城市喜马拉雅湖泊系统的养分循环、生物地球化学过程及富营养化状况

《Journal of Hydrology》：Nutrient cycling, biogeochemical pathways and eutrophication status of an urban Himalayan lake system

城市高山湖泊达尔湖富营养化机制研究综合评估了营养源、转化途径及富营养化过程，采用稳定同位素分析、自组织映射、水动力-营养耦合模型和贝叶斯源解析等方法，揭示冬季春季营养浓度升高与生物吸收减弱及内源负荷加剧相关，δ15N和δ13C同位素示踪显示微生物硝化反硝化与藻类生物量季节动态耦合，污水（41.2%）和藻类（33.4%）是夏季颗粒有机物主要来源，模拟表明氨氮快速消耗、硝氮延迟累积及磷持久富集特征显著，湖体整体处于富营养化至超富营养化状态，需制定气候适应型管理策略。

　　

作者：Gh. Jeelani、Suhail A. Lone、M. Saleem Dar、Javid A. Ganai、Niharika Sharma、Sanjeev Kumar

印度克什米尔大学地球科学系，斯利那加 190006

摘要

高海拔喜马拉雅地区的城市淡水湖泊正日益受到富营养化的威胁，这主要是由于人为活动和气候变化导致的营养物质负荷增加。本研究采用了一种新的综合方法，结合了季节性营养物质（NO₃^–、NH₄⁺、TP、TN、POM）分析、稳定同位素生物地球化学（δ¹³C 和 δ¹⁵N）、自组织映射（SOM）、水动力-营养物质传输建模以及贝叶斯源分配（MixSIAR）技术，对西喜马拉雅地区达尔湖的营养物质来源、转化途径和富营养化过程进行了评估。季节性监测结果显示，NO₃^–、NH₄⁺、TN、TP 和 POM 的浓度存在显著的时空异质性，冬季和春季的营养物质浓度升高与生物吸收减少和内部负荷增加有关。δ¹⁵N 和 δ¹³C 的数值提供了营养物质转化过程的诊断依据，夏季和秋季的 δ¹⁵N 值较高，表明发生了微生物硝化-反硝化作用；而在藻类生产力高峰期，δ¹³C 值较低。SOM 分类显示，不同的营养物质分布模式受到外部输入（如污水、农业径流）和内部生物地球化学过程（如再矿化、微生物转化）的影响。MixSIAR 模型指出，夏季 POM 的主要来源是污水（41.2%）和藻类生物量（33.4%），并且这些来源的比例会随季节变化。水动力营养物质传输模拟表明，NH₄⁺ 会迅速减少，NO₃^– 的积累延迟，而 TP 浓度持续较高，这突显了氧化还原敏感的氮去除过程和沉积物对磷的滞留作用。使用卡尔森营养状态指数（TSI）对湖泊营养状态进行分类后，发现大部分湖泊区域属于富营养化或超富营养化状态，这一结论得到了 Secchi 盘深度低和 TP 含量高的支持。研究结果强调了外部营养物质输入、内部生物地球化学循环以及湖泊水动力因素在富营养化过程中的复杂相互作用，为理解喜马拉雅地区城市湖泊中营养物质的命运提供了系统层面的认识，并为制定有针对性的、具有气候适应性的恢复策略提供了依据。

引言

湖泊是重要的淡水资源，为喜马拉雅流域上下游地区的数百万人提供水源（Kumari 等，2023；Shah 等，2024）。除了供水功能外，湖泊还在维持生态平衡和为当地及区域社区提供关键生态系统服务方面发挥着重要作用（Kumari 等，2023；Pall 等，2023）。然而，这些水生环境的完整性正受到气候变化和人类活动的日益威胁，导致湖泊面积显著缩小和水质恶化（Jenny 等，2020；Singh 等，2024）。人为引入的营养物质富集是这些脆弱生态系统退化的主要驱动因素（Ma 等，2023；Kumari 等，2024；Akinnawo，2023；Gorman 等，2024）。这种由人类活动引起的营养物质富集现象被称为“文化性富营养化”，是一个广泛存在的环境问题（Jones 和 Brett，2014；Wurtsbaugh 和 Dodds，2019）。它通常表现为藻类大量繁殖，破坏水生生态系统，降低水质并危害生物多样性（Smith 和 Schindler，2009）。据预测，到 2050 年，全球超过四分之一的人口可能面临因氮（N）和磷（P）过量排放而引发的水质问题（Suresh 等，2023），这凸显了制定可持续水资源和营养物质管理策略的紧迫性。农业肥料的广泛使用和不当的营养物质管理已经使这些生态系统超出了其自然承载能力，加剧了水质问题并威胁到生态稳定性（Wang 等，2022；De-Vries，2021）。富营养化现象是由于水体中氮和磷的富集促进了有害藻类和浮游植物的快速生长，从而影响了水生生态系统和水质（Horta 等，2021；Suresh 等，2023；Lan 等，2024）。先前的研究表明，磷是限制藻类生长的关键营养物质，因为藻细胞中的氮磷（N: P）比例表明磷不易以气态存在，且容易与铁、铝和碳酸盐结合，最终沉积在沉积物中（Alkhatib 等，2012；Joye 等，2022；Wauchope-Thompson 等，2022）。然而，主要来自大气沉降和农业径流的过量氮输入会打破这种平衡，导致磷过量释放并加剧富营养化（Bechmann 和 St?lnacke，2019；Devlin 和 Brodie，2023）。碳也是藻类生长所需的重要元素，在湖泊系统中通过溶解 bicarbonates、大气二氧化碳和有机物分解等方式获得（Xu 等，2023；He 等，2024）。虽然自然过程有助于营养物质循环，但化肥施用、污水排放和工业废物排放等人类活动已将营养物质输入量提升到了前所未有的水平（Hou 等，2022；Feng 等，2023）。在发展中国家，人口快速增长、食物需求增加以及卫生设施不足进一步加剧了富营养化风险，使得藻类大量繁殖成为许多湖泊系统面临的紧迫问题（Khan 和 Ansari，2005；Hou 等，2022）。过量的营养物质污染后果严重，可能对公共健康构成威胁（Ouhakki 等，2024；Wang 等，2024）。为了解决这一问题，许多研究聚焦于评估湖泊中的人为影响和营养动态，在发达国家已取得显著进展（Garcia 等，2018；Carneiro 等，2021；Duan 等，2022；Jeong 等，2023）。然而，发展中国家现在正优先考虑通过有针对性的干预措施和持续监测来恢复地表水质量。

为了缓解富营养化问题，全球各地的湖泊都会定期监测硝酸盐（NO₃^–）、铵（NH₄⁺）和总磷（TP）等关键营养物质，以及碳（δ¹³C）和氮（δ¹⁵N）的稳定同位素，这些数据有助于了解营养物质来源和转化途径。尽管这些方法在低地和温带地区已得到广泛应用，但对于高海拔喜马拉雅湖泊的营养物质循环和富营养化动态仍存在认知空白，这些湖泊特别容易受到气候变化、水流受限和人为压力增加的影响。本研究以达尔湖为例，该湖是一个遭受严重富营养化的高海拔城市湖泊。通过对湖泊水中的硝酸盐（NO₃^–）、铵（NH₄⁺）、总氮（TN）、总磷（TP）、颗粒有机氮（PON）、颗粒有机碳（POC）以及氮（δ¹⁵N_pom）和碳（δ¹³C_pom）的稳定同位素进行分析，旨在：（i）评估营养物质的空间和季节性变化并确定主要富集来源；（ii）利用贝叶斯混合模型（MixSIAR）估算营养物质对颗粒有机物的贡献比例；（iii）通过水动力-营养物质传输建模评估富营养化的程度和动态。与以往主要关注水质状况或土地利用影响的研究不同（Saleem 等，2015；Dar 等，2017；Saleem 和 Jeelani，2017；Saleem 和 Jeelani，2017；Rather 和 Dar，2020；Dar 等，2020；Pall 等，2024），本研究整合了稳定同位素生物地球化学、季节性营养物质分析、无监督机器学习（自组织映射）和水动力建模，以揭示复杂的营养物质来源-过程相互作用。这一综合框架为山区湖泊系统提供了新的、基于过程的视角，传统的富营养化指标可能无法完全反映内部营养物质负荷和反馈机制。通过连接物理、化学和生物过程，本研究为达尔湖的营养状态提供了重要见解，并为制定具有气候适应性的湖泊恢复和管理策略提供了实用知识。

研究区域

达尔湖是西喜马拉雅地区最大的城市淡水湖泊之一，具有重要的生态、文化和社会经济价值。它位于北纬 34°04′ 至 34°11′、东经 74°48′ 至 74°53′ 之间，平均海拔为 1583 米（图 1）。该湖面积约为 10.5 平方公里，集水区面积约为 340 平方公里，是一个多流域湖泊系统，体现了城市淡水湖泊所面临的水文和环境挑战。

营养物质的时空变化

在观测期间，湖泊水中的化学成分（包括 NO₃^?、NH₄⁺、TN 和 TP）表现出明显的时空变化（表 1；图 2a；图 2b）。为了便于直接比较不同采样点的营养物质浓度，表 1 总结了各采样点的平均浓度。S6 点的 NO₃^? 平均浓度为 34.76 μmol N/L，而 S1 点的 NH₄⁺ 平均浓度变化较大，范围为 16.44 μmol N/L。

湖泊中的营养物质来源

达尔湖中 NH₄⁺ 和 NO₃^– 浓度的时空变化反映了外来营养物质和本地营养物质来源之间的复杂相互作用，这种相互作用受到生物地球化学过程和人类活动的影响（图 2a 和图 2b）。人类定居点的快速扩张、未经处理的污水排放和农业活动导致了湖泊中 NH₄⁺ 和 NO₃^– 浓度的显著空间差异，从而加剧了水质恶化。

结论

本研究采用了一种综合方法，结合了水动力-营养物质传输建模、稳定同位素生物地球化学（δ¹³C 和 δ¹⁵N）、贝叶斯源分配（MixSIAR）和无监督机器学习（自组织映射），对高海拔城市湖泊的营养物质来源、转化过程和富营养化动态进行了全面评估。结果表明，达尔湖正处于严重富营养化状态，营养物质富集现象普遍存在。

未引用的参考文献

Akinnawo, 2023; Alkhatib 等, 2012; Barber, 2021; Bassin 等, 2021; Bechmann 和 St?lnacke, 2019; Bogard, 2011; Brenner 等, 1999; Canfield 等, 2010; Canuel 等, 1995; Carneiro 等, 2021; Catalán 等, 2006; Cavicchioli 等, 2019; Chappuis 等, 2017; Chea 等, 2016; Chen 等, 2018; Chen 等, 2023; Chen 等, 2024; Close 等, 2014; Cole 等, 2006; Cordova, 2022; Craswell, 2021; Dar 等, 2017; de Vries, 2021; Devlin 和 Brodie, 2023;

CRediT 作者贡献声明

Gh. Jeelani：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、项目监督、方法论设计、数据分析、概念构建。Suhail A. Lone：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件使用、资源协调、方法论设计、概念构建。M. Saleem Dar：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。Javid A. Ganai：撰写——审稿与编辑。Niharika Sharma：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢克什米尔大学地球科学系地质科学分部物理研究实验室和水电地质与同位素水文学实验室提供的分析支持。