近日，5123导航、海洋与地球学院氮循环研究组在季节性层化水体营养盐动态及结构的调控研究方面取得新进展，相关成果以“The underestimated role of manganese in modulating the nutrient structure in a eutrophic seasonally-stratified reservoir”为题，发表于Water Research期刊。
该研究发现，锰元素的迁移转化对水库上下层水体磷的交换起到重要调控作用，溶解氧跃层形成的锰氧化物有效截留了沉积物向上层水体输送的活性磷酸盐，从而降低藻华爆发的风险。该研究进一步提升了对湖库营养盐时空格局的动态变化及其调控机理的认知。
研究背景
人类活动导致营养盐在湖库沉积物中大量积累，而微生物矿化过程将营养盐逐渐释放至上覆水，造成水体营养盐浓度上升，诱发藻华爆发，是全球湖库生态系统一个备受关注的环境问题。磷是淡水生态系统的主要限制因子，因此磷从沉积物向上覆水体地释放可能会引起严重的生态风险。与此同时，锰是自然界中一种广泛分布的氧化还原敏感元素，其氧化物对磷有着巨大的吸附能力。然而，迄今为止，锰元素在湖库系统中的迁移转化及其对磷循环的影响尚未得到充分地理解。
研究结果
该研究在中国福建一个典型的亚热带深水（40米）磷限制水库——山美水库，开展了为期一年的高频次、高垂直分辨率的观测。研究期间，对水文参数、叶绿素a浓度以及不同形态的氮、磷、锰进行了系统分析。结果显示，在真光层和无光区，溶解无机氮（DIN）与溶解无机磷（DIP）的化学计量比呈现一致的时间变化趋势，且与光区的叶绿素a浓度呈镜像关系（图1A）。由于不同时期真光层与无光区之间的DIN含量比较稳定，因此，氮磷元素化学计量比的变化主要受到DIP的调控（图1B，C）。此外，结合在不同时期营养盐添加实验的结果（图2）表明，真光层DIP的供给可能是浮游植物生长的关键因子。通过对水柱中不同形态氮、磷进行水柱积分分析，发现在层化期间，约80%的DIP被去除，这一现象导致了铵氮与DIP之间出现解耦现象（图3C），且DIP的去处有助于降低由于内源磷输入引起的藻华爆发的风险。
图1.溶解无机氮和溶解无机磷的化学计量比以及平均叶绿素a浓度的月度变化趋势（A）；2022年2月（B）和2022年9月（C）的不同形态氮、磷的剖面数据。在图（A）中，P1-P4表示水库的不同时期：混合期（P1）、层化建立期（P2）、稳定层化期（P3）和层化破坏期（P4）
图2. 营养盐添加实验中叶绿素 a 浓度随时间变化趋势
（A：2022年5月，B：2022年7月）
图3.深水区（10-40米）中Mn（A）、铁锰结合态磷（CBD-P）（B）以及NH4+、NO3-、DIN和DIP（C）的水柱积分；在P3和P4时期，深水区中DIP的水柱积分与CBD-P+NH4+的水柱积分的散点图（D）。在（A）、（B）和（ C）中，红实线表示不同时期的边界。在（C）中，蓝色虚线表示基于Redfield化学计量比计算的理论DIP的水柱积分。X轴上的红色括号表示水库的不同时期：混合期（P1）、层化建立期（P2）、稳定层化期（P3）和层化破坏期（P4）
根据颗粒锰和CBD-P的水柱积分含量比较（图3A，B）及不同形态锰、磷的垂直剖面的分布（图4），表明缺氧区DIP的去除现象与水柱中锰氧化物的形成紧密相关，其过程为：沉积物释放的还原态锰离子向水柱扩散中被氧化并形成锰氧化物区，进而大量吸附水柱中的DIP。锰及DIN的时间序列观测表明，这一过程发生在水体反硝化过程之后（图3）。该结果显示，在一个混合-层化-混合的循环周期内，反硝化过程和锰循环过程相继在水柱中发生，分别降低了DIN和DIP在水柱中的储库，从而有效降低了深水区氮、磷营养盐地累积及其向真光层地扩散，有利于缓解系统的富营养化（图5）。本研究成果有助于深化对湖库生态系统营养盐的动态及其调控机理的理解。
图4. 不同形态的P和Mn的时空变化图。其中，黑色圆点代表采样点。（A）和（B）区域的灰色阴影表示锰氧化物区，定义为颗粒锰浓度超过1.5 μmol/L的区域。（D）中的白色实线代表DO为60 μmol/L和6 μmol/L的等值线；而（E）中的白色虚线代表dMn为30 μmol/L的等值线。（E）中的黄色箭头表示pMn峰值出现的时期。X轴上的红色括号表示水库的不同时期：混合期（P1）、层化建立期（P2）、稳定层化期（P3）和层化破坏期（P4）
图5. 季节性层化水库元素循环概念图
研究团队及资助
该论文第一作者为5123导航博士生许子夫，通讯作者为海南大学高树基教授，共同作者还包括5123导航博士生葛亮皓、工程师邹文彬、中国科学院城市环境研究所研究员杨军、5123导航硕士生吕炳辰和郭宵宇、本科生柴子健以及海南大学副研究员朱逊驰。该研究获得国家自然科学基金项目（41721005, 92251306）的联合资助。
论文来源及链接
Zifu Xu, Lianghao Ge, Wenbin Zou, Bingchen Lv, Jun Yang, Zijian Chai, Xiaoyu Guo, Xunchi Zhu, Shuh-Ji Kao*. The underestimated role of manganese in modulating the nutrient structure in a eutrophic seasonally-stratified reservoir[J]. Water Research, 2024, 121940.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135424008418
供稿｜许子夫 高树基
编辑｜朱佳 苏颖
排版 | 陈蕾
审核｜万显会 徐鹏 陈向柳
