Göl tortulları Laboratuvar belirlenen Fosfor Flux İç Fosfor Yükleniyor bir tedbir olarak
Summary
Lake ötrofikasyon kritik besin kaynaklarını belirlemek ve kontrol etmek gerek yapım, dünya çapında bir su kalitesi konudur. Sediment çekirdeklerinden fosfor salınım oranlarının belirlenmesi Laboratuvar iç fosfor yükleme rolünü belirleyen ve yönetim kararlarını yönlendirmek için değerli bir yaklaşımdır.
Abstract
Ötrofikasyon dünya göllerde su kalite sorunu olduğunu ve besin kaynaklarını belirlemek ve kontrol etmek için kritik bir ihtiyaç vardır. Göl çökelleri iç fosfor (P) yükleme Ötrofik toplam P yükünün önemli bir kısmı ve bazı mesotrofik, göller için hesap edebilirsiniz. Sediment çekirdeklerinden P salım oranlarının belirlenmesi Laboratuvar iç P yükleme rolünü belirleyen ve yönetim kararlarını yönlendirmek için bir yaklaşımdır. Sediment P salınımı deneysel belirlenmesi başlıca iki alternatif dahili yükü tahmin için mevcut: zaman ve P kütle dengesi üzerinde hipolimnetik P değişiklikleri yerinde ölçümlerde. İç P yükü ölçmek için laboratuar tabanlı sediment inkübasyonları kullanarak deneysel yaklaşım göl yönetimi ve restorasyonu için değerli bir araç yapma, doğrudan bir yöntemdir.
Biyojeokimyası Laboratuvar kuluçkalamalar iç vs dış P yüklerinin göreceli önemini belirlemek yardımcı olabilir,yanı sıra göl yönetimi ve araştırma çeşitli sorular cevaplamak için kullanılacak. Biz alüminyum sülfat (şap) sediman P salınımını azaltmak için tedavi etkinliğini değerlendirmek için tortu çekirdek kuluçkalamalann kullanımını göstermektedir. Bu yaklaşımı kullanarak araştırılmalıdır diğer araştırma soruları P salınımı üzerinde tortu yeniden süspanse ve Biyokarıştırma etkilerini içerir.
Yaklaşım da sınırlamalar vardır. Besin salınımını ölçmek için hangi zaman dilimleri üzerinde karar vermek; ve olası çekirdek tüp eserler ele tüm göle sediment çekirdeklerinden extrapolating sonuçlar: Varsayımlar göre yapılmalıdır. Gölde zamansal ve mekansal redoks durumunu değerlendirmek için kapsamlı bir çözünmüş oksijen izleme stratejisi sediment çekirdek enkübasyonlardan tahmini yıllık P yükleri daha fazla güven sağlar.
Introduction
Dünya çapında göl giderek artan sayıda kültürel ötrofikasyon muzdarip olarak, su kalitesi bozulma nedenlerinin belirlenmesi göl yönetimi ve restorasyonu için giderek önem kazanmaktadır. Bu en sık alg büyüme 1. sınırlayıcı besin olduğu gibi göllere Fosfor (P) yüklenmesi genellikle, ötrofikasyon alakalıdır. Tarihsel olarak, göllere P yükleme noktası ölçümü ve Yaygın kaynaklar yoluyla havzadaki dış kaynaklardan veya P menşeli üzerinde duruldu. Ancak, göl çökelleri iç yükleme ötrofik göllerde 2-5 toplam P yükünün büyük bir kısmı, değilse çoğunluğu için hesap edebilirsiniz. Böylece, göllere harici yükleme bile önemli azalmalar nedeniyle sedimanlar 5-8 P salınımının baskın etkisiyle su kalite geliştirme neden başarısız olabilir. Çünkü maliyet ve P kontrol güçlüğü gibi P yükleme ekolojik ve toplumsal etkileri arasında, bu P yükler olması önemlidirdoğru önce bir yönetim stratejisi yasalaştırılması belirlenmiştir.
En az iki farklı mekanizma Tortul fosfor serbest bırakılması için sorumludur. 1) sırasında indirgeyici koşullar anoksi veya hipoksi dönemleri, su sütunu 9-11 içine sedimanlar çözünmüş fosfat dağılmasına neden sediment-su arayüzünde demir oxyhydroxides fosfatın desorbsiyonu neden olabilir. Tortu yüzeyinin 2) Rahatsızlık, rüzgar kaynaklı yeniden süspansiyon ve Biyokarıştırma yoluyla, su sütununa yeniden süspansiyon haline getirilmiş katı madde partikülleri ya da gözenek tortu sudan çözülmüş P salınımı P ya da desorpsiyon ile su sütunu içine P salınımı ile sonuçlanabilir sırasıyla 11-13.
Üç temel yaklaşım göllere 14,15, iç P yükleme ölçülmesi için kullanılabilir. (1) zaman içinde hipolimnetik toplam fosfor (TP) değişiklikleri yerinde ölçümlerde kullanılabilir zaman izlemeveri mevcut değildir. Yerinde ölçümlerde dayalı iç yük tahminleri çevresel verilerin doğal mekansal ve zamansal değişkenliği ile ilişkili yüksek değişkenliği muzdarip ve yetersiz izleme sıklıkları 14 etkilenebilir. Tam P bütçeler inşa edilebildiği zaman (2) kütle dengesi, iç yükleme tahmin etmek için kullanılabilir. Ancak, yeterli veri tam bir P bütçe 16 oluşturmak için P girdiler ve ihracat üzerinde mevcut olduğu nadirdir. (3) Deneysel olarak belirlenen tortu P salınma oranlarının iç P yükün hesaplanması için P serbest (yani oksijensiz dönemi) alansal yoğunluğu ve süresi ile ilgili bilgileri, kombinasyon halinde kullanılabilir. Çok (aşağıya bakınız), ancak bu sınırlamaları vardır, iç P yük miktarının doğrudan bir yöntemdir.
Yönetim kararları genellikle sıkıştırılmış zamanında yapılmalıdır çünkü nedeniyle fonlama kısıtlama veya toplumsal baskılar, iç P deneysel belirlenmesi için ölçeklerBu yerinde ve kütle dengesi yaklaşımları daha az zaman ve veriye ihtiyaç yük göl yönetimi ve restorasyonu için büyük yarar olabilir. Dış yüklerin izlenmesi ile birlikte sediment çekirdekleri, laboratuar kuluçkalamalar, besin kaynağı denetimi 2,4,17 optimize etmek için yönetim kararları rehberlik amacı ile, iç ve dış P yüklerin göreli katkılarını belirlemek için kullanılır olmuştur. Göle doğrudan bitişik alt havzalarda geniş kıyı gelişimi ve geçirimsiz bir yüzeye yüksek oranda (>% 25) ile iki Michigan göller, iç P yük tavsiyeler isteyen, toplam P yükünün kadar% 80'ini tahmin edilmiştir sediment P sürüm 2,4 azaltmaya yönetim yönelmeniz. Buna karşılık, aynı bölgede daha az gelişmiş gölden sediment deneysel çalışmalar iç yükleme wa P yönetim stratejilerini odaklanmak için bir öneri isteyen, toplam P yükün sadece% 7 oluşan gösterdi17 tershed. Tortu çekirdek deneyler de en verimli şap konsantrasyonu ve sediment resüspansyondan 13 etkilerinin dozaj, sediment P salım oranlarını 2 azaltmak için alüminyum sülfat (şap) tedavi potansiyel etkinliğini belirlemek için bir Michigan gölde kullanılan ve etkinliği olmuştur yerinde şap tedavisi 1 yıl 18 ve 5 yıl 19 tedavisini takiben. İç P yükü deneysel tayini ötrofik göllerde anahtar yönetimi sorulara cevap veren etkili bir yaklaşımdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Göllere besin yükleme çevresel ve ekonomik bozukluklar 21-23 hem de neden olabilir, bu nedenle toplumun besin kaynaklarının niteliğini ve nasıl bunları yönetmek için anlaması çok önemlidir. Uygun katkıda kaynak (yani göl çökelleri veya havza girişler) ve böylece paydaşların kısmında göl restorasyon ve hayal kırıklığı içinde aksiliklere sonuçlanan yönetim eylem için hedef değilse besin yükünü azaltmak için pahalı girişimleri su kalitesini artırmak olmayabilir. Özellikle sığ ötrofik göllerde, iç fosfor yükü ölçümü su kalitesi koşullarını iyileştirmek için bir yönetim stratejisi belirlenmesinde kritik bir adımdır. Sedimanlar besinlerin önemli bir kaynak olarak göze bile P harici girişler sonuçta çökeller birikir ve yakıt gelecekteki iç yükleme 24,25 <yana, dış P yükü azalma, ötrofikasyon hafifletilmesi için herhangi bir göl yönetim stratejisine dahil edilmelidir/ Sup>.
Diğer yaklaşımlar iç P yükünü tahmin bulunmasına rağmen, P salım oranlarının deneysel belirlenmesi, yönetim ve araştırma çeşitli sorular cevap ayarlanabilir doğrudan bir yöntemdir. Spring Lake, Michigan toplanan tortu çekirdeklerinin Laboratory inkübasyonlar, bir şap tedavi 2 ve en etkin uygulama konsantrasyonu 13 potansiyel etkinliğini belirlemek için kullanıldı. Bu laboratuvar bazlı çalışmaların bulguları sonucunda, paydaşlar şap tedavi Spring Lake sedimanlar P salınımını kontrol edebilecek güven geliştirdi. Sonuç olarak, onlar bir şap tedavi finanse etmek için 10 yıllık bir değerlendirmesini onaylı; sonraki tortu çekirdek kuluçkalamalar tedaviden sonraki 1 yıl 18 ve 5 yıl 19 sediment P akı azaltmada etkili olduğunu ortaya çıkardı. Tortu çekirdek kuluçkalamalar da sediman resüspansyondan 13 etkilerini değerlendirmek için kullanılmıştır </sup> ve Biyokarıştırma P yayın (G. Nogaro ve A. Harris, yayınlanmamış veri).
Birkaç ek tortu analizleri P tortu bırakma sonuçları yorumlanmasında yararlı bilgileri sağlamak için çekirdek inkubasyon ile birlikte gerçekleştirilebilir. Tortu üst 5 veya 10 cm tortu TP, gözenek suyu SRP, ardışık P parçalama, ve metaller 4,18,19 analizi için çekirdekler ekstrüde edilebilir. Iç yükleme çalışmalarında faydalı olabilir ardışık P 26 fraksiyonasyon bölgesinin bir örneği, 1) alüminyum bir redoks duyarsız (Al-P temsil eder (Al-P) ya da demir (Fe-P),) ve bağlı P miktarının belirlenmesini içerir oksijensiz koşullarda çözünür hale gelir ve her ikisi de kararlı mineral dernekler 2) kalsiyum (Ca-P) veya magnezyum (Mg-P), bir redoks-duyarlı (Fe-P) mineral dernek. Bundan başka, tortu Fe: P oranlarının sediman potansiyel P-bağlama kapasitesi hakkında fikir sağlamak için hesaplanabilir. Kalır demir açısından zengin sedimanlarP oranları 15 üzerinde olan (ağırlık olarak) 27: okside Fe zaman çok az P serbest bırakmak için gösterilmiştir. Bu ek sediment analizler dahili yük inkübasyon 4,18,19 aşağıdaki çekirdek üzerinde yapılan, ya da iç yük çekirdek toplama sırasında alınan ancak salım oranı ölçümleri için kullanılmaz suret çekirdekler üzerinde olabilir.
Sediment P akı deneysel belirlenmesi faydalarına rağmen, yaklaşım sınırlamaları olmadan değildir. Varsayımların bir dizi sık sık sonuçlarına belirsizlik ekleyebilirsiniz yapılmalıdır:
- Bir varsayım sediment çekirdeklerinden bırakma oranları çalışma gölde şartların temsili olmasıdır. Bu varsayımın etkisini en aza indirmek için, örnekleme stratejileri sediment P açıklamasında mümkün mekansal ve zamansal değişkenlik kadar temsil için tasarlanmış olmalıdır. Siteleri Örnekleme sediment characterist mekansal değişimi yakalamak için bir göl içinde mümkün olduğunca çok coğrafi kapsamalıdırics 2. Varsa, batimetrik haritalar gölde dip derinliklerinde aralığının temsilcisi siteleri seçmek için kullanılabilir. Mekansal değişimi yakalamak için diğer hususlar önemli kolu girdilerin yerini ve farklı göl havzalarının varlığı sayılabilir. Mümkün olduğunda, laboratuar inkübasyonlar salım oranlarındaki zamansal değişimini yakalamak için her buzsuz sezonunda ve birden çok yıllar boyunca yapılmalıdır.
- İkinci bir varsayım inkübasyon koşulları doğal koşullar için temsili olmasıdır. Bir sabit anoksik durum doğal çalışma göl oluşabilir P serbest bırakılması için optimal bir durum oluşturur. Bu nedenle, maksimum potansiyel oranları gibi oksijensiz tedaviler ölçülen serbest bırakma oranlarına düşünmek iyi olabilir, böylece, anoksik tedaviler sediment P salınımını abartma olabilir.
- Yıllık iç P yükünü hesaplamak için, zamanlaması, süresi ve hipolimnetik anoksi mekansal boyutları hakkında varsayımlar yapılmalıdır.Örneğin, nispeten tutarlı su derinliği ve hipolimnetik anoksiden teyit şiddetle tabakalı göllerinde, bazı çalışmalar tüm göl alanı yıllık iç P yük tahmini 2,4 amacıyla tabakalı dönemlerde oksijensiz olduğu varsayılmıştır. Bununla birlikte, bu durum sığ kıyı alanlarında 4 oksik tortulara yükü olduğundan fazla neden olabilir. Böylece, DIEL, mevsimsel ve redoks durumda mekansal değişkenlik yakalar kapsamlı bir çözünmüş oksijen izleme stratejisinin son derece doğru bir yıllık iç yük tahmini için tavsiye edilir.
- Nihayet, laboratuar kuluçkalamalar nedeniyle tamamen doğal koşulları simüle etmek yetersizlik deneysel eserler tanıtmak olabilir. Sedimanlar çekirdek tüpleri içine çünkü Örneğin, geçirgen sedimanlarda su değişim engellemediği ancak, bu konuyu 28 hafifletmeye akış çekirdek tüpleri tasarlamak mümkündür. Diğer eserler büyük taklit yetersizlik vardırDoğal sistemlerde tortu bütünlüğünü bozabilecek olaylar veya rüzgar-dalga eylem, karıştırma.
(Birden çok veri yıl daha sağlam bilgi sağlamak rağmen) sediman çekirdek kuluçka yaklaşım kadar az biri olarak yıl içinde makul dahili P yük tahminleri üretmek için kullanılabileceği göz önüne alındığında, bu göl yönetim kararları bilgilendirmek için değerli bir araçtır. Göl yönetimi veya restorasyon planlarını geliştirmek için kullanıldığında, finansal kaynakların akılcı kullanımını sağlamak yardımcı olabilir. Iç P yük yönetim zaten oluştu göllerde, sediman çekirdek kuluçkalamalar tedavinin etkinliğini doğrulamak ve garanti eğer, yönetim yörüngesini değiştirmek için kullanılır.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar minnetle James Smit ve Kurt Thompson tarafından sağlanan alan ve laboratuar yardım kabul. Bu protokol geliştirilmiş olan özgün çalışmalar için fon Spring Lake-Lake Kurulu 2,13,18,19 tarafından sağlandı; Grand Valley State ve Jim Duncan Dave Farhat ve Rektörlük, Çevre Kalitesi 4 Michigan Bölümü Üniversitesi 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 |
References
- Schindler, D. W. The dilemma of controlling cultural eutrophication of lakes. Proc. Royal Soc. B. 279, 4322-4333 (2012).
- Steinman, A. D., Rediske, R., Reddy, K. R. The reduction of internal phosphorus loading using alum in Spring Lake. Michigan. J. Env. Qual. 33, 2040-2048 (2004).
- Moore, P. A., Reddy, K. R., Fisher, M. M. Phosphorus flux between sediment and overlying water in Lake Okeechobee, Florida: spatial and temporal variations. J. Env. Qual. 27, 1428-1439 (1998).
- Steinman, A. D., Chu, X., Ogdahl, M. Spatial and temporal variability of internal and external phosphorus loads in an urbanizing watershed. Aquatic Ecol. 43, 1-18 (2009).
- Søndergaard, M., Bjerring, R., Jeppesen, E. Persistent internal phosphorus loading during summer in shallow eutrophic lakes. Hydrobiologia. 710, 95-110 (2013).
- Björk, S. Lake restoration techniques. In: Lake pollution and recovery. International Congress of European Water Pollution Control Association. , 293-301 (1985).
- Graneli, W. Internal phosphorus loading in Lake Ringsjon. Hydrobiologia. 404, 19-26 (1999).
- Steinman, A. D., Reddy, K. R., O’Connor, G. A., Schelske, C. L., et al. . Phosphorus in Lake Okeechobee: sources, sinks, and strategies. In: Phosphorus Biogeochemistry of Subtropical Ecosystems: Florida as a case example. , 527-544 (1999).
- Mortimer, C. H. The exchange of dissolved substances between mud and water in lakes. J. Ecol. 29, 280-329 (1941).
- Marsden, M. W. Lake restoration by reducing external phosphorus loading: the influence of sediment phosphorus release. Freshwater Biol. 21, 139-162 (1989).
- Søndergaard, M., Jensen, J. P., Jeppesen, E. Role of sediment and internal loading of phosphorus in shallow lakes. Hydrobiologia. 506-509, 135-145 (2003).
- Selig, U. Particle size-related phosphate binding and P-release at the sediment-water interface in a shallow German lake. Hydrobiologia. 492, 107-118 (2003).
- Steinman, A. D., Nemeth, L., Nemeth, E., Rediske, R. Factors influencing internal P loading in a western Michigan, drowned river-mouth lake. J. N. Am. Benthol. Soc. 25, 304-312 (2006).
- Nürnberg, G. K. Assessing internal phosphorus load—problems to be solved. Lake Reservoir Manag. 25, 419-432 (2009).
- Nürnberg, G. K., LaZerte, B. D., Loh, P. S., Molot, L. A. Quantification of internal phosphorus load in a large, partially polymictic and mesotrophic Lake Simcoe, Ontario. J. Great Lakes Res. 39, 271-279 (2013).
- Nürnberg, G. K., Tarvainen, M., Ventellä, A. -. M., Sarvala, J. Internal phosphorus load estimation during biomanipulation in a large polymictic and mesotrophic lake. Inland Waters. 2, 147-132 (2012).
- Steinman, A. D., Ogdahl, M., Luttenton, M., Miranda, F. R., Bernard, L. M. . An analysis of internal phosphorus loading in White Lake Michigan. In: Lake Pollution Research Progress. , 311-325 (2008).
- Steinman, A. D., Ogdahl, M. Ecological effects after an alum treatment in Spring Lake Michigan. J. Env. Qual. 37, 22-29 (2008).
- Steinman, A. D., Ogdahl, M. E. Macroinvertebrate response and internal phosphorus loading in a Michigan Lake after alum treatment. J. Env. Qual. 41, 1540-1548 (2012).
- Fisher, M. M., Brenner, M., Reddy, K. R. A simple, inexpensive piston corer for collecting undisturbed sediment/water interface profiles. J. Paleolimnol. 7, 157-161 (1992).
- Carpenter, S. R., Bolgrien, D., Lathrop, R. C., Stow, C. A., Reed, T., Wilson, M. A. Ecological and economic analysis of lake eutrophication by nonpoint pollution. Aus. J. Ecol. 23, 68-79 (1998).
- Smith, V. H., Pace, M. L., Groffman, P. M. . Cultural eutrophication of inland, estuarine, and coastal waters. In: Successes, limitations, and frontiers in ecosystem science. , 7-49 (1998).
- Pretty, J. N., Mason, C. F., Nedwell, D. B., Hine, R. E., Leaf, S., Dils, R. Environmental costs of freshwater eutrophication in England and Wales. Env. Sci. Technol. 37, 201-208 (2003).
- Carpenter, S. R. Eutrophication of aquatic ecosystems: Bistability and soil phosphorus. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 10002-10005 (2005).
- Hansson, L. -. A., et al. Biomanipulation as an application of food chain theory: constraints, synthesis and recommendations for temperate lakes. Ecosystems. 1, 558-574 (1998).
- Moore, P. A., Reddy, K. R. Role of Eh and pH on phosphorus geochemistry in sediments of Lake Okeechobee, Florida. J. Env. Qual. 23, 955-964 (1994).
- Jensen, H. S., Kristensen, P., Jeppesen, E., Skytthe, A. Iron:phosphorus ratio in surface sediment as an indicator of phosphate release from aerobic sediments in shallow lakes. Hydrobiologia. 235-236, 731-743 (1992).
- Roychoudhury, A. N., Viollier, E., Van Cappellen, P. A plug flow-through reactor for studying biogeochemical reactions in undisturbed aquatic sediments. App. Geochem. 13, 269-280 (1998).
