摘要
经过15年的建设与发展, 红枫湖水库生态系统贵州省野外科学观测研究站已形成集观测、研究、示范与服务于一体的高原深水湖库野外综合观测研究平台。本文聚焦西南区域水资源开发、水安全保障、水生态修复中的关键科学与技术问题, 以典型湖库的多要素长序列定位观测为基础, 系统总结了红枫湖站建设运行以来取得的主要研究进展: (1)阐明了水库生态系统具有水深大、多界面、逆周期水位波动、消落带退化等显著区别于天然湖泊的生态环境特征; (2)揭示了2009—2025年贵阳市红枫湖、百花湖水环境质量和富营养化状态的时空动态特征; (3)定量分析了2003—2020年气候变化和氮磷营养盐对湖库藻类水华的相对贡献及作用机制，凸显了气候变化下富营养化防治的紧迫性; (4)发现并论证了喀斯特湖库存在溶解无机碳施肥效应，促使浮游植物群落从硅藻、绿藻门向蓝藻门演替, 更易发生蓝藻水华; (5)建立了双碳同位素(δ13C-Δ14C)、硝酸盐氮氧同位素(δ15N-δ18O)、磷酸盐氧同位素(δ18OP)等多同位素示踪技术体系, 为流域污染精准溯源提供关键技术支撑; (6)基于自主构建的湖库沉积物-水界面原位高分辨观测技术，定量了典型湖库沉积物-水界面磷释放通量, 揭示了季节性缺氧诱导的Fe-P还原溶解是内源磷释放的关键机制; (7)研发了沉积物原位钝化、气泡羽流增氧、氧纳米气泡界面复氧等系列生态修复技术和材料, 在典型湖库实现推广应用。在此基础上，本研究对红枫湖站未来重点工作进行了展望，研究成果为西南地区水资源与水环境安全保障提供了重要科技支撑。
Abstract
Over the past 15 years, the Lake Hongfeng Reservoir Ecosystem Field Scientific Observation and Research Station in Guizhou Province has developed into an integrated field platform for monitoring, research, demonstration, and service focused on plateau deep-water reservoirs. Addressing key scientific and technological challenges related to water resource utilization, water security, and aquatic ecological restoration in southwestern China, and building upon long-term, multi-parameter, fixed-site observations of typical reservoirs, this study synthesizes the station's main research achievements: (1) It clarified that reservoir ecosystems possess distinct eco-environmental features—such as great depth, multiple interfaces, inverse seasonal water-level fluctuations, and degradation of the drawdown zone—that significantly differentiate them from natural lakes. (2) It revealed the spatiotemporal dynamics of water quality and eutrophication in Guiyang's Lake Hongfeng and Lake Baihua from 2009 to 2025. (3) From 2003 to 2020, it quantified the relative contributions and mechanisms of climate change and nitrogen/phosphorus nutrients in driving algal blooms in lakes/reservoirs, underscoring the urgency of eutrophication control under a changing climate. (4) It discovered and demonstrated a dissolved inorganic carbon fertilization effect in karst reservoirs, which promotes phytoplankton succession from diatoms and chlorophytes to cyanobacteria, thereby elevating the risk of cyanobacterial blooms. (5) A multi-isotope tracing system was established, including dual-carbon isotopes (δ13C-Δ14C), nitrate nitrogen and oxygen isotopes (δ15N-δ18O), and phosphate oxygen isotopes (δ18OP), providing crucial technical support for precise pollution source identification in watersheds. (6) Using independently developed in situ high-resolution observation technology for the sediment-water interface, the study quantified the phosphorus release flux at this interface in typical reservoirs and identified seasonally hypoxiadriven reductive dissolution of iron-bound phosphorus as a key mechanism of internal phosphorus loading. (7) A suite of ecological restoration technologies and materials—such as in situ sediment passivation, aerated bubble-plume oxygenation, and oxygen nanobubble-enhanced interface re-aeration—were developed and applied in typical reservoirs. Based on these findings, future research priorities for the Lake Hongfeng Station are proposed. Collectively, these outcomes provide important scientific and technological support for safeguarding water resources and water environment security in southwestern China.
西南地区是我国水资源的富集区，占全国水能资源总量的近70%。自20世纪50年代以来，我国先后在乌江、金沙江、澜沧江等河流修建了大量人工水库[1]。一方面，这些梯级水库为该地区提供了80%的城市生活用水和工农业用水，对区域经济社会发展具有重要意义[2]；另一方面，这些梯级水库还是我国南方“水塔”，其水资源与水生态安全直接影响我国半壁江山的生态环境安全[1]。例如，贵州省在建和已建的各类水库多达 2300 多座，而天然湖泊极少（面积大于1 km2的湖泊仅有1个，即草海），深水湖库是贵州水资源开发利用的主要形式[3]（目前学界尚未形成“深水湖库”的统一官方定义）。本文所指“深水湖库”特指平均水深≥10 m且存在显著季节性热分层的湖库。而且，随着国家西部大开发和水利水电可持续发展战略的实施，西南地区人工水库的数量还将不断增加。西南高原深水湖库无论是数量、类型还是开发时间方面，在全国均具有典型性和代表性[4]。我国水能开发建设在经历了以技术约束、资金约束和市场约束为主的发展期后，已进入以生态环境约束为主的时期。开展高原深水湖库生态环境长期定位观测具有强烈的现实需求，对促进区域生态文明建设和可持续发展均具有重大意义。
红枫湖水库生态系统贵州省野外科学观测研究站 （以下简称“红枫湖站”）位于贵州省贵阳市清镇市，始建于2011年，是一个以红枫湖水库为中心站点，以高原深水湖库生态系统自然演变过程与人为活动影响为观测内容的长期定位研究站。红枫湖站监测研究区域处于长江与珠江上游生态屏障的关键节点，是维护“两江”上游生态安全的重点区域，同时属全国重点人居保障功能区和国家生物多样性保护优先区域，长期定位监测对揭示区域高原深水湖库演变的过程机理意义重大。经多年发展，红枫湖站围绕西南高原深水湖库水安全保障、水生态修复的核心科学问题，在野外观测平台建设、深水湖库生态系统演变特征与气候响应、生源要素地球化学循环过程与机理、深水湖库内源污染机理与防治等方向开展长期定位观测与协同研究，取得了重要进展[5-8]。这些进展显著提升了对高原深水湖库生态系统的科学认识，为区域水资源开发、水安全保障与生态保护修复提供了理论依据与决策支持。
1 主要进展
1.1 水库生态系统具有显著不同于天然湖泊的生态环境特征
水库作为人工筑坝形成的水生生态系统，其生态环境特征与天然湖泊存在显著差异，这主要源于水文调控及物质循环过程的人为干预属性（图1）[9]。与自然湖泊漫长地质演化形成的稳定生态体系不同，水库的水环境与生态系统起点具有显著的人为驱动特征，其形成过程中被淹没的林地、草地或农田会直接向水体释放大量营养盐和有害物质，同时淹没土壤中有机质的降解不仅释放氮、磷等营养元素，还会促进沉积物中重金属的溶出，导致水体污染物负荷快速升高[10]。这种全新形成的沉积物-水界面成为水库初期生态环境演变的关键驱动界面，显著不同于自然湖泊相对稳定的、物质交换平衡的沉积物-水界面。随着水库运行时间的延长，水生植物光合作用产生的内源有机质在底部持续累积，进一步加剧了沉积物营养盐与重金属的蓄积风险，形成“外源输入-内源释放”的双重压力。
图1人工水库（a）与天然浅水湖泊（b）生态系统结构和生态环境特征差异
Fig.1Differences in ecosystem structure and ecological/environmental characteristics between artificial reservoirs (a) and natural shallow lakes (b)
水库生态系统的独特性还体现在结构特征与环境过程的耦合效应上，这不仅与天然浅水湖泊的单一生态格局存在显著差异，与同水深的深水天然湖泊相比，也因人工调控的核心属性呈现出截然不同的特征[11]。西南喀斯特区域的人工水库受人类活动影响，其沉积物中的营养盐和有机质含量多高于同区域天然湖泊，这一特征与水库形成过程及流域人类活动强度密切相关。以红枫湖为例，该水库受历史上大规模网箱养殖人工投饵、流域化肥厂排污等高强度人类活动影响，沉积物中总有机质（TOM）、总磷（TP）和总氮（TN）的最高值分别为32%、1.0%和1.03%，是太湖等东部天然湖泊的2~4倍，且沉积物中活性磷组分占比超过80%，为水体富营养化提供了持续的营养补给[12]。而同区域的贵州草海因自身生态特征与物质循环规律，沉积物TOM和TP含量高于红枫湖，也反映出湖库沉积物营养盐与有机质的富集特征，会受湖库类型、流域人类活动强度、生态系统结构等多重因素调控。在空间结构上，我国多数水库属于平均水深为10~50 m的亚深水水库，具有典型的季节性热分层特征，夏季温跃层的形成造成上、下层水体物质交换受阻，底层缺氧环境加速营养盐和重金属的释放，而季节性去分层时的强烈对流混合则可造成突发性水质恶化[13-14]。同时，水库普遍存在水-气界面、光补偿点界面、温跃层、氧化还原界面及沉积物-水界面等多个界面，多界面的物质能量交换主导了水体理化性质和生物分布格局，形成了比天然湖泊更为复杂的环境体系。区别于深水天然湖泊相对稳定的水文学过程，水库系统受人工调度干预，呈现出消落带“夏露冬淹”的强扰动特征。更为关键的是，这种物理扰动与富营养化-重金属协同污染、物质循环的累积效应及生态系统恢复力迟滞相耦合，形成了多维度的复合胁迫格局。这些特征作为水库生态系统的独有标识，揭示了其响应外界负荷削减的非线性机制，进而在逻辑上排除了将天然湖泊治理理论简单外推到水库系统的可行性[4]。
1.2 典型高原深水湖库水环境质量演变特征
近年来，高原深水水库作为区域重要的饮用水源地，其水质安全与生态环境演变已成为湖泊科学研究的热点。在生态环境脆弱的喀斯特地区，水库水环境演变深刻反映了人类活动和自然过程的复合影响。利用长序列定位观测数据，深入解析其富营养化进程及驱动机制，对于指导区域水生态修复具有重要的科学意义。
综合营养状态指数（TLI）通常被作为水库生态系统评价的核心指标[15-16]。红枫湖和百花湖位于贵州省贵阳市，是贵阳市重要的饮用水源地，均属于典型的喀斯特高原深水型水库。红枫湖平均水深约13.0 m，百花湖平均水深约10.8 m，两湖流域水文过程和水环境演变具有显著的人类活动与自然过程耦合特征。依托红枫湖生态站，研究团队在两湖库区布设长期监测点位，其中红枫湖设置7个监测点位，百花湖设置5个监测点位，同时在主要入湖河流（如东门桥河、南门河等）布设关键断面监测点。长期观测内容主要包括水温、水体理化指标（TN、TP、DIC等）、浮游生物群落、水文气象参数以及沉积物环境特征等，为系统揭示高原深水湖库生态环境演变提供了重要基础数据支撑[5，17]。
在时间维度上，流域综合治理成效日益显现，水库水质总体上明显改善。百花湖TLI指数在2010年达到峰值记录（52.41）后呈稳健下降态势，于2015年降至监测历史最低值（36.25），表明外源污染截留措施有效削减了入湖负荷[17]；红枫湖营养状态相对稳定，仅少数月份处于轻度富营养水平（图2）。然而，两湖水体均表现出显著的季节性波动。夏季受高强度降雨径流驱动所导致的非点源污染负荷增加，常引发TLI瞬时跃升，如2009年4月的峰值记录（52.94）即为典型案例[5]。2019年以来，两湖TLI稳定维持在40~50区间，指示水体处于中营养至轻度富营养的临界过渡状态，反映出污染管控步入平台期。2020年后，红枫湖和百花湖的TLI指数呈现小幅回升。这一变化并非源于外源污染负荷反弹，而是流域点源污染得到有效控制后，内源污染释放逐渐成为影响水体营养状态的主要因素。前期流域治理以点源和面源削减为重点，对沉积物中磷等营养盐的内源释放尚未形成系统管控。随着外源输入大幅减少，内源释放的贡献相对凸显[5，17]。同时，在全球气候变暖背景下，西南地区夏季高温期延长、极端降雨增多，高温加剧水体热分层与底层缺氧，促进沉积物中铁结合态磷等活性物质释放。暴雨径流则进一步扰动沉积物，加速内源营养盐向上覆水体迁移[18-19]。二者叠加，推动了TLI指数的小幅上升。这一趋势表明，湖库治理进入平台期后，内源污染的精准防控已成为下一阶段水生态修复的关键。未来治理策略亟需由单一的点源控制向流域面源污染精准防控与内源治理协同控制的综合治理范式转变。
1.3 气候变化和营养盐对湖库藻类水华的贡献辨识
在全球气候变暖背景下，水库作为人工调控的水生生态系统，其生态演变过程对气候变化的响应机制已逐渐成为研究热点。研究表明，水库水华风险对气温变化的响应敏感性显著高于天然湖泊，这一现象源于其独特的管理模式[20-21]。红枫湖站研究团队通过对全国范围内97个重点湖库2003—2020年的观测数据综合分析发现，水库藻类水华风险期呈现持续延长的趋势，18年间累计延长54 d，增幅较同期湖泊高出28.6%（图3）[21]。这一变化数据清晰反映了水库生态系统对气候变化的高度敏感性。深入分析水华风险的时间变化特征可见，2003—2020年间全国水库藻类水华发生率呈现快速上升态势，相对增幅达到129.7%[21]。虽然近年来的污染治理取得了一定成效[22]，但气候变暖驱动的水华风险仍然持续存在[20]。定量研究结果表明，气温上升已成为影响水库藻类水华动态变化的主导因素，其对藻类水华风险期延长的贡献率高达17%，显著高于TP（5.3%）和TN（3.5%）等传统营养盐指标的贡献率[17]。这一量化数据为我们理解气候变化影响水库生态系统的重要性提供了科学依据。
水库系统对气候变暖的特殊响应特征与其水文水力特性密切相关。定量研究结果表明，水库藻类水华发生的温度阈值平均为12.6℃，较天然湖泊的16.7℃明显偏低[21]。这种差异主要源于水库深水区较强的热分层效应，导致水库在春季提前升温、秋季延迟降温，从而显著延长了藻类生长的适宜时段[23-24]。以富春江水库为例，1972—2020年间该区域平均气温上升速率为0.35℃/10年，在2016年极端高温条件下，夏季叶绿素a浓度峰值达到（65.3±21.3）μg/L，这为研究气候变化与藻类水华暴发的关联性提供了典型案例[25]。
图22009—2023年红枫湖和百花湖综合营养状态指数（TLI）长序列变化趋势（a: TLI的月尺度序列变化；b: 红枫湖和百花湖TLI值对比；c: TLI的年均值序列变化）
Fig.2Long-term trend of the trophic level index (TLI) in Lake Hongfeng and Lake Baihua, 2009-2023 (a: Monthly time series of TLI; b: Comparison of TLI values between Lake Hongfeng and Lake Baihua; c: Annual mean time series of TLI)
进一步分析表明，气温升高主要通过三个途径促进藻类增殖：首先，直接提升水体温度，加速藻类代谢活动；其次，减弱水体表层风速，强化热力分层现象[26]；最后，通过改变微生物循环过程间接影响营养盐的再生利用效率[27]（图3c）。气候变化与营养盐输入的交互作用呈现出典型的非线性特征。统计发现，在全国范围内97个重点湖库中，全年超过67%的时间里气温对藻类水华形成的贡献度高于营养盐。在全球气温持续上升背景下，温度对藻类水华时间格局的影响范围正以每年0.82 d的速度持续扩大，这一趋势需引起足够重视[21]（图3b）。气候变化对水库生态系统的影响研究正从现象描述阶段逐步深入到机制解析阶段，这一领域的进展将为全球变化背景下水环境保护提供重要的科学参考。
1.4 喀斯特湖库DIC施肥效应
基于长期定位监测，揭示了喀斯特湖库存在DIC施肥效应。DIC施肥会促使浮游植物群落从硅藻、绿藻门向蓝藻门演替，更易导致湖库发生蓝藻水华[28]。
在建立喀斯特湖库碳循环与浮游植物协同观测网络体系基础上，研究团队针对西南喀斯特地区亚深水水库普遍存在的热分层与碳限制问题，在红枫湖（平均水深13.0 m）和百花湖（平均水深10.8 m）开展了“一站两点”长期定位观测。自2023年2—11月，系统采集月度表层水样及季节垂直剖面样品，同步测定水温、pH、DIC、CO2（aq）、δ13CDIC、TN和TP等理化参数，并鉴定浮游植物群落结构[28]。观测数据显示，温暖季节表层水CO2（aq）浓度较寒冷季节骤降60%~90%，降至5.7~18.6 μmol/L的不饱和状态，而δ13CDIC同步富集至-6.5‰~-1.0‰，清晰记录了光合固碳驱动的碳同位素分馏过程。该观测网络体系实现了对喀斯特水库“碳-生物”耦合过程的实时捕捉，为揭示DIC施肥效应奠定了数据基础。
图3近20年来影响水库藻类水华加剧的主导因素与受控机制（a: 2003—2020年中国97座主要湖库藻类水华风险期的变化趋势；b: 一年中气温贡献高于营养盐贡献的时段； c: 气温升高促进藻类增殖的主要途径）
Fig.3Dominant factors and governing mechanisms contributing to the intensification of algal blooms in reservoirs over the past two decades (a: Trends in the algal bloom risk period for 97 major lakes and reservoirs in China, 2003-2020; b: Periods within a year when the contribution of air temperature exceeds that of nutrient concentration; c: Principal pathways through which rising air temperatures promote algal proliferation)
研究团队揭示了表层水CO2（aq）限制驱动蓝藻优势取代的生态机制。基于长期监测数据，研究发现CO2（aq）浓度与蓝藻丰度呈显著负相关（r=-0.80，P＜0.01），而与硅藻、绿藻相关性微弱。当CO2（aq）＜20 μmol/L时，蓝藻丰度突破5000 cells/mL的水华预警阈值，最高达45000 cells/mL，占藻总量的70%~92%。资源利用效率分析表明，蓝藻对CO2资源利用效率（）较硅藻和绿藻高出近10倍，其在低CO2（aq）环境下的竞争优势凸显[28]。通过Zhang等[29]提出的CO2（aq）/TN和CO2（aq）/TP机制解析发现，温暖季节水体处于CO2（aq）限制状态，硅藻和绿藻等生长能力减弱，而蓝藻（优势种为假鱼腥藻）通过SbtA高亲和性HCO-3转运系统，在CO2（aq）占DIC比例低于1%的条件下，仍可维持高效的光合作用。这种“碳限制下的优势取代”本质上是DIC形态分布对群落结构的“选择性施肥”效应——系统优先筛选具备较强碳浓缩机制（CCM）的物种，突破了传统氮磷限制理论。在CO2（aq）不饱和条件下，藻类丰度的增加伴随着DIC浓度的下降，且优势蓝藻与 HCO-3 浓度呈显著负相关（P ＜0.05），表明藻类对无机碳的利用增强，从而验证了 DIC 施肥效应的存在（P＜0.05），证实了DIC施肥效应的存在。
热分层对DIC垂向分布及蓝藻优势具有强化效应。季节垂直剖面观测揭示，温暖季节温跃层成为碳输送的物理屏障。7月表层水CO2（aq）仅为16.5 μmol/L，而底层达124.8 μmol/L；表层δ13CDIC富集至-1.7‰，底层则为-9.8‰。这种垂向分异导致表层碳限制加剧，而底层矿化产生的CO2无法穿越温跃层对表层补给。值得注意的是，喀斯特水库独特的高pH（8.0~8.7）使DIC形态分布进一步向HCO-3倾斜（占比＞99%），CO2（aq）不足1%。蓝藻通过CCM机制直接高效利用HCO-3缓解CO2（aq）限制，因而在喀斯特湖库中DIC施肥效应更为明显。这种“热分层-碳形态-物种优势”的级联效应使亚深水水库比浅水湖泊更易维持蓝藻优势。在全球变暖背景下，热分层期延长且稳定性增加[30]，将进一步增强DIC施肥效应，同时蓝藻水华暴发风险也显著升高（图4）。
图4喀斯特湖库DIC施肥效应增加蓝藻水华风险
Fig.4The DIC fertilization effect in karst lakes and reservoirs elevates the risk of cyanobacterial blooms
1.5 多元同位素示踪为流域污染精准溯源提供关键技术支撑
双碳同位素是研究湖库碳循环过程的有效手段。建立了系统的不同环境介质样品的双碳同位素（δ13C-Δ14C）分析方法，可将含碳量低至100 μg的不同有机质、沉积物、土壤、悬浮颗粒物、滤膜、生物等样品制成石墨靶样，用于加速器质谱法（accelerator mass spectrometry，AMS）测试。首先通过物理筛选、酸碱提取等预处理，将样品杂质去除，然后通过高温燃烧或酸化等方式将样品中有机碳或无机碳转化成CO2。再通过高真空纯化系统将CO2提纯，其中一部分CO2用于分析δ13C值，另一部分通过石墨自动制样系统（Aeon-CEGS 12X）制备成石墨，石墨压靶后通过AMS（1.0MV，3SDH-1 UAMS）分析Δ14C值。全过程通过无烟煤标样（GSB06-2103—2007，ZMB093）进行本底控制，插入标准样品NBS Oxalic acid II（SRM-4900C）和IAEA-C7进行质量控制，系统14C本底在5.0万年以上，Δ14C测试精度优于3‰。
基于双碳同位素技术，开展了高原深水湖库水体有机碳的来源与迁移转化特征研究，发现藻源有机碳对水体有机碳贡献率高达60%，是维持大型湖泊生态系统的关键；沉积物再悬浮对上覆水体有机碳的贡献不容忽视，即使在深水湖泊（抚仙湖）也超过了15%[31]。深水湖库中陆源有机质较藻源有机质沉降更快，而约75%的藻源有机质在下沉过程中分解，只有少部分内源性有机质最终埋藏在沉积物中[32]。
硝酸盐在水体中的来源较为广泛，包括降水、农业化肥、城镇生活污水、工业废水以及土壤有机氮等[33]。硝酸盐来源不同，其氮氧同位素组成往往也具有显著差异[34]。硝酸盐中的氮氧稳定同位素信号相对稳定，在迁移和转化过程中仍能保存清晰的来源信息[35-36]，因此被广泛用于示踪地表和地下水体中硝酸盐来源、刻画水体中氮的迁移转化过程[37-38]。与传统的离子比例法[39]、主成分分析（PCA）和聚类分析法[40]等技术相比，硝酸盐氮氧同位素示踪法在识别精度和准确度上具有明显优势，且操作更加简便。随着同位素混合模型，特别是稳定同位素源解析模型（stable isotope analysis in R，SIAR）及其衍生模型和分析方法的发展，已能够实现各来源贡献率的定量分析[41-42]。通过硝酸盐氮氧同位素和同位素混合模型结合，可以解决不同来源同位素信号叠加导致的来源贡献混乱和贡献率难以定量计算等问题，为水体硝酸盐来源解析提供了有效量化手段。
基于硝酸盐氮氧同位素与SIAR模型，并结合流域水化学特征，定量识别出贵州草海丰水期湖水及其入湖河流的硝酸盐主要来源于化肥施用和养殖业等农业活动，贡献率可达55%。城镇生活污水和大气降水同样是重要来源，贡献率分别约为22%和 23%[34]。
磷是湖库富营养化的关键限制因子。科学的磷源示踪是有效开展流域磷污染管理的基本前提[43]。研究团队在国际上率先建立并完善了湖库环境不同介质样品的磷氧同位素（δ18OP）分析方法，为厘清磷的来源与转化提供了有效的技术手段。近年来，δ18OP成为新型示踪工具广泛应用于淡水环境样品，在解释磷来源方面具有很大潜力，但仍存在前处理步骤繁多、除杂不彻底、低磷浓度场景应用困难等一系列问题[44]。目前自然水体中δ18OP的测定方法主要源于海水δ18OP的测定技术，最初由Karl等[45]建立的Mg（OH）2-PO4共沉淀法（俗称MAGIC）通过在海水中加入NaOH生成Mg（OH）2来共沉淀富集PO3-4，这一简单高效的操作为“低磷浓度”自然水体中δ18OP的分离纯化预处理奠定了坚实基础，并至今被广泛使用[46]。在MAGIC共沉淀方法的基础上，本研究采用Mg（NO3）2代替MgCl2以减少Cl-离子的引入，用无磷活性炭粉末去除有机杂质，并增加了真空焙烧的步骤去除含氧杂质[47-48]。通过改进大大简化了低磷水体样品δ18OP的前处理步骤，将磷的回收率提高到98%以上（图5）。同时，我们采用 Zr-oxide 膜富集沉积物中不同形态的磷，所制备的样品对磷酸盐具有选择性吸附能力，对常见阴离子、DOC、金属及微量元素的去除率可高达96%[6]。基于此，建立了一套完整的 δ18OP分析方法，并成功应用于不同湖泊环境介质中，为淡水湖泊生态系统中磷的精准溯源及其地球化学循环提供了系统的技术支撑。
图5湖库环境样品磷酸盐氧同位素分离纯化前处理流程
Fig.5Pre-treatment procedure for the separation and purification of phosphate oxygen isotopes (δ18OP) from environmental samples of lakes and reservoirs
多元同位素示踪技术在流域污染溯源中的应用，均以红枫湖站长期、连续的原位观测结果为基础支撑。原位观测提供了流域水文、水质、沉积环境与生态变化的真实背景信息，能够有效约束同位素溯源结果的时空尺度，提升污染源解析的准确性和可靠性，二者结合为红枫湖-百花湖流域污染来源识别、迁移路径刻画及管控策略制定提供了关键技术支撑。
1.6 湖库沉积物-水界面原位高分辨观测技术定量评估内源磷释放通量
沉积物内源磷释放是深水湖库水体磷的重要来源。由于缺乏高分辨率的分析技术，目前对深水沉积物内源磷释放过程、机制与通量的研究较为薄弱。研究团队联合应用薄膜扩散梯度（diffusive gradients in thin-films，DGT）技术、平面光电极（PO）技术以及Unisense微电极技术，构建了深水湖库沉积物-水界面物质交换原位高分辨率观测技术平台。结合传统的磷形态分析，在室内模拟实验和野外现场观测基础上，系统开展了主要环境条件（温度和溶解氧）对湖泊沉积物内源磷释放影响的高分辨率研究。研究发现，温度升高可以极大地促进沉积物内源磷的释放，其中NaOH-P的释放量占总释放量的85.3%。好氧条件下沉积物磷释放不明显，而厌氧条件可显著促进沉积物内源磷的释放。沉积物的厌氧释放以NaOH-P为主，其释放量占总释放量的84.8%[49]。分析表明，季节性缺氧诱导的铁结合态磷的还原溶解是红枫湖沉积物内源磷释放的关键机制[49]。
基于DGT-labile P高分辨率监测数据和扩散模型，率先较为精确地估算了红枫湖沉积物内源磷的年释放通量（总量为10010~12540 kg；其中，夏季6270~7999 kg，冬季3740~4541 kg），占红枫湖全年水体磷的35.7%~44.6%。红枫湖沉积物内源磷释放是水体磷的重要来源。红枫湖沉积物-水界面磷的扩散通量较高，均值达0.22 mg/（m2·d）（图6）[50]，显著高于东部浅水湖泊，如太湖（范围：-0.21~0.65 mg/（m2·d）；平均值：0.15 mg/（m2·d））[51]和洞庭湖（范围：-0.03~0.20 mg/（m2·d）；平均值：0.09 mg/（m2·d））[52]，表明其沉积物内源磷污染较为严重。红枫湖沉积物TP含量均值高达1160 mg/kg（n=117），活性磷（即Fe-P）占比达40%以上，这可能是造成红枫湖沉积物内源磷释放通量高于东部浅水湖泊的主要原因。
图6基于DGT技术和HR-Peeper技术估算的红枫湖南湖（SC）和北湖（NC） 沉积物内源磷释放表观通量（a）、净通量（b）的月度变化
Fig.6Monthly variations in the apparent flux (a) and net flux (b) of sediment internal phosphorus release in the South Lake (SC) and North Lake (NC) of Lake Hongfeng，estimated using DGT and HR-Peeper techniques
1.7 研发了多种生态修复技术，为高原深水湖库保护治理提供了科技支撑
高原深水湖库底层水体季节性缺氧造成沉积物中污染物向上覆水体释放，导致水体富营养化，并对区域水质与生态系统构成双重威胁。基于气泡羽流扩散原理，研发了高原深水湖库气泡羽流增氧技术[53]，该技术不仅能有效提升底层DO浓度，还能抑制湖库富营养化。深水湖库分层期在湖底放置羽流增氧喷射装置，喷射出的气泡与引入的水流形成气水混合物后不断上升，随着含氧气泡不断溶解、消失，气水混合物上升至最大高度后因密度差形成下沉羽流，羽流下沉至平衡深度后富氧水体进一步向四周扩散，达到向底层水体增氧的目的，从而显著抑制内源污染物释放，削减上覆水体污染物浓度，抑制藻类生长[54]。该技术成功应用于贵州阿哈水库取水口水环境修复，修复区水质明显改善，底层水体DO浓度提高了3~4倍，同时去除了45%以上的重金属，保障了区域供水安全[55]。
原位钝化技术是一种经济、高效、生态的湖库沉积物内源污染控制技术，通过表面吸附、离子交换、物理阻隔等作用减少营养物质从沉积物向上覆水体释放，从而达到控制水体富营养化的目的。喀斯特高原湖库水体存在高pH、高有机质、高HCO-3等特征，针对传统钝化材料不适宜喀斯特深水湖库的问题，研发了铝钙改性膨润土、锆改性蒙脱石、镧铝改性膨润土系列新型钝化材料，显著提高了钝化材料的吸附容量，抑制了沉积物内源磷释放通量，促进沉积物中活性磷向稳定态转化，同时可提高水体透明度，改善水质[56]。相关技术在贵州红枫湖、黔灵湖、草海等云贵高原湖库水环境修复中应用，其中水体氨氮浓度降低至对照区的30%以下，TP浓度低至0.05 mg/L，DO浓度高于9 mg/L，透明度提升2倍以上，藻类丰度和蓝藻比例明显降低[57-58]。
纳米气泡（尺寸通常在几十纳米至几百纳米）是一类可稳定留存于水体和固-液两相界面的微细气泡，具有高比表面积与高溶氧传质能力的特点[59]，在湖库生态修复中具有巨大潜在价值。针对传统增氧技术在氮磷控制与增氧效率方面的不足，通过醇-水交换、水-水交换等方法将氧纳米气泡负载到黏土矿物表面，研发了系列纳米气泡材料和载氧吸附剂，通过表面吸附与气泡氧化作用协同高效去除黑臭水体中的氮磷污染物，大幅降低底泥内源污染释放通量，并为沉水植物萌发和生长创造有利条件[60]。开发的氧纳米气泡改性矿物颗粒可精准作用于沉积物-水界面，高效提升沉积物表层（数毫米）溶解氧水平，同时有效缓解沉水植物种子萌发和生长的低氧胁迫，促进沉水植物的快速萌发与定植，打破了传统技术“单一增氧/单一控污”的局限[61-62]，为河流、湖库内源污染原位控制和健康水生态重建提供了新的技术手段。
2 总结与展望
基于西南典型高原深水湖库长期定位观测与数据积累，红枫湖生态站研究团队在高原深水湖库生态系统演变特征与气候响应、生源要素地球化学循环过程与机理、深水湖库内源污染机理与防治研究方面取得了显著进展，开发了系列深水湖库保护修复关键技术，为深水水库生态环境保护治理及区域可持续发展提供了重要技术支撑。
未来，红枫湖站拟利用高新技术和方法，持续加强高原深水湖库生态环境与气候响应的长期监测，并拓展区域环境演变与可持续发展协同研究方向，紧密围绕“高原深水湖库水质与水生态的长期野外定位观测、生源要素生物地球化学耦合循环过程及生态环境效应、水库突发性水质恶化事件驱动机制与预测预警、水库水生生态系统的健康评价以及水库生态系统修复与水质安全协同提升”五大领域，着力提升学科综合交叉研究能力，努力建设集“观测-模拟-研究-示范”为一体的高原深水湖库生态系统科学观测研究一流平台，为高原深水湖库生态环境保护治理和区域可持续发展提供决策咨询和关键科技支撑。
