沉水植物来源的DOM对湖泊沉积物中铁磷赋存和释放的影响机制研究

The restoration of submersed macrophyte communities is key for the ecosystem recovery of the shallow lakes because the release of the phosphorus (P) from the sediment could be inhibited by the submersed macrophyte. According to the previous researches on the coprecipitation of dissolved organic matter (DOM) with iron, we suppose that the macrophyte-derived DOM could easily take part in the precipitation of Fe-P at the sediment-water interface to form a very stable and insoluble mixture (OM-Fe-P), changing the forms and the stability of Fe-P. In this project, the role of macrophyte-derived DOM in the forms and release of Fe-P will be revealed by the in-situ investigation and the controlled experiments. Firstly, the difference in the fractions of Fe-P and OM-Fe-P, the composition of OM in the sediments between the macrophyte-dominated zone and the algae-dominated zone is investigated. Secondly, the role of macrophyte-derived and algae-derived DOM in the formation of Fe-P are compared by the microcosm experiments. Finally, the stabilities of OM-Fe-P and Fe-P by changing redox/pH condition or microbial degradation are evaluated. The results are helpful to understand systematically the role of the submersed macrophyte in the suppression of P release from the sediment, providing a scientific support for the ecosystem recovery of the shallow lakes.

沉水植物能够抑制沉积物磷（P）的释放，从而降低浅水湖泊磷浓度；因此，修复沉水植物是浅水湖泊生态系统恢复的关键。基于溶解性有机质（DOM）和Fe的共沉淀作用方面的研究成果，我们提出假设：沉水植物来源的DOM可能参与到湖泊沉积物-水界面铁磷（Fe-P）的形成过程中，产生有机质和Fe-P结合的沉淀物质（OM-Fe-P），改变Fe-P的赋存形式和稳定性。本项目拟通过原位调查和室内受控实验，揭示沉水植物来源的DOM对Fe-P赋存形式和释放的影响机制。首先考察太湖典型草、藻型湖区沉积物中Fe-P、OM-Fe-P含量、有机质结构的差异；然后通过受控实验比较草源性、藻源性DOM在Fe-P沉降过程中的作用及其对Fe-P赋存形式的影响；最后比较不同来源DOM作用下形成的OM-Fe-P沉淀的稳定性的差异。结果有助于全面了解沉水植物抑制沉积物P释放的机制，为湖泊生态修复提供理论依据。

富营养化湖泊修复的实践证明，沉水植物可以重建浅水湖泊清水态。传统认为沉积物根际释氧可以改善沉积物氧化还原条件，从而抑制Fe-P释放；但是，沉水植物的根系释氧并不能彻底改变沉积物中的缺氧状态。相对于藻类产生的多糖物质，沉水植物产生的多酚物质具有更多的苯环结构；有机质会与Fe、P发生共沉淀，影响沉积物中Fe、P的赋存形式。为探明草、藻湖区有机质对沉积物中Fe、P赋存形式影响及机制，本文首先对东太湖（草型湖区）、太湖梅梁湾（藻型湖区）沉积物中的溶解性有机质进行提取纯化和表征；其次通过控制不同的初始C/Fe比例、pH值、不同来源DOM等条件进行DOM、Fe3+和PO43-共沉淀实验；然后调查分析东太湖和梅梁湾沉积物中和铁结合的有机质结构和沉积物中C、Fe和P的含量比例；最后研究共沉淀物质在还原情况下的稳定性。. 结果表明：1）草、藻湖区沉积物DOM结构存在一定差异，草型湖区DOM的芳香性、腐殖化程度和分子量大小都高于藻型湖区。2）初始Fe3+投加量≤20 μM时，DOM、Fe主要发生络合作用，生成可溶性的复合物；当初始Fe3+投加量增加到40、60、100 μM时，Fe与DOM、P的共沉淀作用逐渐明显。草型湖区沉积物DOM更易与Fe、P发生共沉淀作用，腐殖质组分对共沉淀的贡献要高于蛋白质组分。随着pH值的增大，共沉淀作用逐渐减弱，当pH=8.5时，不发生共沉淀作用或共沉淀作用很弱。3）草、藻湖区沉积物中的C、Fe和P含量存在显著差异，草型湖区沉积物的铁氧矿物中含有更多的C和更少的P（C/Fe=2.60，P/Fe=0.044）；共沉淀是草型湖区C、Fe和P的结合方式。4）共沉淀时形成的含碳复合物可以有效抑制Fe的还原，可能与C在Fe的外围包裹有关，C在Fe的外围包裹阻碍了Fe与还原剂的接触，从而抑制了Fe的还原和磷的释放。研究结果揭示了草、藻型湖区沉积物DOM的差异，以及DOM结构对湖泊沉积物中铁磷赋存形式和还原条件下Fe、P释放的影响，从有机质角度探明沉水植物在保持湖泊清水态的一种机制。