Lake övergödning är ett vattenkvalitetsfråga i hela världen, vilket gör behovet av att identifiera och kontrollera närings kritisk. Laboratorie bestämning av fosfor frigör Priser från sedimentkärnor är en värdefull metod för att bestämma vilken roll den interna fosforbelastningen och vägleda ledningsbeslut.
Övergödning är ett vattenkvaliteten fråga i sjöar i hela världen, och det finns ett kritiskt behov av att identifiera och kontrollera näringskällor. Intern fosfor (P) laddning från sjösediment kan stå för en avsevärd del av den totala P last i eutrofierade, och vissa mesotrofa, sjöar. Laboratorie bestämning av P frisättningshastigheter från sedimentkärnor är en metod för att bestämma vilken roll den interna P lastning och vägleda ledningsbeslut. Två huvudsakliga alternativ till experimentell bestämning av sediment P utgåvan finns för att uppskatta den interna belastning: in situ-mätningar av förändringar i hypolimnetic am över tid och P massbalans. Den experimentella metod med hjälp av laboratoriebaserad sediment inkubationer att kvantifiera interna P belastningen är en direkt metod, vilket gör det till ett värdefullt verktyg för sjö skötsel och restaurering.
Laboratorie inkubationer av sedimentkärnor kan bidra till att avgöra den relativa betydelsen av intern vs extern P laster,samt användas för att svara på en mängd olika sjö förvaltning och forskningsfrågor. Vi illustrerar användningen av sedimentkärn inkubationer att bedöma effektiviteten i en aluminiumsulfat (alun) behandling för att minska sediment P release. Andra frågeställningar som kan undersökas med hjälp av denna metod inkluderar effekterna av sediment resuspension och bioturbation på P release.
Ansatsen har också begränsningar. Antaganden måste göras med hänsyn till: extrapolera resultat från sedimentkärnor till hela sjön, besluta över vilka tidsperioder för att mäta närings utgåvan, och ta itu med eventuella core tube artefakter. En omfattande löst syre övervakningsstrategi för att bedöma tid och rum redox status i sjön ger ett större förtroende för de årliga P laster beräknas från sedimentkärn inkubationer.
Som ett växande antal sjöar i världen lider av kulturella övergödning, är fastställandet av orsakerna till försämring av vattenkvaliteten blir allt viktigare för sjö skötsel och restaurering. Fosfor (P) belastning på sjöar är i allmänhet inblandad i övergödning, eftersom det är oftast det näringsämne som begränsar algernas tillväxt 1. Historiskt kvantifiering av P lastning till sjöar fokuserat på externa källor, eller P med ursprung i vattendelaren etappmål och Nonpoint källor. Däremot kan intern belastning från sjösediment står för en stor del, om inte majoriteten, av den totala P belastningen i övergödda sjöar 2-5. Således kan även kraftiga minskningar av yttre belastning för sjöar inte leder till förbättrad vattenkvalitet på grund av den övergripande effekten av P-frisättning från sediment 5-8. På grund av de ekologiska och samhälleliga konsekvenserna av P lastning, inklusive kostnader och svårigheter för P-reglering, är det viktigt att P laster varakorrekt identifierade innan anta en strategi.
Minst två olika mekanismer är ansvariga för fosforläckage från sediment. 1) Under perioder av anoxi eller hypoxi, reducerande förhållanden kan leda till att desorption av fosfat från järn oxihydroxider vid sediment-vatten-gränssnitt, vilket orsakar spridning av löst fosfat från sedimenten i vattenmassan 9-11. 2) Störning av sedimentytan, genom vind-inducerad resuspension och bioturbation, kan resultera i utsläpp av P i vattnet antingen genom desorption av P från resuspenderas sedimentpartiklar eller frisättning av löst P från sediment porvatten till öppet vatten , respektive 11-13.
Tre huvudsakliga metoder finns tillgängliga för att kvantifiera interna P lastning till sjöar 14,15. (1) In situ mätningar av förändringar i hypolimnetic totalfosfor (TP) med tiden kan användas vid övervakningdata finns tillgängliga. Uppskattningar Interna belastning som bygger på fältmätningar lider av hög variabilitet i samband med den inneboende rumsliga och tidsmässiga variationen av miljödata, och kan påverkas av bristande övervakningsfrekvens 14. (2) Massbalans kan användas för att uppskatta den interna belastning, när kompletta P budgetar kan konstrueras. Det är dock sällsynt att tillräckliga uppgifter finns tillgängliga på P-ingångar och export för att bygga en komplett P budget 16. (3) Experimentellt bestämda sediment P frisättningshastigheter kan användas i kombination med information om utbredningen och varaktighet P release (dvs. syrefria perioden), för att beräkna den interna P belastning. Detta är en direkt metod för intern P last kvantifiering, även om det också har begränsningar (se nedan).
Eftersom ledningsbeslut ofta måste göras på komprimerade tidsskalor på grund av finansieringsbegränsningar eller samhälleliga tryck, experimentell bestämning av intern Pbelastning kan ha större nytta för sjö skötsel och restaurering eftersom det kräver mindre tid och data än in situ-och massbalans metoder. Laboratorie inkubationer av sedimentkärnor, i kombination med övervakning av yttre laster, har använts för att bestämma de relativa bidragen från interna och externa P laster, med målet att styra ledningens beslut att optimera näringskällkontroll 2,4,17. I två Michigan sjöar med lång strandlinje utveckling och höga procentsatser av ogenomtränglig yta (> 25%) i de delavrinningsområden i direkt anslutning till sjön, var intern P belastning beräknas stå för upp till 80% av den totala P-belastning, vilket fick rekommendationer att fokusera leder arbetet på att minska sediment P frigör 2,4. Däremot experimentella studier av sediment från ett mindre utvecklat sjö i samma region visade att den interna belastning som består endast 7% av den totala P-belastning, vilket fick en rekommendation att fokusera strategier P management i watershed 17. Sedimentkärnexperiment också har använts i en Michigan sjö för att fastställa den potentiella effektiviteten av aluminiumsulfat (alun) behandling för att minska sediment P frisättningshastighet 2, den mest effektiva alun doseringskoncentration och effekter av sediment resuspension 13, och effekten av en in situ alun behandling 1 år 18 och 5 år 19 efter behandling. Experimentell bestämning av intern P belastningen är en effektiv metod för att ge svar på viktiga ledningsfrågor i övergödda sjöar.
Näringsbelastningen på sjöar kan leda till både miljömässiga och ekonomiska försämringar 21-23, och därför är det viktigt att samhället förstår vilken typ av näringskällor och hur man hanterar dem. Kostsamma försök att minska näringsbelastningen får inte förbättra vattenkvaliteten om lämplig bidragande källa (dvs. sjösediment eller avrinningsområden ingångar) inte är riktad till förvaltningsåtgärder, vilket resulterar i bakslag i sjön restaurering och frustration hos intressenterna. Särskilt i grunda eutrofa sjöar, är kvantifiering av intern fosforbelastning ett kritiskt steg i att identifiera en strategi för att förbättra vattenkvaliteten förhållanden. Även när sedimenten är inblandad som en stor källa till näringsämnen, måste minskningar av extern P belastningen ingå i någon sjö strategi för att lindra övergödningen, eftersom externa källor i P ackumuleras slutligen i sedimenten och bränsle framtida inre belastningen 24,25 </ Sup>.
Även om andra metoder finns för att uppskatta den interna P-belastning, är experimentell bestämning av P frisättningshastigheter en direkt metod som kan justeras för att svara på en mängd olika förvaltnings-och forskningsfrågor. Laboratorie inkubationer av sedimentkärnor som samlats in från Spring Lake, Michigan, användes för att fastställa den potentiella effektiviteten av en alum behandling 2 och den mest effektiva program koncentration 13. Till följd av resultaten från dessa laboratoriebaserade studier, intressenter utvecklat förtroende att alun behandlingen kunde kontrollera P release i Spring Lake sediment. Följaktligen godkände de en 10-års utvärdering för att finansiera en alum behandling, efterföljande sedimentkärn inkubationer visade att behandlingen var effektiva för att minska sediment P flux 1 år 18 och 5 år 19 efter behandling. Sedimentpropp inkubationer har också använts för att utvärdera effekterna av sediment resuspension 13 </sup> och bioturbation (G. Nogaro och A. Harris, opublicerade data) på P release.
Flera ytterligare sedimentanalyser kan utföras i samband med kärn inkubationer att tillhandahålla information som är användbar för att tolka sediment P frigör resultat. De 5 eller 10 cm sediment kan extruderas från kärnor för analys av sediment TP, porvatten SRP, sekventiell P fraktionering, och metaller 4,18,19. Ett exempel på sekventiell P fraktionering 26 som kan vara användbart i interna belastningsstudier innebär att bestämma mängden P bundet till 1) aluminium (Al-P) eller järn (Fe-P), vilket motsvarar en redox okänslig (Al-P) och en redox-känsliga (Fe-P) mineral förening som kan bli lösliga under anoxiska förhållanden, och 2) kalcium (Ca-P) eller magnesium (Mg-P), som båda är stabila mineralföreningar. Vidare sediment Fe: P kvoter kan beräknas att ge insikt om den potentiella P-bindande förmåga av sediment. Järnrika sediment som finns kvaroxiderade har visat att släppa väldigt lite P när Fe: P kvoter är över 15 (vikt) 27. Dessa ytterligare sedimentanalyser kan utföras på kärnor efter intern belastning inkubation 4,18,19, eller på likadana kärnor som tagits i samband med interna belastningen kärnsamling men som inte används för mätning släpphastighet.
Trots fördelarna med experimentell bestämning av sediment P flux, är strategin inte utan begränsningar. Ett antal antaganden måste ofta göras som kan lägga osäkerheten till resultaten:
Med tanke på att kan användas i sedimentpropp inkubation strategi för att generera en rimlig intern P last uppskattningar i så lite som ett år (även om flera år av data ger mer robust information), det är ett värdefullt verktyg för att informera beslut sjö management. När det används för att utveckla planer sjö hantering eller restaurering, kan det bidra till att säkerställa klok användning av ekonomiska resurser. I sjöar där den interna P laststyrning redan har inträffat, kan sedimentkärn inkubationer kontrollera effekten av behandlingen och användas för att ändra banan för ledningen, om det är befogat.
The authors have nothing to disclose.
Författarna erkänner tacksamt fält och lab bistånd från James Smit och Kurt Thompson. Finansiering av originalstudier som detta protokoll utvecklades lämnades av Spring Lake-Lake Board 2,13,18,19, Michigan Department of Environmental Quality 4, och Jim Duncan, Dave Farhat, och presidentens kansli på Grand Valley State Universitet 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 |