富营养化海湾沉积物中磷循环特征及其调控机制

Phosphorus (P) is an essential nutrient and plays a key role in the eutrophication and harmful algal blooms of the coastal estuary and bay. The cycling and release of P in sediments play an important role in maintaining the water trophic status. Thus, more research has focused on the biogeochemical cycle of P in sediments. Up to date, the P cycling and its regulating mechanism in sediments, however, remain unclear in the eutrophic bay. In this proposal, Qinzhou bay was chosen as a typical research area. Various P forms in sediments, overlying water and pore water were investigated by a sequential extraction method, diffusive gradients in thin-films technique (DGT) and microelectrode analysis technology in situ, combined with field sampling and control trial in the laboratory. P, sulfur (S) and iron (Fe) forms and composition from sediment, overlying water, and pore water were analyzed. The purpose of this study was to confirm the key factors regulating the spatio-temporal characteristics of sedimentary P, establish sedimentary P cycle model in the bay, elucidate the effect of S and Fe on the release and fraction of P in sediments, and reveal the flux regulating and dynamic coupling mechanism of P, S and Fe in sediments of coastal estuary. The results may provide useful information for further research on P biogeochemical cycle in coastal ecosystems as well as the mechanism of eutrophication and pollution prevention.

磷是海洋中重要的生源要素，也是近年来河口海湾富营养化、有害赤潮频发的重要诱因之一。沉积物磷循环及其内源磷释放对水体富营养水平具有重要作用。因此，沉积物中磷的生物地球化学循环过程研究是当前海洋科学关注的热点问题之一。但全球富营养化海湾有关沉积物磷循环特征及其调控机制至今尚未被清楚地认识。鉴于此，本项目选取钦州湾作为典型富营养化海湾，采用化学分级提取法、薄膜梯度扩散技术（DGT）和微电极原位分析技术，结合现场调查观测与室内控制实验，分析沉积物、上覆水、间隙水中磷、硫、铁的形态和组分含量，确定影响海湾沉积物磷时空变化规律的关键控制因素，初步构建海湾沉积物磷循环模型，阐明硫和铁地球化学行为对沉积物磷释放及磷形态的影响，揭示河口海湾沉积物磷、硫、铁元素的通量调控及动态耦合机制，为系统认识近海磷生物地球化学循环过程，以及水体富营养化的机理研究和环境污染防治提供重要科学依据。

磷是海洋中重要的生源要素，直接影响海洋初级生产力及其生态系统。沉积物中磷的生物地球化学循环过程研究是当前海洋科学关注的热点问题之一，但缺乏对富营养化海湾沉积物磷循环特征及其调控机制研究。本项目以富营养化海湾—钦州湾为主要研究区域，采用现场调查、室内分析、控制实验等对沉积物不同形态磷浓度时空变化及其影响因素，P、S、Fe通量及循环耦合机制等进行研究。主要成果如下：（1）夏、冬季茅尾海表层沉积物IP是TP主要存在形式，Fe-P是IP主要赋存形态。陆源输入、生物过程、有机质、粒度是控制表层沉积物不同形态磷时空变化的重要因素，夏、冬季茅尾海表层沉积物均具有强释放磷能力。（2）茅尾海主要入海河口区沉积柱溶解性P、S、Fe存在同步释放，Fe还原菌与S还原菌在沉积物微尺度下同时存在，且沉积物具有很强的空间异质性；沉积物-水界面溶解性P为由沉积物向上覆水释放，溶解性Fe和S同步释放加剧了沉积物中溶解性P释放。（3）细粒径沉积物有利于有机质和OP保存，有机质降解过程中不稳定OP快速再矿化可能促使磷酸盐形成不同IP组分，OP转化周转速率高于OC。沉积物-水界面IP交换通量依赖于OP再矿化、Ca-P以及Fe-P形成或再释放。（4）茅尾海表层沉积物生源要素时空变化主要受有机质来源、沉积物类型、水动力条件以及海水养殖活动影响，有机质来源主要来自陆源、海洋浮游植物和贝类生物沉积；水体中磷存在较强颗粒活性，其在溶解和颗粒相磷分配过程中具有重要作用，同时受物理、化学和生物因素共同控制。（5）茅尾海沉积物对磷的吸附符合准二级动力学吸附模型，吸附等温线符合Langmuir-交叉型等温式；粒径越小，吸附量越大，pH 7.50~7.88范围内沉积物对磷吸附量较大，过高的盐度不利于沉积物对磷的吸附；沉积物对磷的吸附中物理吸附和化学吸附同时存在，以物理吸附为主。项目研究为海湾水体富营养化防治和修复提供科学依据，对深入认识近海沉积物磷的生物地球化学循环过程及区域生态效应具有重要意义。