湖滨带在大湖磷循环中的调控作用：基于伊利湖多流域磷质量平衡模型的研究

《Journal of Great Lakes Research》：Mass balance modeling highlights the role of the littoral zone in modulating the cycling of phosphorus in a large, multi-basin lake (Lake Erie)

本研究针对大型多流域湖泊（伊利湖）磷循环调控机制不清的问题，通过构建区域化磷质量平衡模型，首次量化了湖滨带（littoral zone）在磷迁移转化中的关键作用。研究发现85%的总磷（TP）沿湖滨带自西向东输送，并揭示了湖岸侵蚀作为重要磷源、近岸-离岸双向磷交换及其对环流格局的敏感性。该模型为湖泊富营养化治理和磷负荷削减策略提供了科学依据。

　　

伊利湖作为五大湖中最温暖、生产力最高的湖泊，曾因外源磷输入过量导致有害藻华和底层水体缺氧等严重生态问题。尽管20世纪70年代末的磷负荷控制措施使水质一度改善，但自90年代中期以来，富营养化症状再次出现：西部流域蓝藻水华频发，中部流域缺氧区扩张，东部流域Cladophora大量繁殖达到扰民水平。与此同时，入侵物种斑马纹贝的定殖改变了湖滨带磷循环过程，而当前磷收支研究尚未充分考虑湖岸侵蚀这一潜在重要磷源的归宿和输移过程。湖滨带作为流域与开阔湖水的生态水文过渡带，直接承受人为活动影响，可能作为独立的生物地球化学反应器调控营养盐的交换通量、时序和形态转化。然而，大型湖泊湖滨带内物理和生物地球化学过程对磷循环的影响仍研究不足。

为阐明湖滨带在伊利湖磷循环中的调控作用，研究人员在《Journal of Great Lakes Research》上发表了题为“Mass balance modeling highlights the role of the littoral zone in modulating the cycling of phosphorus in a large, multi-basin lake (Lake Erie)”的研究论文。该研究开发了一个区域化磷质量平衡模型，首次明确区分了伊利湖中部和东部流域的浅水湖滨带和深水离岸带，模拟了2003-2016年间湖泊尺度的磷循环过程。

研究团队主要运用了以下关键技术方法：首先，基于湖泊测深数据将伊利湖划分为11个水柱单元（包括近岸和离岸区域，并对离岸水体进行表层和深层划分），构建了模型空间框架。其次，利用三维水动力模型（FVCOM）输出的2017-2020年流速数据，结合2003-2016年水文观测资料，确定了各单元间的平均水平水通量。最后，建立了包含溶解磷（DP）和颗粒磷（PP）的磷质量平衡模型，该模型考虑了水体输送、重力沉降、湍流混合、生物吸收、溶解-颗粒转化、外部输入（大气沉降、河流输入、地下水、湖岸侵蚀）以及沉积物埋藏和输出等过程，并使用Python中的odeint求解器对31个磷库的常微分方程组进行求解，模型参数通过文献数据和观测磷浓度进行约束和校准。

模型开发

研究将伊利湖划分为西部流域（WB）、桑达斯基亚流域（SSB）以及中部（CB）和东部流域（EB），并依据20米等深线定义了湖滨带。中部和东部流域的近岸带根据水动力特征和海岸过程进一步细分，离岸带则划分为表层水（≤20米）和深层水（>20米）单元。水循环模型基于三维水动力模型模拟的平均水平流速，计算了各相邻水体单元间的净年水通量。磷循环模型将每个水体单元中的总磷（TP）划分为溶解磷（DP）和颗粒磷（PP），并考虑了沉积物活性层（0-10厘米）中的PP。模型通过一系列一阶动力学速率系数来描述磷的迁移转化过程，并通过校准使模拟的磷浓度与观测值范围一致。

基线水循环

模拟结果显示，伊利湖水体整体自西向东流动，大部分从SSB流出进入CB和EB的水量主要通过平行于海岸线的湖滨带输送。沿CB北岸的流速通常强于南岸，这与湖面盛行西南-东北风相一致。湖滨带在输送水和相关物质通量中扮演重要角色。

基线磷循环

2003-2016年间，年均TP负荷约11,100 MTA（公吨/年），其中56%进入WB。模型表明，85%从WB流出的TP沿湖滨带进入CB。TP在CB和EB中继续向东输送的主要路径是平行于海岸线的流动（包括北部和南部）。湖岸侵蚀被确定为TP的重要输入源，特别是在CB北岸（CB-NS-N2），其输入量（1200 MTA）占该区域总输入的35%。模型还揭示了近岸与离岸水体之间复杂的双向磷交换。最终，约37%输入伊利湖的TP（包括湖岸侵蚀）通过尼亚加拉河输出到安大略湖。TP滞留时间与水体滞留时间之比（R_P:R_w）在湖滨带单元（0.66-0.93）显著高于离岸单元（0.10-0.23），表明湖滨带主要作为TP的输送通道，而离岸区域则更有效地通过沉积埋藏去除TP。

磷负荷削减情景

模拟流域TP负荷减少20%和40%的情景发现，WB和SSB的TP浓度下降幅度与负荷削减幅度接近成正比。然而，CB的某些湖滨带单元（如CB-NS-N2）由于受湖岸侵蚀（不受流域管理影响）和离岸水交换的缓冲作用，TP浓度下降幅度较小。EB的湖滨带受流域负荷削减的影响最弱，因其自身负荷未变，其TP浓度下降主要反映了上游负荷削减的沿程效应。即使流域TP负荷减少40%，部分湖滨带和CB、EB的离岸水域仍可能无法达到《大湖水质协议》设定的目标浓度（WB: 12 μg L^-1, CB和EB: 6 μg L^-1）。

湖泊环流情景

模拟不同的环流格局（如2021-2022年的流场以及CB形成双涡旋环流）表明，环流变化会显著改变近岸-离岸的水和磷交换。当环流增强近岸向离岸的输送时，会导致离岸水域TP浓度显著上升（情景3和4中CB和EB的离岸TP浓度比基线值高出17-43%）。反之，近岸-离岸交换减弱则可能降低离岸TP浓度。

研究结论强调，湖滨带作为磷的快速输送通道，在伊利湖磷的跨流域迁移和最终输出至安大略湖的过程中起着核心作用。湖岸侵蚀是不可忽视的磷源，其生物有效性需进一步评估。近岸-离岸磷交换对湖泊大尺度环流高度敏感，气候变暖导致的环流格局变化可能显著影响湖泊内部的磷分布和归宿。所开发的磷质量平衡模型为预测湖泊对磷负荷削减和气候变化等驱动因素的响应提供了简易工具，并提示其他污染物（如农药和微塑料）在伊利湖可能具有类似的沿湖滨带输送的归宿。该研究深化了对大型多流域湖泊磷循环生物地球化学过程的理解，对湖泊富营养化治理和跨湖系统污染物迁移风险评估具有重要意义。