过量的磷(主要来自农业)导致了每年夏季的蓝藻爆发，困扰着伊利湖西部盆地和中部盆地每年的“死区”。“死区”是一个缺氧的区域，覆盖了数千平方英里的湖底，减少了鱼类和其他生物的栖息地。

自20世纪70年代以来，伊利湖沉积物在低氧时期释放磷——一种被称为自肥或内部负荷的现象——已经得到了承认。但密歇根大学领导的这项新研究标志着首次使用湖底传感器对整个季节的这一过程进行逐步监测。

这项新研究的作者于2月18日在线发表在该杂志上环境科学与技术水他说，随着气候持续变暖，自花施肥可能会加剧伊利湖中部盆地死亡地带的严重程度，并可能使其在未来更难控制。

“到目前为止，我们缺乏证据来确定这种现象在伊利湖发生的时间和地点，以及它对湖中营养物质的贡献，”研究报告的主要作者汉娜安德森说，她是密歇根大学大湖研究所合作研究所的研究技术员，为环境与可持续发展学院的硕士论文做了这项工作。

该研究所的助理研究科学家、该论文的合著者凯西·戈德温(Casey Godwin)说:“这些新的测量结果使我们能够估计，每年夏天，这种自我施肥过程向湖水中贡献了多达1.1万吨磷，这一数量接近河流和支流每年流入湖泊中部的磷总量。”

控制伊利湖营养污染或富营养化的努力集中在减少农场和其他来源从河流及其支流流入伊利湖的富磷径流的数量上。2016年，美国和加拿大政府制定了减少40%磷的目标。

作者的新环境科学与技术水研究表明，湖底沉积物释放的磷(P)也需要考虑自施肥。

他们写道:“在决定如何平衡总磷负荷时，负责减少支流负荷的环境管理人员必须考虑到内部负荷估计。”“历史和持续的沉积物磷负荷代表了湖泊对富营养化的延迟反应，并且在只考虑外部磷负荷时阻碍了系统的成功管理。”

除了几位密歇根大学的科学家外，该论文的作者还包括来自美国国家海洋和大气管理局大湖环境研究实验室的研究人员。密歇根大学的科学家和CIGLR的工作人员与NOAA GLERL在许多类似的项目上进行合作。

研究人员于2019年7月底在伊利湖中央盆地的湖底部署了两个小型自主实验室，一个在67英尺深，另一个在79英尺深，并在那里呆了两个多月。

独立的化学实验室由海鸟科学公司制造，归该团队的NOAA合作者所有，是长22英寸，宽7英寸的圆柱体。实验室和电池被放置在一个保护性的钢框架内，这个框架从船尾降下。这个金属笼子连着一个150磅重的重物和两个白色的漂浮物，使它远离海底。

自动分析仪被设定为每六小时测量一次水中的磷浓度。他们还监测了水温和溶解氧水平。在10月初取回这些装置之前，在每个地点进行了300多次磷测量。

这个以前无法获得的数据集产生了一些令人惊讶的发现。

例如，早期的研究表明，当周围水域的溶解氧浓度降至非常低的水平时，营养物质开始从湖底沉积物中流出，这种情况被称为缺氧。

但化学机器人显示，磷的流动并不是在缺氧时开始的——即使氧含量低于鱼类可以生存的水平。

相反，沉积物中的“正P通量”是在湖底水的溶解氧水平降至零12至24小时后开始的，这种情况被称为缺氧。在伊利湖的两个中央盆地遗址，这一时期始于夏末，一直持续到10月初。

“在氧气完全消失后的24小时内，我们记录到水中磷的迅速增加，这种情况一直持续到湖底的浓度比表面高100多倍，”该研究的资深作者、密歇根大学大湖研究合作研究所所长托马斯·约翰根说。

约翰根说:“我们关于磷释放时间相对于水中氧含量的发现是五大湖的第一个同类发现，代表了这项技术的新应用。”

了解了磷释放的时间、沉积物的流速和缺氧期的持续时间，研究人员就能估计出伊利湖中央盆地每年因内部负荷而增加的磷总量。

研究人员估计，伊利湖的湖底沉积物每年释放2000到11500吨磷。这个范围的上限大约相当于每年从河流和支流流入伊利湖中央盆地的磷:10,000至11,000公吨。

释放出来的磷以一种容易获得的形式存在，被称为可溶性活性磷(SRP)，它可能会促进中央盆地藻类的生长。当这些藻类死亡并下沉时，细菌会分解有机物并在此过程中消耗氧气。结果是:在中央盆地的底部和近底部水域缺氧，被称为死区。

“湖底沉积物中磷的内部负荷可以成为一个正反馈循环:缺氧导致沉积物中P的释放，这导致更多的藻类生长，死亡和垂死的藻类消耗水中的氧气，导致下一个夏天的缺氧，”戈德温说。

“这种类型的反馈已经在世界各地的湖泊中看到，它与伊利湖支流减少磷负荷的持续努力相互作用，”他说。

根据研究作者的说法，由于人类造成的气候变化，五大湖在未来几年继续变暖，伊利湖中央盆地的死区预计每年会更早形成，持续时间更长，从而导致沉积物释放出更多的磷。

根据作者的说法，目前的研究证明了使用机器人实验室来监测这些变化的潜力，以及由于从河流和支流流入伊利湖的营养物质减少而可能发生的任何变化。据研究人员称，中部盆地沉积物的内部负荷可能不会影响伊利湖西部盆地藻华的严重程度。

“美国国家海洋和大气管理局在五大湖的任务包括观察、理解和预测内部负荷等重大事件。通常，像这样的先进技术的发展和应用可以证实一个假设或提供以前不可能的新见解，”研究报告的合著者、美国国家海洋和大气管理局大湖环境研究实验室的高级科学家史蒂夫·鲁伯格说。

Ruberg说:“这一重要的观测结果将有助于NOAA与美国环境保护署大湖国家项目办公室根据大湖水质协议进行合作，显著提高我们对缺氧区磷负荷及其对伊利湖生态系统的影响的理解。”

除了安德森、戈德温、约翰根和鲁伯格，《环境科学与技术水》论文的作者还有密歇根大学大湖研究合作研究所的海蒂·珀塞尔和彼得·阿尔西普，以及美国国家海洋和大气管理局大湖环境研究实验室的莱西·梅森。

这项工作得到了NOAA国家沿海海洋科学竞争研究计划中心的支持，并通过NOAA与密歇根大学大湖合作研究所的合作协议得到了支持。