Name: 实验室确定的磷通量湖泊沉积物作为内部磷载入一个测量 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-03-06T14:15:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: 了解实验室测定湖泊沉积物磷释放通量的方法，用于估算内源磷负荷。该方法通过采集完整沉积物岩芯，在控制氧化还原条件下培养，定期测定上覆水中磷浓度变化，计算磷释放速率，为湖泊富营养化管理和水质改善提供科学依据。

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作者衷心感谢 James Smit 和 Kurt Thompson 提供的野外和实验室协助。本方案所依据的原始研究经费由 Spring Lake-Lake Board2,13,18,19；密歇根州环境质量部4；以及 Grand Valley State University 的 Jim Duncan、Dave Farhat 和校长办公室17 提供。

1. 野外采样
<ol>
	<li>在可能的情况下，每个无冰季节（如适用）进行一次采样，持续1至2年。即&#160;每年3次，在北温带气候条件下进行）。如果时间或资金不允许进行季节性采样，应在每年夏中至夏末期间采样一次。</li>
	<li>选择沉积物采样点时，应覆盖湖泊内的不同地理区域。在条件允许的情况下，优先选择靠近历史水质和/或沉积物采样点的位置，以便利用历史数据。若无法实现，则应尽量选择能够代表湖泊内不同类型沉积物的采样点。</li>
	<li>在采集沉积物岩心之前进行水质采样。
	<ol>
		<li>至少应测量水深以及水温与溶解氧的垂直剖面。近底层测量应尽可能靠近沉积物表面进行，同时避免扰动沉积物。</li>
		<li>收集为实现研究特定目标所需的其他水质数据和样品。示例包括 pH、电导率和浊度的垂直剖面数据、透明度（塞奇深度）、光合有效辐射（PAR）剖面以及叶绿素 a；可溶性活性磷（SRP）；总磷（TP）；以及氮形态。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在每个采样点，用10&#160;1 L 塑料桶，内装使用 Van Dorn 或 Niskin 采水器在沉积物表面以上 1 m 处采集的水。该水将用于实验室中沉积物柱状样的初始组装，以及在培养期间取样后对柱状样进行补水。将塑料桶置于装有冰块的冷藏箱中。</li>
	<li>每个采样点使用活塞取样器采集6个沉积物岩芯2,20.
	<ol>
		<li>参考 Fisher&#160;等20&#160;有关岩芯采样装置构建的具体说明，请参见相关指南。简言之，该采样装置由一根带刻度的0.6 m长聚碳酸酯岩芯管（内径7 cm）、一个用于连接铝制驱动杆的聚氯乙烯（PVC）连接组件、一个由两个橡胶塞和一个环形螺栓构成的活塞、一根带塑料涂层并配有旋转夹的活塞缆线，以及铝制驱动杆组成。按以下步骤组装采样装置：
		<ol>
			<li>将活塞缆线的旋转夹端穿过PVC连接组件的顶部。将岩心管的方向调整为螺栓孔朝上，并将缆线穿过岩心管的整个长度。将活塞缆线固定在活塞挡块的眼螺栓上。</li>
			<li>使用钢丝锁紧销将岩心管连接到PVC连接组件上。拉动活塞缆线，使活塞从岩心管底部向上推进20 cm，以在岩心采集过程中保持沉积物表面之上有一层水层。</li>
			<li>使用钢丝锁销将铝制驱动杆连接到PVC连接组件的另一端。将取芯装置垂直下放至水中，根据需要添加额外的铝制驱动杆段。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将采样器垂直置于沉积物-水界面处，并向下推进，同时保持活塞缆绳静止。为实现此操作，当采样器到达沉积物-水界面后，先将活塞缆绳拉紧，用管钳夹住缆绳，脚踩缆绳位于管钳内侧部分，然后向下施力推进。</li>
		<li>将核心部分提至液面并用橡胶塞在出水前密封。用胶带固定底部塞子。</li>
		<li>将活塞用螺栓固定在岩心管顶部，以在运输过程中保持其静止。将岩心管置于垂直支架中，并维持接近湖底的环境温度，必要时可使用冰块调节。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 实验室培养
<ol>
	<li>从野外返回后，调整岩心管以确保含有所需深度的沉积物和上覆水柱。如有必要，可通过移除岩心管底部塞子，小心排出多余的沉积物；并根据需要，添加从对应采样点收集的大瓶水样。常用的沉积物和水柱深度为20 cm沉积物配以25 cm上覆水柱。2,4,13,17-19，但这些用量可根据需要进行调整。</li>
	<li>将沉积物岩心管放入黑暗的环境培养箱中，温度维持在与野外实测的底层水温度一致的水平。</li>
	<li>对岩心进行氧化还原处理。对于氧化处理，向每个采样点的3个岩心的水柱中通入空气。向每个采样点其余3个岩心的水柱中通入N₂2 （含约 350 ppm CO）2 用于缺氧处理的缓冲液pH调节。确保气泡速率缓慢且稳定，避免对沉积物表面造成扰动。</li>
	<li>在核心孵育第1天，过滤每份10&#160;L型大容量瓶，内含从野外各采样点采集的近底层水。使用蠕动泵和滤器外壳，先用1 μm滤膜过滤水样，再用0.2 μm滤膜过滤。将过滤后的水样在4 °C条件下保存，直至完成岩心培养实验。</li>
	<li>培养期间磷释放速率的样品芯2,3由于该实验对氧化还原状态敏感，应尽可能采取预防措施以维持氧化还原处理条件。
	<ol>
		<li>用注射器吸取40&#160;毫升&#160;通过每个沉积物岩心的采样口在第0天采集水样（即&#160;在将岩心放入生长室的同时，以及岩心培养的第1、2、4、6、8、12、20、24和28小时进行取样。（注意：若需观察极短时间内变化，可调整取样方案，在小时级别进行取样）&#160;1, 2, 4, 8, 等等然而，该系统在前12小时内通常仍处于平衡过程中，因此在培养初期磷的释放动态可能具有较大变异性。</li>
		<li>移除后立即加入20&#160;毫升&#160;分取样品至闪烁瓶中，冷藏以备总磷（TP）分析。将剩余20 mL样品过滤&#160;毫升&#160;通过0.45 μm膜滤器取样至闪烁小瓶中，冷冻保存以分析SRP。</li>
		<li>更换40&#160;毫升&#160;用相应采样点的等体积过滤水进行亚采样（见步骤2.4）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 磷释放速率计算
<ol>
	<li>根据水柱中总磷（TP）或活性磷（SRP）的变化，使用以下公式计算通量（释放速率）2： 
	 
	Prr = (Ct - C0) × V / A 
	 
	其中，Prr 表示单位沉积物表面积的净磷释放（正值）或滞留（负值）速率（mg P/m2/d）；Ct 表示时间 t 时水柱中的 TP 或 SRP 浓度；C0 表示时间 0 时的 TP 或 SRP 浓度；V 表示柱状样管中水柱的体积；A 表示沉积物柱状样的平面表面积。使用浓度-时间曲线的线性部分计算磷释放速率，以获得最大表观释放速率4,13,18,19。为避免短期波动可能带来的偏差，应选择非连续的采样时间点作为 Ct 和 C018,19。</li>
</ol>
4. 内源性磷负荷计算
<ol>
	<li>计算年磷通量。
	<ol>
		<li>对于每次采样发生的每个季节，分别将缺氧和有氧通量乘以该季节的天数。将各季节的数值相加，得到年缺氧和有氧通量（mg/m2/年）。如果在同一湖泊的多个点位进行了采样，可针对每个点位分别进行此计算，或使用所有点位的平均通量值进行计算（参见第几节）&#160;4.2.2).</li>
		<li>冬季由于水温较低，沉积物中磷的释放通常非常低。若未在冬季进行采样，则假设该季节磷通量为0。14,15.</li>
		<li>由于大部分内源性磷释放发生在夏季，因此在缺乏季节性数据的情况下，仅根据夏季测量值即可粗略估算年均内源性磷通量2,15,17. 采用此方法时，根据第节计算磷通量&#160;4.1.1，并假设除夏季外所有季节的通量为0。需认识到，这将是对全年磷释放量的保守估算。</li>
		<li>若有溶解氧数据，可用于优化年均磷通量的计算2,4此类数据可能揭示湖泊在一年中的特定比例时间或特定季节出现缺氧或无氧状况。在这些情况下，应根据相应的时间比例或季节分别采用缺氧和有氧状态下的通量，并将这些数值加总以计算年内部磷通量。
		<ol>
			<li>例如，若仅在夏季测量了缺氧或无氧状态，则使用夏季的无氧通量和其余季节的好氧通量计算第4.1.1节。将这些数值相加，得到年内部磷通量。类似地，若常规溶解氧监测数据表明湖泊在一年中有35%的时间处于缺氧或无氧状态，则将第4.1.1节得出的年无氧磷通量乘以0.35，年好氧磷通量乘以0.65，再将两者相加，计算年内部磷通量。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>多混浊湖泊由于频繁混合以及氧化还原条件在时空上的变异性，给内源性磷负荷的计算带来了特殊挑战14纽伦堡 等16 建立了一个模型，用于计算一个多循环湖泊在某个季节或一年内可能经历的缺氧天数。活性沉积物释磷面积与时间（AA）表示与湖泊表面积相当的区域 actively 释放磷的持续时间（天/季节），可按如下方式计算：&#160; 
		 
		AA = -36.2 + 50.2 log (P季节) + 0.762 z/A0.5 
		 
		其中，P 为特定季节期间水柱的平均总磷（TP）浓度，z 为平均水深，A 为湖泊表面积。为计算年度内源性磷通量，需将每个季节的缺氧通量乘以缺氧面积（AA），再将有氧通量乘以有氧天数，然后将所有季节的数值相加求和。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将内部磷通量放大至整个湖泊区域。
	<ol>
		<li>将步骤 4.1 中得到的年均磷通量乘以整个湖泊表面积，以计算年均内源磷负荷。除非年均磷通量是根据 &#160;第4.1.4或4.1.5节，使用缺氧年通量计算年内部磷负荷；否则，使用在上述章节中计算出的通量&#160;4.1.4 或 4.1.5</li>
		<li>若在同一湖泊的多个位点进行了采样，则可将该湖泊划分为与每个位点相关的地理区域。将年均缺氧磷通量（或第X节中的年通量）乘以相应区域面积&#160;将每个点位的4.1.4或4.1.5值除以相应区域的表面积，然后将各区域的数值相加，得到整个湖泊的年内部磷负荷4,17或者，可使用所有位点的年均磷通量进行4.2.1节的计算。</li>
		<li>详细的溶解氧数据可能表明湖泊的某些区域存在缺氧或无氧条件（例如&#160;深水区域），而其他区域全年保持有氧状态。如有相关数据，可利用该信息优化通量 × 面积的计算（Steinman 等人，&#160;将缺氧表面积乘以年缺氧通量，将好氧表面积乘以年好氧通量，将两个数值相加，计算年内部磷负荷。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

营养物质输入湖泊可能导致环境和经济方面的损害21-23；因此，社会必须了解这些营养物质来源的性质及其管理方法。如果未能针对主要的贡献源（即&#160;湖泊沉积物或流域输入）采取管理措施，那么旨在减少营养物质输入的昂贵努力可能无法改善水质，从而导致湖泊修复工作受挫，并引起利益相关方的不满。特别是在浅水富营养化湖泊中，量化内源性磷负荷是制定改善水质管理策略的关键步骤。即使沉积物被确认为营养物质的主要来源，任何湖泊管理策略也必须包括减少外源性磷输入的措施，因为外源输入的磷最终会累积在沉积物中，并加剧未来的内源性释放24,25。
尽管存在其他估算内源性磷负荷的方法，但通过实验测定磷释放速率是一种直接的方法，可根据多种管理和研究问题进行调整。本研究利用从密歇根州斯普林湖采集的沉积物柱状样进行实验室培养，以评估明矾处理的潜在有效性。2 且最有效的应用浓度13由于这些基于实验室的研究结果，相关利益方对明矾处理能够控制斯普林湖沉积物中磷的释放产生了信心。因此，他们批准了一项为期10年的项目&#160;评估以资助明矾处理；随后的沉积物柱状样培养实验表明，该处理在1年内有效降低了沉积物磷通量18 和5年19 处理后的沉积物芯样培养也被用于评估沉积物再悬浮的影响13 以及生物扰动（G. Nogaro 和 A. Harris，未发表数据）对磷释放的影响。
除核心培养外，还可进行多种其他沉积物分析，以提供有助于解释沉积物磷释放结果的信息。可将沉积物核心顶部5或10 cm的样品挤出，用于分析沉积物总磷（TP）、孔隙水中的可溶性活性磷（SRP）、逐级磷形态分级以及金属含量4,18,19。在内源负荷研究中，一种有用的逐级磷形态分级方法26包括测定与以下物质结合的磷含量：1）铝（Al-P）或铁（Fe-P），代表对氧化还原不敏感（Al-P）和对氧化还原敏感（Fe-P）的矿物结合态，在缺氧条件下可能转化为可溶态；2）钙（Ca-P）或镁（Mg-P），二者均为稳定的矿物结合态。此外，可通过计算沉积物中铁与磷的摩尔比（Fe:P）来评估沉积物对磷的潜在结合能力。研究表明，当铁磷质量比高于15时，保持氧化状态的富铁沉积物释放的磷极少27。这些附加的沉积物分析可在内源负荷培养实验结束后对同一岩芯进行4,18,19，也可在采集内源负荷岩芯的同时另取平行样品岩芯进行，而不用于释放速率的测定。
尽管实验测定沉积物磷通量具有诸多优势，但该方法也存在一定的局限性。通常需要做出若干假设，而这些假设可能会增加结果的不确定性：
<ul>
	<li>一个假设是，沉积物柱芯的释放速率能够代表研究湖泊中的实际情况。为了尽量减少这一假设的影响，采样策略应尽可能涵盖沉积物磷释放的空间和时间变异性。采样点应在湖泊范围内覆盖尽可能广泛的地理区域，以反映沉积物特征的空间差异2。如有可用的水深图，可利用其选择能够代表湖泊底部深度范围的采样点。其他考虑空间变异性的因素包括主要支流输入的位置以及是否存在明显的湖泊盆地。在条件允许的情况下，实验室培养应于每个无冰季节进行，并持续多年，以捕捉释放速率的时间变化。</li>
	<li>第二个假设是培养条件能够代表自然条件。恒定的缺氧环境为磷的释放提供了理想条件，但这种情况在研究湖泊中可能并不自然发生。因此，缺氧处理可能会高估沉积物磷的释放量；因此，最好将缺氧处理中测得的释放速率视为最大潜在释放速率。</li>
	<li>为了计算年内部磷负荷，必须对温跃层缺氧发生的时间、持续时间和空间范围做出假设。例如，在强烈分层、水深相对一致且已确认存在温跃层缺氧的湖泊中，一些研究假设在分层期间整个湖泊区域均处于缺氧状态，以此估算年内部磷负荷2,4。然而，由于浅水沿岸区域可能存在富氧沉积物，这种方法可能导致负荷被高估4。因此，强烈建议采用全面的溶解氧监测策略，以捕捉氧化还原状态的日变化、季节性和空间变异性，从而实现对年内部负荷的准确估算。</li>
	<li>最后，由于无法完全模拟自然条件，实验室培养可能引入实验性人为误差。例如，由于沉积物被封闭在柱芯管中，渗透性沉积物中的水体交换被阻断；不过，可以通过设计流通式柱芯管来缓解这一问题28。其他人为误差还包括无法模拟大规模混合事件或风浪作用，而这些过程在自然系统中可能破坏沉积物的完整性。</li>
</ul>
由于沉积物岩心培养方法可在短短一年内提供合理的内源性磷负荷估算结果（尽管多年数据能提供更可靠的信息），因此该方法是指导湖泊管理决策的有力工具。在制定湖泊管理或修复计划时，该方法有助于确保资金资源的合理使用。对于已经实施内源性磷负荷管理的湖泊，沉积物岩心培养可用于验证治理措施的有效性，并在必要时用于调整管理策略的方向。

随着全球范围内越来越多的湖泊遭受人为富营养化的困扰，查明水质恶化的原因对于湖泊管理和修复日益重要。通常认为，磷（P）的输入是导致富营养化的主要原因，因为磷往往是藻类生长的限制性营养因子1。历史上，对湖泊磷输入的量化主要关注外部来源，即来自流域内点源和非点源的磷。然而，在富营养化湖泊中，来自湖底沉积物的内源性释放可能占总磷负荷的很大比例，甚至可能是主要来源2-5。因此，即使大幅削减外部磷输入，由于沉积物中磷的释放占主导作用，仍可能无法改善水质5-8。鉴于磷输入带来的生态和社会影响，以及控制磷的高昂成本和实施难度，在制定管理策略之前，准确识别磷的来源至关重要。
至少有两种不同的机制导致磷从沉积物中释放。1）在缺氧或低氧期间，还原条件可导致磷酸盐从沉积物-水界面的铁氧氢氧化物上解吸，从而使溶解态磷酸盐从沉积物扩散进入水体9-11。2）通过风力引起的再悬浮和生物扰动对沉积物表面造成扰动，可分别通过再悬浮沉积颗粒上磷的解吸，或沉积物孔隙水中溶解态磷向水体的释放，导致磷进入水体11-13。
量化湖泊内源磷负荷主要有三种方法14,15. (1) 原位 随时间推移对底层水体总磷（TP）变化的测量可用于监测数据可获取的情况。基于监测数据的内源负荷估算方法 原位 测量结果受环境数据固有的时空变异性的高变异性影响，并可能因监测频率不足而受到影响14(2) 当能够建立完整的磷收支平衡时，可利用质量平衡法估算内源负荷。然而，通常缺乏足够的磷输入和输出数据来构建完整的磷收支平衡。16(3) 实验测定的沉积物磷释放速率可与磷释放的面积范围和持续时间信息结合使用（即&#160;缺氧期），以计算内源性磷负荷。这是一种直接量化内源性磷负荷的方法，尽管该方法也存在局限性（见下文）。
由于资金限制或社会压力，管理决策通常需要在较短的时间尺度内做出，因此湖泊管理与修复中，内部磷负荷的实验测定比其他方法更具实用性，因为它所需的时间和数据更少 原位 以及质量平衡方法。通过对沉积物岩心进行实验室培养，并结合对外部负荷的监测，可确定内源性和外源性磷负荷的相对贡献，从而为优化营养源控制的管理决策提供依据2,4,17. 在密歇根州的两个湖泊中，其湖岸带开发广泛且不透水地表比例较高（&#62;在紧邻湖泊的子流域中，尽管外源磷负荷仅占25%，内源磷负荷估计可高达总磷负荷的80%，因此建议将管理重点放在减少沉积物中磷的释放上2,4相比之下，对同一地区发育程度较低的湖泊沉积物进行的实验研究表明，内源负荷仅占总磷负荷的7%，因此建议将磷管理策略的重点放在流域范围内17沉积物岩心实验还被用于密歇根州的一个湖泊，以评估硫酸铝（明矾）处理降低沉积物磷释放速率的潜在效果2，最有效的明矾投加浓度及沉积物再悬浮的影响13，以及某种物质的有效性 原位 明矾处理1年18 和5年19 处理后的内部磷负荷的实验测定是回答富营养化湖泊关键管理问题的有效方法。

<table><tbody><tr><td>多参数探头</td><td>YSI</td><td>YSI 6600</td><td>感兴趣的关键参数是温度和溶解氧，尽管根据研究目标的不同，可能还需要其他测量参数。另一家主要的多参数探头制造商是 Hach（Hydrolab）。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>尼斯金瓶</td><td>General Oceanics</td><td>101005</td><td>也可使用范多恩采水器。</td></tr><tr><td>大容量试剂瓶，10 L&amp;nbsp;</td><td>Nalgene</td><td>DS2213-0020</td><td>可从多家实验室用品供应商处获取，包括 Fisher Scientific 和 VWR。</td></tr><tr><td>活塞取芯器</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Fisher 中提供了有关建筑材料的详细信息 &lt;i&gt;等&lt;/i&gt;&lt;sup&gt;20&lt;/sup&gt;</td></tr><tr><td>台钳</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>医用胶带</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>用于放置岩心管的垂直支架</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>现场定制制作。</td></tr><tr><td>环境生长室</td><td>Powers Scientific, Inc.</td><td>DS70SD</td><td></td></tr><tr><td>带调压阀的压缩空气</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>使用实验室气源或从当地气体供应公司购买。</td></tr><tr><td>缓冲液 N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 带调节阀的气体</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>从当地气体供应公司购买。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Parker Parflex 系列 E（仪器级）聚乙烯管；外径 1/4 英寸，壁厚 0.04 英寸，内径 0.170 英寸</td><td>Parker</td><td>E-43-B-0100</td><td>气体管路（从气源到腔室）</td></tr><tr><td>PEEK 毛细管；外径 1/16 英寸，内径 1/32 英寸</td><td>Fisher Scientific</td><td>3050412</td><td>管路（从歧管到岩心）</td></tr><tr><td>三通管接头</td><td>Parker</td><td>164C-4</td><td></td></tr><tr><td>三通管接头螺母</td><td>Parker</td><td>61C-4</td><td></td></tr><tr><td>尼龙管；外径 1/4 英寸，内径 3/16 英寸</td><td>US Plastics</td><td>58042</td><td></td></tr><tr><td>套管，前部和后部；1/4 英寸</td><td>Swagelock</td><td>B-400-Set</td><td></td></tr><tr><td>黄铜螺母；1/4 英寸</td><td>Swagelock</td><td>B-402-1</td><td></td></tr><tr><td>黄铜中流量计量阀；1/4 英寸</td><td>Swagelock</td><td>B-4MG</td><td></td></tr><tr><td>一体式短管接头，1/16 英寸</td><td>Alltech</td><td>32070</td><td>采样口的一半</td></tr><tr><td>雌性10-32转雌性鲁尔；1/4英寸</td><td>Alltech</td><td>20132</td><td>采样口的一半</td></tr><tr><td>套圈，前部和后部；1/16 英寸</td><td>Swagelock</td><td>B-100-Set</td><td></td></tr><tr><td>黄铜螺母接头；1/16 英寸</td><td>Swagelock</td><td>B-102-1</td><td></td></tr><tr><td>管路接头变径管；1/16 英寸 × 1/4 英寸</td><td>Swagelock</td><td>B-100-R-4</td><td></td></tr><tr><td>PTFE 管道；外径 1/16 英寸，内径 0.040 英寸</td><td>Grace Davison Discovery Sciences</td><td>2106982</td><td></td></tr><tr><td>低压聚四氟乙烯管；外径1/8英寸，内径0.1英寸</td><td>Fisher Scientific</td><td>AT3134</td><td>采样口至岩心的管路</td></tr><tr><td>AirTite 全塑料 Norm-Ject 注射器，50 ml（60 ml）鲁尔滑口（偏心），无菌</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-817-35</td><td></td></tr><tr><td>Wheaton 高密度聚乙烯液体闪烁小瓶，20 ml，Poly-Seal 锥形衬垫</td><td>Fisher Scientific</td><td>03-341-72D</td><td></td></tr><tr><td>尼龙注射器滤器；30 mm 直径，0.45 μm &amp;mu;m</td><td>Fisher Scientific</td><td>03-391-1A</td><td></td></tr><tr><td>Masterflex 蠕动泵，型号 755490</td><td>Cole Parmer</td><td>A-77910-20</td><td></td></tr><tr><td>Pall Filterite 滤器外壳，型号 T911257000</td><td>Pall Corporation</td><td>SCO 10UP</td><td></td></tr><tr><td>Graver QMC 1-10NPCS 滤芯；10 英寸，1.0 &amp;mu;m</td><td>Flowtech Corp</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Graver Watertec 0.2-10NPCS 滤器；10 英寸，0.2 &amp;mu;m</td><td>Flowtech 公司</td><td>N/A</td><td></td></tr></tbody></table>

湖泊沉积物中实验室测定的磷通量作为内源性磷负荷的度量

Laboratory-determined Phosphorus Flux from Lake Sediments as a Measure of Internal Phosphorus Loading

富营养化是全球湖泊面临的水质问题，迫切需要识别并控制营养物质来源。在富营养化湖泊以及部分中营养型湖泊中，湖泊沉积物的内源性磷（P）释放可占总磷负荷的很大比例。通过实验室测定沉积物柱芯中磷的释放速率，是确定内源性磷负荷作用并指导管理决策的一种方法。除实验测定沉积物磷释放外，尚有两种主要替代方法可用于估算内源负荷：原位测定深层水体中磷随时间的变化以及磷质量平衡法。利用实验室沉积物培养实验来量化内源性磷负荷是一种直接方法，因此在湖泊管理与修复中具有重要价值。
沉积物柱状样的实验室培养可用于确定内源性与外源性磷负荷的相对重要性，也可用于回答多种湖泊管理与科研问题。我们以沉积物柱状样培养为例，评估硫酸铝（明矾）处理在减少沉积物磷释放方面的有效性。利用该方法还可探究其他科研问题，例如沉积物再悬浮和生物扰动对磷释放的影响。
该方法也存在局限性。必须对以下方面作出假设：如何将沉积物岩心的结果外推至整个湖泊；如何确定测量养分释放的时间段；以及如何处理可能的岩心管假象问题。通过制定全面的溶解氧监测策略，以评估湖泊中氧化还原状态的时间和空间变化，可提高基于沉积物岩心培养所估算的年度磷负荷量的可信度。

通过采集美国密歇根州莫纳湖（Mona Lake）的沉积物岩心，测定其内部磷的释放量，以确定内源性与外源性磷负荷的相对贡献4。在三个季节中对四个采样点进行采样，以估算年度内源性磷负荷，并考虑磷通量的空间变异。将沉积物岩心在缺氧和有氧条件下培养20至28天，在培养期间定期采集上覆水体，测定可溶性活性磷（SRP）和总磷（TP）浓度。缺氧处理触发了沉积物中SRP和TP的释放；但出于示例目的，本文仅展示TP通量结果。在夏季，缺氧处理组的TP浓度最高，且在所有季节中均观察到TP释放存在空间变异性（图1）。所有有氧岩心中的平均内源性TP通量均低于1.4 mg P/m2/天；秋季时，四个采样点中有三个出现负通量值，表明该季节有氧沉积物表现为磷的汇而非源4（表1）。在缺氧岩心中，TP释放速率显著更高，夏季最高通量达15.56 mg P/m2/天，春季最低为0.80 mg P/m2/天4（表1）。这些通量值被用于根据沉积物岩心采集时测得的溶解氧条件，计算季节性内源性磷通量4。通过将各采样点的通量按相应地理区域的表面积进行放大，计算出季节性内源性磷负荷4；并假设冬季通量为零，将各季节值累加以估算年度内源性磷负荷。估算得到的年度内源性磷负荷为3.4公吨，其中大部分负荷发生在夏季（表2）。将这些结果与同期外源性磷负荷估算值进行比较后估计，莫纳湖沉积物贡献了全年总磷负荷的9%至82%4（表2）。
在密歇根州斯普林湖开展了一系列实验，以确定：1）硫酸铝（alum）处理在减少内源性磷负荷方面的潜在有效性2 以及2）某种方法的有效性 原位 明矾处理18,19实验室模拟全湖范围施用明矾的实验表明，处理后湖体内源性磷释放量显著下降2 (图2）。与上述示例类似，我们仅以这些实验中释放的总磷（TP）作为代表性结果展示。在未添加明矾的缺氧柱（模拟斯普林湖沉积物的自然夏季条件）中，上覆水体的平均总磷浓度超过1.2 mg/L（图2相比之下，添加明矾的缺氧核心几乎未释放磷，其浓度与两种好氧处理均无显著差异。2 (图2）。在春湖全湖施用明矾1年后进行的沉积物岩心培养实验表明，该处理能有效降低沉积物磷的释放，且在缺氧和有氧条件下的磷释放速率相似。18 (图3A）。当实验在明矾处理5年后重复进行时，TP的释放量仍显著低于处理前水平，但高于处理1年后的测量值，表明明矾的有效性略有下降19 (图3B).
<img alt="28天内不同季节TP-P浓度（mg/L）变化趋势，多点位图表分析。" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/51617/51617fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51617/51617fig1.jpg" data-altupdatedat="1762173717000" data-alt="图1"> 
图1. 密歇根州莫纳湖春季（A）、夏季（B）和秋季（C）采集的沉积物柱芯在实验室培养期间测得的总磷（TP）浓度（mg/L）4。 在为期20至28天的培养过程中，测量了来自湖泊4个点位沉积物柱芯上覆水中的TP浓度。图例中的字母代表氧化还原状态（A = 缺氧处理；O = 有氧处理）；数字代表重复编号（1–3）。请注意不同季节y轴刻度的差异。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51617/51617fig1highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清大图。</a>
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" fo:keep-together.within-page="always" width="329">
	<tbody>
		<tr>
			<td>季节</td>
			<td>地点</td>
			<td>缺氧条件下磷通量， 
			mg P/m2/天</td>
			<td>有氧条件下磷通量， 
			mg P/m2/天</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">春季</td>
			<td>1</td>
			<td>2.77 ± 1.53</td>
			<td>0.25 ± 0.01</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>2.82 ± 0.83</td>
			<td>0.26 ± 0.23</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>0.80 ± 0.07</td>
			<td>0.17 ± 0.07</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4</td>
			<td>1.15 ± 0.71</td>
			<td>0.12 ± 0.04</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">夏季</td>
			<td>1</td>
			<td>7.06 ± 2.57</td>
			<td>0.46 ± 0.24</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>9.27 ± 5.99</td>
			<td>1.36 ± 0.73</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>15.56 ± 1.00</td>
			<td>0.90 ± 0.29</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4</td>
			<td>13.63 ± 1.82</td>
			<td>0.59 ± 0.41</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">秋季</td>
			<td>1</td>
			<td>4.48 ± 1.56</td>
			<td>-0.66 ± 0.22</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>2.87 ± 0.97</td>
			<td>-1.14 ± 0.93</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>3.10 ± 4.08</td>
			<td>0.51 ± 0.13</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4</td>
			<td>6.46 ± 4.66</td>
			<td>-0.79 ± 0.23</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. 从密歇根州莫纳湖采集并在缺氧和有氧条件下孵育的沉积物岩心中，总磷（TP）最大表观通量的平均值（±标准差）（mg P/m2/天）4。 通量根据总磷浓度随时间的变化计算得出，如图1所示。
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" fo:keep-together.within-page="always" width="308">
	<tbody>
		<tr>
			<td>季节</td>
			<td>内部P 
			载荷，t</td>
			<td>外部 P 
			加载，t</td>
			<td>内部负荷 
			贡献率，%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>春季</td>
			<td>0.055</td>
			<td>0.557</td>
			<td>9.0%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>夏季</td>
			<td>2.272</td>
			<td>0.862</td>
			<td>72.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>秋季</td>
			<td>1.127</td>
			<td>0.242</td>
			<td>82.3%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>冬季</td>
			<td>0.000</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>年度</td>
			<td>3.454</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表2. 基于最大表观总磷通量估算的美国密歇根州莫纳湖年际及季节性内部磷负荷（公吨，t）4 （见表1）。 将季节性内源性磷负荷估算值与外源性磷负荷估算值进行比较，以确定内源性负荷对总磷负荷的贡献。
<img alt="TP-P 浓度与天数关系图；有氧/无氧条件下添加/不添加明矾的磷水平变化趋势。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51617/51617fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51617/51617fig2.jpg" data-altupdatedat="1762173717000" data-alt="图 2"> 
图 2. 在有氧和无氧条件下，对采自密歇根州斯普林湖的沉积物柱芯进行硫酸铝（明矾）实验处理后，实验室培养期间测得的水体中总磷（TP）平均浓度（±标准差，mg/L）2。在20天的培养期内，定期测定覆盖在沉积物柱芯上方水体中的TP浓度。本图经 Steinman 等2 修改后重印，已获 ASA、CSSA、SSSA 授权。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51617/51617fig2highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清大图。</a>
<img alt="24天内TP-P浓度变化；有氧与无氧条件对比；线形图；污染分析。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51617/51617fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51617/51617fig3.jpg" data-altupdatedat="1762173717000" data-alt="图3"> 
图3. 实验室培养密歇根州斯普林湖沉积物柱芯样品中测得的总磷（TP）浓度均值（±标准差），单位为 mg/L，分别在全湖施用明矾后1年18（A）和5年后19（B）采集样品。 沉积物柱芯样品分别暴露于有氧和无氧处理条件下，在22天（A）至25天（B）的培养期间定期采集上覆水体样本测定TP浓度。本图经Steinman et al.18（图版A）和Steinman et al.19（图版B）修改后重印。经ASA、CSSA、SSSA许可重印。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51617/51617fig3highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清大图。</a>

湖泊富营养化是全球范围内的水质问题，因此识别和控制营养源至关重要。通过实验室测定沉积物柱芯中磷的释放速率，是评估内源性磷负荷作用并指导管理决策的有效方法。

富营养化是全球湖泊面临的水质问题，迫切需要识别并控制营养物质来源。内源性磷（P）...

本实验方案的总体目标是通过测量湖泊沉积物中磷的释放，以估算内源磷负荷。具体操作首先是在野外采集完整的沉积物柱状样。第二步，将沉积物柱状样置于氧化还原处理条件下，并在环境生长箱中进行培养。接下来，在培养期间定期对沉积物岩芯上覆水进行采样，测定磷浓度。最后，计算磷释放速率，并可根据磷浓度随时间的变化估算内源磷负荷。最终，基于实验室的沉积物培养可用于量化湖泊的内源磷负荷，明确沉积物在湖泊富营养化中的作用。相较于其他估算内源磷负荷的方法（如磷质量平衡法和磷浓度原位随时间变化法），该技术的主要优势在于其可进行调整，以解答各类湖泊管理与研究问题。例如，利用此方法可分析内源负荷与外部负荷对湖泊的相对重要性，从而为萎缩性湖泊的管理提供依据，同时也可评估旨在减少内源负荷的治理措施的效果。首先进行水质采样，至少测量水深以及水温和溶解氧的垂直剖面，同时根据研究的具体目标，收集此时所需的其他水质数据与样品。在每个采样点，使用采水器将沉积物表面上方一米处采集的水样注入一个10升的玻璃瓶中。随后，为采集沉积物岩芯，需组装取芯装置。首先，将包塑活塞缆绳的旋转扣环端穿过聚碳酸酯附件组件的顶部。接着，将一根标有刻度的、长0.6米、直径七厘米的聚碳酸酯岩芯管，使其螺栓孔朝上放置，并将缆绳穿过整根岩芯管。将活塞缆绳扣在活塞止动器的吊环螺栓上，然后使用钢丝锁销将岩芯管连接到聚氯乙烯附件组件上。拉动活塞缆绳，使活塞从岩芯管底部向上推进20厘米，以便在采集岩芯时在沉积物表面上方保留一层水。然后，使用另一个钢丝锁紧销将铝制驱动杆连接到PVC连接组件的另一端，并将取芯装置垂直降入水中，根据需要添加额外的铝制驱动杆段。现在，将岩芯垂直定位在沉积物-水界面处，并拉动活塞缆绳tau。当岩芯管就位于沉积物-水界面后，将管钳固定于缆绳上。将缆绳踩入管钳内侧并向下按压。将岩芯管提至水面，在突破水面前用橡胶塞密封管口，并用胶带固定底部塞子。随后将活塞推至岩心管顶部，使其在运输过程中保持固定。将岩心管置于垂直支架上，必要时使用冰块将其维持在接近湖底的环境温度。从野外返回后，调整岩心管，使其包含所需深度的沉积物和上覆水柱。可通过移除底部塞子，小心地将多余的沉积物从岩心管底部排出。如有需要，加入从对应站点采集的储水桶中的水。将沉积物岩心管放入黑暗的环境生长室中，保持温度与野外实测的底层环境水温一致。接着，对岩心进行氧化还原处理，为需氧处理组通气。每个采样点取三根沉积物柱，其水柱层通入空气以进行缺氧处理。每个采样点剩余三根沉积物柱的水柱层通入氮气，其中含有约 350 PPM CO2，用于为两种处理缓冲 pH 值。调节气体流速，确保产生缓慢且稳定的气泡速率，且不扰动沉积物表面。将气体管路的末端置于水柱的大致中部位置。次日，使用蠕动泵和滤芯套件对每个装有从野外各点位采集的近底层水的 10 升桶进行过滤。首先使用 1 微米滤膜过滤，随后使用 0.2 微米滤膜过滤。在沉积物柱芯培养期间，将过滤水储存于四摄氏度环境中，以便在整个培养期内对柱芯进行采样以测定磷释放速率。在所需时间点，立即使用注射器通过每个沉积物柱芯的采样口抽取40毫升水样，将其中20毫升子样品分装至闪烁瓶中并冷藏，用于总磷分析。将另外20毫升子样品通过0.45微米膜过滤器过滤至另一闪烁瓶中，并将第二个小瓶冷冻保存。对于可溶性活性磷的分析，请用等体积的对应点位过滤水替换40毫升子样品。根据水柱总磷或可溶性活性磷的变化计算磷通量，使用以下公式：其中 P_RR 代表单位沉积物表面积的正值为净磷释放率，负值为净磷滞留率。C_T 代表水柱在 t 时刻的总磷或可溶性活性磷浓度。TC sub zero 表示特定时间点的总磷或可溶性活性磷浓度。V 是核心管水柱中的水体体积，A 是沉积物岩芯的平面表面积，随后利用浓度-时间曲线的线性部分计算磷释放速率，从而得出最大表观释放速率。在此代表性实验中。为确定内源与外源磷负荷的相对贡献，对从密歇根州莫纳湖采集的沉积物岩芯进行了磷释放测量。在三个季节对四个点位进行了采样，以估算考虑磷通量空间变化的年度内源磷负荷。在缺氧处理中，夏季总磷浓度最高，且所有季节中总磷释放的空间变异性均很明显。所有IC岩芯的平均内部总磷通量均低于1.4毫克磷每平方米每天，且在秋季四个点位中有三个点位出现负通量值，这表明在该季节，IC沉积物充当的是磷汇而非磷源。缺氧岩芯中的总磷释放速率则显著更高，其通量在夏季高达15.56毫克磷每平方米每天，而在春季则低至0.80毫克磷每平方米每天。随后，根据采集沉积物岩芯时测得的溶解氧条件，利用这些通量值计算了季节性内部磷通量。据估算，莫纳湖年度的内源磷负荷为3.4公吨，其中大部分负荷发生在夏季。将这些结果与同期从流入莫纳湖的支流估算得到的外源磷负荷进行比较，估计莫纳湖沉积物贡献了年度总磷负荷的9%至82%。另一系列实验在密歇根州的斯普林湖进行，如下面两幅图所示，旨在确定硫酸铝（或称明矾）处理在减少内源磷负荷方面的潜在效果，以及NC2明矾处理实验室实验的效能。模拟全湖范围施用明矾的实验表明，在未经明矾处理的缺氧沉积物柱中（模拟斯普林湖沉积物夏季的自然条件），内源磷释放量在处理后急剧下降。上覆水体的平均总磷浓度超过了1.2毫克/升。相比之下，投加明矾的缺氧沉积物柱芯几乎没有磷释放，其浓度与两种离子色谱（IC）处理组均无差异。在斯普林湖全域施用硫酸铝一年后进行的沉积物柱芯培养实验表明，该处理在减少沉积物磷释放方面非常有效，缺氧处理组与IC处理组的磷释放率相近。在硫酸铝处理五年后重复该实验时，总磷释放量仍显著低于处理前水平，但高于处理后一年测得的值，这表明铝盐的效力随时间推移略有下降。结合此流程，可进行额外的分析，如沉积物总磷、水溶性反应磷、顺序磷提取、分级分离及金属分析，以帮助解释沉积物磷释放结果。观看本视频后，您应能充分理解如何通过实验室实验测定湖泊沉积物的磷释放速率，包括沉积物岩芯采集、培养及计算。

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实验室确定的磷通量湖泊沉积物作为内部磷载入一个测量

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实验室估算多氯联苯同系物从猎物向湖鳟（Salvelinus namaycush）的净营养级传递效率

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利用摇蚊科（双翅目）水面漂浮的蛹壳作为水体快速生物评价的方案

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使用微型化磷测定法优化测定膦酸盐在颗粒状氢氧化铁上吸附的实验步骤

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检测细菌中的无机多聚磷酸盐

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测量实验室微宇宙系统中的磷释放以评估水质

本文描述了利用荧光脂质探针和脂质体来确定某种蛋白质是否提取并转运磷脂酰丝氨酸或磷脂酰肌醇4-磷酸的实验方案 体外.

基于荧光的膜间磷脂酰丝氨酸/磷脂酰肌醇-4-磷酸交换测量方法

本文介绍了一种经济、便携的方法/装置，用于在真实环境下测量微生物席的初级生产力 原位...

一种低成本测量方法 原位 静水水体附生藻类群落的初级生产力

了解实验室测定湖泊沉积物磷释放通量的方法，用于估算内源磷负荷。该方法通过采集完整沉积物岩芯，在控制氧化还原条件下培养，定期测定上覆水中磷浓度变化，计算磷释放速率，为湖泊富营养化管理和水质改善提供科学依据。

湖泊沉积物中实验室测定的磷通量作为内源性磷负荷的度量

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