高原深水湖泊抚仙湖有机质积累对水体“黑色浮沫”灾害的激发机制研究

Lake Fuxian is a vital drinking water source with Grade I water quality in China. However the environmental crisis caused by ‘black froth” phenomena which has occurred widely and continually in recent years has become a severe challenge to protect water quality of Lake Fuxian. Although it has been recognized that high organic matter loading in the sediment of Lake Fuxian accounted for ‘black froth” phenomena in the previous study, the driving processes and mechanisms are still unclear. The transformation of organic matter from water, deposition to sediment and their sedimentary environmental impacts are investigated to reveal the key source of ‘black froth”. The microuniversal control experiments and full scale field investigations are conducted using source tracing technique, micro-interface techniques like high precision microprofiles measure technique and high resolution element information acquire technique. The characteristic and behavior in benthic boundary layer under the influence of different sources of organic matter are studied, the key processes and mechanisms to induce “black froth” phenomena are discussed, and then the emerging model of “black froth” is driven and verified. The research results will improve the knowledge about geochemical processes on lacustrine sediment interface. The evolution process of benthic environment indicated by ‘black froth” phenomena will provide scientific basis for the pollution treatment of Lake Fuxian.

高原深水湖泊抚仙湖是我国重要的I类水质水源区，但近几年水体持续暴发大面积的“黑色浮沫”，成为抚仙湖水质保护面临的一个严峻挑战。前期研究表明抚仙湖沉积物快速积累的高负荷有机质是“黑色浮沫”发生的物质基础，但是，沉积有机质驱动“黑色浮沫”现象发生的机制亟待阐明。本研究拟通过连续动态研究抚仙湖有机质从水体、沉降物到沉积物的迁移转化归趋过程及其沉积环境效应，确定抚仙湖黑色浮沫现象发生的物源基础；通过微宇宙控制实验和现场全过程研究，结合同位素示踪、高精度物理剖面测量、高分辨元素信息获取等微界面技术，研究有机质积累条件下沉积生境的界面特征，辨析驱动“黑色浮沫”产生的关键过程和作用机制，全过程原位跟踪验证黑色浮沫现象发生模式，揭示“黑色浮沫”现象所指示的抚仙湖沉积环境演变过程，在理论层面，丰富对湖泊沉积物界面地球化学过程的认知；在应用层面，为抚仙湖沉积环境治理提供科学依据。

抚仙湖“黑色浮沫”现象发生预示了占我国I类淡水资源总量50%的抚仙湖的生态环境已发生显著转变，揭示“黑色浮沫”现象的形成机制对保护我国这一重要淡水资源具有重要意义。本项目通过多次全湖采样，结合原位监测、微宇宙实验，研究湖泊有机质的积累特征及其对黑色浮沫现象的驱动机制。研究表明，近年来抚仙湖有机质快速积累，表层沉积物有机质已呈富营养水平，并随水深增加，总有机质和活性有机质含量显著增加。河口扩散区不同水深沉积物有机质降解程度表明建造河口湿地有效阻拦了外源有机质的输入。全湖温室气体原位监测结果显示，混合期和分层期湖区均为大气中甲烷的“源”，冒泡是湖泊浅水区甲烷重要的释放方式，因此甲烷冒泡的顶托作用可能使黑色物质脱离沉积物表层上升到湖面形成黑色漂浮物。采用抚仙湖优势种水华束丝藻标记碳同位素，应用碳同位素在线监测仪，示踪有机质积累产生的激发效应。以南、北湖心沉积物为研究对象，均呈现少量加藻对沉积物矿化产生正激发效应，促进沉积物有机质分解；而大量藻屑输入表现为负激发效应，长期堆积将减缓沉积物中SOM的矿化速率，导致有机质的累积。藻屑添加对不同类型沉积物的激发效应不同，污染最为严重的东大河河口和梁王河河口激发效应强于南北湖心和水土流失为主的尖山河河口。藻屑堆积促进了沉积物矿化速率，反硝化速率和产甲烷速率得到大幅度提升，明显促进铁还原作用和硫酸盐还原作用，间隙水富集大量亚铁离子和硫离子，为黑色漂浮物形成提供了物源基础。应用扫描电镜-能谱仪（SEM-EDS）、x射线光电子能谱(XPS)分析了黑色漂浮物的物质组成特征，主要由有机质碎屑裹挟FeS组成。不同有机质积累程度的沉积物垂直剖面上P-Fe-S的协同关系证明了富碳沉积物中化学铁还原更强烈。沉积物有机质积累促进了化学铁还原发生和AVS形成，从而造成黑色漂浮物现象，结合有机质积累特征及其激发效应、甲烷冒泡机制，从生物地球化学的角度揭示了黑色漂浮物的形成机制。