洱海沉积物与悬浮颗粒物中磷的形态变化及其对富营养化的贡献研究

作者及发表信息
本研究由Chenghan Li（上海交通大学环境科学与工程学院）、Jian Shen（上海交通大学云南大理研究院）等合作团队完成，发表于《Scientific Reports》2024年第14卷。研究聚焦于典型中营养高原湖泊——洱海的磷循环机制及其对富营养化的影响。

学术背景
磷（P）是淡水生态系统初级生产的关键限制性营养元素，但过量输入会导致水体富营养化。高原湖泊（如云南-贵州高原的湖泊）因水文特征独特（如支流多、自净能力弱），更易受内源磷负荷（Internal Phosphorus Loading, IPL）的影响。洱海作为中国第七大淡水湖，自20世纪90年代以来因农业化肥使用导致磷负荷激增，尽管外部污染已得到控制，但藻华仍时有发生。本研究旨在揭示洱海沉积物和悬浮颗粒物（Suspended Particulate Matter, SPM）中磷的形态分布、时空变化及其对富营养化的贡献机制。

研究流程与方法
1. 样品采集与处理
- 沉积物：2022年9月在洱海19个点位（北、中、南区域）采集表层沉积物，使用彼得森抓斗采样器；2023年9月在北部藻华频发区（S2、S3、S20）钻取沉积柱（直径9 cm，长度20 cm），切片分析垂向磷分布。
- SPM：2023年4月至9月（涵盖藻类生长周期）在5个点位采集50升水样，经GF/F滤膜过滤后冻干保存。
- 环境参数：同步测定水体温度（W-T）、溶解氧（W-DO）、叶绿素a（Chl-a）等指标。

1. 磷形态分析

   • 连续提取法：将沉积物和SPM中的磷分为6种形态——松散吸附态磷（L-P）、铁结合态磷（Fe-P）、有机磷（Org-P）、铝结合态磷（Al-P）、钙结合态磷（Ca-P）和残渣态磷（Res-P）。
     
   • 静态释放实验：通过沉积柱培养（10天，20±5℃）测定短期磷释放通量；结合沉积速率（0.24 cm/年）和垂向磷分布计算长期释放通量。
     

2. 数据分析

   • 使用Excel和SPSS进行统计检验，ArcGIS绘制空间分布图，Origin可视化结果。
     
   • 创新方法：通过对比SMT法（标准磷测定法）验证连续提取法的准确性（提取率96–103%）。
     

主要结果
1. 沉积物磷形态特征
- 总磷（TP）含量为817–1216 mg/kg，以惰性Ca-P（32%）和Res-P（24%）为主，但活性组分（L-P+Fe-P+Org-P）占比29%，显著高于太湖（181 mg/kg）和巢湖（148 mg/kg）。
- 空间差异：南部近岸区（如S17）Fe-P含量最高（262 mg/kg），北部因碳酸盐输入Ca-P占比高。垂向分析显示，表层沉积物中活性磷随深度减少，而Ca-P和Res-P增加，表明长期埋藏。

1. 磷释放通量

   • 短期释放通量为0.08 mg/(m²·d)，长期通量为0.09 mg/(m²·d），表明北部沉积物仍缓慢释放历史累积的磷。
     
   • 环境驱动：Fe-P和Org-P释放与低溶解氧、高pH显著相关（p<0.05），证实还原条件和有机质矿化促进IPL。
     

2. SPM的磷动态

   • SPM中TP（1787–6836 mg/kg）远高于沉积物，且活性磷占比52.3%，其中L-P在藻类衰亡期占比升至30%。
     
   • 时空规律：4–5月水温升高导致Fe-P和Al-P向L-P转化，7月藻类生物量达峰时L-P占比25%，显示SPM是水体SRP（可溶性活性磷）的重要来源。
     

结论与意义
1. 科学价值
- 揭示了高原湖泊IPL的双重机制：沉积物提供持续磷源，而SPM通过高活性磷形态（如L-P）直接驱动藻华。
- 提出“季节性交替期SPM磷转化加剧富营养化”的新观点，为洱海治理提供理论依据。

1. 应用价值
   
   • 建议优先控制北部沉积物磷释放，并监测SPM磷形态变化作为藻华预警指标。
     
   • 研究结果为类似高原湖泊的磷管理策略（如沉积物钝化、生态修复）提供了数据支持。
     

研究亮点
1. 方法创新：结合短期释放实验与长期垂向通量计算，量化了沉积物对IPL的贡献。
2. 发现新颖：首次明确SPM中活性磷（尤其是L-P）的季节性转化规律及其与藻类生长的耦合关系。
3. 区域特殊性：聚焦高原湖泊的水文和生态特征，填补了中营养湖泊磷循环研究的空白。

其他价值
研究还发现，洱海南部沉积物TP近年呈上升趋势，可能与城市排污有关，需进一步关注点源污染控制。数据可通过通讯作者申请获取，支持后续研究。