高分辨孔隙水采样器解析湖泊系统转变对沉积物砷释放的机制

富营养化湖泊中大型植物的衰退正在改变沉积物中的物质循环，然而针对这些变化中砷（As）的转化响应机制仍不明确。本研究采用高分辨率渗析法，对水生植物优势区（ MD）和藻类优势区（AD）沉积物孔隙水中的溶解态As进行了多季节观测，解析了沉积物As形态分异与环境变化的关联，揭示了As的转化过程。结果表明：大型植物向藻类优势区转变会强化沉积物As释放。AD区孔隙水溶解As在夏季达峰值120.36 μg/L，释放强度最高；而MD区在春季呈现显著As释放特征（34.92 μg/L）。春季MD区植物残体分解酸化与有机质（OM）络合作用共同促进了吸附态As的释放；夏季AD区则通过铁（Fe）氧化物还原溶解与溶解性磷（P）的吸附位点竞争驱动As释放。值得注意的是，MD区沉积物夏季高腐殖化程度与低氧化还原电位促进了As-S共沉淀，反而导致As被固定而非释放，这与"暖季促进沉积物As释放"的传统认知形成鲜明对比。富营养化湖泊中水生植物向藻类的演替可能加剧As释放风险，这一过程值得深入探究。

大型植物与藻类主导的生态体系对沉积物中砷（As）的转化过程具有差异性影响。在 AD区，孔隙水中溶解态As浓度在夏、秋季显著高于冬、春季的低值；而MD区孔隙水溶解态As浓度则在春季达到峰值，反映出截然不同的As释放机制。进一步分析表明，沉积物中铁（Fe）氧化物和As-S共沉淀物是驱动As形态转化的主要来源。MD区春季大型植物残体分解导致pH降低并释放有机质（OM），通过酸化作用与有机质络合促进吸附态As的解吸释放。AD区夏季则通过铁（Fe）氧化物的还原溶解释放固持态As，成为该生态体系下As释放的主要途径。此外，孔隙水中总磷（TP）浓度的升高显著增强了As的溶解迁移能力。值得注意的是，MD与AD区间溶解态锰（Mn）浓度的差异表明，沉积物中有机质（OM）分解可能通过改变（Mn）氧化物的存在状态，调控As的形态转化与空间分布。研究结果证实，大型植物与藻类主导的湖泊生态系统沉积物As转化过程存在显著差异。随着富营养化加剧与大型植物的衰退，沉积物As溶解释放过程可能进一步强化，这一趋势亟待后续研究重点关注。

在水灾害防御全国重点实验室燕文明团队的研究中，HR-Peeper（高分辨率孔隙水采样装置）在监测沉积物孔隙水中的化学变化方面发挥了重要作用。HR-Peeper通过毫米级高分辨率采样，精确采集沉积物孔隙水中的砷浓度，帮助揭示砷在沉积物-水界面的扩散规律和释放机制。其原位监测功能避免了样品在采集和运输过程中的污染，提高了数据的准确性。此外，HR-Peeper能够实时捕捉沉积物孔隙水中砷浓度的动态变化，分析其与环境因子（如pH值、溶解氧）的关系。这些功能为研究湖泊系统从以大型植物为主向以藻类为主转变对沉积物中砷释放的影响提供了关键数据支持，为湖泊生态系统管理和污染治理提供了科学依据。