海州湾海洋牧场表层沉积物中磷形态及释放通量研究

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海洋牧场是一种新型的可持续的海洋生产方式,典型的海洋牧场通常由人工鱼礁、浮礁、大型藻类以及软体动物等组成,人工鱼礁和浮礁可为鱼类等生物提供栖息地,是近年来国家倡导发展的海洋资源养护与生态修复工程。海州湾海洋牧场位于黄海中部,是我国建设较早的公益类海洋牧场。磷是海洋生态系统中重要的生源要素,在生物地球化学循环中有着重要的作用,而沉积物又是水体营养物质的重要蓄积场所,沉积物-水界面中磷的迁移和转化过程直接影响着水体营养盐的状况。有关沉积物作为上覆水体营养源或汇的研究尚未深入开展,尤其对于海洋牧场区域沉积物-水界面磷酸盐的研究还鲜见报道。本文采用目前国际上较通用的沉积物中的磷形态分级提取方法SMT法(Standard Measurement Test)对海州湾海洋牧场表层沉积物进行磷形态提取,并测定海州湾海洋牧场区沉积物中各种形态的磷含量,结合沉积物—水界面磷通量室内模拟实验,探讨沉积物-水界面磷的迁移方向与交换通量,进而确定海州湾海洋牧场沉积物中的磷对于上覆水是“源”还是“汇”,以期为海州湾海洋牧场人工鱼礁投放等生态修复工程提供科学依据。于2017年5月、8月、11月分别采集春、夏、秋季节环境样品。海州湾海洋牧场区设置3个鱼礁区站点,在牧场区外设置2个对照点。根据海洋监测规范采集了表层沉积物样品及对应站点上覆水、间隙水等水质样品。按照相应的检测标准或规范对沉积物、上覆水及间隙水进行磷形态进行测定,分析各环境因素影响,结合室内磷通量释放实验,研究海州湾海洋牧场沉积物中的磷对于上覆水是“源”还是“汇”的问题。主要研究结论如下:海州湾海洋牧场区春季表层沉积物中TP含量为392.44~463.46ug·g-1,IP含量219.21~282ug·g-1,Ca-P含量117.73~130.07ug·g-1。IP是磷的主要赋存形态;分级提取的磷形态含量高低顺序为Ca-P>Ex-P>Fe/Al-P,对照区各种磷形态含量大于鱼礁区;上覆水中的各种形态磷浓度均高于间隙水。室内模拟实验显示,沉积物中各种形态磷的含量增加,IP仍为磷的主要赋存形态;沉积物-水界面TP、TDP、PO43-的交换通量分别为分别在-0.53~-0.05、-0.15~-0.01、-0.03~-0.29 mmol/(m2·d)之间。实验初期交换速率较快,然后趋于平缓,与对照区相比,海洋牧场区磷的交换通量稍大,但都表现为从上覆水体向沉积物中迁移,即沉积物中的磷表现为上覆水的“汇”。海州湾海洋牧场区夏季表层沉积物中TP含量为330.78417.68ug·g-1,IP含量223.31~256.9ug·g-1,Ca-P含量160.69~177.52ug·g-1。IP是磷的主要赋存形态;分级提取的磷形态含量高低顺序为Ca-P>Ex-P>Fe/Al-P,对照区各种磷形态含量稍大于鱼礁区;上覆水中的各种形态磷浓度均低于间隙水。室内模拟实验显示,沉积物中TP、Ex-P、OP含量减少,IP、Fe/Al-P、Ca-P培养后浓度略有增加;沉积物-水界面TP、TDP、PO43-的交换通量分别为分别在-0.025~-0.193、0.003~0.056、-0.089~0.030mmol/(m2·d)之间。实验初期交换速率较快,鱼礁区TP、TDP平均交换通量略小于对照区,PO43-平均交换通量略大于对照区,但都表现为从沉积物向上覆水体中迁移,即沉积物中的磷表现为上覆水的“源”。海州湾海洋牧场区秋季表层沉积物中TP含量为336.38458.32ug·g-1,IP含量197.14~251.80ug·g-1,Ca-P含量150.89~192.93ug·g-1。IP是磷的主要赋存形态;分级提取的磷形态含量高低顺序为Ca-P>Fe/Al-P>Ex-P,除OP外,对照区各种磷形态含量大于鱼礁区;上覆水中的各种形态磷浓度均低于间隙水。室内模拟实验显示,各站点除OP外,其它磷形态平均浓度都略有减少,站点RA1各个磷形态浓度增量明显,且海洋牧场鱼礁区各磷形态的浓度均小于对照区;沉积物—水界面TP、TDP、PO43-的交换通量分别为分别在-0.012~0.070、0.010~0.078、0.034-0.094mmol/(m2·d)之间。实验初期交换速率较快,与对照区相比,海洋牧场区磷的交换通量稍大,但都表现为从沉积物向上覆水体中迁移,即沉积物中的磷表现为上覆水的“源”。海州湾海洋牧场站点站点RA2与CA2各磷形态的季节变化呈现一定的一致性,对照区与鱼礁区也呈现一定的一致性。春季TP、IP的平均含量都要高于其他两季,夏季各形态的平均含量都低于其他两季,秋季Ex-P、Fe/Al-P、OP的平均含量都高于其他两季。间隙水中三种磷形态的季节变化与上覆水呈现一致性。春季鱼礁区内上覆水TP、TDP、PO43-的含量都大于其他两季,但TP和TDP最为明显;而在对照区,春季上覆水的TP含量异常,TDP、PO43-之间的差异不显著,但也呈现秋季含量较大的趋势。对照区与鱼礁区内间隙水各磷态含量与上覆水具有相似性。沉积物—水界面间TP、TDP、PO43-的交换量呈现季节性变化,春季TP交换量大于夏秋两季,夏季TDP的交换量显著小于春秋两季,春季PO43-的交换量大于夏秋两季。春季各磷形态的平均交换通量为负值,夏秋两季则为正值。
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