尽管它也有它的局限性(参见下文)。
因为管理的决策往往要在压缩的时间进行缩放由于资金限制或社会压力,实验测定内部的P负载可以有湖泊管理和恢复更大的效用,因为它需要比现场和质量平衡的方法更少的时间和数据。沉积物岩心,结合监测外部负载的实验室孵育,已被用来确定内部和外部的P加载的相对贡献,以指导管理决策,以优化营养源控制2,4,17的目标。二密歇根湖与在子流域直接相邻的湖泊岸线粗放发展和不透水面高比例(> 25%),内部P负荷估计占高达80%的总磷负荷,促使建议将重点放在减少沉积物磷释放2,4管理工作。与此相反,沉积物来自同一地区欠发达湖实验研究表明,内源负荷只由7%的总磷负荷,促使建议,对焦第管理策略在华tershed 17。沉积物岩心实验也已经被用在密歇根湖,以确定硫酸铝(明矾)治疗的潜在效益,以减少沉积物磷的释放率2,最有效的明矾加药浓度,沉积物再悬浮13的效果,一个企业的疗效原位明矾治疗1 年 17年和5年以下19治疗。内部P负荷实验测定是一种有效的方法来提供答案在富营养化湖泊的密钥管理问题。
1。野外采样
2。培养实验
3。磷释放率的计算
4。内部P负荷计算
内部P释放从收集在莫娜湖,密歇根沉积物岩芯测定,以确定内部与外部P负载4的相对贡献。四个地点进行抽样超过三个赛季来估算年度内部P负载,占空间变化P中的磁通。沉积物岩心孵育缺氧和好氧条件下20-28天,发病期间上覆水体取样进行SRP和总磷浓度定期。缺氧处理引发SRP和从沉积物总磷的释放,但是,我们只列出TP通量结果仅供说明之用。总磷浓度在缺氧的治疗夏季最高,并在所有季节中总磷的释放空间变异性明显( 图1)。意味着内部TP通量为小于1.4毫克P / m 2 /天在所有好氧芯; 3的下落过程中的4个位点的负通量的值表明好氧沉积物s者作为一个接收器,而不是P的来源,第4季( 表1)中。总磷释放率相当高的在缺氧的核心,具有通量高达15.56毫克磷/ 平方米 /天,夏天和低至春季4( 表1)0.80毫克P / 平方米 /天。这些光通量值被用来计算基于在沉积物核心种质4时测得的溶解氧条件下季节性内部P通量。季节性内部P负荷进行了计算扩大磁通在每个站点到相应的地理区域4的表面面积;季节性值进行求和来估计每年的内部P加载,假设在冬季0通量。年度内部P负荷估计为3.4万吨,与广大夏季( 表2)期间发生的负载。这些结果与并发外部P负荷预测相比,据估计,在蒙娜丽莎贡湖沉积物之间的每年总P加载4的9-82%TE( 表2)。
一系列的实验是在春天湖,密歇根进行的,以确定硫酸铝(明矾)治疗在减少内部磷负荷2和一个2) 原位明矾治疗18,19的功效1)的潜在效益。实验室实验模拟明矾的湖泊广泛的应用体现在内部的磷释放的大幅下降与治疗2( 图2)。类似于上面的例子中,我们从这些实验中只提出目标价发行作为代表性的结果。在缺氧的核心无明矾处理(模拟自然条件下夏春湖沉积物),平均总磷浓度上覆水体达到了超过1.2毫克/升( 图2)。相比之下,服用明矾缺氧内核实际上没有磷的释放和浓度不是从任何不同好氧处理2( 图2)。进行1年以下明矾在Spring Lake湖范围内的应用程序中的沉积物柱培养显示,该治疗是减少沉积物磷释放高效,与18( 图3A),缺氧和好氧处理之间相似的释放速率。当重复实验后5年明矾处理,总磷的释放仍比治疗前显着降低,但显着高于测1次一年后的治疗,暗示疗效明矾19( 图3B)略有下降。
图1。总磷(TP)浓度(毫克/升)时从蒙娜丽莎湖,密歇根采集沉积物岩心的实验室孵化测量,在此期间,弹簧(A),夏季(B)和秋季(C)4总磷测定水中覆沉积物岩芯从4湖遗址在20 -至28天的潜伏期。在图例中字母是指氧化还原状态(A =缺氧处理,O =好氧处理);数是指复制数(1-3)。注意:在不同季节的y轴的不同尺度。 点击这里查看大图。
季节 | 现场 | 缺氧通量, 毫克P / 平方米 /天 | 好氧通量, 毫克P / 平方米 /天 |
春天 | 1 | 2.77±1.53 | 0.25±0.01 |
2 | 2.82±0.83 | 0.26±0.23 | |
3 | 0.80± 0.07 | 0.17±0.07 | |
4 | 1.15±0.71 | 0.12±0.04 | |
夏天 | 1 | 7.06±2.57 | 0.46±0.24 |
2 | 9.27±5.99 | 1.36±0.73 | |
3 | 15.56±1.00 | 0.90±0.29 | |
4 | 13.63±1.82 | 0.59±0.41 | |
下降 | 1 | 4.48±1.56 | -0.66±0.22 |
2 | 2.87±0.97 | -1.14±0.93 | |
3 | 3.10±4.08 | 0.51±0.13 | |
4 | 6.46±4.66 | -0.79±0.23 |
表1。平均(±标准差)最大表观TP通量在自Mona湖,密歇根收集沉积物核(毫克P / m 2 /天),以及缺氧和好氧条件4下培养。光通量由在TP浓度随时间的变化, 如图1所示来计算。
季节 | 内部P 负载,T | 外部P 负载,T | 内部负载 贡献,% |
春天 | 0.055 | 0.557 | 9.0% |
夏天 | 2.272 | 0.862 | 72.5% |
下降 | 1.127 | 0.242 | 82.3% |
冬天 | 0.000 | ||
全年 | 3.454 |
图2。平均(±SD)总磷浓度(毫克/升)时从春天湖,密歇根州,采集沉积物岩芯实验室孵化测量和实验用硫酸铝(明矾),好氧和厌氧条件下2处理。总磷测定水体中上层沉积物岩心超过20天的潜伏期。这个数字已经被修改斯坦曼等 2所转载许可,ASA,综援,SSSA。 点击这里查看大图。
图3。平均(±SD)总磷浓度(毫克/升),在1年后19后(B)明矾的湖泊广阔的应用18(A)和5年从春天湖,密歇根采集沉积物岩芯实验室孵化测定。沉积物芯经受好氧和厌氧处理和上覆水体取样进行总磷浓度超过22日( 一 )至25日(二)孵化。这个数字已经被修改斯坦曼等[18];板A和斯坦曼等[19]; B组的信息。经许可转载,ASA,综援,SSSA。 点击这里查看大图。
富营养化湖泊可能导致环境和经济障碍21-23,因此,至关重要的是,社会理解的营养源的性质以及如何管理它们。昂贵的尝试,以减少营养物负荷可能无法改善水质,如果适当的贡献源( 如湖泊沉积物或流域投入)未针对管理行动,从而导致湖泊恢复和挫折对利益相关者的一部分挫折。特别是在浅水富营养化湖泊,内源磷负荷的量化是在确定一个管理策略,以改善水质条件的关键步骤。即使当沉积物被牵连作为营养素的主要来源,减少外部P负载必须包含在减轻富营养化湖泊的任何管理策略,因为磷外部投入,最终积累在沉积物和燃料未来内部装载24,25 </ SUP>。
虽然其他的方法存在估计内部P负荷,实验测定磷的释放速率是一个直接的方法,可以进行调整,以回答各种管理和研究的问题。从春天湖,密歇根采集沉积物岩心的实验室孵化,被用来确定明矾处理2和最高效的应用浓度13的潜在效益。由于这些实验室为基础的研究发现的结果,利益相关者开发的信心,明矾治疗可以控制在春天湖沉积物磷释放。因此,他们批准了一项10年的评估,以资助明矾处理;随后沉积岩芯孵化显示,该治疗是有效减少泥沙P通量1 年 17年和5年以下19治疗。沉积物核心的孵化也被用于评估沉积物再悬浮13的影响和生物扰动对磷的释放(G.诺加罗和A.哈里斯,未发表资料)。
几个额外的沉积物的分析可以与核心的孵化提供了在解释底泥磷释放业绩的有用信息一并进行。前5或10厘米沉积物可以从内核的沉积物总磷,孔隙水SRP,逐次P分馏,和金属4,18,19分析被挤压。逐次P分馏26的一个例子,可以在内部装载的研究是有用的涉及确定的P势必1)的铝(Al-P)或铁(Fe-P),它表示一个氧化还原敏感(铝-P)和量氧化还原敏感的(Fe-P系),矿物组合缺氧条件下,可以成为可溶的,和2)钙(Ca-P)或镁(Mg-P),它们都是稳定的矿物组合。另外,沉淀的Fe:P比值可以计算出,以提供对沉积物的电位的P-结合能力的洞察力。富含铁的沉淀物仍然存在氧化已被证明以释放非常小P时的Fe:P比值高于15(重量比)27。这些额外的沉积物的分析可以在以下核心内部负载孵育4,18,19进行,或在内部负载核心种质的时间拍摄,但不用于释放速率测量的复制核心。
尽管实验测定沉积物P通量的优势,该方法也不是没有限制的。一些假设必须经常进行,可以添加不确定性的结果:
鉴于沉积岩芯孵化方法可以用来生成在短短按一年合理的内部P负荷预测(尽管多年的数据提供更强大的信息),它是通知湖泊管理决策的重要工具。当用于开发湖泊管理和恢复计划,它可以帮助确保明智地使用财政资源。在已经发生内部P负荷管理,其中湖泊,沉积物核心的孵化可以验证其疗效,并可以用来修改管理的轨迹,如果必要的。
作者什么都没有透露。
作者非常感谢詹姆斯·斯密特和库尔特·汤普森提供的现场和实验室的援助。资金筹措而此协议被开发的原始研究是由春湖湖董事会2,13,18,19提供;环境质量4的密执安部门;和吉姆-邓肯,大卫Farhat的,和总统办公室在大峡谷州立大学17。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Multiparameter sonde | YSI | YSI 6600 | The key parameters of interest are temperature and dissolved oxygen, although other measurements may be desired depending on the goals of the study. The other major manufacturer of multiparameter sondes is Hach (Hydrolab). |
Niskin bottle | General Oceanics | 101005 | A Van Dorn bottle can also be used. |
Carboys, 10 L | Nalgene | DS2213-0020 | Available from many laboratory supply companies, including Fisher Scientific and VWR. |
Piston corer | N/A | N/A | Details on construction materials given in Fisher et al.20 |
Vice grips | N/A | N/A | |
Duct tape | N/A | N/A | |
Vertical rack for holding core tubes | N/A | N/A | Custom fabricated onsite. |
Environmental growth chamber | Powers Scientific, Inc. | DS70SD | |
Compressed air with regulator | N/A | N/A | Use lab air supply or purchase from local gas supply company. |
Buffered N2 gas with regulator | N/A | N/A | Purchase from local gas supply company. |
Parker Parflex Series E (instrument grade) polyethylene tubing; 1/4 in o.d., 0.04 in wall, 0.170 in i.d. | Parker | E-43-B-0100 | Tubing (from gas to chamber) |
PEEK Capillary tubing; 1/16 in o.d., 1/32 in i.d. | Fisher Scientific | 3050412 | Tubing (from manifold to cores) |
Union tee | Parker | 164C-4 | |
Union tee nut | Parker | 61C-4 | |
Nylon tubing; 1/4 in o.d., 3/16 in i.d. | US Plastics | 58042 | |
Ferrule, front and back; 1/4 in | Swagelock | B-400-Set | |
Brass nut; 1/4 in | Swagelock | B-402-1 | |
Brass medium-flow meterings valve; 1/4 in | Swagelock | B-4MG | |
Once-piece short finger tight fittings; 1/16 in | Alltech | 32070 | Half of the sampling port |
Female 10-32 to female luer; 1/4 in | Alltech | 20132 | Half of the sampling port |
Ferrule, front and back; 1/16 in | Swagelock | B-100-Set | |
Brass nut fittings; 1/16 in | Swagelock | B-102-1 | |
Tube fitting reducer; 1/16 in x 1/4 in | Swagelock | B-100-R-4 | |
PTFE tubing; 1/16 in o.d., 0.040 in i.d. | Grace Davison Discovery Sciences | 2106982 | |
Low-pressure PTFE tubing; 1/8 in o.d., 0.1 in i.d. | Fisher Scientific | AT3134 | Tubing from sampling port into core |
AirTite all-plastic Norm-Ject syringes, 50 ml (60 ml) Luer slip (eccentric), Sterile | Fisher Scientific | 14-817-35 | |
Wheaton HDPE liquid scintillation vials, 20 ml, Poly-Seal cone liner | Fisher Scientific | 03-341-72D | |
Nylon Syringe Filter; 30 mm diameter, 0.45 μm | Fisher Scientific | 03-391-1A | |
Masterflex peristaltic pump, model 755490 | Cole Parmer | A-77910-20 | |
Pall Filterite filter housing, model T911257000 | Pall Corporation | SCO 10UP | |
Graver QMC 1-10NPCS filter; 10 in, 1.0 μm | Flowtech Corp | N/A | |
Graver Watertec 0.2-10NPCS filter; 10 in, 0.2 μm | Flowtech Corp | N/A |
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