浅水富营养化湖泊内源营养盐释放对水质延迟响应的20年动态机制研究——以滇池为例

为解决浅水富营养化湖泊外源营养盐削减后水质响应延迟的难题，研究人员基于贝叶斯层次模型(BHM)和20年监测数据(1999–2018)，揭示了滇池内源氮磷循环的动态特征。研究发现外源磷(P)削减90%而氮(N)仅削减67%导致沉积物持续释氮，且磷在10年后由"汇"转为"源"，证实了双营养盐协同控制对湖泊修复的紧迫性。

　　

湖泊富营养化是全球性环境难题，尽管通过削减外源磷(P)输入来改善水质是经典治理范式，但许多浅水湖泊的修复效果往往滞后甚至失败。更令人困惑的是，在同样实施外源削减的湖泊中，恢复速度存在显著差异——有的湖泊水质快速改善，而像滇池这样的半封闭型湖泊却需要数十年才能见效。这种差异背后，内源营养盐释放的动态规律及其与外源负荷的交互机制，成为破解水质延迟响应现象的关键科学问题。

针对这一挑战，中国科学院等机构的研究人员创新性地构建了基于贝叶斯层次框架(Bayesian Hierarchical Model, BHM)的动态过程模型，结合滇池20年(1999–2018)的水质监测数据，首次量化了该湖内源营养盐通量的长期演变规律。研究发现，尽管外源P负荷削减达90%，但沉积物在削减10年后才从P的"汇"转变为"源"；而外源N仅削减67%导致沉积物持续释氮，两者共同维持了藻类生长所需的营养条件。更关键的是，模型揭示出水深(平均5.4m)和水力停留时间(HRT=3.5年)通过抑制反硝化-硝化耦合过程，显著降低了氮的去除效率，这为理解不同湖泊恢复速度差异提供了机制性解释。相关成果发表在《Ecological Indicators》上，为富营养化湖泊的精准治理提供了理论依据。

研究团队主要采用三项关键技术：1)基于HBV模型和LOADEST算法的外源负荷估算技术，重建了35条入湖河流的TN、TP输入通量；2)贝叶斯层次建模框架，将每年划分为春夏秋冬四个子模型，通过PyMC3软件包实现参数反演；3)广义加性模型(GAMs)分析，量化了内外源负荷对水质指标的时变影响。

【3.1 外源负荷与水质时序变化】
通过趋势分析发现，1999-2018年间滇池外源TP负荷下降90%但湖内TP浓度仅降80%，且响应滞后10年；外源TN削减67%而湖内TN浓度降幅更小(45%)。这种非线性响应暗示内源释放的关键作用。

【3.2 滇池营养盐通量特征】
模型显示沉积物N释放通量(均值16.53 mg N/m³
/d)远超外源输入(7.94 mg N/m³
/d)，且反硝化速率(22.46 mg N/m³
/d)显著低于太湖等浅湖。P通量则在2011年发生质变，从全年净沉降转为夏秋季释放。

【3.3 营养盐通量对水质的影响机制】
GAMs分析表明，生长季(6-10月)Chl-a浓度94.8%的变异可由内外源负荷解释。其中沉积物N释放(p=0.031)和外源P负荷(p=0.012)是主要驱动因子，且P的贡献在2008年后超越外源负荷。

【4.1 内源N、P通量对外源削减的响应】
研究首次揭示：较深水深(5.4m)和长HRT(3.5年)通过抑制沉积物-水界面的反硝化-硝化耦合过程，导致滇池沉积物N释放持续。这与丹麦浅湖(<2m)中观察到的快速N循环形成鲜明对比，解释了不同湖泊恢复速度差异。

【4.2 对浅水湖泊治理的启示】
营养盐限制分析显示，滇池从早期单一N限制转变为N+P协同限制(N+P co-limitation)。这强烈建议需实施双营养盐协同控制，并建议在完成外源削减后，采用食物网调控与沉水植被修复组合措施来阻断沉积物内源释放。

这项研究通过创新性的模型-数据融合方法，首次阐明了水文特征(水深、HRT)通过调控内源营养盐循环介导湖泊恢复速度的机制。不仅为滇池治理提供了精准施策依据，更建立了适用于类似湖泊的评估框架，对全球富营养化湖泊的生态修复具有重要指导价值。特别是关于"足够深度的浅湖可能更需要双营养盐控制"的结论，挑战了传统以磷控制为主的治理范式，为修订湖泊管理策略提供了科学支撑。