冰封期富营养化湖泊溶解性有机质组分特征及分配机制

In ice-covered lakes, the enrichment, dispersion and screening of pollutants in ice layer will occur under the effect of freezing and thawing. However, the theoretical explanation on the driving forces and its impact on lake pollution process during the ice-freezing period are unknown. To reveal the background information of those phenomenons, Wuliangsu Lake will be study as a typical seasonal ice-covered lake. This study will construct from three respects: the main occurrence morphology and component characterization of DOM in ice-water-sediment, the distribution of DOM in different ice structure types and their effects on DOM components in water-sediment, the simulation of DOM migration during ice-freezing period based on shallow lake thermodynamic process. We expect to explain the ice DOM screening effect and its influence mechanism on liquid water and nutrient load in sediments, and try to identify the factors of the water environment stress and pollution control in ice-covered lakes. The results could be apply to precise calculation of lake pollution capacity in cold region and ecological risk estimation in high latitudes, and provide theoretical support for improvement of endogenous treatment efficiency and ecological restoration in eutrophic lakes during ice-freezing season.

冰封期湖泊冻融作用下，冰层溶解性有机质（DOM）存在富集、分散及筛选等现象，其驱动机制及对湖泊污染过程的影响还不明确。为深入了解冰封期DOM迁移过程及驱动因子，本项目拟选择典型季节性覆冰湖泊（乌梁素海）为研究区域，通过冰封期原位调查和控制条件模拟实验，综合应用冰结构特征识别、稳定同位素、分子荧光和核磁共振等技术，开展冰-水-泥中DOM主要赋存形态及组分表征，不同冰结构类型中DOM组分分配规律及对水-泥中DOM主要组分的影响，基于浅水湖泊热力学过程的DOM冰封期迁移过程模拟三个方面的研究。阐述冰层DOM筛选作用对冰下水体和底泥营养水平的驱动机制，甄别冰封期湖泊水环境胁迫作用及污染防控要素。该成果有助于精准核算寒旱区湖泊纳污力和高纬度湖泊生态风险防控，为提高冰封期富营养化湖泊内源污染治理效率和生态修复提供理论依据。

冰封期是高纬度湖泊的重要物候特征，针对冻融作用下冰层溶解性有机质（DOM）存在富集、分散及筛选等现象。选择典型季节性覆冰湖泊（乌梁素海、岱海）为研究区，开展冰封期湖泊DOM迁移及驱动因子研究，建立了湖泊冰盖微结构信息提取和DOM荧光光谱峰值批量数据筛选方法，识别了乌梁素海冰盖中冰晶体形式主要是柱状，以热力生长为主，晶体C-轴随机分布且总体为各向同性材料，并呈现气泡和污染物含量分层现象。结合原位调查和冻融模拟实验，系统分析了冰-水-泥中DOM主要赋存形态及组分，发现沉积物和上覆水体中营养盐和类蛋白物质在冰盖生长排斥作用下均处于积累阶段，当春季冰盖融化，上覆水浓度被稀释，在水温上升及扰动增强共同作用下，沉积物中营养盐及类蛋白物质将向上覆水体短期迅速释放，为春季浮游植物生长提供充足养分，具有引发春季“水华”暴发的风险。开展冻融作用对冰-水DOM组分影响及营养盐动态变化模拟研究发现，冻结过程中类腐殖质和类色氨酸易从冰层排出，类酪氨酸组分选择富集在冰层；融化过程中类酪氨酸和类色氨酸优先从冰层溶出。这种随介质相态变化溶质选择性富集与分离的现象使湖泊DOM在冰封期发生再分配，随之影响冰下水环境状态及营养盐分布。通过建立浅水湖泊热力学过程营养盐迁移模型，可实现冰封期冰下水环境动态监测管理。重点通过光谱质谱联用技术，研究岱海冰封期水环境DOM分配、迁移机制及影响因素，得出在结冰过程中芳香程度高的组分倾向于被排出到冰下水体，而分子量小且共轭程度较低组分富集于冰层，以亲水性的HIA与HIN组分为主；其中木质素结构分子因其化学稳定性强而难以被微生物降解和光解，在岱海冰层（55.8%）和冰下水体（60.7%）DOM中占比最高，碳水化合物和不饱和烃类物质均易受光解和微生物降解影响，含量较低。冰层光降解过程优先去除氧化的芳香结构，因此缩合芳烃化合物在冰相中的占比低于水相，并且盐分是冰层DOM富集行为的重要影响因素。