地下水依赖型湖泊中微量元素的分化演化：基于多同位素示踪剂、溶解性有机质分子特征与微生物证据的启示

《Journal of Hazardous Materials》：Divergent evolution of trace elements in groundwater-dependent lakes: Insights from multi-isotopic tracers, DOM molecular characteristics, and microbial evidence

　　

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  地下水通过湖泊地下水排泄过程输送微量元素。
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  芳香族溶解性有机物优先络合岩石成因微量元素，尤其是钪、铬和钴。
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  地下水真菌与岩石成因微量元素表现出更强的耦合作用。
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  水文过程与生物地球化学作用共同调控湖泊中微量元素的演变。

引言

微量元素（TEs）是水生环境中普遍存在的组分，在低浓度下对生态系统功能发挥重要作用[1]、[2]、[3]。然而，其持久性、毒性和生物富集倾向使得微量元素的过量富集成为重大的环境问题[4]、[5]。微量元素的赋存和迁移受水文过程和水文地球化学条件的共同调控，包括矿物风化、氧化还原反应和人为输入[6]、[7]、[8]。因此，阐明控制微量元素赋存和运输的过程对于理解其在水生系统中的环境归趋和生态影响至关重要。

地下水依赖型湖泊部分或主要依靠地下水补给维持，广泛分布于干旱和半干旱地区，在这些地区构成对地下水量质变化高度敏感的生态脆弱型水生态系统[9]–[12]。这些湖泊通常具有地表径流有限、湖-地下水连通性强、水文封闭和强烈蒸发等特征，为溶质的运输、转化和积累创造了独特的水文地球化学环境[9]、[13]。地下水排泄可在持续干旱期维持湖泊水位，缓冲湖泊对短期降水变化的响应，并调节干旱地区的水体停留时间[14]、[15]。同时，地下水持续从周围含水层输送风化来源的溶质，而水文封闭和强烈蒸发逐渐浓缩这些输入，促进湖泊的盐碱化和溶解组分的积累[16]。因此，地下水依赖型湖泊不仅受地下水排泄量的影响，还受排泄地下水化学组成的影响，后者可能构成污染物输送的重要途径，并促进水文封闭型湖泊中微量元素的长期积累[8]、[10]。然而，地下水依赖型湖泊-含水层系统中控制微量元素赋存、运输和转化的机制仍知之甚少。特别是，地下水排泄如何与水文地球化学和生物地球化学过程相互作用以调控湖泊中微量元素的输送、再分配和积累，尚未得到系统阐明。

地下水依赖型湖泊中微量元素的演变不仅反映水文运输过程，还反映地下水-湖泊界面处的地球化学和生物地球化学转化过程。水文地球化学和同位素示踪剂，如氡、硼和锶，已被广泛用于解析地下水-湖泊连通性、溶质来源和地下水排泄[6]、[17]–[21]。然而，仅凭水文连通性无法解释为何同一耦合系统中的地下水和湖水可能形成对比鲜明的微量元素特征。水-岩相互作用和水溶液地球化学影响微量元素的释放和迁移，而溶解性有机物（DOM）和微生物过程可能与微量元素的络合、氧化还原转化和再分配有关。分子水平的DOM表征可以进一步识别与特定微量元素相关但在总量DOM测量中无法分辨的有机质组分[22]–[24]，而微生物群落模式则提供了与微量元素分化相关的潜在生物地球化学过程的互补证据[6]。然而，这些分子和生物维度很少与地下水依赖型湖泊中的水文和同位素证据相结合[25]。因此，将这些过程联系起来对于理解不仅微量元素如何在地下水-湖泊系统中运输，还理解为何其赋存模式在地下水与湖水中出现差异至关重要。

为填补这些知识空白，我们研究了位于中国北方毛乌素沙地的代表性地下水依赖型湖泊系统——巴罕诺湖群流域。我们假设地下水和湖水中对比鲜明的微量元素模式受地下水输入、保守浓缩和湖内地球化学再分配的共同调控，通过综合水文、水文地球化学和同位素证据与微量元素富集模式可以加以区分。据此，本研究通过综合水文地球化学特征、硼（δ¹¹B）和锶（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）同位素、基于FT-ICR-MS的DOM分子组成、微生物群落分析以及²²²Rn质量平衡模型，旨在：(1) 表征湖泊水和地下水中微量元素赋存模式的对比特征；(2) 识别与微量元素分化相关的潜在水文地球化学和生物地球化学因素；(3) 定量湖泊地下水排泄量并估算与之相关的地下水介导的溶解态微量元素运输。基于这些互补的证据链，我们建立了一个描述地下水依赖型沙质湖泊中微量元素演变的机制框架，为理解元素循环提供了新的认识，并支持干旱封闭流域湖泊生态系统的生态风险评估和可持续水资源管理。

章节摘要

研究区概况

巴罕诺湖群流域（109°00′–109°40′ E，39°00′–39°50′ N）位于中国内蒙古西南部（图1），属温带半干旱大陆性气候，是中国北方干旱地区典型的地下水依赖型沙质湖泊系统。该地区年平均气温在6°C至9°C之间。年平均蒸发量在1800毫米至2600毫米之间，年降水量平均为200毫米至300毫米，其中大部分（70%）

湖泊-地下水系统中微量元素的空间异质性

微量元素浓度在湖水（LW）和地下水（GW）之间呈现出显著不同的分布模式（图2，表S1）。统计比较显示，钒（V）、铬（Cr）、钼（Mo）、铷（Rb）、铅（Pb）和铀（U）的浓度在湖水中显著高于地下水，而钪（Sc）、锌（Zn）和钡（Ba）在地下水中显著高于湖水（Mann-Whitney U检验，FDR校正p < 0.05）。这些具有统计学显著性的差异伴随着较大的效应量（|r?b| ≥ 0.5；表S1），表明这两种水体在这些元素上存在显著的分化。在

结论

本研究揭示了水文连通型地下水依赖湖泊系统中湖水与地下水之间微量元素赋存的显著差异。地下水优先富集了锶（Sr）、钡（Ba）、钪（Sc）和锌（Zn）等岩石成因元素，这与较强的水-岩相互作用和矿物来源的溶质输入一致；而钒（V）、钼（Mo）和铀（U）则在碱性盐湖水环境富集，表明地下水排泄后存在额外的浓缩作用和地球化学再分配过程。

CRediT作者贡献声明

孙赫扬：调查研究。李翔威：调查研究。杨旭：撰写原稿、调查研究、数据整理。曲深：审阅与编辑、正式分析、概念构思。刘思雨：软件、调查研究、数据整理。刘晓敏：资源。段利民：资源。余瑞红：审阅与编辑、指导。王中立：调查研究。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的利益冲突或个人关系，这些利益冲突或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到国家自然科学基金联合基金（U24A20570）、国家自然科学基金（42567011）、国家重点研发计划（2023YFC3206501）、内蒙古自治区河湖重点实验室项目（2025KYPT0020）、内蒙古自治区高校青年科技人才计划（NJYT25003）以及人才发展工程项目（2026TYL03）的资助。

杨旭|刘思雨|曲深|李翔威|孙赫扬|王中立|段利民|刘晓敏|余瑞红