Lake eutrofiering er en vandkvalitet problem på verdensplan, hvilket gør behovet for at identificere og kontrollere næringsstofkilder kritisk. Laboratorium bestemmelse af fosfor frigørelseshastigheder fra sedimentkerner er en værdifuld metode til at bestemme den rolle interne fosforbelastning og vejlede ledelsesbeslutninger.
Eutrofiering er en vandkvalitet problem i søer i hele verden, og der er et kritisk behov for at identificere og kontrollere næringskilder. Intern fosfor (P) lastning fra søsedimenter kan tegne sig for en væsentlig del af den samlede P-belastning i eutrofe, og nogle mesotrofe, søer. Laboratorium bestemmelse af P-frigivelse satser fra sedimentkerner er én metode til bestemmelse af betydningen af interne P lastning og vejlede ledelsesbeslutninger. To vigtigste alternativer til eksperimentel bestemmelse af sediment P release findes for estimering af intern belastning: in situ målinger af ændringer i hypolimnetic P over tid og P massebalance. Den eksperimenterende tilgang ved hjælp af laboratorie-baserede sediment inkubationer at kvantificere interne P belastning er en direkte metode, der gør det til et værdifuldt værktøj til sø ledelse og restaurering.
Laboratorie inkubationer af sedimentkerner kan hjælpe med at bestemme den relative betydning af interne vs eksterne P belastninger,samt bruges til at besvare en række sø ledelse og forskningsspørgsmål. Vi illustrerer brugen af sedimentkerne inkubationer at vurdere effektiviteten af en aluminium-sulfat (alun) behandling for at reducere sediment P udgivelse. Andre forsknings-spørgsmål, der kan undersøges ved hjælp af denne fremgangsmåde omfatte virkningerne af sediment resuspension og bioturbationen på P-udgivelse.
Den tilgang har også begrænsninger. Forudsætninger skal ske med hensyn til: ekstrapolere resultater fra sedimentkerner til hele søen, der træffes afgørelse om, hvad tid perioder at måle udslip af næringsstoffer og imødegå eventuelle artefakter core tube. En omfattende opløst overvågning ilt strategi til at vurdere tidslige og rumlige redox status i søen giver større tillid årlige P belastninger anslået fra sedimentkerne inkubationer.
Som et stigende antal søer i hele verden lider af kulturel eutrofiering, er fastlæggelsen af årsagerne til forringelse af vandkvaliteten bliver stadig vigtigere for sø ledelse og restaurering. Fosfor (P) lastning til søer er generelt impliceret i eutrofiering, da det er oftest det næringsstof begrænser algevækst 1.. Historisk kvantificering af P belastning til søer med fokus på eksterne kilder, eller P oprindelse i vandskellet via-punkt og Nonpoint kilder. Intern belastning fra søsedimenter Imidlertid kan tegne sig for en stor del, hvis ikke flertallet, af den samlede P-belastning i eutrofe søer 2-5. Således kan selv væsentlige reduktioner i ydre belastning til søer undlader at resultere i en forbedring af vandkvaliteten som følge af den overordnede effekt af P frigivelse fra sedimenter 5-8. På grund af de økologiske og samfundsmæssige konsekvenser af P-belastning, herunder omkostningerne og vanskelighederne ved P-kontrol, er det afgørende, at P-belastning værepræcist identificeret forud for at vedtage en ledelsesstrategi.
Mindst to forskellige mekanismer er ansvarlige for frigivelse af fosfor fra sedimenter. 1) I perioder med anoxi eller hypoxi, reducerende betingelser kan resultere i desorption af phosphat fra jern oxyhydroxides på sediment-vand-grænsefladen, hvorved diffusion af opløst phosphat fra sedimentet til vandsøjlen 9-11. 2) Forstyrrelse af sedimentoverfladen gennem vind-induceret resuspension og bioturbationen, kan resultere i frigivelse af P i vandsøjlen ved enten desorption af P fra resuspenderede partikler eller frigivelse af opløst P fra sedimentet sediment til vandsøjlen henholdsvis 11-13.
Tre vigtigste metoder er til rådighed til at kvantificere interne P belastning til søer 14,15. (1) In situ målinger af ændringer i hypolimnetic totalfosfor (TP) over tid kan bruges, når overvågningdata er tilgængelige. Interne belastning skøn baseret på in situ-målinger lider af forhøjet variabilitet forbundet med den iboende rumlige og tidslige variation af miljødata, og kan blive påvirket af utilstrækkelig overvågning frekvens 14. (2) kan bruges Massebalance at estimere intern belastning, når komplet P budgetter kan konstrueres. Men det er sjældent, at der foreligger tilstrækkelige data om P-indgange og eksport til at konstruere en komplet P budget 16. (3) eksperimentelt bestemt sediment P frigivelse satser kan anvendes i kombination med oplysninger om areal omfanget og varigheden af P frigivelse (dvs. iltfrie), til at beregne interne P belastning. Dette er en direkte metode til interne P belastning kvantificering, selvom det har også begrænsninger (se nedenfor).
Fordi ledelsesbeslutninger ofte skal foretages på komprimeret tid skalaer skyldes finansiering restriktioner eller samfundsmæssige pres, eksperimentel bestemmelse af interne Pbelastning kan have større nytte for sø ledelse og restaurering, da det kræver mindre tid og data, end det in situ og massebalanceprincipper tilgange. Laboratorie inkubationer af sedimentkerner, kombineret med overvågning af eksterne belastninger, er blevet anvendt til at bestemme de relative bidrag fra interne og eksterne P belastninger, med det mål at vejlede ledelsesbeslutninger at optimere næringskilde kontrol 2,4,17. I to Michigan søer med omfattende kystlinje udvikling og høje procenter af uigennemtrængelig flade (> 25%) i sub-bassiner støder direkte op til søen, var interne P belastning skønnes at udgøre op til 80% af den samlede P-belastning, hvilket fik henstillinger at fokusere forvaltning indsats om reduktion af sediment P release 2,4. I modsætning eksperimentelle undersøgelser af sediment fra et mindre udviklet sø i samme region, viste, at den interne belastning består kun 7% af den samlede P-belastning, hvilket fik en henstilling om at fokusere P management strategier i watershed 17. Sedimentkerne eksperimenter også have været brugt i en Michigan sø til at bestemme den potentielle effektivitet af aluminium sulfat (alun) behandling for at reducere sediment P frigivelse satser 2, den mest effektive alun dosering koncentration og virkningerne af sediment resuspension 13, og effekten af en in situ alun behandling 1 år 18 og 5 år 19 efter behandlingen. Eksperimentel bestemmelse af interne P belastning er en effektiv metode til at give svar på ledende spørgsmål i eutrofe søer.
Næringsstofbelastningen til søer kan resultere i både miljømæssige og økonomiske nedskrivninger 21-23, og derfor er det afgørende, at samfundet forstår karakteren af de næringsstoffer, og hvordan de skal håndtere dem. Kostbare forsøg på at reducere næringsstofbelastningen kan ikke forbedre vandkvaliteten hvis den korrekte bidragende kilden (dvs. søsedimenter eller afvandingsområder indgange) ikke er målrettet til ledelsen handling, hvilket resulterer i tilbageslag i sørestaurering og frustration på den del af interessenter. Især i lavvandede eutrofe søer, kvantificering af interne belastning fosfor er et afgørende skridt i at identificere en ledelsesstrategi at forbedre vandkvaliteten forhold. Selv når sedimenter impliceret som en vigtig kilde til næringsstoffer, skal reduktioner i ydre P belastning indgå i enhver sø management strategi til at lindre eutrofiering, da eksterne input P sidst ophobes i sedimenter og brændstof fremtidig intern belastning 24,25 </ Sup>.
Skønt der findes andre metoder til at estimere interne P belastning, eksperimentel bestemmelse af P frigivelse satser er en direkte metode, der kan justeres til at besvare en række ledelses-og forskningsspørgsmål. Laboratorie inkubationer af sedimentkerner indsamlet fra Spring Lake, Michigan, blev brugt til at bestemme effektiviteten af en alun behandling 2 og den mest effektive anvendelse koncentration 13. Som et resultat af resultaterne fra disse laboratorie-baserede studier, interessenterne udviklet tillid til, at alun behandling kunne styre P-udgivelse i Spring Lake sedimenter. Derfor er de godkendt en 10-årig vurdering for at finansiere en alun behandling efterfølgende sedimentkerne inkubationer viste, at behandlingen var effektiv til at reducere sediment P flux 1 år 18 og 5 år 19 efter behandlingen. Sedimentkerne inkubationer er også blevet anvendt til at vurdere virkningerne af sediment resuspension 13 </sup> og bioturbationen (G. Nogaro og A. Harris, upublicerede data) på P-udgivelse.
Adskillige yderligere analyser sediment kan udføres i forbindelse med centrale inkubationer at give oplysninger, der er nyttige for fortolkningen af sediment P frigivelse resultater. De øverste 5 eller 10 cm af sediment kan ekstruderes fra kerner til analyse af sediment TP, porevandet SRP, sekventiel P fraktionering og metaller 4,18,19. Et eksempel på sekventiel P fraktionering 26, der kan være nyttige i interne belastning studier indebærer fastsættelsen af P bundet til 1) aluminium (Al-P) eller jern (Fe-P), som repræsenterer en redox ufølsom (Al-P) og en redox-følsomme (Fe-P) mineralsk forening, der kan blive opløselige under anoxiske betingelser, og 2) calcium (Ca-P) eller magnesium (Mg-P), der begge er stabile mineralske sammenslutninger. Endvidere sediment Fe: P-forhold kan beregnes til at give indsigt i den potentielle P-bindingskapacitet af sedimenter. Jern-rige sedimenter, der forbliveroxideret har vist sig at frigive meget lidt P, når Fe: P-forhold er på over 15 (efter vægt) 27. Disse yderligere analyser sediment kan udføres på kerner efter interne belastning inkubation 4,18,19 eller på replikate borekerner på tidspunktet for interne belastning kerne samling, men ikke anvendes til frigivelse sats målinger.
På trods af fordelene ved eksperimentel bestemmelse af sediment P flux, den tilgang er ikke uden begrænsninger. En række forudsætninger skal ofte foretages der kan tilføje usikkerhed til resultaterne:
Eftersom sedimentkerne inkubation tilgang kan bruges til at generere fornuftige interne P belastning skøn i så lidt som et år (selvom flere års data give mere robust information), er det et værdifuldt værktøj til at informere beslutninger sø management. Når det bruges til at udvikle sø management eller restaurering planer, kan det hjælpe med at sikre fornuftig anvendelse af de finansielle ressourcer. I søer, hvor interne P load management allerede har fundet sted, kan sedimentkerne inkubationer kontrollere effekten af behandlingen og bruges til at ændre bane af ledelsen, hvis dette er berettiget.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker marken og lab bistand fra James Smit og Kurt Thompson. Finansieringen originale undersøgelser, som denne protokol blev udviklet blev leveret af Spring Lake-Lake Board 2,13,18,19, Michigan Department of Environmental Quality 4, og Jim Duncan, Dave Farhat, og præsidentens kontor på Grand Valley State University 17.
Multiparameter sonde | YSI | YSI 6600 | The key parameters of interest are temperature and dissolved oxygen, although other measurements may be desired depending on the goals of the study. The other major manufacturer of multiparameter sondes is Hach (Hydrolab). |
Niskin bottle | General Oceanics | 101005 | A Van Dorn bottle can also be used. |
Carboys, 10 L | Nalgene | DS2213-0020 | Available from many laboratory supply companies, including Fisher Scientific and VWR. |
Piston corer | N/A | N/A | Details on construction materials given in Fisher et al. 1992 |
Vice grips | N/A | N/A | |
Duct tape | N/A | N/A | |
Vertical rack for holding core tubes | N/A | N/A | Custom fabricated on-site. |
Environmental growth chamber | Powers Scientific, Inc. | DS70SD | |
Compressed air with regulator | N/A | N/A | Use lab air supply or purchase from local gas supply company. |
Buffered N2 gas with regulator | N/A | N/A | Purchase from local gas supply company. |
Parker Parflex Series E (instrument grade) polyethylene tubing; 1/4" o.d., 0.04" wall, .170" i.d. | Parker | E-43-B-0100 | Tubing (from gas to chamber) |
PEEK Capillary tubing; 1/16" o.d., 1/32" i.d. | Fisher Scientific | 3050412 | Tubing (from manifold to cores) |
Union tee | Parker | 164C-4 | |
Union tee nut | Parker | 61C-4 | |
Nylon tubing; 1/4" o.d., 3/16" i.d. | US Plastics | 58042 | |
Ferrule, front and back; 1/4" | Swagelock | B-400-Set | |
Brass nut; 1/4" | Swagelock | B-402-1 | |
Brass medium-flow meterings valve; 1/4" | Swagelock | B-4MG | |
Once-piece short finger tight fittings; 1/16" | Alltech | 32070 | Half of the sampling port |
Female 10-32 to female luer; 1/4 " | Alltech | 20132 | Half of the sampling port |
Ferrule, front and back; 1/16" | Swagelock | B-100-Set | |
Brass nut fittings; 1/16" | Swagelock | B-102-1 | |
Tube fitting reducer; 1/16" x 1/4" | Swagelock | B-100-R-4 | |
PTFE tubing; 1/16" o.d., 0.040" i.d. | Grace Davison Discovery Sciences | 2106982 | |
Low-pressure PTFE tubing; 1/8" o.d., 0.1" i.d. | Fisher Scientific | AT3134 | Tubing from sampling port into core |
AirTite all-plastic Norm-Ject syringes, 50mL (60mL) luer slip (eccentric), Sterile | Fisher Scientific | 14-817-35 | |
Wheaton HDPE liquid scintillation vials, 20 mL, Poly-Seal cone liner | Fisher Scientific | 03-341-72D | |
Nylon Syringe Filter; 30mm diameter, 0.45 mm | Fisher Scientific | 03-391-1A | |
Masterflex peristaltic pump, model 755490 | Cole Parmer | A-77910-20 | |
Pall Filterite filter housing, model T911257000 | Pall Corporation | SCO 10UP | |
Graver QMC 1-10NPCS filter; 10", 1.0 mm | Flowtech Corp | N/A | |
Graver Watertec 0.2-10NPCS filter; 10", 0.2 mm | Flowtech Corp | N/A |