深水抚仙湖沉积物有机质矿化对界面磷再生的驱动机制

The continuous deposition of organic matter in sediment caused by lake eutrophication and exogenous pollution would result in potential secondary pollution, especially internal phosphorus pollution in lake, which still hasn't aroused enough concern. The present study is focusing on a trend toward an increase in organic matter enrichment and phosphorus release in sediment of Lake Fuxian. The techniques of isotopes and biomarkers are performed to characterize the degradation processes and the mineralization pathways of organic matter derived from different sources in sediment along water depth gradient. The combination of phosphorus-31 NMR, diffusive gradients in thin films technique (DGT), oxygen isotopes of phosphate is conducted to assess the effect of organic matter mineralization on benthic phosphorus dynamic such as organic phosphorus degradation, transformation between mineral phases of phosphorus, and benthic phosphorus flux across sediment interface. Furthermore, the study enhances the understanding of the mechanism of organic matter mineralization on phosphorus regeneration by investigating microenvironmental behavior at sediment interface. The findings will provide scientific support for the risk evaluation of internal phosphorus loading from organic matter accumulated sediments in deep water.

湖泊富营养化和外源污染造成沉积物有机质持续积累，而由此产生的潜在次生污染，尤其是内源磷污染，并未引起足够重视。本项目针对深水抚仙湖沉积物有机质快速积累、底层高强度磷释放的问题，通过同位素技术和生物标志物考察不同来源有机质沿水深梯度的降解特征和矿化途径；利用31-P核磁共振、薄膜扩散梯度技术、磷酸盐氧同位素等技术手段研究有机质矿化对有机磷降解、矿物相磷转化、界面磷释放等磷再生过程的影响，结合沉积物界面微环境的分析，进一步揭示有机质矿化对沉积物磷再生的驱动机制。本项目的实施将为评价深水湖泊有机质积累区沉积物磷的污染风险提供科学依据。

湖泊富营养化和外源污染引起的沉积物有机质持续积累对湖泊的潜在次生污染尚不得而知。本项研究以深水抚仙湖为研究对象，通过多次全湖调查，采集沉积物柱样品，开展有机质积累对沉积物磷再生的驱动机制研究。应用δ13Corg、δ15N及有机质组成特征进行来源分析，抚仙湖有机质来源的空间差异显著，近岸区受陆源影响较重，深水区主要以藻源有机质为主；有机质含量与粒度、区域污染类型及强度有关，北湖区深水区有机质最高，其次为村落农田污染区，水土流失污染区最低；全湖有机质均处于中等降解状态，且随深度降解速率加快。应用沉积物活性有机质的含量及组成评价抚仙湖表层沉积物的营养状态，大部分样点处于富营养状态。通过沉积物有机质来源和性质的垂向分布特征，反演抚仙湖沉积环境的演变历程，自20世纪80年代以来，沉积物的营养程度提升比较显著，有机质积累量明显增加，表层沉积物δ13Corg的偏负变化指示了流域外源输入对沉积环境的影响逐年增大。应用微界面分析技术、薄膜扩散梯度技术、气密袋培养法，研究沉积物垂向剖面理化性质、赋存形态、矿化途径等变化特征，结果表明表层沉积物有机质积累，溶氧渗透深度减小，耗氧速率增大，沉积物中还原性硫、活性铁含量增加；抚仙湖沉积物存在铁硫同步还原过程，并且铁还原速率高于硫还原速率，由于抚仙湖铁氧化物对磷具有良好的控制作用，有机质积累条件下存在铁磷同步释放现象。应用δ18OP组成示踪分析沉积物磷来源特征，藻源性磷含量最高，其次为农业面源来源的磷和矿源性磷，不同湖区磷来源差异显著。应用藻屑添加培养实验，表明藻屑密度较低时，氮磷释放受温度影响；而藻屑密度大于水华密度（6 g dw m−2）时，氮磷释放不受外界条件影响，释放速率高。应用13C标记示踪技术，发现藻源性有机质积累对沉积物有机质矿化产生正激发效应，加快有机质矿化速率，改变有机质矿化途径，影响Fe、S、P的赋存形态，从而促进沉积物磷释放。研究结果揭示了抚仙湖沉积环境现状及其磷释放风险，对湖泊风险管理评估和湖泊污染治理具有指导意义。