在瞬态负载条件下的营养型湖泊中滞留的磷：研究从沉积物中磷的结合形式外文翻译资料

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在瞬态负载条件下的营养型湖泊中滞留的磷：研究从沉积物中磷的结合形式

M. Dittrich^a, A. Chesnyuk^a, A. Gudimov^a, J. McCulloch^a, S. Quazi^a,]. Young^b J. Winter^b, E. Stainsby^b, G. Arhonditsis^a

文章信息

文章历史：

收到日期2012年8月14日，修订本收到日期2012年11月30日，接收日期2012年12月6日，在线可用日期2012年12月14日。

磷内负载的沉积物在早期经过成岩作用，结合形成了Simcoe湖。

摘要

加拿大安大略省的一个省内湖的三个盆地沉积物中的磷结合形成了Simcoe湖。总磷（TP）的分馏用于检测Cook lsquo;s Bay，Kempenfelt Bay和主流域的sedimeijits中磷（P）结合物中磷的浓度。提炼的顺序使我们能够区分有机离子，无机离子，碳酸离子结合和氧化还原的磷。我们的研究结果显示，在三个研究盆地中的每一个不同的磷释放机制，可能与其不同的沉积历史，目前的土地利用和采样点的形态有关。在深处的主盆地，由于砍伐森林引起磷负荷的小幅变化，沉积物不是一种重要的双向移动磷的长期来源，因为几乎75％的磷在短时间内会释放。磷的释放主要是由连续的表水层磷流产生的，而不是存储在沉积物中的大量的临时磷。上部沉积层中的成岩作用足够快，所以能防止临时磷的大量积累。在具有高度城市化的更深的冰河集水区形成的Kempenfelt湾中，磷从沉积物中释放的是氧化还原的部分磷，有40％和57％的长期和短期的沉积物磷。在浅层和受农业影响的库克湾，主要磷的结合形式是通过成岩作用的碳酸盐结合磷。这个部分分别贡献40.1％和37.6％的长期和短期释放的磷沉积物。虽然Simcoe湖中的三个盆地中不同的磷释放机制已经被知道了，但垂直剖面表明整个系统的沉积物仍然能够固定沉积的磷.

版权copy;2012由Elsevier出版公司保留所有权利。

1.引言

Simcoe湖是南安大略最大的湖，大湖表面积为772 km2。该湖位于多伦多（MOE，2010年）以北50 km。该湖几十年来一直遭受人为干扰，其生态系统的完整性受到挑战（Winter等人，2007; Young等人，2011）。这个问题在70年代变得特别严重，过量的藻类和水生植物生长受到增加的磷（P）负荷的影响。此外，深层氧水平的不足与淡水鱼死亡的原因相关（Evans，2007; Johnson和Nicholls，1989）。在Simcoe湖，缺氧条件有时表现在夏季结束时（Eimers等人，2005）。重要的是，全球温度的上升可能会延长夏季的持续时间，从而加剧了Simcoe湖的深层缺氧的问题。事实上，Stainsby等人（2011）提供了证据，相比较三十年前，分层发生在春天前20天和秋天后15天（Stainsby等人，2011年）。严重程度的低氧条件是麻烦的，因为它可能潜在地触发磷从沉积物中释放到上面的水域（Christophorldis和Fytianos，2006）。

努力减少磷流入湖泊，是让水质改善、TP和叶绿素浓度下降、以及逐渐转变到间质性湖泊中的主要条件（Winter等人，2002）。 然而，尽管过去二十年（1990年：156.5吨/年，2006年：71.5吨/年）的总磷负荷一步步减少，湖泊的水质环境中TP浓度却没有相应下降（Young等人，2010），水文以及外部非点和点磷负荷在该地区被广泛监测（Palmer等人，2011），但我们对湖泊沉积物中磷的释放仍然非常有限，特别是在这个大系统的多个盆地中磷的精确化以及埋藏机制的性质。

除了作为许多生命（例如微生物和底栖生物）的栖息地，沉积物在确定水中许多营养物质和污染物的浓度方面起了基础作用。例如，湖泊沉积物在确定磷的释放和垂直传输中起关键作用，从而调节内部磷负荷的大小。磷在沉积物中以许多化学形式存在，并且根据主要条件，每种形式对内部负荷有不同的影响（Christophoridis和Fytianos，2006）。广泛调查许多富营养湖的磷，但只有少数研究磷的中间营养系统中有提及，因此目前尚未完全了解其机制。一般来说，磷释放取决于沉积物储存磷的能力，上层水的条件和湖泊的生物特性（Abdel-Satar和Sayed，2010）。主要驱动因素是温度，氧化还原条件，pH，溶解氧以及其他无机物质的浓度，如沉积物和水中的硝酸盐和硫酸盐（Ribeiro等人，2008）。 磷可以通过广泛的物理，化学和生物过程释放，包括配体交换机制，矿化和活细胞的释放（Christophoridis和Fytianos，2006）。内部磷负荷的预测需要对沉积物中存在的不同磷的形式进行严格的定量。

在预测系统和在变化的负载条件下反应的磷结合形式起重要作用。磷以无机和有机形式存在。

无机形式的磷通常被吸附到沉淀金属氧化物上，如Al离子或Fe离子氢氧化物。 有机形式可以在微生物，碎屑，腐殖化合物，多磷酸盐和磷脂中（Ribeiro等人，2008）。 大量的磷通常存储相对长的时间，作为沉积物中有机物质的耐火材料。 特别地，与磷结合到CaCO 3和磷灰石的腐殖物质作为有助于储存库的磷汇（Bostrom，1984）。

外部磷负荷的减少并不总是使富营养化迅速地降低（Ahlgren等人，2005; Carey和Rydin，2011）。这种延迟反应通常来自富营养化驱动的缺氧状态和内部磷释放之间的正反馈（Gachter和Muller，2003; Schindler，2006）。尽管沉积物中的总磷和水柱内部磷负荷之间的经验关系仍然未知，但成岩过程在富营养湖中的沉积物中磷释放的重要性早已被公认（Niimberg，1988; Carey和Rydin， 2011; Golterman，1999）。另一方面，贫营养湖中的内部负荷通常有限，沉积物能够储存更多（Niimberg，1988）。中营养湖代表了低丰富湖泊和富营养湖之间的过渡带，因此对于成岩过程的磷的协调及其负荷和土地利用历史来说，可以提高我们对内部负荷的重要性和有效控制的基本认识（参见Lewis等，2007）。

最近关于Simcoe湖中原生生产力重建的研究，是基于总磷沉积物的记录和碳和氮的同位素的比率的，这表明在过去四十年中的原始生产力增加，更多的有机磷被埋在湖中作为沉积物（Hiriart-Baer等，2011）。这是一个有些违反常识的趋势，因为监测结果表明Simcoe湖中的磷含量普遍下降。此外，最近公布的一项建模研究表明，Cooks 湾和Kempenfelt 湾的净降低TP损失率分别为300 mg P / m2 /年和150 mg P / m2 / 年（Gudimov等，2012 ），而沉积物测量的年数据表明累积率为两倍高，250-750 mg P / m2 /年（Hiriart-Baer等，2011）。目前尚不清楚这些差异的原因是什么。沉积物的核心研究是了解沉积物在湖泊磷预算中的作用（Dillon和Molot，1996; Hupfer和Lewandowski，2005）。

在本研究中，我们的主要目标是量化储存在Simcoe湖三个盆地沉积物中的电位移动磷池。通过研究磷在空间和时间上的结合形式的变化，我们的研究旨在了解在大范围的负载条件，多种空间设置下内部磷释放的机制，从平面上，大型植物主导一年的不同时期的深冰川从而形成盆地。为此，我们选择了三个不同盆地的Simcoe湖，具有不同的历史：库克湾，肯彭菲尔德湾和主流域（Hiriart-Baer等人，2011; Landre等人，2011）。浅库克湾的集水区具有农业和城市土地利用的特征，并且自19世纪初以来已经受到河道通顺化和湿地排水。在里面深部的Kempenfelt湾，土地利用率和磷负荷的历史反映了自20世纪50年代以来巴里市人口增长相关的城市化活动（Hiriart-Baer等人，2011）。主盆地的流域经历了逐渐的加固，这是磷负荷变异性的主要驱动力。

在分层开始之前和热分层结束的一年中的两个截然不同的时期，研究在三个不同盆地的沉积岩芯中测量值低至28cm的深度中五种磷结合形式的浓度。 我们研究了在高（0.5 mm）垂直分辨率的沉积物 - 水界面的氧化还原条件（pH和氧曲线）。 还测量了水中孔隙溶解物质的浓度，并随后用于计算冰覆盖率和夏季分层期间磷的扩散通量。 最后，我们基于沉积磷深度剖面和外部荷载来估算Simcoe湖中的磷保留量，并将其与全湖质量平衡模型（Gudimov等人，2012）提供的结果进行比较。

.方法

2.1地点

Simcoe湖是在南安大略最大的湖。Simcoe湖的面积为722平方公里，流域面积为2899平方公里，平均深度和最大深度分别为14.2米和41.5米。 该湖分为三个主要区域：在Barrie市（面积22平方公里）附近的深水Kempenfelt湾，附近的浅水Cook 湾（面积24平方公里）的荷兰沼泽和“主”盆地，目前约有40万人居住在Simcoe湖流域，而数百万人被吸引到湖来游泳，划船，在夏季和冬季钓鱼和其他娱乐活动。 还有六个饮用水处理厂，供应来自Simcoe湖的水。

在这个湖泊中，我们的三个采样点位于库克湾（C9），肯彭菲尔德湾（K42）和主流域（K45）。大型主盆地的平均深度为14米，最大深度为33米，面积为643平方公里，而位于湖西侧的窄而深的Kempenfelt湾的平均深度为20米，面积34平方公里。湖南端浅的库克湾的平均深度为13米，面积为44平方公里（Palmer等人，2011）。该湖通过在Atherley Narrows的单一流出其北部末端，并且具有大约10.5年的冲洗时间。由于其流域下的石灰岩基岩，Simcoe湖是一个硬水湖，平均钙浓度为41毫克/升，平均碱度为116毫克/升，pH值为8.3。库克湾（C9）的透明度为6.4 m，Kempenfelt湾（K42）和主流域（K45）的相应值分别为7 m和7.1 m（Young等人，2010）。最后，湖的沉积速率约为2mm /年（Hiriart-Baer等人，2011）。

农业是主要的土地利用方式，占流域总面积的43％。 农业土地集中在荷兰河系统，在南部的湖边为库克湾提供粮食，包括一个49平方公里的沼泽或“桐树”。通过一系列泵站和运河维持pol头内的水位，将多余的水排入库克湾。 在20世纪80年代初，库克湾的透明度深度值平均在1到2米之间，浮游植物丰富。 由于磷输入量的升高（一般gt; 100 ^·g / L），Cooks 湾的磷水平仍然高于其他位点（表1，2000-2003，范围14.4-22.7 p_g / L） 从高度农业的荷兰沼泽，它进入库克湾乌拉荷兰河（Winter等人，2002）。 库克湾也经历了水生植物的迅速增殖，这源于水透明度的逐渐改善。

总体磷水平在Kempenfelt湾为历史最高，在Barrie市附近，该城市在2001年是加拿大增长最快的城市，在1996年和2001年之间人口增加了25％（Eimers等人，2005）。 在过去，深的Kempenfelt湾在夏季分层结束时经历了低深层氧气的时期（Eimers等人，2005）。 不久以前，Kempenfelt湾的TP水平与主流域类似。 主流域的总体TP趋势在过去三十年没有显示出统计上的显著变化，尽管TP的下降主要发生在80年代。

现在的Simcoe湖被认为是间营养的，磷的主要来源包括来自支流和大气沉积的非点荷载，蔬菜种群（如Holland Marsh），废水处理厂和排毒系统。 支流代表来自农业地区的磷负荷以及草坪肥料，宠物废物和洗涤剂中携带磷的城市径流（Gudimov等人，2012）。 2004年至2007年间，湖泊中磷的总装载量为74plusmn;3吨/年（MOE，2009），在20世纪80年代和90年代初期超过100吨/年（Evans，2007）。

2.2沉积物取样

使用取样器Uwitec在60cm长的取样管中收集样品。 核心是从2011年3月和2011年9月从三个地点（C9，K42和K45）获得的。 在沉积物采样之前，在每个采样点使用海鸟传感器收集溶解氧，温度，pH和电导率的水深剖面。 在现场密封核心，以防止有任何的大气交换，然后在热隔离的定制盒中转移到实验室，它们保存在4℃下。 样品收集和实验测量之间的时间段小于2小时; 在到达实验室后立即进行微传感器测量。 使用一至三个核心用于O2和pH的微传感器分析。

两个岩心用于孔隙水分析，两到三个岩心用于磷的分馏，以及孔隙率，干重和总有机物的分析。 此外，将一个核心切片用于图像分析，并且将两个核心冷冻用于将来分析。 选择核心部分用于基于纵向切割的暴露沉积物核心的视觉分析的分级分离。

将2-3个沉积物核心切成1-2cm厚的切片。在大多数情况下，汇集0-1cm，1-2cm，2-4cm，4-6cm和6-10cm水平。对于深层岩心分析，还收集了10-15,15-20cm的层位。将上述从芯中取出的层加入烧杯中，然后混合。将来自两层至三层的每层的样品合并并离心（11,000rpmtimes;10min），倾析并过滤（0.45mu;m）用于孔隙水分析。对于每一层，至少两个样品被制备用于孔隙水分析并在复制品中进行分析。提供这些测量的平均值;标准偏差小于5％。使用由Psenner和Pucsko（1988）提出的顺序提取方案，分析大约1g新鲜沉积物的P结合形式的一式两份。将滤液用于ICP分析（ICP-OES）（Perkin Elmer Optima）的P分析

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