Lake eutrofiering er en vannkvalitet problem over hele verden, noe som gjør det nødvendig å identifisere og kontrollere næringskilder kritisk. Laboratory bestemmelse av fosfor utslippsrater fra sedimentkjerner er en verdifull tilnærming for å avgjøre hvilken rolle intern fosfor lasting og guiding ledelsesbeslutninger.
Eutrofiering er en vannkvalitet problem i vann over hele verden, og det er et kritisk behov for å identifisere og kontrollere næringskilder. Intern fosfor (P) lasting fra innsjøsedimenter kan utgjøre en vesentlig del av den totale belastning P på eutropiske, og noen mesotrophic, innsjøer. Laboratory fastsettelse av P utslippsrater fra sedimentkjerner er en tilnærming for å avgjøre hvilken rolle intern P lasting og guiding ledelsesbeslutninger. To hoved alternativer til eksperimentell bestemmelse av sediment P utgivelsen eksisterer for å estimere innvendig last: in situ målinger av endringer i hypolimnetic P over tid og P massebalanse. Den eksperimentelle tilnærming ved hjelp av laboratoriebaserte sediment inkubasjoner å kvantifisere intern P lasten er en direkte metode, noe som gjør det til et verdifullt verktøy for lake ledelse og restaurering.
Laboratorie inkubasjoner av sedimentkjerner kan bidra til å bestemme den relative betydningen av interne kontra eksterne P laster,samt brukes til å svare på en rekke innsjø ledelse og forskningsspørsmål. Vi illustrerer bruken av sedimentkjerne inkubasjoner å vurdere effektiviteten av en aluminiumsulfat (alun) behandling for å redusere sediment P frigjøring. Andre problemstillinger som kan undersøkes ved hjelp av denne tilnærmingen inkluderer effektene av sediment resuspensjon og bioturbasjon på P utgivelsen.
Tilnærmingen har også begrensninger. Forutsetninger må gjøres med hensyn til: å ekstrapolere resultater fra sedimentkjerner til hele innsjøen, å avgjøre om hva tid perioder for å måle nærings utgivelse; og adressering mulige kjerne tube gjenstander. En omfattende oppløst oksygen overvåkingsstrategi for å vurdere tidsmessige og romlige redoks status i sjøen gir større trygghet i årlige P laster beregnet fra sedimentkjerne inkubasjoner.
Som et økende antall innsjøer over hele verden lider av kulturell eutrofiering, er fastsettelse av årsakene til vannkvalitet degradering blir stadig viktigere for lake ledelse og restaurering. Fosfor (P) lasting til innsjøer er generelt innblandet i eutrofiering, som det er oftest det næringsstoffet som begrenser algeveksten en. Historisk, kvantifisering av P lasting til innsjøer fokusert på eksterne kilder, eller P opprinnelse i vannskillet via punkt og nonpoint kilder. Imidlertid kan intern lasting fra innsjøsedimenter står for en stor del, om ikke mesteparten, av den totale P lasten i eutrofe sjøer 2-5. Dermed kan selv betydelige reduksjoner i ekstern lasting til innsjøer klarer å resultere i vannkvalitet forbedring på grunn av den overordnede effekten av P utgivelse fra sedimenter 5-8. På grunn av de økologiske og samfunnsmessige implikasjoner av P lasting, inkludert kostnadene og vanskelighetene med P-kontroll, er det avgjørende at P laster værenøyaktig identifisert før vedta en forvaltningsstrategi.
Minst to forskjellige mekanismer er ansvarlig for fosfor utgivelse fra sedimenter. 1) I perioder med anoksi, hypoksi eller reduserende betingelser kan resultere i at desorpsjon av fosfat fra jern oxyhydroxides ved sediment-vann-grenseflaten, forårsaker diffusjon av oppløst fosfat fra sedimentene i vannsøylen 9-11. 2) Forstyrrelse av sedimentoverflaten, gjennom vind-induserte resuspensjon og bioturbasjon, kan resultere i frigjøring av P i vannsøylen ved enten desorpsjon av P fra resuspendert sedimentpartikler eller frigjøring av oppløst P fra det sediment pore vann til vannsøylen henholdsvis 11-13.
Tre viktigste tilnærminger er tilgjengelig for å kvantifisere intern P lasting til innsjøer 14,15. (1) In situ målinger av endringer i hypolimnetic total fosfor (TP) over tid kan brukes når overvåkingdata er tilgjengelige. Intern belastningsestimater basert på in situ målinger lider av høyt variasjoner knyttet til den iboende og variasjonen av miljødata og kan bli påvirket av utilstrekkelig overvåking frekvens 14. (2) masse-balansen kan benyttes for å estimere indre lasting, når fullført P budsjett kan konstrueres. Det er imidlertid sjelden at tilstrekkelige data er tilgjengelige på P-innganger og eksport for å konstruere et komplett P budsjett 16. (3) Eksperimentelt bestemte sediment P frigjøringshastigheter kan bli brukt i kombinasjon med informasjon om areal grad og varighet av P frigivelse (dvs. anoksisk periode), for å beregne P intern belastning. Dette er en direkte metode for intern P last kvantifisering, selv om det også har begrensninger (se nedenfor).
Fordi beslutninger ofte må gjøres på komprimert tid skalerer grunnet finansiering restriksjoner eller samfunnsmessig press, eksperimentell bestemmelse av intern Pbelastning kan ha større nytte for lake ledelse og restaurering siden det krever mindre tid og data enn in situ og massebalanse tilnærminger. Laboratorie inkubasjoner av sedimentkjerner, kombinert med overvåking av ytre belastninger, har blitt brukt til å bestemme den relative bidrag fra interne og eksterne P laster, med mål om å veilede beslutninger for å optimalisere næringskilde kontroll 2,4,17. I to Michigan innsjøer med omfattende strandlinje utvikling og høye prosenter av ugjennomtrengelig overflate (> 25%) i sub-bassenger direkte tilknytning til sjøen, ble intern P belastning anslått å utgjøre opptil 80% av den totale P belastning, spørre anbefalinger å fokusere ledelse innsats på å redusere sediment P utgivelsen 2,4. I kontrast, eksperimentelle studier av sedimenter fra en mindre utviklet innsjø i samme region viste at intern lasting består kun 7% av den totale P belastning, spørre en anbefaling om å fokusere P forvaltningsstrategier i watershed 17. Sedimentkjerneeksperimenter også er blitt brukt i en Michigan lake for å bestemme den potensielle effektiviteten av aluminiumsulfat (alun) behandling for å redusere sediment P frigjøringshastigheter 2, er den mest effektive alun doseringskonsentrasjon og effekten av sediment resuspensjon 13, og effekten av en in situ alun behandling 1 år 18 og 5 år 19 etter behandling. Eksperimentell bestemmelse av intern P lasten er en effektiv tilnærming til å gi svar på nøkkelspørsmål i eutrofe innsjøer.
Nutrient lasting til innsjøer kan resultere i både miljømessige og økonomiske svekkelser 21-23, og derfor er det avgjørende at samfunnet forstår innholdet av næringskilder og hvordan man skal håndtere dem. Kostbare forsøk på å redusere nærings lasting kan ikke forbedre vannkvaliteten hvis den aktuelle medvirkende kilde (dvs. innsjøsedimenter eller vannskille innganger) ikke er målrettet for forvaltning handling, og dermed resultere i tilbakeslag i lake restaurering og frustrasjon på den delen av interessenter. Spesielt i grunne eutrofe innsjøer, er kvantifisering av intern fosfor belastning et avgjørende skritt i å identifisere en forvaltningsstrategi for å forbedre vannkvaliteten. Selv når sedimenter er innblandet som en viktig kilde til næringsstoffer, må reduksjoner i ekstern P belastning være med i noen innsjø forvaltningsstrategi for å lindre eutrofiering, siden eksterne innganger på P slutt akkumuleres i sedimentene og drivstoff fremtiden intern lasting 24,25 </ Sup>.
Selv om andre tilnærminger eksisterer for å anslå intern P belastning, er eksperimentell bestemmelse av P utslippsrater en direkte metode som kan justeres for å svare på en rekke administrative og forskningsspørsmål. Laboratorie inkubasjoner av sedimentkjerner innhentet fra Spring Lake, Michigan, ble anvendt for å bestemme den potensielle effektiviteten av en alum behandling 2, og den mest effektive anvendelse konsentrasjon 13. Som et resultat av funnene fra disse laboratoriebaserte studier, interessentene utviklet tillit til at alun behandling kunne kontrollere P utgivelse i Spring Lake sedimenter. Derfor godkjente de et 10-års vurdering for å finansiere en alum behandling; påfølgende sedimentkjerne inkubasjoner avslørte at behandlingen var effektiv på å redusere sediment P flux 1 år 18 og 5 år 19 etter behandling. Sedimentkjerne inkubasjoner har også blitt brukt til å evaluere effekten av sediment resuspensjon 13 </sup> og bioturbasjon (G. Nogaro og A. Harris, upubliserte data) på P utgivelsen.
Flere andre sediment analyser kan utføres i forbindelse med kjerne inkubasjoner å gi informasjon som er nyttig i å tolke sediment P utgivelsen resultater. De 5 eller 10 cm av sedimentet kan ekstrudert fra kjerner for analyse av sediment TP, porewater SRP, sekvensiell P fraksjonering, og metaller 4,18,19. Et eksempel på en sekvensiell P fraksjoneringen 26 som kan være nyttig i indre laste undersøkelser involverer bestemmelse av mengden av P bundet til 1) av aluminium (Al-P) eller jern (Fe-P), noe som representerer en redoks-følsom (Al-P), og et redox-sensitive (Fe-P) mineral krets som kan bli oppløselig i henhold anoksiske betingelser, og 2) kalsium (Ca-P) eller magnesium (Mg-P), som er både stabile mineral assosiasjoner. Videre sediment Fe: P-forhold kan beregnes til å gi innsikt om potensialet P-bindende kapasitet på sedimenter. Jernrike sedimenter som forbliroksydert har vist seg å frigjøre meget lite P når Fe: P-forhold er høyere enn 15 (i vekt) 27. Disse ekstra sediment analyser kan utføres på kjernene følgende interne last inkubasjon 4,18,19, eller replikere kjerner tatt ved tidspunktet for intern belastning kjernesamling, men som ikke benyttes til avgivelseshastighetsmålinger.
Til tross for fordelene ved eksperimentell bestemmelse av sediment P fluks, er metoden ikke uten begrensninger. En rekke forutsetninger må ofte gjøres som kan legge usikkerhet til resultatene:
Gitt at sedimentkjerne inkubasjon tilnærming kan brukes til å generere fornuftige intern P last estimatene i så lite som ett år (selv om flere år med data gi mer robust informasjon), er det et verdifullt verktøy for å informere lake beslutninger. Når den brukes til å utvikle lake ledelse eller restaurering planer, kan det bidra til å sikre fornuftig bruk av økonomiske ressurser. I innsjøer hvor intern P last ledelsen har allerede skjedd, kan sedimentkjerne inkubasjoner verifisere effekten av behandlingen og kan brukes til å endre banen til ledelse, hvis berettiget.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å takke for feltet og lab bistand fra James Smit og Kurt Thompson. Finansiering for originale studier som denne protokollen ble utviklet ble gitt av Spring Lake-Lake Board 2,13,18,19, Michigan Department of Environmental Quality 4, og Jim Duncan, Dave Farhat, og presidentens kontor på Grand Valley State Universitetet 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 |