《Earth》：Physicochemical Properties and Diatom Diversity in the Sediments of Lake Batur: Insights from a Volcanic Alkaline Ecosystem
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本文综合评估了印尼巴图尔湖的水质理化参数（pH、EC、TDS、氮营养盐）与沉积物硅藻群落，揭示了该火山湖独特的垂向电导率分层及局部富营养化趋势，为碱性湖泊生态系统监测提供了关键生物指标（如Ulnaria、Denticula等属）与管理策略依据。
引言
火山湖通常缺乏天然入流和出流，主要依靠降水、地下水或冰川融水补给。这种水文隔离性使火山湖对环境变化极为敏感，其水和沉积物记录成为当地生态历史的宝贵档案。由于缺乏外部排水，这些湖泊会随时间积累营养物质、污染物和其他物质，使其成为监测生态系统对自然过程和人为影响响应的重要场所。印度尼西亚拥有129座活火山，孕育了许多火山湖，其中一些位于由爆炸性火山喷发形成的大型破火山口中。著名的例子包括苏门答腊的多巴湖和马宁焦湖、苏拉威西的汤达诺湖以及巴厘岛的巴图尔湖。这些湖泊具有重要的生态、文化和经济价值。然而，由于土地利用集约化和日益增加的人为压力，这些湖泊已经出现退化。例如，多巴湖因农业径流和生活污水输入而被归类为富营养化状态。汤达诺湖也显示出富营养化迹象，水葫芦广泛繁殖与营养盐浓度升高有关。同样，马宁焦湖接收来自小溪的流入并通过单一出口排放，但高营养负荷导致了其富营养化状态。
巴图尔湖是一个热带破火山口湖，位于印度尼西亚巴厘岛活跃的巴图尔火山复合体旁边。它形成了一个封闭的水文系统，没有天然出口，导致进入湖泊的物质长期滞留。自2012年起，巴图尔湖被指定为巴图尔联合国教科文组织世界地质公园的一部分，突显了其地质和生态意义。巴图尔湖的水被归类为氯化钠型，反映了火山和地热过程对其化学组成的强烈影响。湖泊周围的土地利用包括农业、水产养殖、旅游业、采砂、住宅开发以及宗教活动，这些活动都以不同程度向湖中输入营养物质和沉积物。地热特征，如热泉，也存在于湖泊周边，进一步影响其热力和地球化学特征。
先前的研究已经调查了巴图尔湖的多个方面，包括水文地球化学、基于沉积物的湖泊质量评估、水产养殖的水质适宜性、通过国家卫生基金会水质指数评估的理化条件以及水文输入和水平衡。这些研究强调巴图尔湖是一个受自然过程和不断扩张的人类活动影响的动态火山湖系统。该湖也是当地社区重要的淡水来源，补充了用于生活供水和灌溉的家庭水井。然而，水质下降的报道日益增多，对水生生态系统完整性、当地资源利用以及周边居民的生计产生了影响。这些趋势强化了持续监测和改进管理策略的必要性，以保障湖泊的长期可持续性。
监测湖泊生态系统的健康需要综合方法，其中理化分析仍然是评估水质的基础。生物指标，特别是硅藻，由于其对环境参数（如pH、温度、TDS、盐度、离子和营养盐浓度）变化的敏感性，也被用于水生生态系统监测。例如，电导率（EC）代表矿物离子含量，而NO3?则指示潜在的面源污染。保存在表层沉积物（底泥）中的硅藻通常比附着在岩石（石生）或水生植物（附植）上的硅藻提供更多样化和更丰富的组合。它们的群落组成为了解历史和近期的生态状况，包括富营养化，提供了见解。扫描电子显微镜（SEM）允许对硅藻进行高分辨率形态分析，有助于沉积物样品中的属级鉴定。尽管一些先前的研究已经检查了巴图尔湖的理化性质，但对营养盐浓度空间变异性的关注有限，特别是在人类活动热点和热液输入方面。此外，尚无研究记录巴图尔湖中不同于其他热带湖泊的独特电导率-深度模式，或可能作为富营养化早期指标的特有硅藻属的存在。
本研究通过整合水质评估与表层沉积物中硅藻的形态鉴定，评估了巴图尔湖当前的环境状况。测量了地表水参数，包括pH、温度、电导率（EC）和总溶解固体（TDS），并进行了温度和EC的垂直剖面测量以检查分层模式。使用SEM鉴定了硅藻属，以探索其生态相关性和作为生物指标的潜力。
具体而言，本研究旨在（1）表征水质的空间变异性，（2）评估电导率和温度的垂直模式，以及（3）识别可能反映生态变化的硅藻属。研究结果为巴图尔湖不断演变的湖沼状况，特别是其营养盐富集趋势和富营养化的早期迹象提供了新的见解，为基于证据的保护策略奠定了基础。这是首次记录巴图尔湖独特电导率-深度剖面和空间分辨营养盐富集模式的研究，整合了理化数据和硅藻组合分析。
材料与方法
研究区域
巴图尔湖是位于印度尼西亚巴厘岛金塔马尼市的破火山口湖，是联合国教科文组织巴图尔世界地质公园的一部分。巴图尔湖周围的岩石以玄武质到安山质成分为主。巴图尔湖是一个封闭的火山湖，没有地表入口或出口，并以碱性水为特征。先前的研究报告称，巴图尔湖水的化学特征更类似于湖泊周围的热泉，而不是该地区的雨水和地下水。巴图尔湖周围发生着各种人类活动，包括定居点、农业、旅游业、宗教活动以及湖内渔业。
巴厘岛的气候具有典型的亚洲-澳大利亚季风模式，雨季从11月持续到3月，旱季从5月持续到10月，年气温范围在9.8至19.0°C之间。巴厘岛各地的降雨量显示出相当大的空间变异性，从沿海低地地区约1500毫米到山区超过2500毫米不等。在巴厘岛东部和南部，年降雨量在1500至3000毫米之间，而巴图尔湖地区的年降雨量约为1809毫米。
样品采集
湖泊沉积物和地表水样品，以及家庭水井和热泉水样，于2023年6月采集。这一时期对应于印度尼西亚的旱季初期，以低到中等降雨强度为特征。沉积物和水样在不同但紧密相邻的位置采集，以确保具有代表性的空间覆盖。使用沉积物抓斗在十个站点采集了湖泊沉积物样品，水深范围从10到80米。使用水桶从湖面、热泉和通过家庭水井获取的浅层地表水采集水样，采样深度约为0-20厘米。在十二个站点采集了湖泊地表水样品，以及两个热泉和四个家庭水井的样品。
生态参数测量、数据处理和硅藻分析
除了样品采集外，还在2023年6月（旱季）水样采集点对地表水进行了理化参数的原位测量，包括pH、温度、电导率（EC）和总溶解固体（TDS）。在2023年11月（雨季）进行了额外的溶解氧（DO）测量。使用Lutron WA-2017SD水质测定仪测量TDS和DO，而使用Hanna Instruments防水多参数测试仪测量pH、温度和电导率（EC）。
还在2023年8月（旱季）和2023年11月（雨季）进行了水温和水体电导率（CTD）的垂直剖面测量。使用AML Oceanographic Minos CTD剖面仪进行CTD测量。该剖面仪的电导率精度为±10 μS/cm，分辨率为1 μS/cm；温度精度为±0.008 °C，分辨率为0.001 °C。
收集的水样在实验室进行分析，以确定离子浓度（K+、NH4+、Cl?、SO42?、F?、NO3?和NO2?），使用万通930 Compact IC Flex离子色谱仪在印度万隆理工学院（ITB）水文地质学与水文地球化学实验室进行。检测限（LOD）为：K+0.28 mg/L，NH4+0.50 mg/L，Cl?0.21 mg/L，SO42?0.77 mg/L，F?0.63 mg/L，NO3?0.98 mg/L，NO2?0.67 mg/L。湖泊沉积物样品按照文献方法制备，并在扫描电子显微镜（SEM）分析前进行喷金处理。SEM观测在ITB水文地质学与水文地球化学实验室使用日立SU3500进行。
从SEM获得的硅藻形态数据通过将其形态特征与已建立的硅藻数据库（包括Diatom.org）以及先前关于淡水和破火山口湖硅藻的描述进行比较来鉴定。参考材料包括来自热带和温带淡水系统的研究，例如巴厘岛的布扬湖、加利福尼亚的冷溪、犹他州的蓝湖、苏门答腊的迪阿塔斯湖、科罗拉多州的绵羊湖以及越南的水库。硅藻鉴定基于SEM观察保守进行，大多数分类单元鉴定到属级。仅当观察到清晰且足够独特的诊断形态特征时，才进行种级归属。
统计分析
除了测量之外，还使用统计方法分析数据，包括Spearman相关性和层次聚类分析（HCA），以进一步探索环境条件与地表水理化参数和离子之间的关系。为了进一步研究水质的空间变异，使用完全连接法和欧几里得距离度量进行了层次聚类分析（HCA）。所有统计分析均使用Minitab 21软件进行。
结果
地表水的理化参数和离子浓度
本研究获得的理化和离子浓度数据如表1所示。巴图尔湖理化参数的空间分析显示采样点之间存在明显差异（图2）。地表水pH值范围在8.96至9.32之间，表明整个湖泊呈碱性条件（图2a）。相比之下，周围水源的pH值较低。热泉样品（WB-14和WB-16）呈现近中性pH水平（7.3–7.5），而家庭水井则显示出更宽的范围，从6.98（WB-18）到8.66（WB-19）。地表水温度在22.3°C至24.5°C之间变化，空间梯度显示温度从湖的西南向东北区域升高（图2b）。热泉点记录到显著更高的温度，达到38.2°C（WB-14）和35.6°C（WB-16）。家庭水井的温度各异；大多数与湖面温度相似（22.5–25°C），而WB-19记录到最低值17.6°C。地表水的电导率（EC）范围在2.08至2.10 mS/cm之间，西南区域值略高（图2c）。热泉表现出更高的EC值（2.64和2.17 mS/cm），而家庭水井的电导率普遍较低，范围在0.66至2.02 mS/cm之间。总溶解固体（TDS）范围在1215至1290 ppm之间（图2d），最高浓度出现在西南和西部湖区（例如WB-02、WB-11、WB-12、WB-13、WB-19），最低浓度出现在东南部（WB-05）。本研究获得的巴图尔湖水理化参数与先前研究的比较见表2，与WHO标准以及印度尼西亚政府条例No. 22 (2021) 的比较见表3。
钾（K+）浓度范围从24.8到34.56 mg/L，最高值出现在WB-03站点（表1）。氮浓度（硝酸盐（NO3?）、亚硝酸盐（NO2?）和铵（NH4+）之和）显示出显著的空间变异性，范围从0.6到42.46 mg/L。最高的氮浓度位于湖泊的南部区域。
温度和电导率的垂直剖面
在13个湖点获取了温度和电导率剖面，最大深度达60米。两个参数都显示出随深度增加而值降低的一致模式，在大约20米深度以下变化最小（图3）。2023年8月和11月的温度测量显示出相似的垂直剖面，尽管11月的地表水更暖。
在8月，温度从表面的约24°C下降到约15米深度的23°C，并保持近乎恒定直至60米（图3a）。在11月，温度范围从表面的约25.5°C到20米处的23°C，并在更大深度保持稳定（图3c）。最大的表面到底部温度梯度出现在TC-12站点，而最小的梯度出现在TC-06。更大深度的均匀温度表明垂直混合有限，存在稳定的深水层。
在8月，EC从表面的1.96 mS/cm下降到约10米深度以下的1.92 mS/cm，并保持恒定直至湖底（图3b）。在11月，EC值范围从表面的2.06 mS/cm到20米处的1.93 mS/cm，并在更大深度稳定（图3d）。电导率变化最显著记录在TC-01，而TC-13显示变化最小。总体而言，11月的电导率值更高，反映了在温度中观察到的季节性模式。
表层沉积物中的硅藻组合
十个表层沉积物样品的扫描电子显微镜（SEM）分析证实了巴图尔湖中硅藻的丰度和多样性（图4）。观察到了中心纲和羽纹纲硅藻形态。基于SEM图像中观察到的形态特征，巴图尔湖的硅藻主要保守地分类到属级。因此，分类单元主要报告为某属（Genus sp.），除非可以提示与已知物种的初步亲缘关系（cf.）。总共鉴定出十个属：圆盘藻（Discostella）、肘状藻（Ulnaria）、齿状藻（Denticula）、西蒙森藻（Simonsenia）、卡拉耶夫藻（Karayevia）、内丝藻（Encyonema）、假十字藻（Pseudostaurosira）、双壁藻（Diploneis）、桥弯藻（Cymbella）和卵形藻（Cocconeis）。在巴图尔湖的沉积物中鉴定出以下硅藻属：
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圆盘藻（Discostella sp.）在巴图尔湖中被观察到，其壳体直径范围从7.83到14.39 μm（图4f,g）。观察到的形态与圆盘藻cf. stelligera (Houk and Klee, 2004) 非常相似。该属常见于淡水环境，并已被广泛报道于各种湖泊系统。
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肘状藻（Ulnaria sp.）被鉴定，其壳体长度超过62.53 μm，宽度约为4.97 μm。观察到的形态与肘状藻 acus 群 (Kütz.) Compère, 2001 的成员一致，该群通常与中等碱性和富营养化水体相关。该属常与营养丰富的环境相关联，并已被用作营养条件升高的生物指标。
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齿状藻（Denticula sp.）显示的壳体长度范围从17.08到41.72 μm，宽度在2.58和4.68 μm之间。观察到的标本显示出与齿状藻 cf. tenuis Kütz., 1844 的形态相似性。然而，种级鉴定仍然是初步的。齿状藻属通常报道于富含碳酸盐的淡水环境，具有中等电导率和升高的碱度。
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西蒙森藻（Simonsenia sp.）被鉴定，其壳体长度为9.91 μm，宽度为2.49 μm。由于SEM图像中观察到的诊断特征有限，无法解析种级鉴定。该属经常报道于营养富集的水体，并通常与富营养化条件相关。
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卡拉耶夫藻（Karayevia sp.）被检测到，其壳体长度约为11.87 μm。尽管形态显示出与卡拉耶夫藻 amoena 群 (Round et Bukht. ex Round, 1998) 的相似性，但由于本研究应用的保守分类学方法，未指定种级归属。该属的成员通常与碱性环境相关，其特征是相对较高的pH和中等电导率。
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内丝藻（Encyonema sp.）被观察到，其壳体长度范围从21.62到29.53 μm，宽度在7.48和8.31 μm之间。该形态与内丝藻 montana 群 Kütz, 1833 一致。然而，鉴定保持在属级。该属常见于具有中等电导率的碱性淡水系统，并先前已被报道于巴厘岛的湖泊，包括布扬湖。
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假十字藻（Pseudostaurosira sp.）被鉴定，尺寸约为长度4.6 μm，宽度4.4 μm。由于形态分辨率有限，无法进行种级的进一步分类学细化。该属以其独特的壳体结构为特征，常见于淡水沉积物。
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双壁藻（Diploneis sp.）被观察到，其壳体长度约为22.36 μm，宽度为9.27 μm。该属通常与贫营养淡水环境相关，并且通常丰度较低。双壁藻通常被认为是低营养条件的指示物。
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桥弯藻（Cymbella sp.）被观察到，其壳体长度大于20.88 μm，宽度约为6.56 μm。尽管无法确定种级鉴定，但桥弯藻是一个广泛分布的属，常见于各种淡水生境。
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卵形藻（Cocconeis sp.）被观察到，其壳体长度范围从31.74到33.09 μm，宽度在13和17.76 μm之间。观察到的标本显示出与卵形藻 cf. klamathensis 群 (Ehrenberg, 1837) 的相似性。然而，种级鉴定仍然是初步的。卵形藻属通常报道于贫营养湖泊和潮湿的陆上生境，并且也已在巴厘岛的淡水系统（包括布扬湖）中有记载。
Spearman相关性和HCA
进行了Spearman相关性分析，以评估湖地表水中各种理化参数和主要离子之间的关系（表4）。相关矩阵揭示了几个显著关联，为了解潜在的地球化学过程和溶质的可能来源提供了见解。由此产生的HCA树状图（图5）将12个湖内采样点根据其理化特征和离子组成分成几个簇。该树状图在大约66-70%的相似性阈值下识别出三个主要簇。
讨论
地表水的理化特征
巴图尔湖表现出持续的碱性条件，pH值范围在8.96至9.32之间。这种碱度主要受周围火山岩性控制，通过水-岩相互作用向湖水贡献了大量的碱金属和碱土金属离子（Na+、Mg2+、Ca2+）。此外，地下水与巴图尔破火山口乃至整个巴厘岛地区下方的含碳酸盐层相互作用，通过增加水中Ca2+和Mg2+的浓度进一步增强了碱度。
与早期研究的比较表明，2023年（本研究）测量的pH、温度和碱度与先前报告的值大体一致（表2），表明这些参数具有相对的季节性稳定性。总溶解固体（TDS）作为水的来源、混合过程和潜在污染的指标。在巴图尔湖和周围热泉中观察到的TDS值 > 1000 ppm，可能反映了中等污染水平和强烈的热液影响。与先前研究相比，2023年测量的TDS值高于2021年报告的值（1025–1030 ppm），但仍低于2018年的值（1340–1860 ppm），表明巴图尔湖溶解固体浓度存在时间变异性。
2023年地表水中的溶解氧（DO）浓度高于先前研究报告的值（见表1和表3）。这种增加可能与季节性因素有关，例如雨季期间增强的垂直混合和降雨增加的氧气输入。然而，由于DO测量仅限于地表水，需要进一步的深度剖面调查以更好地了解湖内的氧气分布和分层动态。
2023年的平均氮浓度（NH4+、NO3?、NO2?）高于2011年报告的值，在湖泊南部观察到相对较高的值。这种模式表明营养条件的空间异质性，并与周围人类活动相关的局部营养输入一致，尽管基于现有数据无法确定确切的来源归属。硝酸盐和铵的对比分布进一步反映了采样地表水环境（包括湖水、热泉和家庭水井）之间的差异。在湖内（站点1-12），硝酸盐浓度普遍较低，而铵显示出更渐变的空
