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DGT和HR-Peeper聯(lián)用案例:評估熱變對沉積物中鐵磷遷移影響

時間:2024/12/3閱讀:465
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本期分享一篇河海大學Robert BofahBuoh團隊在《Environmental Science and Pollution Research發(fā)表的一篇學術(shù)論文:Assessing the influence of thermal structure variation on Fe and P mobility in sediments cores using Yellow Spring Instrument, diffusive gradient technology, and HR Peeper for sustainable water quality management。

淡水生態(tài)特征,如熱分層的日常庫存、水中氧分布的空間變化,以及水-沉積物界面(WSI)潛在有毒元素(PTEs)的遷移,是水質(zhì)管理協(xié)議中用于淡水評估的重要指標。本研究在受季風影響的區(qū)域內(nèi)進行日常觀測,利用高分辨率技術(shù),如HR Peeper(高分辨孔隙水采樣裝置)、Yellow Spring Instrument (YSI) ZrO-Chelex 薄膜擴散梯度技術(shù)(DGT),在不同溫度和氧條件下分析水-沉積物界面(WSI)中的特定PTEs,即磷(P)和鐵(Fe)。這項為期66天的現(xiàn)場研究表明,高熱結(jié)構(gòu)顯著促進了沉積物中Fe離子和P的產(chǎn)生,這是在FeOOH的還原溶解下進行的。研究還揭示了PFeWSI顯示出可比較的空間分布模式,表明這些PTEs之間存在聯(lián)系。這種相關(guān)性通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)得到加強,范圍從0.70.9(雙側(cè),p < 0.05),表明游離P的濃度主要受結(jié)合在鐵上的磷的釋放影響。PTEs的通量為正值,Fe的范圍是3.3–81.5 mg/m2/天,P的范圍是0.03–0.5 mg/m2/天,表明沉積物將PTEs釋放到底層水中。同樣,在分層度高(缺氧條件)時獲得PTEs的高正通量(Fe≈60 mg/m2/天,P≈0.5 mg/m2/天),在分層不存在時低(Fe≈5 mg/m2/天,P≈0.08 mg/m2天)。這描繪了Fe/P動態(tài)主要取決于底層水在FeOOH還原溶解下的缺氧條件。研究結(jié)果表明,有機物(固態(tài)和溶解態(tài))與Fe的相關(guān)性顯著(>0.7,正值高),這表明它們的相互作用導(dǎo)致了水庫水質(zhì)量的惡化。然而,Ca2+Mg2+對沉積物中Fe-DOC-P的釋放影響很小,因為它們無法與Fe競爭與DOCP的結(jié)合,如它們的低相關(guān)值所示。該研究提供了PTEs日常時間尺度上的動態(tài)深入見解,并為內(nèi)陸水庫的水資源管理實踐提供了有價值信息,特別是關(guān)于磷(P)的循環(huán)及其對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響。

在本研究中,HRP和DGT為我們提供了寶貴的微觀視角,觀察Fe-P-DOC的行為以及熱分層如何影響這一機制。TIR系統(tǒng)中,顯著的熱分層導(dǎo)致底層區(qū)域的氧氣水平顯著降低,從而導(dǎo)致底層水中Fe和P的濃度升高。相反,由于熱分層弱化導(dǎo)致的WSI處的高氧氣含量,對沉積物中Fe/P的滲出產(chǎn)生了抑制作用。這種相互作用(Fe-P-DOC)導(dǎo)致水系統(tǒng)中黑色物質(zhì)的顯著產(chǎn)生。研究還表明,如Ca2+Mg2+這樣的元素對沉積物中Fe-P-DOC的行為影響很小,這一點從這些元素與Fe/P之間的低相關(guān)性明顯看出。鐵由于存在多種氧化態(tài)(Fe2+Fe3+),能夠參與氧化還原反應(yīng),并能夠與各種配體的有機物質(zhì)和磷酸鹽形成強復(fù)合物,而Ca2+Mg2+是氧化還原非活性離子,因此在氧化還原敏感環(huán)境中限制了它們與Fe在結(jié)合磷酸鹽和有機物質(zhì)方面的反應(yīng)性和競爭性。在我們的研究中,有機物質(zhì)與Fe/P顯著相關(guān)(正值高)。Fe與DOC之間也存在強相關(guān)性(> 0.7)。關(guān)于沉積物的化學和物理性質(zhì),F(xiàn)e和P的分布模式是同步的,這一點得到了高記錄相關(guān)值(0.7-0.9)的支持。當分層高(缺氧條件)時,F(xiàn)e/P的高正通量很低,當分層不存在時通量低。這描繪了Fe/P動態(tài)主要取決于底層水的缺氧條件。當前研究為TIR中Fe-P-DOC的日常相互作用提供了寶貴的見解,這些見解可以應(yīng)用于其他經(jīng)歷類似氣候和環(huán)境條件的內(nèi)陸水系統(tǒng)。這些知識可以幫助全球水系統(tǒng)的可持續(xù)管理。


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