典型富营养化高原湖泊内源养分滞留失衡与生态补水的关系及其意义

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Imbalance of internal nutrient retention in a typical eutrophic plateau lake associated with ecological water replenishment and its implications

　　

**摘要**

**研究区域**：中国云南省昆明市滇池。

**研究焦点**：生态补水（Ecological Water Replenishment, EWR）被广泛用于改善湖泊水文状况和水质，但其对富营养化湖泊内源养分循环的影响仍不明确。本研究调查了滇池在十年生态补水后沉积物养分滞留的变化及机制，旨在阐明沉积物氮（N）和磷（P）循环对水文调控和湖泊修复的脱钩响应。

**该区域的新水文认识**：生态补水后，水力停留时间（Hydraulic Residence Time, HRT）减少了约50%，而总氮（Total Nitrogen, TN）和总磷（Total Phosphorus, TP）浓度下降，水体溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）升高。增强的水动力和氧化作用加速了沉积物有机氮的矿化，使铵态氮（NH??-N）潜在扩散通量增加了62%。相反，沉积物从磷源转变为磷汇，可溶性活性磷（Soluble Reactive Phosphorus, SRP）通量转为负值。同时，沉积物溶解性有机质（Dissolved Organic Matter, DOM）变得更腐殖化，从以类蛋白物质为主转变为以类腐殖质为主。这些物理化学变化进一步被生态系统恢复所强化。因此，水体TN/TP比值显著升高，而沉积物TN/TP和潜在可矿化氮/磷比值分别下降了48.01%和58.28%。这些结果揭示了水文调控下沉积物氮和磷循环的脱钩现象，其特征是氮释放增强而磷被优先滞留，凸显了可持续湖泊修复需要协调的氮磷管理策略。

**典型富营养化高原湖泊内源养分滞留失衡与生态补水的关系及其意义：基于滇池十年观测的过程解析与机制探讨**

**一、研究背景与科学问题**

Redfield比值（C:N:P = 106:16:1）作为描述海洋浮游生物化学计量组成的经典参照，已被广泛应用于理解海洋和淡水生态系统的养分动态。在湖泊生态系统中，氮磷滞留失衡是指生态系统氮磷化学计量偏离Redfield比值的状态，反映了湖泊系统对生源要素差异性滞留能力所导致的、基于过程的相对非平衡。随着全球富营养化加剧，湖泊TN/TP比值的失衡现象日益受到关注。现有证据表明，富营养化可能驱动TN/TP比值渐进性下降，并使养分限制模式从磷限制转向氮磷共同限制。已有研究多聚焦于外源输入对湖泊氮磷失衡的驱动作用，如流域农业活动、水深度和水力停留时间等因素的影响，但对内源养分循环在其中所扮演的角色关注相对不足。

生态补水（Ecological Water Replenishment, EWR）作为一种通过人工干预向水资源短缺或生态系统退化的区域输水以维持或恢复其生态结构与功能的调控策略，其核心目标在于优化水文条件、改善水质并增强系统生态韧性。当前关于生态补水的研究主要集中在其对湖泊水动力、水质和水生生态系统的影响方面，而对其如何作用于沉积物养分动态及氮磷化学计量关系的认识仍十分有限。事实上，生态补水通过增加流速、改善湖泊水质以及改变氧化还原条件和生物地球化学环境，有可能改变沉积物-水界面的交换过程，进而影响氮和磷的内源循环及水体氮磷平衡。然而，生态补水引起的水文调控与湖泊沉积物内源氮磷循环变化及滞留失衡之间的关联机制，仍是一个亟待解答的科学问题。

滇池作为中国云南省典型的浅水半封闭富营养化高原湖泊，长期面临水文交换能力薄弱和富营养化突出等问题。自2013年起，牛栏江-滇池生态补水工程持续向滇池引入清洁外源水，为探究长期生态补水背景下内源养分循环的响应机制提供了理想的天然实验场。本研究通过系统分析生态补水实施前后滇池沉积物氮和磷的赋存形态及释放特征变化，结合水动力模拟和生态系统恢复状况，旨在回答以下核心科学问题：长期生态补水及相关修复措施如何通过作用于沉积物养分循环过程来影响湖泊生态系统的氮磷平衡？

**二、研究方法概述**

本研究整合了水文模拟、野外调查和实验室分析等多种手段。研究团队采用环境流体动力学代码（Environmental Fluid Dynamics Code, EFDC）模型模拟滇池水动力场，量化生态补水引起的流场格局变化。在滇池全湖布设35个采样点（编号D1–D35），分别于2013年6月（生态补水实施前）和2023年6月（连续补水十年后）采集表层沉积物和上覆水样品。沉积物氮磷形态分析分别采用凯氏定氮法和连续提取法，其中氮分为交换态氮（Exchangeable Nitrogen, EN）、潜在可矿化氮（Potentially Mineralizable Nitrogen, PMN）和残留氮，磷分为弱吸附态磷（NH?Cl-P）、铁结合态磷（BD-P）、铝结合态磷（NaOH-rP）、有机磷（NaOH-nrP）、钙结合态磷（HCl-P）和残渣磷（Res-P）。基于Fick第一定律估算沉积物-水界面氮磷潜在扩散通量。沉积物溶解性有机质（Dissolved Organic Matter, DOM）采用三维荧光光谱（3D-EEM）结合平行因子分析（PARAFAC）进行组分识别与腐殖化程度评估。水质水量数据来源于昆明市生态环境局、昆明滇池管理局和昆明市水务局2010–2023年的逐月监测记录。

**三、研究结果**

**3.1 湖泊水质与水动力条件的变化**

截至2023年底，牛栏江-滇池生态补水工程累计向滇池流域输水50亿立方米。2014–2023年间补水水质整体良好，除总氮外各项指标均达到或优于地表水Ⅱ类标准。生态补水后（2021–2023年），滇池COD、NH?-N、TP和TN分别较补水前（2010–2013年）下降55.74%、80.29%、67.93%和37.52%，DO浓度上升23.70%，pH从8.78略降至8.39。EFDC模型验证结果表明，生态补水使湖泊平均水力停留时间从8.68年（2000–2013年）缩短至4.11年（2014–2023年），降幅约50%。流场和拉格朗日粒子追踪模拟显示，补水后滇池沿岸形成大规模逆时针环流，近岸流速高于湖心区。

**3.2 沉积物氮、磷及DOM特征变化**

沉积物氮形态对生态补水呈现差异性响应。2023年沉积物交换态NH??-N和潜在可矿化有机氮（Potentially Mineralizable Organic Nitrogen, PMON）较2013年分别下降32.69%和53.29%，而交换态NO??-N上升54.42%。与氮相反，除HCl-P下降22.74%外，其余磷形态均呈增加趋势，其中NH?Cl-P增幅达103.66%，NaOH-nrP增加74.82%。空间分布上，潜在可矿化磷（Potentially Mineralizable Phosphorus, PMP）在近岸和湖心区分别增加43%和36%，而潜在可矿化氮（Potentially Mineralizable Nitrogen, PMN）在相应区域分别下降43%和38%。PARAFAC分析识别出3个DOM荧光组分：类蛋白色氨酸物质（C1）和两种陆源类腐殖质物质（C2、C3）。补水后类蛋白组分占比从62.52%降至40.14%，类腐殖质组分从37.48%升至59.86%，腐殖化指数（Humification Index, HIX）显著上升39.67%，而荧光指数（Fluorescence Index, FI）和生物源指数（Biological Index, BIX）分别下降5.8%和13%，表明DOM腐殖化增强主要归因于补水输入的陆源腐殖质而非内源生物活动。

**3.3 沉积物-水界面氮磷通量变化**

长期生态补水后，沉积物氮潜在扩散通量显著增加。NH??-N平均通量从2013年的39.61 mg/(m2·d)升至2023年的64.18 mg/(m2·d)，NO??-N通量从0.49 mg/(m2·d)升至15.78 mg/(m2·d)，增幅分别达62%和显著水平。空间上，近岸区域氮通量增幅（从42.98升至91.61 mg/(m2·d)）大于湖心区（从33.05升至59.52 mg/(m2·d)）。与此相反，沉积物可溶性活性磷（Soluble Reactive Phosphorus, SRP）潜在扩散通量从2013年的0.46 mg/(m2·d)显著降至2023年的?0.03 mg/(m2·d)，表明沉积物由磷释放源转变为磷吸收汇。

**3.4 沉积物氮磷化学计量及DOM组成变化**

沉积物TN/TP比值从2013年的4.52±2.20降至2023年的2.35±1.14，降幅达48.01%；潜在可矿化氮/磷（PMN/PMP）比值从10.33±4.80降至4.31±2.01，降幅达58.28%。湖心区PMN/PMP下降54.0%，近岸区下降60.4%。沉积物DOM类腐殖质/类蛋白比值从2013年到2023年增加159%，进一步印证了沉积物有机质腐殖化和稳定化程度的增强。

**四、讨论与结论**

**4.1 生态补水驱动沉积物氮磷滞留失衡的机制**

生态补水通过缩短水力停留时间（降幅52.65%）、增强湖内环流和氧交换，显著提高了上覆水溶解氧浓度，进而提高了沉积物氧化还原电位，塑造了更加氧化的沉积物-水界面环境。这种氧化环境的改变对氮和磷产生了分异性的影响。一方面，增强的水动力扰动和氧化条件刺激了沉积物微生物代谢活性，促进了有机氮的矿化和硝化作用，表现为PMON和NH??-N含量下降而NO??-N含量上升，以及NH??-N潜在扩散通量62%的增幅。尽管沉积物氮释放增强，但水体TN浓度并未上升，这归因于外源负荷削减、水文冲刷、生物吸收和氮去除过程的综合缓冲作用。另一方面，氧化条件促进Fe2?氧化为Fe3?，增加了活性铁铝（氢）氧化物的丰度及其对磷酸盐的吸附容量；同时pH下降削弱了OH?与PO?3?对吸附位点的竞争，进一步增强沉积物对磷的固持能力。这解释了BD-P和NaOH-rP的显著增加以及SRP通量由正转负的现象。此外，NO??-N增加可能抑制铁氧化物的还原性溶解从而增强磷固定，NH??-N下降可能减弱碱性磷酸酶介导的有机磷矿化，而DOM腐殖化程度的提高则通过形成腐殖质-金属-磷酸盐三元络合物促进磷的稳定化。综合而言，生态补水通过改变水交换和氧化还原条件、降低碱度以及促进DOM腐殖化，构建了一个有利于沉积物氮迁移活化而优先滞留磷的生物地球化学框架。

**4.2 水生生态系统恢复对养分失衡的强化作用**

水生生态系统的恢复进一步放大了沉积物氮磷滞留的失衡。补水后滇池蓝藻水华减少、浮游植物多样性增加、近岸沉水植物开始恢复，生态系统从藻类主导的浊水态向更多样的清水态转变。这一转变通过多重途径强化了氮磷循环的脱钩：其一，蓝藻水华受抑减少了富蛋白易降解有机质的输入，而沉水植物恢复和陆源输入增加引入了更多富含木质素和单宁的难降解有机质，促进了沉积物DOM腐殖化，进而通过形成难降解络合物和三元络合物稳定有机磷；其二，沉水植物根系泌氧在根际形成局部氧化微域，通过“铁幕”效应增强Fe2?氧化和磷酸盐滞留，同时根际硝化-反硝化过程加速氮转化去除；其三，水华减少缓解了缺氧事件和pH波动的频率，维持了沉积物-水界面氧化层的稳定性，抑制了活性磷的释放；其四，生态系统恢复重塑了沉积物微生物群落结构，细菌多样性和丰度增加而厌氧氨氧化菌减少，限制了NO??向N?的还原路径，导致NO??在沉积物中积累。底栖生物扰动增强还促进了沉积物的垂直混合，加速了深层氮的活化迁移。

**4.3 氮磷化学计量关系的演变**

生态补水后滇池水体TN/TP比值从2013年的32.76升至2023年的60.28，而沉积物TN/TP和PMN/PMP比值分别下降48.01%和58.28%，呈现出水体氮相对富集而沉积物磷相对积累的相反趋势。这种系统性的氮磷再分配和滞留失衡表明，生态补水作为一种强烈的人为水文调控手段，显著强化了富营养化湖泊优先滞留磷的内在属性。缩短的水力停留时间限制了颗粒磷在水体中的滞留时间而有利于其沉积，同时改善的氧化环境和DOM腐殖化增强了沉积物对沉降磷的长期固持能力。相比之下，氮因其更复杂的价态变化和气态损失途径，在扰动条件下表现出更高的迁移性和周转速率。沉积物NO??-N含量和潜在扩散通量的大幅增加证实了氮循环的活化。这一发现对滇池长期以控磷为主的管理策略提出了挑战——水体TN/TP比值的持续升高可能改变浮游植物的养分限制模式，有利于固氮蓝藻的增殖，带来新的生态风险。

**4.4 环境意义与管理启示**

本研究揭示，尽管生态补水有效改善了水质和生态系统结构，但也深刻改变了内源养分循环路径，最终导致氮磷滞留失衡。这一发现对湖泊修复策略具有双重启示意义：首先，在以氮为主的富营养化浅水湖泊（如滇池）中，可持续修复需要氮磷协调调控而非单一养分管理，在持续削减磷的同时必须加强氮的控制；其次，水文调控可以从根本上改变沉积物中养分的源汇功能和化学计量关系，这挑战了将内源负荷控制仅限于通过清淤和原位覆盖等手段减少内源污染的传统观点。值得注意的是，尽管补水后沉积物总体转向磷汇，但活性磷形态（NH?Cl-P、BD-P和NaOH-nrP）的比例显著增加，表明增强的磷滞留部分依赖于扩大的潜在活性磷库。若未来环境条件发生变化（如pH升高或沉积物厌氧），这部分活性磷可能被重新激活，构成内源磷负荷延迟释放的风险。

**五、研究结论**

本研究调查了牛栏江-滇池生态补水工程运行十年后滇池沉积物氮磷循环的变化。结果表明，长期生态补水与湖泊水动力、水质和水生生态的改善密切相关。沉积物已从磷“源”转变为磷“汇”，SRP潜在扩散通量由正转负。与此同时，有机氮矿化加速，导致沉积物NH??-N潜在扩散通量增加62%。水体TN/TP比值显著上升，而沉积物TN/TP和PMN/PMP比值下降，呈现出“抑磷促氮”的失衡特征。此外，沉积物DOM腐殖化程度增加，通过铁铝吸附和腐殖质络合作用进一步稳定了有机磷。综合来看，这些发现表明长期生态补水下的水文调控可能促成内源氮磷滞留失衡的变化，对依赖以磷控制为主的湖泊修复策略构成挑战。本研究也存在一定局限性：同期开展的流域修复和气候变化使得难以分离生态补水的独立影响；仅两个时间点的采样无法捕捉十年来连续的养分演化过程；基于Fick第一定律估算的通量忽略了实际环境中的再悬浮和生物扰动；同时缺乏微生物功能基因检测、水量平衡和养分收支核算。未来研究可整合高频监测、多变量统计和数值模拟，构建水动力-水质-水生生态耦合模型，以定量区分生态补水与其他驱动因素的单独及交互效应，支持多样化补水运行方案的多情景模拟，为湖泊精准养分调控提供支撑。