《Applied Geochemistry》：Controls of organic matter sources and hydrodynamic conditions on carbon and phosphorus contents in two karst reservoirs
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喀斯特地区浅水水库有机碳磷硅分布及驱动机制研究，揭示Hongfeng和Puding两个喀斯特水库在OM源、水动力条件及缺氧环境下C/N、C/P及BSi分布差异，明确外源OM主导型水库（Puding）与内源OM主导型水库（Hongfeng）在磷再生效率及硅沉积响应机制上的本质区别，为喀斯特浅水水库富营养化控制提供理论依据。
王文辉|曾燕|于佳|马珍珍|卢耀婷|金祖学|史琳|谢淑云|王静福|陈静安
中国地质大学地球科学学院地质过程与矿产资源国家重点实验室（GPMR），武汉，430074，中国
摘要
中国西南部喀斯特地区的大多数水库都是亚深水湖泊，其生态系统比浅水湖泊更为脆弱，内部负荷仍然是导致富营养化的重要因素。本研究以物理化学性质和水动力条件存在显著差异的普定水库和洪丰水库为例，探讨了沉积物中碳（C）、氮（N）、磷（P）和硅（Si）等生物源元素的空间分布，并确定了影响这些分布的关键环境因素。研究结果表明，洪丰水库中的沉积物碳氮比（C/N）主要来源于内源性有机物（OM），平均值为11.5；而普定水库中的沉积物碳氮比则主要来源于陆源有机物，平均值为18.8。在洪丰水库中，总有机碳（TOC）与有机碳氮比（TOC/N）呈负相关，而与生物源硅（BSi）呈正相关。内源性有机物及其较高的分解速率导致沉积物中有机磷（OP）的埋藏效率较低，而季节性缺氧条件则促进了有机磷的再生。在普定水库中，这一趋势相反：外源性有机物和较高的沉积速率提高了有机磷的埋藏效率，而好氧条件则限制了有机磷的再生。洪丰水库中总磷（TP）与有机磷（OP）、总有机碳（TOC）和生物源硅（BSi）之间存在显著正相关，表明初级生产过程主要受磷的影响。而在普定水库中，由于水动力条件较强，总磷与有机磷、总有机碳和生物源硅之间的负相关表明初级生产过程主要受水动力条件控制。本研究为亚深水喀斯特水库的富营养化防治提供了科学依据。
引言
随着社会的发展和坝坝建造技术的进步，中国的水库数量持续增加。这些水库在防洪、供水、发电等方面发挥着重要作用。然而，这种扩张也导致了水库水质恶化，富营养化等问题日益严重（Maavara等人，2015年）。碳（C）、氮（N）、磷（P）和硅（Si）作为生物圈物质和能量循环中的关键生物源元素，其浓度和形态在不同过程中存在时空变化（Zeng等人，2024年）。碳是基本的生物源元素之一，通过循环和代谢过程直接影响湖泊和水库生态系统中的物质循环和能量流动。同时，沉积物中氮和磷的积累对初级生产力有显著影响。氮和磷的输入增加会促进硅藻生物量的增长，从而加速生物源硅的沉积（Bi等人，2012年）。生物源硅（BSi）是一种有机来源的无定形硅，主要来源于硅藻和海绵骨针等硅质生物的残骸。沉积物中生物源硅的积累与上层水体中硅质浮游生物的生产变化密切相关。硅藻作为水生环境中的主要硅质生物，占生物源硅含量的近70%（Maldonado等人，2019年）。生物源硅是硅藻生产力和浮游植物群落结构的重要指标。与其他生物源元素相比，沉积物中的生物源硅不易被微生物分解，尽管在沉积和埋藏过程中会有部分溶解并重新进入水体（Schelske等人，2006年）。化学计量学定义了全球生态系统的关键特征，并为沉积物中碳、氮和磷的转化提供了有力指导，从而支持生态系统的碳、氮和磷平衡（Schindler，2003年）。水生生态系统面临着来自流域输入和内部水体动态的双重压力（Xing等人，2020年）。依赖溶解营养物质进行代谢的水生生物对水质稳定性非常敏感。生物源元素化学计量比的变化会显著改变浮游植物群落结构和浮游植物中生物源碳、氮、磷的比例（Zhao等人，2024年），从而影响生态系统的营养循环。研究表明，提高浮游植物中的碳氮比可能会降低浮游动物的营养价值，并抑制对营养需求较高的浮游动物物种的生长（Sardans等人，2012年），进而影响消费者群落结构和食物网结构与功能（Lu等人，2023年）。此外，不同生物源元素之间的比例通常是水体营养状况的关键指标。例如，陆地植物和自养浮游植物有机物中的碳氮比差异可以有效地指示沉积物中有机物的来源和生物物种的差异（Liu等人，2021年）。碳氮比部分反映了沉积物中有机物和含磷化合物的分解速率和相对丰度（Graham和Hofmockel，2022年）。通常情况下，磷在有机物矿化过程中分解速度比碳快，导致沉积物中的碳氮比较高（Chen等人，2019年）。因此，研究关键生物源元素的生物地球化学循环过程至关重要，这有助于丰富流域中生物源元素生物地球化学循环的理论，并为水生环境的科学管理提供坚实的理论基础。
受流域输入的影响，湖泊沉积物中的有机物来源于多种途径（Wu等人，2021年）。在某些条件下，即使通过控制措施减少了湖泊和水库的外源污染，沉积物仍可能作为内源性污染源，持续向上层水体释放营养物质。然而，在沉积物有机物的矿化和降解过程中，碳（C）、氮（N）和磷（P）等生物源元素的释放比例不同（Jilbert等人，2011年）。早期研究中，Krom和Berner（1981年）计算了长岛海峡缺氧海洋沉积物中硫酸盐还原作用下有机物的碳磷比。他们发现，在埋藏之前，有机磷相对于有机碳（OC）的再生更为显著。Ingall等人（1993年）研究了缺氧条件下海洋页岩中碳和磷的埋藏和保存效应。他们发现，层状页岩具有较高的有机碳氮比和碳氮比，这可归因于沉积物有机物中磷和氮的广泛矿化和循环。这一再生过程发生在沉积物形成的早期成岩阶段，微生物介导的有机物分解将沉积物中的有机磷转化为可溶性无机磷，然后释放回上层水体（Arndt等人，2013年）。后续研究也表明，在海洋水体和上层沉积物中，磷的再矿化作用更为显著，其速率与氧化还原条件有关。在深水盆地中，随着还原条件的加剧，再矿化速率增加（Jilbert等人，2011年）。Yang等人（2015年）分析了表层沉积物中的总有机碳（TOC）、生物源硅（BSi）以及各种氮和磷成分，发现近岸沉积物中的碳氮比和碳磷比较高。高碳氮比是由于沉积物-水体界面处磷的优先再生所致。湖泊中的缺氧条件加速了硫酸盐还原速率，导致硫化物的形成，这些硫化物与氢氧化铁（III）反应（Zhang等人，2022年），从而释放出更多的磷，使碳氮比进一步升高（Zhang等人，2017年）。当磷从沉积物中释放时，沉积物中的总磷（TP）与总有机碳（TOC）的比值也会降低。研究湖泊沉积物中碳氮磷化学计量比的变化及其与影响因素的关系发现，总磷的埋藏量小于总碳和氮，其矿化和降解过程更为明显（Bell等人，2020年；Prairie和Cole，2022年；Tang等人，2024年）。这些研究表明，生态系统中的碳、氮和磷的化学计量比因有机物来源和物理化学条件等因素而有所不同。
过去十年中，越来越多的学者意识到水动力条件除了水文因素和营养负荷外，还会显著影响水库中藻类水华的发生（López-Tarazón等人，2016年；Song等人，2023年）。水坝的建设极大地改变了天然河流的水动力条件，导致这些水生生态系统的基本水文特征和生物地球化学循环发生显著变化。人工水库通常会增加水深，降低流速，并引发热分层，从而促进营养物质滞留和藻类生长（Song等人，2021年）。此外，水动力条件不仅通过改变流速、水湍流和传输过程影响藻类繁殖，还通过调节温度分布、水混合和营养物分布来影响藻类繁殖（Li等人，2020年）。然而，水动力条件对沉积物中生物源物质再生的影响尚不清楚。
因此，本研究选择了物理和化学特性以及水动力条件存在显著差异的普定水库和洪丰水库，研究了沉积物中生物源元素浓度及其比例的变化，旨在（1）揭示两个水库中碳和磷的再生差异及其影响因素，（2）探讨其对生物量和初级生产的影响。这项研究为亚深水喀斯特水库的富营养化防治提供了科学依据。
研究区域
研究领域
云贵高原作为中国西南部喀斯特地区淡水湖泊的核心分布区，由于其独特的地质背景和复杂的水文连通性，湖泊生态系统尤为脆弱（Zhang等人，2022年）。高原上的水库通常具有人工调节的水位和底部排水方式，根据功能差异有不同的运行模式。这些人为干预影响了洪丰水库中总磷（TP）、有机磷（OP）、生物源硅（BSi）、总有机碳（TOC）、有机碳氮比（TOC/N）和有机碳磷比（TOC/OP）的剖面变化
研究结果显示，洪丰水库中的总磷含量范围为873 μg/g至1905 μg/g，平均值为1276 μg/g（图2）。在0-10厘米层内，总磷含量逐渐增加，而在10厘米以下层逐渐减少并在20厘米以下趋于稳定。有机磷含量范围为383 μg/g至735 μg/g，平均值为561 μg/g。在0-7厘米层内相对稳定，但在7厘米以下层波动较大。生物源硅含量范围为4.04%至16.33%，平均值为10.11%。生物源硅和总磷的含量呈现平行变化
洪丰水库和普定水库沉积物中有机物的来源
沉积物中的碳氮比可以有效指示有机物的主要来源和生物物种的差异（Pedersen等人，2007年）。通常，浮游动物和植物的碳氮比为5-14，而陆地高等植物的碳氮比为15-50（Kendall等人，2001年）。一般来说，碳氮比为5-14表明沉积物中的有机物主要来源于浮游生物的分解（Kendall等人，2001年）。相反，碳氮比超过15则表明结论
本研究探讨了洪丰水库和普定水库中生物源元素的分布特征、它们的再生差异以及影响初级生产的主要因素。研究得出以下结论：
(1)在洪丰水库中，碳氮比范围为9.5至16.8，平均值为11.5，表明有机物主要来源于内部来源。
CRediT作者贡献声明
马珍珍：方法学、调查。于佳：方法学、调查。曾燕：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取。王文辉：写作——初稿撰写、可视化、调查、数据分析、概念化。陈静安：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取。王静福：可视化、方法学。谢淑云：写作——审稿与编辑，未引用参考文献
Babu等人，2000年；Cole等人，2007年；Li等人，2021年；Minoura等人，1997年；Schwarz，2001年；Song，2023年。利益冲突声明
? 作者声明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
本研究得到了国家关键研发计划（项目编号2023YFF0806000）、国家自然科学基金（项目编号U2202209、42177249、42303018）、中国科学院西部之光基金（CN）、贵州省科技计划（Qiankehe Platform-YWZ[2023]006、GZ2021SIG）的支持。我们非常感谢所有帮助我们改进手稿的编辑和审稿人。
