河流边界系统中的湖泊-地下水生物地球化学相互作用：地下水与湖泊城市观测站（GLUO）

《International Review of Hydrobiology》：Lake–Groundwater Biogeochemical Interactions in a River-Delimited System: The Groundwater and Lakes Urban Observatory (GLUO)

　　城市水生生态系统保护与湖-地下水-河流相互作用研究。基于德国Magdeburg地下水与湖泊联合观测站（GLUO）2023年数据，分析Elbe河、Salbker南/北湖及两个地下水井的水化学与稳定同位素特征。发现Salbker南湖因Zechstein盐层溶解导致高离子浓度（Cl?930 mg/L，SO?2?1193 mg/L），形成天然硫化氢反应器，夏季底层溶解氧≤1.8 mg/L，与有机物矿化及硫化物氧化相关。同位素δ2H和δ1?O显示蒸发主导的水循环特征（斜率5.1），较全球气象水线（GMWL）更平缓，印证气候变暖加剧蒸发分层。研究强调需建立多学科监测框架应对此类脆弱城市洪泛区的水质与生态风险。

　　城市水生态系统对于人类福祉、生物多样性保护以及社会的可持续发展具有至关重要的作用。然而，这些系统常常面临复杂且多重的挑战，特别是在洪水泛滥区，湖、地下水和河流之间的相互作用往往存在内在的脆弱性，但目前仍鲜有系统性的研究。因此，建立有效的环境管理策略显得尤为重要，这些策略需基于物理、化学和同位素的约束条件，以确保这些水体的保护和可持续利用。本文以德国马格德堡的“地下水与湖泊城市观测站”（Groundwater and Lakes Urban Observatory, GLUO）为例，介绍了该观测站的监测方法及其对水体化学、同位素特征和生态系统的分析结果。

### 1. 研究背景与意义

城市水系统不仅是人类居住的重要基础设施，更是保障社会可持续发展和生态环境稳定的关键要素。合理的管理策略可以确保水质和水量的稳定供应，从而支持城市居民的生活需求和工业发展。同时，良好的水环境也有助于提升社区居民的身心健康。因此，对城市水系统进行科学评估和有效管理是保障城市生态平衡和人类福祉的重要手段。

然而，城市水系统的监测和管理面临诸多挑战。一方面，由于城市环境的复杂性，监测网络往往呈现出碎片化的特点。在德国，相关工作由地方市政府、市政基础设施管理机构以及水务管理委员会（Wasserverb?nde 或 Wasserwirtschaftsverb?nde）共同承担，这些机构负责水处理、防洪、地下水管理及水资源监测。另一方面，不同地区的法规和标准也存在差异，这使得统一的管理框架难以建立。此外，随着全球气候变化的加剧，温度和降水模式的长期变化对城市水系统构成了新的挑战。例如，极端天气事件（如洪水和干旱）的频率和强度正在增加，这可能对城市水系统的结构和功能产生深远影响。

与此同时，城市化进程加快也加剧了水系统的压力。许多水体基础设施建设于几十年前，已超过其预期使用寿命，难以应对日益严重的极端气候条件。此外，人为活动如筑坝和采砂，也在一定程度上增加了城市水体管理的难度。这些活动改变了水体的自然流动路径，影响了水质和水文条件，从而对水体的生态功能造成威胁。特别是在洪水泛滥区，水体之间的相互作用更为复杂，这使得相关研究显得尤为必要。

### 2. 研究区域与监测策略

GLUO 位于德国马格德堡，地处易北河谷。该区域的地质条件复杂，地层从泥盆纪（Devonian）延续到第四纪（Quaternary），包括河流沉积物、黄土以及冰川期形成的冲积层。地表以下，中生代的Bunter砂岩和Zechstein地层也存在，后者为晚二叠纪的海相沉积物，主要由蒸发岩（如石膏、岩盐）和碳酸盐岩组成。这些地质条件对水体的化学特征具有重要影响。

在水文方面，GLUO 的水体包括易北河、两个湖泊（Salbker 南湖和北湖）以及五口地下水井。研究发现，易北河的流量主要来自西部，而湖泊和地下水之间的相互作用则更为复杂。例如，2013 年的特大洪水事件中，这两个湖泊都被淹没，其中南湖在6月6日达到最大水位，表明其对水文变化具有较高的敏感性。近年来，由于气候变化，春季融雪导致的流量减少，使得洪水发生频率发生变化，进一步凸显了对城市水系统进行长期监测的必要性。

此外，该区域历史上曾存在重要的工业活动，如重工业和化学肥料、农药的生产，这些活动遗留下的污染问题依然存在。例如，围绕地下水井 GS1 的废弃采砂场曾用于处理冶炼废渣、建筑垃圾和塑料废弃物，这些污染物通过地下水迁移，可能对湖泊生态系统造成影响。因此，研究该区域的水文与污染动态，对于制定有效的环境管理措施具有重要意义。

### 3. 水体化学特征与同位素分析

为了更深入地理解GLUO的水体化学特征，研究团队对不同水体的离子组成、溶解氧（DO）浓度和稳定同位素进行了系统分析。研究发现，南湖的离子浓度显著高于其他水体，尤其是氯离子和硫酸盐。这表明南湖可能受到Zechstein地层中蒸发岩的影响，尤其是在水位变化过程中，地下水与蒸发岩之间的相互作用可能加剧了南湖的盐度。

在溶解氧方面，南湖在分层期（通常为4月至9月）表现出明显的DO减少现象，特别是在湖底区域，DO浓度降至1.8?mg/L。这种现象与有机物的矿化作用以及硫化物的氧化过程有关，同时也表明南湖可能是一个天然的硫化氢（H?S）反应器。H?S的产生与DO的减少密切相关，这可能导致水体中的生物活动受到抑制，进而影响整个生态系统的健康。

同位素分析（δ2H?O 和 δ1?O?）则提供了关于水体来源和蒸发过程的重要信息。研究发现，这些同位素的组成趋势与全球降水线（GMWL）相比更为平缓，表明该区域存在一定的蒸发作用。同时，某些水体的同位素特征可能受到蒸发岩的影响，尤其是在与石膏等矿物发生水岩相互作用时，同位素的组成会进一步改变。这种现象在南湖尤为明显，其同位素组成显示出与蒸发岩相关的特征，可能与Zechstein地层的水文活动有关。

### 4. 水温与溶解氧的季节性变化

南湖和北湖的水温与溶解氧在冬季混合期（10月至次年3月）表现出较为一致的特征，表明湖水在这一时期与大气存在较强的交换。而在夏季分层期（4月至9月），南湖的水温梯度更为显著，且DO浓度在湖底区域明显下降。这种变化与湖水中的有机物矿化和硫化物氧化密切相关，同时，由于湖水温度升高，DO的溶入能力降低，进一步加剧了湖底的缺氧现象。

相比之下，北湖在夏季分层期表现出较高的DO浓度，尤其是在5米深度处，DO含量超过10?mg/L，这表明北湖的水体交换更为活跃，可能受到周围环境的影响。此外，北湖的采样点并未位于湖底，但其采样结果仍能代表整个水体的特征，表明该湖的水体分布较为均匀。

南湖的特殊形态，如湖心岛屿和岸边植被，使其在夏季更容易形成稳定的热分层，而北湖的复杂地形则可能影响其水体交换模式。这些特征不仅影响湖水的物理性质，还可能改变其化学组成，进而影响整个生态系统的稳定性。

### 5. 研究发现与生态影响

通过长期监测，研究团队发现南湖的高离子浓度和高DO消耗可能与其独特的地质背景有关。Zechstein地层中的蒸发岩（如石膏和岩盐）可能是南湖盐度升高的主要来源，尤其是在地下水与这些地层发生相互作用时，会释放出大量氯离子和硫酸盐。这些离子的输入可能使南湖成为整个GLUO系统中盐度最高的水体，进而影响其他水体的化学特征。

此外，南湖的高营养输入（尤其是磷）导致其水体中藻类生物量显著增加，形成富营养化的环境。这种环境不仅影响水体的生物多样性，还可能导致DO的进一步消耗，特别是在湖底区域。因此，南湖的生态功能可能受到较大影响，特别是在夏季，其湖底区域的缺氧可能对依赖氧气的生物构成威胁。

### 6. 研究意义与未来方向

本研究强调了城市洪水泛滥区中湖、地下水和河流相互作用的重要性，尤其是在涉及富营养化和硫化物富集的水体时。由于这些水体具有较高的脆弱性，因此建立多学科的监测框架至关重要。通过监测水体的化学特征、同位素组成以及生态动态，可以更全面地理解这些水体的演化过程，为未来的环境管理提供科学依据。

未来的研究将重点放在对湖水富营养化机制的进一步分析，包括对叶绿素a和营养物质浓度的评估，以及对硼同位素（δ11B）和硫同位素（δ3?S）的分析。这些研究将有助于更精确地识别营养物质的来源，并评估硫化物在水体中的循环过程。同时，研究团队还计划利用氧同位素（Δ1?O）进一步追踪蒸发过程，以更全面地理解水体的动态变化。

此外，GLUO 的研究也为全球其他类似区域的水系统提供了参考。尽管像南湖这样的富营养化和硫化物富集水体在自然界中较为罕见，但其对城市生态系统的潜在影响不容忽视。因此，建立区域性的监测网络，推动跨学科合作，将有助于更全面地评估这些水体的生态价值和环境风险。

### 7. 结论

综上所述，GLUO 的研究揭示了城市水系统中复杂的水文与化学相互作用。通过监测不同水体的离子组成、溶解氧变化和同位素特征，研究团队能够更深入地理解这些水体的来源和演化过程。特别是南湖的高盐度和富营养化现象，可能与其地质背景和人为活动密切相关。因此，建立长期的、系统的监测机制，对于保护这些脆弱的水生态系统至关重要。

未来的研究将重点关注这些水体的富营养化机制、硫化物循环以及气候变化对水体功能的影响。同时，研究团队也呼吁加强跨区域和跨学科的合作，以更全面地评估城市水系统的生态价值和环境风险。通过这些努力，可以为城市水资源管理提供科学支持，推动可持续发展和生态环境保护。