中国最大沙漠湖泊洪健淖尔沉积物中磷动态的精细尺度评估

《Water Research》：Fine-scale Evaluation on Phosphorus Dynamics in Sediments of Hongjian Nur, the Largest Desert Lake in China

磷循环机制与高分辨率监测技术在沙漠湖泊的应用研究。摘要：本研究首次应用DGT和PO技术，对典型沙漠湖泊Hongjian Nur沉积物中磷的微分布及动态迁移进行高分辨率解析，揭示磷与硫、铁的耦合机制，并发现气候变化导致的盐碱化加速了磷释放，为沙漠湖泊营养管理提供新依据。

　　沙漠湖泊中的磷（P）行为研究长期以来存在较大空白，这在一定程度上限制了我们对这些生态系统富营养化过程及其管理策略的全面理解。磷作为水体中关键的营养元素，直接影响着初级生产力，而在大多数淡水湖泊中，其浓度往往成为限制性因素。然而，在沙漠湖泊中，由于其特殊的地理和气候条件，磷的循环过程表现出独特的复杂性。本研究首次利用两种先进的高分辨率成像技术——扩散梯度薄膜法（DGT）和平面光度法（PO），对典型沙漠湖泊——洪剑 Nur 的沉积物中磷的微分布及其动态迁移特性进行了系统分析。通过这一方法，我们获得了沉积物中可溶性磷以及微环境（如pH值、溶解氧、硫化物和亚铁）的高分辨率剖面，揭示了沉积物内部复杂的生物地球化学过程和显著的空间异质性。

研究发现，可溶性磷的浓度在沉积物中呈现较大的变化范围，从0.10到0.61毫克/升，平均值为0.33 ± 0.16毫克/升。特别值得注意的是，这些磷的热点区域主要分布在-100毫米至-130毫米的深度范围内，这可能与沉积物-水界面（SWI）下方的可溶性磷活跃层有关。此外，研究还观察到可溶性硫与磷在多数沉积物中表现出显著的相关性（p < 0.01），这表明磷的迁移过程与硫的循环之间存在紧密联系。模拟实验进一步揭示了随着全球变暖和干旱气候的加剧，洪剑 Nur 湖泊的盐碱化趋势正在增强，这导致了沉积物中磷的释放风险逐渐上升。这些发现为理解沙漠湖泊中磷的分布和迁移机制提供了前所未有的细节，有助于揭示这些脆弱生态系统中营养物质循环的复杂性。

洪剑 Nur 是中国最大的沙漠湖泊，近年来由于人类活动和气候变化的共同作用，其生态系统经历了显著变化，包括水位下降、湖泊面积缩小、盐度增加、湿地化以及异常的藻类繁殖现象。2023年的研究显示，洪剑 Nur 的富营养化指数（TLI）为49.5，表明该湖泊总体处于中度富营养化状态。过去几十年来，该湖泊的水质逐渐恶化，其表面积持续缩小，导致盐度增加。具体而言，总磷（TP）和总氮（TN）的浓度分别达到了0.08毫克/升和2.87毫克/升，这些数值分别是《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类标准的1.6到2.9倍。作为农业灌溉和居民用水的重要水源，洪剑 Nur 水质的恶化引发了更多科学关注。然而，目前关于该湖泊沉积物中磷的微尺度分布及其对磷循环的贡献仍然缺乏系统数据。

为弥补现有研究的不足，本研究首次采用了高分辨率监测技术（DGT和PO），对洪剑 Nur 沉积物中的磷循环过程进行了现场观测，并揭示了在真实湖泊条件下，沉积物中磷动态变化的微观机制。此外，我们还利用这些技术验证了磷在沙漠湖泊沉积物-水界面（SWI）上的迁移模式。本研究的主要目标包括：（1）明确洪剑 Nur 沉积物剖面中可溶性磷的空间分布特征，从而提供前所未有的磷动态变化图谱；（2）捕捉磷、铁和硫的循环关键特征，并揭示其耦合机制，进一步阐明沙漠湖泊生态系统中磷的生物地球化学过程；（3）探讨当前盐碱化趋势对洪剑 Nur 沉积物吸附能力和磷再迁移的影响。通过实现这些目标，本研究为理解沙漠湖泊沉积物中的磷循环提供了重要的科学依据，有助于揭示这些脆弱和常被忽视的环境中营养物质循环的关键驱动因素。

在沙漠湖泊的生态系统中，沉积物-水界面（SWI）是磷循环的重要环境边界。SWI的动态变化直接影响着磷的释放和迁移，进而影响湖泊的生态轨迹。然而，微环境对磷的释放过程具有重要影响，但由于缺乏合适的分析方法，直接研究这些过程一直受到限制。传统上，大多数研究依赖于离体采样方法，例如从湖底采集沉积物样品，随后进行切割、干燥、离心和化学提取等处理，这些方法往往容易改变样品的原始性质，从而导致较大的分析误差。此外，这些方法通常只能提供厘米级别的分辨率，无法捕捉底栖环境中的快速变化（如潮汐泵送、生物灌溉）所造成的微米或亚微米级别的空间异质性。因此，准确测量具有高空间和时间分辨率的沉积物中磷的分布，仍然是理解水体生物地球化学循环的关键挑战。

为了应对这一挑战，本研究采用了DGT和PO这两种高分辨率现场测量技术。DGT是一种基于菲克第一定律的现场动态采样技术，能够直接测量沉积物中可溶性磷的释放情况。其测量结果来源于孔隙水以及沉积物固体中溶质的进一步释放，从而补充孔隙水中的磷浓度。PO则通过光度特性（如强度、寿命、极化等）来反映环境参数的变化，例如溶解氧和pH值。这两种方法在很大程度上克服了传统离体方法的局限性，例如样品破坏、时间不同步和空间分辨率低等问题。近年来，许多研究者成功地将DGT和PO应用于捕捉SWI上多种物质的动态变化和强化学梯度，为理解这些区域的环境过程提供了新的视角。

尽管DGT和PO在环境研究中展现出诸多优势，但目前它们的应用大多独立进行，并且仍然主要局限于实验室试验，很少结合使用以实现对多参数共分布的现场高分辨率测量。因此，本研究尝试将这两种技术结合，以更全面地揭示洪剑 Nur 沉积物中磷、铁和硫的耦合机制。通过这种综合方法，我们不仅能够获得磷的高分辨率分布数据，还可以同步监测其他相关环境参数的变化，从而更准确地理解这些因素如何共同影响磷的迁移和释放过程。

洪剑 Nur 位于中国西北部，地理坐标为39°04′ ～ 39°08′N，109°50′ ～ 109°56′E。作为重要的生态枢纽，该湖泊是迁徙鸟类的重要繁殖和停歇地，具有重要的生态价值。该湖泊属于黄河流域，受到温带半干旱大陆季风气候的影响。其表面积约为37.27平方公里，平均深度为5.20米。洪剑 Nur 的水体主要来源于降水，但随着气候变化的加剧，湖泊的水文条件正变得更加复杂。此外，由于缺乏外部河流或溪流带来的悬浮颗粒物，湖泊的电导率（EC）和总溶解固体（TDS）值较高，分别在7.11至10.60毫西门子/厘米和4.19至6.60克/升之间。这种高盐度环境对湖泊的生态和生物过程产生了深远影响，同时也对磷的迁移和释放机制提出了新的挑战。

本研究通过现场高分辨率监测技术，对洪剑 Nur 沉积物中的磷动态变化进行了深入分析。研究结果表明，磷的分布不仅受到沉积物-水界面的直接影响，还与多种环境参数的变化密切相关。例如，pH值、溶解氧和硫化物浓度的变化对磷的释放和迁移具有显著影响。这些发现为理解沙漠湖泊中磷的生物地球化学循环提供了新的视角，有助于揭示这些生态系统中营养物质循环的关键机制。同时，这些研究也为未来制定有效的湖泊管理策略提供了科学依据，特别是在应对气候变化和人类活动带来的环境压力方面。

此外，研究还发现，随着湖泊盐度的增加，沉积物的吸附能力逐渐下降，导致磷的再迁移风险上升。这一现象在洪剑 Nur 湖泊中尤为明显，因为该湖泊的盐碱化趋势正在加速。这种变化不仅影响了湖泊的水质，还可能对湖泊的生态平衡产生深远影响。例如，磷的释放可能导致水体富营养化，进而引发藻类爆发，降低溶解氧水平，影响水生生物的生存。因此，理解磷的迁移机制对于维护湖泊生态系统的健康至关重要。

本研究采用的DGT和PO技术不仅提高了磷的测量精度，还为研究其他相关环境参数提供了新的工具。这些技术能够实时监测沉积物中的化学变化，捕捉到微米甚至亚微米级别的空间异质性，从而更准确地反映湖泊的生态状况。此外，这些技术的结合使用，使得我们能够同时监测多种环境参数的变化，例如pH值、溶解氧、硫化物和亚铁，从而更全面地理解磷的生物地球化学过程。

研究结果表明，磷的分布和迁移过程受到多种因素的共同影响，包括沉积物的物理化学特性、水体的环境条件以及气候变化带来的压力。这些因素相互作用，形成了复杂的磷循环网络。通过本研究，我们不仅揭示了这些因素如何影响磷的迁移，还为理解这些过程提供了新的科学依据。这些发现对于未来制定有效的湖泊管理策略具有重要意义，特别是在应对气候变化和人类活动带来的环境压力方面。

此外，研究还强调了对沙漠湖泊生态系统进行长期监测的重要性。由于这些生态系统往往位于干旱和半干旱地区，其环境条件具有较大的不确定性，因此需要持续的监测和研究，以及时发现和应对可能的生态问题。同时，这些研究也表明，磷的循环过程是动态的，受到多种环境因素的影响，因此需要采用先进的监测技术，以更准确地捕捉这些变化。

综上所述，本研究通过现场高分辨率监测技术，首次对洪剑 Nur 河湖中的磷循环过程进行了深入分析。研究结果不仅揭示了磷的微尺度分布和迁移特性，还为理解沙漠湖泊生态系统中复杂的生物地球化学过程提供了新的视角。这些发现对于维护湖泊生态系统的健康、制定有效的湖泊管理策略以及应对气候变化和人类活动带来的环境压力具有重要意义。同时，这些研究也为未来在类似环境中开展相关研究提供了方法和技术支持，有助于推动对沙漠湖泊生态系统中营养物质循环的进一步理解。