Laboratorio-determinato Fosforo Flux dal lago di sedimenti come misura di fosforo interno Loading
Summary
Lago di eutrofizzazione è un problema di qualità delle acque in tutto il mondo, rendendo la necessità di identificare e controllare le fonti di nutrienti critici. Determinazione Laboratorio di fosforo tassi di rilascio di carote di sedimento è un valido approccio per determinare il ruolo del fosforo carico interno e guidare le decisioni di gestione.
Abstract
L'eutrofizzazione è un problema di qualità delle acque nei laghi di tutto il mondo, e vi è una necessità critica di identificare e controllare le fonti di nutrienti. Fosforo interno (P) carico di sedimenti lacustri può rappresentare una parte sostanziale del carico totale P in eutrofiche, e alcuni oligomesotrofe calcaree, laghi. Determinazione Laboratorio di P tassi di rilascio da carote di sedimento è un approccio per determinare il ruolo di P carico interno e guidare le decisioni di gestione. Esistono due principali alternative alla determinazione sperimentale della P rilascio del sedimento per stimare il carico interno: misure in situ di variazione hypolimnetic P nel tempo e bilancio di massa P. L'approccio sperimentale utilizzando incubazioni sedimenti di laboratorio per quantificare il carico P interna è un metodo diretto, che lo rende uno strumento prezioso per la gestione dei laghi e restauro.
Incubazione di laboratorio di campioni di sedimenti possono aiutare a determinare l'importanza relativa dei vs interno carichi P esterni,come pure essere utilizzato per rispondere a una serie di domande lago di gestione e di ricerca. Illustriamo l'uso di incubazione nucleo di sedimenti per valutare l'efficacia di un solfato di alluminio (allume) trattamento per ridurre P rilascio del sedimento. Altri temi di ricerca che possono essere studiati con questo approccio includono gli effetti della risospensione dei sedimenti e bioturbazione sul rilascio P.
L'approccio ha anche dei limiti. Le assunzioni devono essere effettuate con riferimento a: estrapolando i risultati di carote di sedimento a tutto il lago, decidere su che ora periodi di misurare rilascio di nutrienti, e affrontare eventuali artefatti tubo centrale. Una strategia globale di monitoraggio dell'ossigeno disciolto per valutare lo stato redox temporale e spaziale nel lago offre una maggiore fiducia nei carichi P annuali stimati dai incubazione nucleo di sedimenti.
Introduction
Come un numero crescente di laghi in tutto il mondo soffrono di eutrofizzazione culturale, la determinazione delle cause del degrado della qualità dell'acqua sta diventando sempre più importante per la gestione dei laghi e restauro. Fosforo (P) loading ai laghi è generalmente implicata in eutrofizzazione, in quanto è più spesso il nutriente crescita delle alghe 1 limitante. Storicamente, la quantificazione di P carico ai laghi focalizzata su fonti esterne, o P originari della spartiacque fonti puntuali e non puntuali via. Tuttavia, carico interno da sedimenti lacustri può rappresentare una gran parte, se non la maggioranza, del carico totale P Laghi eutrofici 2-5. Così, anche sostanziali riduzioni di carico esterno ai laghi possono non tradursi in un miglioramento della qualità delle acque per effetto prevalente della P rilascio dai sedimenti 5-8. A causa delle implicazioni ecologiche e sociali della P carico, compreso il costo e la difficoltà di controllo P, è fondamentale che P carichi sianoindividuato con precisione prima di promulgare una strategia di gestione.
Almeno due meccanismi differenti sono responsabili per il rilascio di fosforo dai sedimenti. 1) Durante i periodi di anossia o ipossia, riducendo condizioni possono provocare il desorbimento del fosfato da ossidrossidi ferro all'interfaccia sedimento-acqua, provocando diffusione di fosfato disciolti dai sedimenti nella colonna d'acqua 9-11. 2) Disturbo della superficie del sedimento, mediante risospensione indotta dal vento e bioturbazioni, può causare il rilascio di P nella colonna d'acqua da una desorbimento di P da particelle di sedimento risospeso o rilascio di P disciolto dall'acqua poro sedimenti nella colonna d'acqua rispettivamente 11-13.
Tre principali approcci sono disponibili per quantificare P carico interno ai laghi 14,15. (1) misure in situ delle variazioni hypolimnetic fosforo totale (TP) nel corso del tempo può essere utilizzato quando il monitoraggiosono disponibili i dati. Stime interne di carico sulla base di misurazioni in situ soffrono di alta variabilità associata alla variabilità intrinseca spaziale e temporale dei dati ambientali e possono essere influenzati da insufficiente frequenza di monitoraggio 14. (2) Bilancio di massa può essere utilizzato per stimare il carico interno, quando i bilanci completi P possono essere costruiti. Tuttavia, è raro che i dati sufficienti sono disponibili su input P e le esportazioni per costruire un bilancio completo P 16. (3) sperimentalmente determinati tempi di rilascio del sedimento P può essere utilizzato, in combinazione con informazioni su estensione areale e durata P rilascio (periodo anossica), per calcolare il carico P interno. Questo è un metodo diretto di interno quantificazione carico P, anche se ha troppo limitazioni (vedi sotto).
Poiché le decisioni di gestione spesso devono essere fatte in tempo compresso scale a causa di restrizioni di finanziamento o di pressioni sociali, determinazione sperimentale di interno Pcarico può avere una maggiore utilità per la gestione dei laghi e il ripristino in quanto richiede meno tempo e dati che in situ e gli approcci di bilancio di massa. Incubazione di laboratorio di campioni di sedimenti, in combinazione con il controllo di carichi esterni, sono stati utilizzati per determinare i contributi relativi carichi interni ed esterni P, con l'obiettivo di orientare le decisioni di gestione per ottimizzare il controllo del codice sorgente di nutrienti 2,4,17. In due laghi Michigan con ampio sviluppo battigia e alte percentuali di superficie impermeabile (> 25%) nei sottobacini direttamente adiacenti al lago, carico P interno è stato stimato a rappresentare fino al 80% del carico totale P, spingendo raccomandazioni di concentrare gli sforzi di gestione sulla riduzione dei sedimenti rilascio P 2,4. Al contrario, gli studi sperimentali di sedimento da un lago meno sviluppata nella stessa regione hanno mostrato che il carico interno composto solo il 7% del carico totale P, inducendo una raccomandazione per mettere a fuoco le strategie di gestione P nel watershed 17. Esperimenti fondamentali sedimenti inoltre sono stati utilizzati in un lago Michigan per determinare l'efficacia potenziale di solfato di alluminio (allume) trattamento per ridurre la velocità di rilascio del sedimento P 2, l'allume più efficiente dosaggio concentrazione e gli effetti della risospensione dei sedimenti 13, e l'efficacia di un trattamento allume situ 1 anno 18 e 5 anni 19 dopo il trattamento. Determinazione sperimentale del carico P interna è un approccio efficace per fornire risposte alle domande di gestione delle chiavi di Laghi eutrofici.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nutriente carico ai laghi può provocare sia danni ambientali ed economici 21-23, quindi, è fondamentale che la società capisce la natura delle fonti di nutrienti e di come gestirli. Tentativi costosi per ridurre il carico di nutrienti non possono migliorare la qualità dell'acqua se la fonte che contribuisce appropriata (ad esempio sedimenti lacustri o ingressi spartiacque), non è prevista per azione di gestione, ottenendo in tal modo battute d'arresto nel restauro lago e frustrazione da parte dei soggetti interessati. In particolare in Laghi eutrofici poco profondi, quantificazione del carico di fosforo interno è un passo fondamentale per identificare una strategia di gestione per migliorare le condizioni di qualità delle acque. Anche quando i sedimenti sono implicati come una fonte importante di nutrienti, riduzione del carico P esterno devono essere inclusi in qualsiasi strategia di gestione del lago per alleviare l'eutrofizzazione, dal momento che gli ingressi esterni di P in ultima analisi, si accumulano nei sedimenti e combustibile del futuro carico interno 24,25 </ Sup>.
Anche se esistono altri metodi per stimare il carico P interna, determinazione sperimentale della P velocità di rilascio è un metodo diretto che può essere regolato per rispondere a una serie di domande di gestione e di ricerca. Incubazione di laboratorio di campioni di sedimenti raccolti da Spring Lake, Michigan, sono stati utilizzati per determinare la potenziale efficacia di un trattamento allume 2 e la concentrazione applicazione più efficiente 13. Come conseguenza dei risultati di questi studi di laboratorio, i soggetti hanno sviluppato la fiducia che il trattamento allume poteva controllare P rilascio nei sedimenti Spring Lake. Di conseguenza, hanno approvato una valutazione di 10 anni per finanziare un trattamento allume; successive incubazioni nucleo di sedimenti hanno rivelato che il trattamento è stato efficace nel ridurre P flusso di sedimenti 1 anno 18 e 5 anni 19 dopo il trattamento. Incubazioni nucleo di sedimenti sono stati utilizzati anche per valutare gli effetti della risospensione dei sedimenti 13 </sup> e bioturbazione (G. Nogaro e A. Harris, dati non pubblicati) sul rilascio P.
Diverse analisi dei sedimenti aggiuntivi possono essere eseguite in collaborazione con incubazioni fondamentali per fornire informazioni utili per interpretare sedimenti risultati rilascio P. I primi 5 o 10 cm di sedimento possono essere estrusi da nuclei per l'analisi dei sedimenti TP, porewater SRP, sequenziale P frazionamento e metalli 4,18,19. Un esempio di frazionamento sequenziale P 26 che possono essere utili in studi carico interno consiste nel determinare la quantità di P vincolato a 1) alluminio (Al-P) o ferro (Fe-P), che rappresenta una redox insensibile (Al-P) e un redox-sensibili (Fe-P) associazione minerale che può diventare solubile in condizioni anossiche, e 2) di calcio (Ca-P) o magnesio (Mg-P), che sono entrambi associazioni minerali stabili. Inoltre, i sedimenti Fe: rapporti P possono essere calcolati in modo da fornire indicazioni sul potenziale P vincolante capacità di sedimenti. Sedimenti ricchi di ferro che rimangonoossidato hanno dimostrato di rilasciare molto poco P quando Fe: i rapporti P sono sopra i 15 (in peso) 27. Queste analisi di sedimenti aggiuntivi possono essere eseguite su anime seguente carico di incubazione interna 4,18,19, o su anime ripetute prese al momento della raccolta nucleo carico interno, ma non utilizzati per la misurazione del tasso di rilascio.
Nonostante i vantaggi di determinazione sperimentale di flusso P sedimenti, l'approccio non è senza limitazioni. Un certo numero di ipotesi spesso deve essere fatta che può aggiungere l'incertezza dei risultati:
- Una ipotesi è che i tassi di rilascio dei sedimenti sono rappresentativi delle condizioni nel lago studio. Per ridurre al minimo l'impatto di questa ipotesi, strategie di campionamento devono essere progettati per rappresentare come gran parte della variabilità spaziale e temporale possibile nel P rilascio del sedimento. Campionamento siti dovrebbe coprire tanto distribuzione geografica possibile all'interno di un lago per catturare variazione spaziale nei sedimenti characteristics 2. Se disponibile, mappe batimetriche possono essere usati per selezionare i siti che sono rappresentativi della gamma di profondità di fondo nel lago. Altre considerazioni per l'acquisizione di variazione spaziale comprendono la posizione dei principali ingressi tributari e la presenza di bacini lacustri distinti. Quando possibile, incubazioni di laboratorio devono essere effettuate nel corso di ogni stagione senza ghiaccio e su più anni per catturare variazione temporale dei tassi di rilascio.
- Una seconda ipotesi è che le condizioni di incubazione sono rappresentative delle condizioni naturali. Una condizione anossica costante crea una situazione ottimale per il rilascio di P, che non possono instaurarsi nel lago studio. Così, i trattamenti anossici possono sovrastimare P rilascio del sedimento, quindi, può essere meglio pensare a tassi di rilascio misurati in trattamenti anossici come i tassi massimi potenziali.
- Per calcolare il carico P interna annuale, ipotesi circa i tempi, la durata e l'estensione territoriale di anossia hypolimnetic devono essere fatte.Ad esempio, nei laghi fortemente stratificato con profondità dell'acqua relativamente costante e confermati anossia hypolimnetic, alcuni studi hanno ipotizzato che l'intera zona del lago è anossico durante i periodi stratificate ai fini del carico P interna annuale stima 2,4. Tuttavia, questo può portare a una sovrastima del carico dovuto ai sedimenti ossico nelle basse zone litoranee 4. Così, una strategia globale di monitoraggio dell'ossigeno disciolto che cattura diel, stagionale, e la variabilità spaziale in condizioni redox è altamente raccomandato per la stima del carico interno annuale accurate.
- Infine, incubazione di laboratorio possono introdurre artefatti sperimentali a causa della incapacità di simulare completamente condizioni naturali. Ad esempio, poiché i sedimenti sono racchiusi in tubi interni, scambio acqua attraverso sedimenti permeabili è esclusa, tuttavia, è possibile progettare tubi interni a flusso continuo che riducono tale problema 28. Altri reperti includono l'incapacità di imitare importantemiscelazione eventi o azione del vento, delle onde, che potrebbero interrompere l'integrità dei sedimenti nei sistemi naturali.
Dato che il nucleo approccio incubazione sedimento può essere utilizzato per generare stime ragionevoli carico P interno in appena un anno (anche se più anni di dati forniscono informazioni più robusto), è un prezioso strumento per informare le decisioni di gestione del lago. Quando viene utilizzato per sviluppare piani di gestione lago o di restauro, può contribuire a garantire un utilizzo oculato delle risorse finanziarie. Nei laghi in cui si sia già verificato la gestione del carico P interna, incubazione nucleo di sedimenti in grado di verificare l'efficacia del trattamento e possono essere utilizzati per modificare la traiettoria di gestione, se giustificato.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano l'assistenza di campo e di laboratorio fornite da James Smit e Kurt Thompson. Finanziamenti per gli studi originali per il quale è stato sviluppato questo protocollo sono state fornite dal Spring Lake-Lake consiglio 2,13,18,19, il Dipartimento del Michigan di Qualità Ambientale 4, e Jim Duncan, Dave Farhat, e l'Ufficio del Presidente al Grand Valley State Università 17.
Materials
| 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 |
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