Lijklema-féle üledék keveredési modell

Gyakori tapasztalat, hogy a külső terhelés hirtelen, drasztikus csökkentése a P (foszfor) visszatartás csökkenéséhez, esetenként negatív hatásfokhoz, azaz P kibocsátáshoz vezet. Ezt a szakirodalom a belső terhelés ugrásszerű megnövekedésével magyarázza.

Az üledékben, különböző szorbensekhez kötődve a foszfor nagyságrendekkel nagyobb mennyiségben van jelen, mint a vízben. A P vándorlását az üledék és a víz között számos fizikai, kémiai és biokémiai folyamat alakítja. Általában az üledék felső 10-15 cm-es rétege tekinthető „aktívnak” a víztér-üledék kölcsönhatásrendszerben, az ez alatt lévőt már „történelmi” rétegnek tekintik. A frakcionálási eljárásokkal a lazán adszorbeált, a vashoz, az alumíniumhoz, a kalciumhoz, a könnyen bomló és a nehezen bomló szervesanyaghoz kötött P-t lehet meghatározni. A belső terhelés alakítása szempontjából lényeges megkülönböztetni a labilis (szerves vagy szervetlen) kötésű P formákat és azokat a szorbenseket, melyek tartósan képesek a P-t megkötni. Általában a lazán kötött szerves, és a vashoz kötött, redox függő frakciókat tekintik a potenciálisan mozgékony P-nak. A szorbensek aránya tavanként igen eltérő lehet.

A vashoz kötött P leadás redoxpotenciál függő, ha az üledékben lévő Fe(III) redukálódik Fe(II)-vé, a hozzá kötött P oldatba megy. A vízben a fotoszintézis a pH-t növeli, és ez csökkenti a vas és alumínium vegyületek P kötési kapacitását a vízzel érintkező üledékben. Meszes vizű tavakban azonban a pH emelkedése kedvező hatású, mert az oldott foszfát adszorbeálódik vagy koprecipitálódik a kicsapódó CaCO₃ kristályokon. Kemény vizekben ezért a kalcium legalább olyan fontos P szabályozó elem, mint a vas. Az üledék karbonátban való dúsulása javítja az üledék szorpciós tulajdonságait, megvéd a szorpciós kapacitás kimerülésétől.

A belső terhelés pillanatnyi alakulását a vashidroxidhoz kötött P határozza meg, ami a redox viszonyok függvényében változik és reduktív környezetben a P leadás megnövekszik. A kalcium szerepe inkább hosszú távon fontos: szabályozza a szorpciós egyensúlyt, és mint „tartós” szorbens, hozzájárul, hogy az üledékbe került P végleges kikerüljön a tavi anyagforgalomból. A vas azonban fajlagosan sokkal több P-t képes megkötni, mint a mész¹, így a belső terhelés hosszú távú alakításában is meghatározó szerepe van.

Az üledék foszfor forgalomban betöltött szerepe különösen sekély tavak tápanyagforgalmában bizonyult alapvetőnek (Lijklema, 1986), mivel az üledék folyamatosan kapcsolatban áll a felette lévő vízoszloppal. Ha nem lenne keveredés, az üledékből a P csak a pórusvíz és a felette lévő tóvíz közötti éles koncentrációkülönbség által létrehozott diffúzió révén jutna fel a vízoszlopba. Az üledék részecskék felkeveredésével azonban a P közvetlenül is visszajuthat a vízbe. Amikor az üledék felkeveredik, az adszorpciós/deszorpciós egyensúlynak megfelelően ad le (vagy köt meg) foszfátot a vízbe(ből). Tekintve, hogy sekély tavakban a felkeveredő üledék gyakorlatilag folyamatosan kapcsoltba kerül a vízzel, Golterman (1984) szerint a víz-üledék közötti kapcsolat egyensúlyi rendszerként írható le, azaz a P terhelés az üledék P szorpciós izotermájának megfelelően oszlik el a víz és az üledék között. A P felszabadításában a biológiai folyamatok is részt vesznek, elsősorban a kiülepedett alga és detritusz mineralizációja révén. Emellett a mikroorganizmusok a környezet kémiai viszonyainak megváltoztatásával is hatnak a P leadást befolyásoló jellemzőkre.

A P visszatartás mechanizmusai tavakban

A tavak nettó P visszatartását két ellentétes előjelű folyamat szabályozza: a formált P ülepedése és az üledék P leadása. A P visszatartásához a biotikus és az abiotikus folyamatok különböző mértékben járulhatnak hozzá. A biotikus P eltávolítás döntően az algák P ciklusához kötődik a bennük tárolt formált szerves P kiülepedése miatt. Az elpusztult algák részben a vízben, részben az üledékben mineralizálódnak. A lebomló algákból felszabaduló P bizonyos hányada adszorbeálódhat az üledékben, a többi visszakerül a vízbe, hogy aztán újabb alga teremjen belőle. A fitoplankton néhány napos generációs idejét figyelembe véve egy szezon (vegetációs időszak) alatt 15-20 alganemzedék is kifejlődhet, és ha minden ciklusból a foszfornak csak 10-20%-a kerül az üledékbe, ez összességében már jelentős P visszatartást eredményezhet (Istvánovics, 2000). Mivel a folyamathoz időre van szükség, a kiülepedés a tartózkodási idővel arányos, ahogyan ez a tapasztalati modellekben is szerepel.

A vízgyűjtőről lefolyó vizek – különösen erózióra hajlamos területeken – nagy mennyiségben tartalmazhatnak szervetlen partikulált P-t, ami a tóba érkezve (általában a befolyó közelében) kiülepszik. Szintén abiotikus P eltávolításhoz vezet, ha a vízbeli oldott P koncentráció az üledék és a víz közötti szorpciós egyensúlynál magasabb, és a „felesleget” a biogén mészkiválás és a felkeveredő üledék adszorpciója révén az üledékben és/vagy a lebegőanyagban található szorbensek megkötik. Amennyiben az algák foszforhiányosak, az algák P felvétele a biotikus egyensúlyhoz képest jelentősen módosíthatja a vízbeli foszfát koncentrációt, csökkentve az abiotikus P eltávolítást és növelve a belső terhelést. Az abiotikus és a biotikus folyamatok tehát a P visszatartást együttesen alakítják.