东波兰采后砾石坑湖中不同河岸和邻近土地利用环境下选定理化参数的空间变异性

《Sustainability》：Spatial Variability of Selected Physicochemical Parameters Across Contrasting Riparian and Adjacent Land-Use Settings in Post-Extraction Gravel Pit Lakes of Eastern Poland

　　

小型采后砾石坑湖中的局部物理化学变异性通常难以解释，因为水体化学可能同时反映季节动态和高度的局部岸线条件。研究人员评估了东波兰梅济热茨波德拉斯基附近梅济热茨基耶耶焦尔卡湖群中两个砾石坑湖的八个固定沿岸采样点（代表不同的河岸和土地利用环境）的近地表水选定理化参数的空间和时间模式。地表水监测从2024年11月9日进行到2025年9月23日。分析数据集涵盖总有机碳（TOC）、无机碳（IC）、总碳（TC）、总氮（TN）和实验室测量pH。最强且最一致的变化发生在两个湖的采样日期之间。固定点之间的差异有限；在1号砾石坑湖中，两个点之间的总氮存在差异，而其他参数在监测期内未显示日期调整后的点级模式。两个湖的平均总有机碳和总碳浓度相似，但1号砾石坑湖大多数参数的最大值更高，且选定碳和氮组分的变异性更大。实验室测量pH总体呈弱酸性至近中性，最低观测值出现在个别监测活动中。研究结果表明，在监测的沿岸区域中，时间动态显著而空间信号有限。重复固定点采样为比较这些采后湖的时间变化和局部差异提供了明确基础。这些推论仅限于监测的近地表物理化学变量。

论文解读文章

研究背景、问题与意义

采后砾石坑湖是人为水生系统，其物理化学条件受盆地发育、水文交换、季节性生物活动、有机质处理以及周边景观输入的影响。由于这些水体通常较小且形态异质，单次采样或单点测量难以充分代表其时间动态。在采后湖泊中，沿岸带的水化学可能同时反映季节变化和高度局部化的岸线条件，例如河岸植被、邻近土地利用（如农业、休闲区）以及人为干扰。然而，现有研究对于采后砾石坑湖中沿岸固定点之间的持久性差异与时间波动之间的区分尚不充分。为此，研究人员在东波兰梅济热茨基耶耶焦尔卡湖群中选择两个具有对比性河岸和土地利用特征的采后砾石坑湖（1号砾石坑湖GPL1和2号砾石坑湖GPL2），开展重复固定点采样监测，旨在分析选定物理化学参数（总有机碳TOC、无机碳IC、总碳TC、总氮TN和实验室测量pH）的时间变异并检验固定点之间的持久性差异。该研究发表在《Sustainability》。

研究内容与结论

研究人员在2024年11月9日至2025年9月23日期间，对两个湖的八个固定沿岸采样点（每湖四个点）进行了11次地表水采样，共获得78个有效分析记录。通过加性双因素方差分析（以采样点为固定因子、采样日期为区组因子），评估了日期效应和点效应。结果表明，所有参数在两个湖中均显示出显著的采样日期效应（p<0.001），且部分η²值较高（TOC在GPL1中达0.797，GPL2中达0.850），表明时间动态是主要变异来源。相比之下，点效应仅在GPL1的总氮（TN）上显著（p=0.010，部分η²=0.329），GPL1-M1点的TN平均值（1.64 mg N L^-1）显著高于GPL1-M2点（1.28 mg N L^-1），而其他参数（TOC、IC、TC、pH）在两个湖中均未显示显著的点效应。描述性统计显示，GPL1和GPL2的平均TOC浓度相近（分别为15.57和15.76 mg C L^-1），但GPL1在大多数参数上表现出更高的最大值和更大的变异性。实验室测量pH总体呈弱酸性至近中性（均值分别为6.36和6.12），最低值出现在个别监测活动。该研究的重要性在于，通过重复固定点采样设计，明确了时间动态而非空间点差异是采后砾石坑湖近岸水化学的主导模式，为理解此类人工水体的物理化学行为提供了基准。

主要关键技术方法

研究人员采用重复固定点采样设计，在每湖设置四个沿岸采样点，代表森林、农业、休闲等不同岸线背景。采样遵循ISO 5667-4:2016，近地表水（约0.5 m深度）收集后冷藏运输。实验室分析使用TOC multi N/C 3100 DUO ChD分析仪，遵循EN 1484:1997和EN ISO 20236:2024测定TOC、IC、TC、TN；pH使用HI2202-02 edge blu pH计在实验室测量，遵循EN ISO 10523:2012。统计方法包括对数变换后的加性双因素方差分析、Tukey多重比较检验，使用R 4.5.2软件。样本来源于东波兰梅济热茨基耶耶焦尔卡湖群的两个采后砾石坑湖，研究区域位于梅济热茨波德拉斯基附近。

研究结果

3.1 描述性统计特征
通过78个有效记录的描述性统计，GPL1中TOC范围为8.34–39.86 mg C L^-1，均值15.57 mg C L^-1；TC范围为9.81–44.96 mg C L^-1；IC范围为0.21–8.89 mg C L^-1；TN范围为0.78–3.18 mg N L^-1；pH范围为3.39–7.40，均值6.36。GPL2中TOC范围为8.59–29.65 mg C L^-1，均值15.76 mg C L^-1；TC范围为10.23–35.06 mg C L^-1；IC范围为0.66–5.41 mg C L^-1；TN范围为0.57–2.07 mg N L^-1；pH范围为3.12–6.84，均值6.12。两湖平均TOC和TC相近，但GPL1的最大值更高，IC的变异系数最大（GPL1为52.45%，GPL2为43.49%）。

3.2 时间效应与点效应
通过加性双因素方差分析（TOC、IC、TC、TN经对数变换），发现所有参数在两个湖中均存在显著的采样日期效应（p<0.001），部分η²值在0.492至0.850之间，表明时间动态是主要变异来源。点效应仅在GPL1的TN上显著（p=0.010，部分η²=0.329），Tukey调整后比较显示GPL1-M1的TN均值（1.64 mg N L^-1）显著高于GPL1-M2（1.28 mg N L^-1）。其他参数（TOC、IC、TC、pH）的点效应均不显著。

3.3 点级分布
箱线图显示，TOC中位数在GPL1-M1最低（12.94 mg C L^-1）但包含最高观测值，GPL2-M1中位数最高（17.63 mg C L^-1），但点效应不显著。pH中位数在6.18至6.51之间，无显著点效应。TN在GPL1中GPL1-M1与GPL1-M2存在显著差异，其他点比较不显著；GPL2中无显著点效应。

讨论与结论

讨论部分指出，研究湖泊位于混合城市-城郊-森林-农业景观中，其物理化学变异性主要受时间动态驱动，而非固定点之间的持久差异。采样日期效应显著，碳组分在3月达到峰值，TN在12月最高，但不同参数的时间轨迹不完全一致。河岸带结构和土地利用对大部分参数无显著影响，仅GPL1的TN存在点差异，这可能与局部输入有关。与法国、丹麦、加拿大等地的其他砾石坑湖相比，研究湖的TN和TOC处于中等水平，pH偏酸性。研究局限性包括：仅两个湖、单一年度监测期、数据不平衡、未测量垂直剖面、水文交换、生物群落等，因此无法归因于特定生物学过程。未来研究应扩展至多年度、多湖、多参数的综合监测。

结论部分翻译：结果表明，两个采后砾石坑湖的浅层近岸水选定物理化学参数具有显著的时间变异性。在分别对两个湖的分析中，采样日期显著影响所有五个测量变量，而持久的点级差异仅限于GPL1-M1与GPL1-M2之间的总氮（TN）。总有机碳（TOC）、无机碳（IC）、总碳（TC）和实验室测量pH未显示显著的点效应。因此，研究将时间变异性（而非监测沿岸点之间的稳定分化）确定为现有数据集中的主导模式。重复固定点采样对于区分不同监测活动之间的变化与位置之间的持久差异至关重要。岸线描述提供了环境背景，但未建立河岸植被、可达性或邻近土地利用的因果效应。由于未测量水生生物学变量、垂直剖面和定量水文驱动因素，研究结果不应用于推断生态状态、营养状态或观察到的变化的机制。需要结合水化学、生物群落、水柱结构、沉积物和地下水交换的平衡多年监测，以评估这些机制并将当前基线转化为管理指南。