综合同位素和分子分析表明，农业活动遗留的磷元素是导致南湖富营养化的主要因素

《Environmental Research》：Integrated isotopic and molecular insights reveal agricultural legacy phosphorus driving Nanyihu Lake eutrophication

农业磷负荷与内源沉积物释放的协同作用及其溯源机制研究。通过δ1?O_P同位素示踪、DGT技术及分子表征，揭示南京南湖磷输入中农业源（46%）主导，内源沉积物（38%）次之，外源污水处理厂（16%）贡献较少。研究证实铁氧化物还原驱动沉积物磷释放，有机磷化合物矿化持续补充水柱可利用磷，凸显农业活动通过外源输入与内源活化双重路径加剧富营养化的机制。

　　

王海翔|袁和忠|桑忠英|李梦琪|高建琪|张龙江|王磊|蔡金邦|陈浩|王申强|王宇

中国科学院土壤科学研究所，常熟国家农业生态系统观测与研究站，土壤与可持续农业国家重点实验室，南京 211135，中国

摘要：

磷（P）驱动的富营养化仍然是水生生态系统面临的主要生态威胁，尤其是在集约化农业区。然而，由于转化途径复杂以及缺乏综合的源追踪方法，农业遗留磷和内部沉积物来源磷的相对贡献仍然知之甚少。在这项研究中，我们结合了化学分馏、磷酸盐氧同位素（δ¹⁸O_P）追踪和高分辨率分子表征技术，以确定中国南湖中主要的磷来源及其生物可利用性。来自湖泊和河口沉积物以及相邻农业土壤的结果表明，易分解磷（LP）和中等易分解磷（MLP）是主要的生物可利用形式。贝叶斯混合模型显示，农业来源贡献了总磷输入的46%，其中包括农业土壤（25%）和粪便（21%），超过了内部沉积物释放（38%）和污水处理厂（16%）的贡献。使用薄膜扩散梯度（DGT）和Peeper方法的原位分析表明，氢氧化铁的还原促进了沉积物中磷的释放，可溶性活性磷（SRP）的通量达到6.32 ± 0.11 mg m^-2d^-1，这凸显了其在年内部磷负荷中的重要作用。此外，傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）分析表明，沉积物中的脂质和蛋白质类有机磷化合物可以很容易地矿化，持续补充生物可利用的磷。这些发现表明，农业活动不仅推动了外部磷的负荷，还促进了沉积物中可再利用磷的积累，从而维持了内部的磷循环和长期的富营养化。有效的流域管理需要整合对外部输入和沉积物中遗留磷的控制。

引言

磷（P）是控制淡水生态系统初级生产力的重要营养物质（Karl, 2000）。然而，来自农业径流、城市废水和工业排放的过量人为输入破坏了营养平衡，导致普遍的富营养化现象，表现为有害藻类的大量繁殖、缺氧和生物多样性的丧失（Fink et al., 2018; Yuan et al., 2018; Rockstr?m et al., 2023）。湖泊在流域磷循环中起着双重作用：它们作为汇，整合了流域规模的输入；同时通过沉积物-水交换过程动态调节下游的营养物质传输。在全球范围内，集约化农业活动已成为湖泊系统中磷富集的主要驱动因素，在各种气候和水文条件下均导致了富营养化（Sharpley et al., 2013; Lun et al., 2018）。

中国的长江流域（YRB）是公认的人为磷富集热点地区，数十年的集约化农业开发和城市扩张导致了水质的严重退化。自2016年以来，总磷（TP）被认为是该流域水质改善的主要限制因素（MEE, 2023）。从空间上看，长江沿岸的磷污染程度不同，上游地区受自然来源的影响较大，而中下游地区则主要受农业和城市活动的影响（Wang et al., 2023）。尽管采取了升级污水处理和加强工业排放监管等措施，但持续的富营养化表明可能存在其他未被充分认识的磷来源。

农业中过量使用磷肥显著增加了地表水中的溶解磷（DP）和颗粒磷（PP）负荷（Luo et al., 2024; Yan et al., 2021）。同时，湖泊沉积物中的内部磷释放通常由缺氧条件、pH值波动或氧化还原变化触发，成为富营养化的重要但常被低估的贡献因素（S?ndergaard et al., 2013）。在水生环境中，磷以无机（P_i）和有机（P_o）两种形式存在。P_i通常与铁（Fe）、铝（Al）或钙（Ca）矿物结合，而P_o包括磷脂、核酸和磷酸蛋白等生物来源的分子（Turner et al., 2005）。这些不同形式的磷具有不同的迁移行为：在缺氧条件下，与铁结合的磷（Fe-P）容易释放，而与钙结合的磷（Ca-P）相对稳定（Yuan et al., 2023）。此外，磷的来源不同，其组成也有所不同：废水排放物通常富含微生物来源的P_o，而农业径流则主要由肥料和粪便中的磷组成。这些农业来源的磷随后通过土壤和植物-微生物相互作用发生改变，进一步复杂化了来源的归属。

目前关于流域尺度磷源追踪的研究主要集中在外部输入上（Elsbury et al., 2009; Gross et al., 2016; Pu et al., 2023），往往忽视了沉积物中磷池的巨大贡献（Wang et al., 2024）。最近的实证和建模研究表明，即使在减少外部输入后，沉积物中的“遗留磷”仍能维持地表水中30-70%的磷通量（Cottingham et al., 2015; Giles et al., 2016; Kirol et al., 2025; Yuan et al., 2021）。高分辨率技术如薄膜扩散梯度（DGT）和傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）显示，在特定条件下（如缺氧和热分层），沉积物可以释放大量生物可利用的磷（Cai et al., 2023; Pu et al., 2023），例如在太湖，富营养化事件期间内部磷的通量可达到7 mg P m^-2 d^-1（Ding et al., 2018）。这些发现强调了将内部负荷纳入富营养化湖泊营养管理框架的重要性。

准确量化内部和外部磷的贡献需要综合的高分辨率源追踪方法。其中，磷酸盐氧同位素（δ¹⁸O_P）分析特别有效，因为它结合了特定来源的同位素特征和生物介导的分馏模式来区分磷的来源（Blake, 2005; Paytan et al., 2002; Gruau et al., 2005）。当与贝叶斯混合模型结合使用时，δ¹⁸O_P分析能够稳健地划分磷的来源，包括农业土壤、废水排放物和沉积物（Yuan et al., 2022; Wang et al., 2023; Pu et al., 2023）。例如，在石臼湖的研究中，农业土壤贡献了超过80%的沉积物中的磷（Yuan et al., 2022）。除了湖泊，δ¹⁸O_P追踪还应用于河流系统、城市径流、地下水和农业排水网络（Pistocchi et al., 2017; Davies et al., 2014; Gooddy et al., 2018）。当与分子或光谱分析（如³¹P-NMR和P K-edge X射线吸收光谱）结合使用时，该技术的分辨率可以进一步提高，从而提供关于磷形态、转化和微生物介导的分子尺度信息（Helfenstein et al., 2018; Wang et al., 2021）。然而，δ¹⁸O_P分析也存在挑战，包括需要高浓度的磷酸盐、提取过程中的潜在同位素交换以及缺乏标准化协议——这些因素限制了其在贫营养系统中的应用（von Sperber et al., 2023）。尽管存在这些限制，δ¹⁸O_P仍然是一种多功能且应用越来越广泛的营养源追踪工具。

鉴于长江流域持续的富营养化现象以及当前管理措施的效果有限，迫切需要更综合地评估外部和内部的磷来源。在这项研究中，我们假设农业土壤输入是南湖总磷负荷的主要来源，并在沉积物中积累，形成了维持生物可利用磷的内部磷释放源。为了验证这些假设，我们通过结合顺序磷分馏、原位 DGT分析、FT-ICR MS分析和磷酸盐氧同位素（δ¹⁸O_P）追踪，研究了南湖（长江下游的一个富营养化湖泊）中的磷循环。通过对湖泊沉积物、河口沉积物和农业土壤的协调分析，我们的目标是：（1）利用δ¹⁸O_P特征在流域尺度上划分沉积物中的磷来源；（2）阐明土壤来源和沉积物来源的磷如何进入水柱的机制；（3）提供可行的策略来共同应对外部农业负荷和内部沉积物中的遗留磷，从而支持湖泊和流域的可持续管理。

研究地点和样本采集

南湖（30°57'N-31°15'N, 111°43'E-119°13'E）位于中国长江流域的下游地区，面积为205平方公里，水深2-4米。长期监测表明，该湖泊长期处于富营养化到中度富营养化状态。根据Li et al.（2024）的研究，2013-2021年间，湖中的总磷（TP）浓度为0.03-0.06 mg L^-1，总氮（TN）浓度为1.20-3.25 mg L^-1，叶绿素a（Chl-a）浓度为5.21-17.38 μg L^-1。

不同环境组分中的磷浓度

南湖湖水中的总磷（TP）浓度在0.063至0.077 mg L^-1之间，超过了中国的III类地表水标准（图1b）。溶解磷（DP）是主要成分，占TP的82.1-98.0%。相比之下，流入湖泊的河流中的磷浓度更高（0.071-0.129 mg L^-1），河口水域同样以DP为主（占TP的87.5-100%）。区域污水处理厂的废水排放物中的磷浓度在0.117至0.222 mg L^-1之间。

磷的来源归属及其相对贡献

通过将δ¹⁸O_P分析与贝叶斯混合模型相结合，我们定量划分了南湖流域中的磷来源。树脂提取磷的独特δ¹⁸O_P特征有助于区分不同的化学肥料（+20.7‰至+26.5‰，Yuan et al. 2022）、动物粪便（鸡肉+19.4‰，猪肉+16.4‰）、农业土壤（+15.7‰至+20.6‰）、污水处理厂（+17.9‰）和沉积物中的遗留磷（+17.7‰至+18.9‰）。重要的是，“土壤”端元反映了生物处理的磷。

结论

农业遗留磷是南湖内部循环的主要驱动因素，将陆地输入与整个流域的沉积物-水相互作用联系起来。分子、同位素和地球化学证据表明，包括农业土壤（25%）和粪便（21%，此处指施用于农田的粪肥）在内的扩散性农业来源贡献了大约46%的总磷输入，而沉积物释放则提供了相当大的次要份额（约38%）。鉴于采样情况

CRediT作者贡献声明

李梦琪：方法学、正式分析。袁和忠：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学，概念化。桑忠英：验证、调查、数据管理。王宇：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。王海翔：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学，概念化。陈浩：验证，正式分析。王申强：撰写 –

未引用的参考文献

Kirol et al., 2024; Maavara et al., 2015; 中国生态环境部, 2023; Tong et al., 2021.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42277026）、江苏省自然科学基金（BK20230049）以及长江生态环境保护与修复项目II（2022-LHYJ-02–0504–02）的支持。