水文动力学事件塑造北方流域湖泊类型特异性锰循环模式

本研究针对原始流域中湖泊对锰通量的调控机制这一研究空白，通过26年监测数据揭示了单对流腐殖质湖与双对流清水湖的锰动态差异。研究发现腐殖质湖单位面积锰输出量是清水湖的1.7倍，水文事件触发持续数月的锰补充/清除周期，其中春季不完全对流导致锰滞留底层，而秋季完全对流促进输出。该研究为利用锰作为氧化还原指示剂提供了湖泊类型特异性考量依据，对预测气候变化下北方流域锰循环变化具有重要意义。

　　

在广袤的北方针叶林带，星罗棋布的软水湖泊如同大地上的蓝绿色宝石，这些水体不仅构成了独特的景观，更是陆地-水生系统元素循环的关键节点。其中锰(Mn)作为一种具有多重氧化价态的微量元素，其环境行为长期以来被研究者忽视。然而近年研究发现，锰在生物地球化学循环、氧化还原反应和微生物过程中扮演着重要角色，通过与铁(Fe)、硫(S)等元素的耦合作用影响着水环境质量。更值得注意的是，锰的价态变化对氧化还原条件极为敏感，Mn(IV)倾向于颗粒态而Mn(II)呈溶解态，这种特性使其成为环境变化的"天然记录仪"。

然而当前对原始流域中湖泊调控锰通量的认识存在明显空白。特别是在气候变化背景下，水文事件时序改变、冰封期缩短等现象日益显著，这些变化将如何影响不同类型湖泊中锰的迁移转化过程？这成为水环境研究亟待解决的科学问题。

芬兰环境研究所的Jouni Lehtoranta团队在《Aquatic Sciences》发表的研究，通过26年长期监测数据，首次系统揭示了北方流域两种典型湖泊——单对流腐殖质湖与双对流清水湖中锰的动态差异。研究选取东芬兰原始森林流域内相互连通的Pieni Hietaj?rvi（腐殖质湖）和Iso Hietaj?rvi（清水湖）为研究对象，采用周期性方法处理26年水质监测数据，通过V型堰测量流量，结合分层采样（1-8米不同深度）和ICP-MS等多种分析方法，建立了锰的日平均输入-库-输出模型。

湖冰覆盖期的锰动态
监测数据显示，冰封期间两个湖泊底层水均出现锰积累，但机制各异。腐殖质湖中气泡浮选作用使胶体物质上浮，导致表层锰库达到年度峰值（1550 mol km^-2），而清水湖则因地下水渗入使底层锰库增至900 mol km^-2。这一时期两湖出口锰通量比达到17.2，显示腐殖质湖更易输出锰。

春季洪水与对流期
融雪引发洪水期间，腐殖质湖出现不完全对流，表层水被低锰融雪水稀释并快速形成温跃层，导致85%的底层锰未被扰动。相反，清水湖发生完全对流，使底层积累的锰与表层混合，总锰库短暂增加近倍。值得注意的是，洪水由升支转为降支时，清水湖出现显著的锰沉积清除现象。

夏季分层期
腐殖质湖底层持续缺氧促进沉积物锰释放，使底层库增加332 mol km^-2；而清水湖风力混合使底层水温升至15°C，氧化条件抑制了锰释放。两湖出口通量比降至7.9以下，显示清水湖滞留能力增强。

秋季对流期
腐殖质湖完全对流将积累数月的底层锰输送至表层，引发持续到初冬的高强度输出（通量比达28）。清水湖混合虽使锰浓度均一化，但未显著改变库大小。

这项研究首次量化了不同类型湖泊中锰的时空动态差异：腐殖质湖（CA:LA=39.2）年输出量达5491 mol km^-2，是清水湖（CA:LA=4.98）的1.7倍；关键水文事件触发持续数月的锰补充/清除周期；不完全对流导致锰滞留而完全对流促进输出。这些发现革新了对锰循环的认知，强调在利用锰作为氧化还原指示剂时，必须考虑湖泊类型特异性。随着气候变化改变水文事件时序，单对流湖可能更易受冬季输出增强影响，而双对流湖的锰滞留能力可能减弱。该研究为预测北方水生系统元素循环变化提供了理论基础，对水质管理、饮用水安全评估具有重要应用价值。