流域内树皮甲虫导致树木死亡后湖泊沉积物中铝、铁、磷、稀土元素和铀的积累

《Journal of Environmental Sciences》：Accumulation of aluminium, iron, phosphorus, rare earth elements, and uranium in lake sediments after bark beetle-induced tree dieback in the catchment

　　

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  树木枯死增加了陆地生态系统中溶解性有机碳 (DOC)、铝 (Al)、磷 (P) 和 DOC-金属络合物的产生。
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  集水区淋溶作用的增强加速了铝 (Al)、磷 (P)、稀土元素 (REEs) 和铀 (U) 在沉积物中的埋藏。
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  十年后，沉积速率下降，同时铝的淋溶也在减少。
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  铁 (Fe) 在湖泊中固定磷 (P)、稀土元素 (REEs) 和铀 (U) 的相对作用增强了。
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  铁的主要来源是无氧层和氧化层水层之间稳定的循环。

引言

森林干扰以及随后凋落物输入森林地面的增加，会导致陆地生态系统养分循环发生显著的物理、化学和微生物变化，通常导致元素向受纳水体的迁移和淋溶增加。陆地元素循环在干扰后的典型变化是土壤水中硝酸根 (NO₃^?)、质子 (H⁺)、溶解性有机碳 (DOC)、基阳离子 (BCs；特别是 K⁺、Ca²⁺ 和 Mg²⁺)、离子态和有机结合态金属，特别是铝 (Al)、铁 (Fe) 和锰 (Mn)，以及磷 (P) 物种（例如 Huber 等，2004；McHale 等，2007；Mikkelson 等，2013；Kopacek 等，2017）浓度的暂时增加。土壤水 pH 值的降低以及硝酸根 (NO₃^?) 和有机酸阴离子浓度的升高，通过增加土壤中母岩矿物颗粒的风化和溶解，以及从次生无定形土壤无机相（铝、铁和锰的氧氢氧化物）中解吸，动员了其他元素，包括磷酸根 (PO₄^3?)、稀土元素 [REEs；镧系元素组，原子质量范围从 139（镧，La）到 175（镥，Lu）] 和铀 (U)（例如 Ndjigui 等，2008；Nolan 和 Weber，2015；Chang 等，2016；Norton 等，2016）。

溶解性有机碳 (DOC) 浓度的增加增强了铝、铁和锰与溶解性有机物质 (DOM) 的溶解度和络合能力，并使其能够从土壤输出到地表水。这些金属 - 有机络合物对太阳辐射敏感。它们的光化学裂解部分释放出铝、铁和锰的离子形式，随后水解并沉淀为具有局部带正电表面的胶体氢氧化物（Stumm 和 Morgan，1996）。形成的聚集合与高分子量 DOC 发生凝聚。溶解性有机碳 (DOC) 浓度的增加也增强了稀土元素与溶解性有机物质 (DOM) 的溶解度和络合能力（Johannesson 等，2004；Aiken 等，2011），这些元素也可以吸附到胶体金属氢氧化物上（von Wachenfeldt 等，2008；Porcal 等，2010）。这种吸附的可能机制是稀土元素 - 溶解性有机碳 (REE-DOC) 络合物通过络合物的 DOC 侧吸附到有机或次生无定形金属氢氧化物上（Davranche 等，2004）；这种情况可发生在各种水生环境中，如溪流、湖水柱和沉积物中（Pourret 等，2007；Leybourne 等，2008；Davranche 等，2008）。干扰后溶解性有机碳 (DOC) 浓度的增加可能既增强了稀土元素的陆地输出，又促进了它们随后通过沉降颗粒物并入湖泊沉积物。因此，湖泊沉积物记录可以作为稀土元素命运与环境条件及水质变化关系存档证据（Ojiambo 等，2003；Norton 等，2016）。

铀 (U) 在土壤中的迁移率强烈依赖于氧化还原条件。六价铀 (U^VI) 物种在氧化环境中高度可溶，而四价铀 (U^IV) 物种微溶（Wan 等，2005）。在 pH < 5 时，U^VI 主要以铀酰离子 (UO₂²⁺) 形式存在（Langmuir，1997；Nolan 和 Weber，2015）。在铁和硫酸根 (SO₄^2?) 还原条件下，U^VI 被还原为 U^IV，后者吸附到有机质上，并在水涝土壤和沉积物中积累（Alessi 等，2014；Bone 等，2017）。然而，硝酸根 (NO₃^?) 通过将还原态 U^IV 氧化溶解为 UO₂²⁺ 来改变铀的溶解度（Nolan 和 Weber，2015）。在有氧、酸性条件下，UO₂²⁺ 与有机酸和 PO₄^3? 等配体结合具有高亲和力，导致形成的络合物易于溶解和迁移（Cheng 等，2006；Crawford 等，2017；McMaster 等，2021）。干扰后酸性土壤水中硝酸根 (NO₃^?) 浓度的增加可以氧化厌氧土壤微位点中还原态铀物种，形成 UO₂²⁺。干扰后溶解性有机碳 (DOC) 浓度的升高以及铀 - 溶解性有机碳 (U-DOC) 络合物的形成也可以增加铀的迁移率及其向水体的陆地输出。人们认为铀 - 溶解性有机碳 (U-DOC) 络合物的行为类似于稀土元素 - 溶解性有机碳 (REE-DOC) 络合物，随后高分子量溶解性有机碳 (DOC) 的凝聚以及铀 - 溶解性有机碳 (U-DOC) 对铝、铁和锰氢氧化物的吸附是将铀输送到沉积物的机制（Prochazka 等，2020）。影响沉积物中铀保留的因素包括有机碳浓度、铁浓度和形态，以及 pH，随着 pH 从 8 降至 6，吸附作用增加（Crawford 等，2017）。

植被干扰后的变化显著影响陆地生态系统中的磷循环及其淋溶。凋落物矿化期间释放的磷酸盐部分吸附到土壤中的铁和铝氢氧化物上（Piirainen 等，2004）。树木枯死后蒸腾作用减少，可能导致与完整成熟林分相比土壤水分升高和地下水位上升（Mikkelson 等，2013；Kopacek 等，2018）。如果地下水位上升，且上层土壤剖面发生周期性厌氧条件，部分 PO₄^3? 可能会由于铁和锰氢氧化物的还原性溶解而释放，并通过侧向流动输出。磷形态（包括 PO₄^3? 和有机结合态磷，溶解性有机质的组成部分）的淋溶与溶解性有机碳 (DOC) 密切相关（Kopacek 等，2019）。溶解性有机碳 (DOC) 对 PO₄^3? 淋溶的影响源于有机酸阴离子与 PO₄^3? 竞争土壤中的结合位点，以及可溶性溶解性有机碳 - 铁 (铝)-PO₄^3? 络合物的形成（Hutchison 和 Hesterberg，2004；Gerke，2010）。

集水区森林干扰后陆地元素输出的变化有可能改变沉积物中铝、磷、稀土元素和铀的浓度和累积速率。我们研究的目的是评估 2004 年开始的松毛虫侵扰导致集水区树木枯死后，这些变化在普莱斯内湖（Plesne Lake，捷克，中欧）的程度。我们总结了干扰前、期间和之后元素通量变化及其湖内去除的结果（Kopacek 等，2017），以及 1990 年前湖泊沉积物中有机质、铝、磷、稀土元素和铀浓度已确立的趋势（Kopacek 等，2007；Norton 等，2016；Prochazka 等，2020），并展示了从 20 世纪 60 年代到 2020 年沉积物成分和元素累积速率的新数据。我们假设，干扰后集水区铝、溶解性有机碳 (DOC)、硝酸根 (NO₃^?) 和磷产生的增加，增加了湖泊沉积物中磷、稀土元素和铀的累积。

章节摘要

研究地点描述

普莱斯内湖 (PL) 位于捷克 - 奥地利边境的波希米亚森林（舒马瓦山脉）（47.777°N，13.867°E；大约位于布拉格以南 150 公里），海拔 1,087 米（补充材料，第 S1 部分）。该湖有两个地表（PL-I 和 PL-II）和两个已知的地下（PL-III 和 PL-IV）入流（图 S1）。普莱斯内湖是一个两次循环、中营养级的冰斗湖，表面积为 7.4 公顷，最大深度约为 17 米，水停留时间大约为一年。无氧现象定期发生在该

元素陆地输出及其在树木枯死后的变化

向普莱斯内湖输入的年元素通量一直在减少，这是由于生态系统从大气酸化中恢复（Kopacek 等，2017），除了在 2002 年出现一个显著的峰值（图 1a），这是由与夏季洪水相关的高年径流量引起的（图 S3）。随后，年径流量的年际变化相对较小，除了在 2024 年是一个湿润（但未洪水）的年份。2002 年洪水后，元素通量又减少了两年，直到由松毛虫引起的树木

结论

森林干扰对水和沉积物组成的影响取决于干扰的类型和程度以及森林管理实践。我们评估了在未管理的山地集水区中，由松毛虫爆发引起的自然树木枯死后水质组成的变化。这代表了影响生态系统最小的干扰，没有重型机械造成的土壤侵蚀，树木根系拔起最少。此外，未受干扰的幼苗促进了

未引用的参考文献

Cheng 等，2004

CRediT 作者贡献声明

Jiri Kopacek: 写作 – 初稿，可视化，验证，方法学，调查，概念化。 Josef Hejzlar: 写作 – 审阅与编辑，方法学，数据管理。 Jiri Jan: 写作 – 审阅与编辑，方法学，调查。 Stephen A. Norton: 写作 – 审阅与编辑，方法学，调查。 Petr Porcal: 写作 – 审阅与编辑，可视化，方法学，调查。 Jan Turek: 验证，调查。 Daniel Vondrak: 写作 – 审阅与编辑，

竞争利益声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这可能影响本论文中报告的工作。

致谢

我们感谢奥地利因斯布鲁克大学蒙德泽湖理学研究所的 Roland Schmidt 于 1990 年对普莱斯内湖沉积物进行岩芯钻探。捷克地质调查局的 Josef Vesely（?2006）监督了该岩芯的初步沉积物定年以及铀和锰浓度的测定。本研究得到了教育部、青年和体育部（项目编号 LUAUS25082）的支持。

Jiri Kopacek|Josef Hejzlar|Jiri Jan|Stephen A. Norton|Petr Porcal|Jan Turek|Daniel Vondrak