停留时间驱动湖泊和水库表层 pH 值物理化学控制与生物控制之间转变的大陆尺度证据

《Water Research》：Continental-Scale Evidence for Residence Time–Driven Shifts in Physicochemical versus Biological Control of Surface pH in Lakes and Reservoirs

　　

摘要

湖泊和水库表层 pH 值对水生生态系统健康至关重要，影响碳循环、生物地球化学转化和污染物毒性。然而，其水文控制因素在大陆尺度上仍未得到充分量化。在这里，我们分析了中国境内湖泊和水库前所未有的全国水质数据集（N=350,000），以阐明水力停留时间（RT）如何调节表层 pH 值。使用划分为不同 RT 类别的机器学习模型，并仅由电导率（EC）和溶解氧饱和度（DOS）驱动，作为物理化学缓冲和生物代谢的替代指标，我们表明这两个变量共同解释了 78±8.6%（八个 RT 组间的平均值±标准差）的观测 pH 变异性。至关重要的是，RT 作为一种层级调节器出现，在其梯度上改变了 EC 和 DOS 的相对主导地位。我们观察到，物理化学和生物过程的相对贡献在大约 50、170 和 2,500 天时发生显著转变，对应于四个大致可辨的 pH 调节机制。在短 RT（<50 天）下，物理化学控制占主导地位。一个过渡机制（50–170 天）标志着从物理化学主导到生物主导的转变，而生物过程在广泛的中间范围（170–2,500 天）内占主导地位，其中最大的生物控制发生在 500–1,000 天内——即“生物窗口”的峰值，并在长 RT 系统（>2,500 天）中再次让位于物理化学主导。本研究为预测和管理持续环境变化下的湖泊酸碱平衡建立了一个统一的水文框架。

引言

湖泊和水库作为全球水循环的关键组成部分，因其在确保水资源安全和维持多样化生态系统服务方面不可替代的作用，被联合国可持续发展目标 6（SDG 6）所强调（Guo 等，2021；Ho 和 Goethals，2019）。地表水 pH 值是湖泊生态系统健康的关键决定因素，影响包括毒性金属形态（Salmon 等，2017）、碳封存效率（Bertagni 和 Porporato，2021）和水生微生物群落结构（Banda 等，2021）在内的关键生态功能。偏离自然 pH 基线，无论是由酸沉降还是富营养化引起的（Yu 等，2016；Zhang 等，2024），都会破坏这些生态过程，导致水质恶化和生物多样性丧失。特别是，极端的季节性 pH 波动（例如，在像太湖这样严重富营养化的湖泊中，冬季最小值和夏季最大值之间超过 2.0 个单位（Xu 等，2010））可能会为水生生物造成应激条件，而持续的 pH 失衡可能会增强金属毒性并破坏生物地球化学循环。因此，了解湖泊和水库地表水 pH 值的时空动态及其潜在驱动因素，不仅是一个核心科学优先事项，也是制定有效管理策略以实现 SDG 6 目标的基础。

湖泊地表水的酸碱平衡是由生物地球化学和物理过程的复杂相互作用塑造的（Gibson 等，2025；Minor 和 Brinkley，2022）。以往的研究在识别个别驱动因素方面取得了重大进展：浮游植物水华在光合作用过程中消耗溶解的 CO₂，而藻类衰亡和有机物分解则释放 CO₂ 和有机酸（Yu 等，2016）；温度调节 CO₂ 溶解度和碳酸盐解离动力学（Wang 等，2025b）；地质风化，特别是在喀斯特地区，提高溶解无机碳（DIC）以增强碱度（Liang 等，2023）。这些多样的过程共同决定 pH 动态，但它们的重要性可能受到整体水文条件的调节。确实，像藻类代谢这样的关键 pH 驱动因素往往对环境强迫呈非线性响应（Liang 等，2020），这表明 pH 本身可能沿环境梯度表现出类似的非线性动态。区域调查支持了这一观点。例如，Zhao 等比较了长江中下游流域的 20 个湖泊，发现 RT 大于约 100 天的湖泊比 RT 较短的湖泊表现出更高的藻类生物量。这个 100 天的边界是一个由研究湖泊数量有限所驱动的实用分组选择，而不是正式确定的生物阈值，但它提供了早期证据，表明 RT 影响藻类动态。鉴于藻类代谢直接调节 CO₂ 和 pH（Gao 等，2025），这意味着存在类似的阈值，触发湖泊和水库中主导 pH 调节过程之间的转变。

尽管区域研究令人信服地表明了水文控制对生物终点的影响，但在大陆到全球尺度上，缺乏关于 RT 阈值导致 pH 机制转变的直接和系统证据。特别是，尚不清楚 RT 是否作为一个层级调节器，将物理（例如，DIC 缓冲）和生物（例如，水生代谢）过程对 pH 的相对影响分开，以及这种调节如何在不同的环境背景下表现。我们假设 RT 通过离散阈值施加这种控制：短 RT 通过维持 DIC 输入同时限制藻类生长来加强物理化学调节（Zhao 等，2022；Zou 等，2020），而中等 RT 通过促进营养物积累和浮游植物发育来促进生物控制，特别是在受人类影响的富营养化湖泊中。因此，在广泛的环境梯度上验证这一假设对于预测气候变化和人类活动如何通过改变 RT 机制从根本上重塑湖泊酸碱平衡至关重要。

为了检验这一假设，我们分析了中国最全面的标准化湖泊和水库数据集（2023 年无冰期，>350,000 条记录）（Zhang，2025）。中国为大陆尺度分析提供了理想的天然实验室，横跨亚热带到温带气候以及干旱到湿润地区，并拥有代表全球内陆水体中观察到的水文、地质和人为条件全谱系的湖泊（Li 等，2018；Wang 和 Dou，1998）。我们采用了一种两步分析框架（补充图 1）。首先，通过将湖泊分组到不同的 RT 类别中进行驱动因素归因分析，以调查湖泊地表水 pH 的时空模式，并在大陆尺度上量化物理化学缓冲和生物代谢对 pH 变化的相对贡献。随后，我们开发模型以月度分辨率估计超过 24,000 个湖泊的 pH 值。我们的具体目标是：（1）确定 RT 是否作为大规模 pH 模式的关键调节器；（2）调查物理化学与生物过程的相对重要性如何沿 RT 梯度变化，并确定发生这些转变的大致 RT 范围；以及（3）生成高分辨率 pH 图并开发一个基于水文的管理框架，以识别具有异常波动的湖泊并指导有针对性的干预措施。本研究旨在推进对水文控制湖泊酸碱平衡的整体理解，并为全球气候变化和人类干扰下的湖泊保护提供科学框架。

章节摘要

研究区域

本研究涵盖中国各地的主要湖泊和水库（表面积 ≥ 0.1 km²）（大约 3°N 至 53°N，73°E 至 135°E），横跨五个由气候、地形、水文和人类活动定义的独特水文地理区域（图 1a）（补充图 2）：东部平原湖区（EPL）、东北平原及山区湖区（NPML）、云南贵州高原湖区（YGPL）、内蒙古 - 新疆湖区（IMXL）和青藏高原湖区（TPL）（Li 等，

pH 空间格局的水文调控

我们揭示了中国湖泊表层 pH 值存在显著的空间异质性（图 1a）。所有观测湖泊的平均 pH 值为 8.17±0.56，数值范围从 6.61 到 9.67。在五个主要湖泊区域之间发现了平均 pH 值的显著差异（单因素方差分析，p<0.001，补充图 5）。事后比较显示，TPL 的 pH 值显著高于所有其他区域（p<0.001），平均值为 8.83±0.45。YGPL（8.51±0.39）也显示出显著更高的 pH 值

RT 作为湖泊 pH 的层级调节器

我们大陆尺度分析的一个关键发现是，EC 和 DOS 共同解释了湖泊表层 pH 值变异性的大约 78±8.6%（58–86%）（图 3b）。这一稳健的统计证据表明，湖泊表层 pH 值的核心调节机制受碳酸盐缓冲系统（EC 是其稳健的替代指标）与净水生代谢（由 DOS 有效捕捉）之间动态相互作用的支配。这种 EC-DOS 框架提供了一种强大的简化

结论

本研究提供了大陆尺度的证据，表明水力停留时间是湖泊表层 pH 值的基本层级调节器，划分了物理化学缓冲和生物代谢的相对贡献。利用涵盖中国不同气候和地质环境的前所未有的全国数据集，我们证明 EC 和 DOS 共同解释了大部分 pH 变异性，并且它们的相对重要性沿 RT 系统地变化

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

CRediT 作者贡献声明

赵峰：写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理。 赵国荣：方法论，调查，形式分析，数据管理。 黄美琪：软件，方法论，调查，数据管理。 徐梦欣：方法论，形式分析，数据管理。 薛宇：方法论，数据管理。 秦鹤豪：方法论，数据管理。 童银东：写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿，监督，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究由国家自然科学基金（批准号 U24A20640, 42377399, 42521004 和 42476127）资助，中国西藏自治区科技项目（XZ202501ZY0091），并由北京大学高性能计算平台支持。

赵峰 | 赵国荣 | 黄美琪 | 徐梦欣 | 薛宇 | 秦鹤豪 | 童银东 | 刘爽 | 崔晓雨 | 崔宏洋 | 孔向振 | 范浩月 | 蔡兴瑞 | 张千儒 | 王雪军 | 刘茂典

中国天津天津大学环境科学与工程学院