近百年来异龙湖有机碳和无机碳埋藏响应水体富营养化的协同变化特征

湖泊碳埋藏模式及其动态变化对陆地碳汇通量与全球碳收支估算具有重要影响,然而现有湖泊碳埋藏评估主要基于有机碳的埋藏模式,缺乏对无机碳埋藏以及有机碳-无机碳协同变化过程的系统评估.本文通过对云南岩溶区异龙湖开展沉积物岩芯样品的多指标分析和湖盆3个点位的记录对比,结合210Pb、137Cs年代学序列,识别了1900年以来异龙湖有机碳和无机碳埋藏通量的变化历史和空间特征,并甄别了二者协同变化的主要特征及其转化路径.结果表明,近百年来流域开发导致的营养盐长期输入(如沉积物氮和磷的持续富集)显著提高了异龙湖的内源初级生产力,表现为1900~2020年间沉积物藻类色素含量持续增加,蓝藻叶黄素浓度由~7.02μg/g显著增加到~38.99μg/g.同期有机碳和无机碳的埋藏通量均出现持续的上升趋势,且两者的同步变化特征显著(r=0.98~0.99,P<0.001).回归分析表明,藻类生物量是碳埋藏通量上升的主要驱动因子(R^(2)=0.33~0.91,P<0.001),指示了藻类光合作用以及“生物碳泵”效应对碳埋藏过程的驱动作用.在流域地表物质输入强度总体下降(如磁化率信号和沉积物C:N比值的减小)的背景下,藻类生物量和内源有机碳的持续上升导致了有机质矿化过程中自生碳酸盐的转化作用明显增加(如无机碳δ13C信号的持续下降),进而促进了有机碳与无机碳埋藏通量的协同增长.上述结果表明,水体富营养化过程促进形成了有机碳和无机碳埋藏通量同步增加的长期模式,加强了异龙湖有机碳和无机碳埋藏过程的耦合作用.因此在人类活动与气候变化持续的背景下,对岩溶地区湖泊碳埋藏模式的科学评估需要关注无机碳埋藏过程及其对陆地碳汇通量的动态影响.

异龙湖草——藻型稳态转换的碳氮磷化学计量特征及埋藏量估算

了解湖泊沉积物中C、N、P化学计量特征对于加强陆地水域生态系统化学计量学研究和揭示草型、藻型不同湖泊生态系统生源要素响应轨迹具有重要意义。本文基于覆盖全湖的20根短钻岩芯,对云南浅水富营养湖泊异龙湖沉积物有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)进行测定与分析,结合前人对异龙湖稳态转换发生的对应沉积深度划分,探讨了水体富营养化驱动的草型、藻型湖泊演化阶段对沉积物化学计量特征的影响。结果表明,湖泊沉积物C、N、P化学计量特征存在明显的时空异质性,异龙湖藻型湖泊阶段TOC、TN和TP含量分别为(4.83±1.47)%、(0.42±0.09)%和(0.04±0.01)%,均显著高于草型湖泊阶段的(3.87±0.98)%、(0.31±0.08)%和(0.03±0.02)%。藻型湖泊阶段的C∶N∶P值为347∶26∶1,较草型湖泊阶段(519∶35∶1)显著下降,反映了水体富营养化驱动下草—藻型稳态转换过程的水生植物群落更替和水环境参数改变对低内稳态有机个体在生态化学计量学上的影响。在不同元素之间,受有机质来源组成、化学元素的功能及活性差异等多因素影响,异龙湖沉积物中C、N元素主要在河流入湖口及沿岸带富集而P元素在深水区富集,导致P元素与C、N元素间的耦合性较低。在表层0~15 cm,异龙湖沉积物TOC、TN和TP埋藏量分别为1829 t/km^(2)、160 t/km^(2)和16 t/km^(2),顶部0~5 cm(藻型湖泊阶段)的平均埋藏速率较10~15 cm(草型湖泊阶段)升高30%~36%,但受含水率影响,10~15 cm的储量是顶部0~5 cm的1.5倍。与其他富营养化湖泊对比发现,温度极大地影响着湖泊有机质的有效埋藏,对湖泊沉积物C、N、P的源、汇功能起到关键的调控作用。异龙湖较高的水温使得底泥营养盐容易释放到湖泊水体中形成二次污染,加剧了湖泊生态修复的难度。本文揭示的湖泊生态化学计量及储量特征可为深化高原湖泊C、N、P循环认识与评估营养盐埋藏提供重要的科学依据。

喀斯特富营养湖泊水体碳浓度及储量变化特征——以异龙湖为例

为探究喀斯特富营养湖泊水体不同赋存形式碳浓度和碳储量动态变化模式及其影响因素,本研究于2021年9月—2022年6月对异龙湖开展4个季节、20个点位的水质和水体碳浓度时空分布特征研究。结果发现,异龙湖水体碳以溶解碳占主导,溶解无机碳(DIC)浓度在4种赋存形式碳中最高为(41.26±4.93)mg/L,溶解有机碳(DOC)次之为(16.23±2.23)mg/L,颗粒碳浓度相对较低,颗粒有机碳(POC)和颗粒无机碳(PIC)浓度分别为(10.05±1.81)mg/L和(0.82±0.56)mg/L。异龙湖全年水体碳储量平均值为5.30 Gg C,4种赋存形式碳储量占比分别为60.57%(DIC)、23.77%(DOC)、14.53%(POC)和1.13%(PIC)。分析表明,异龙湖DOC、POC浓度与营养盐负荷及藻类生物量有关,指示其主要来源于藻源性有机碳。DIC浓度与DOC、水温、氨氮、入湖河流分布等因素相关,表明DIC受矿化作用、水温及流域水体稀释作用的共同驱动。PIC浓度与叶绿素a浓度和酸碱度有关,指示其主要受藻类光合作用导致的酸碱平衡破坏影响。异龙湖不同赋存形式碳浓度间存在一定的耦合关系,反映了不同赋存形式水体碳存在迁移和转化,湖泊富营养化导致藻类生物量增加,造成有机碳浓度POC和DOC同步升高,同时有机质的矿化作用也引起无机碳与有机碳的协同变化。与其他湖泊相比,异龙湖具有更高的水体碳浓度水平,可能与异龙湖的富营养化、喀斯特地质背景以及特殊的地理位置等因素有关。在碳储量上,水量是影响湖泊水体碳储量的关键因素,而富营养化提高了水体碳浓度和碳累积速率,增强了湖泊的碳汇效应,在全球湖泊富营养化问题日趋严峻的背景下,湖泊水体碳储量在生态系统碳汇估算中的地位逐渐显露。

异龙湖草型-藻型稳态转换的有机碳氮及其同位素源解析

湖泊稳态转换导致湖泊由清水态向浊水态转变,不仅削弱湖泊生态系统功能和服务,同时会对湖泊有机质来源组成及碳氮循环过程产生显著影响。本研究采集了异龙湖20根短钻岩芯,对沉积物有机质的碳氮稳定同位素及C/N值进行测定,根据指标变化模式并结合前人研究结果,识别了异龙湖稳态转变前后草型阶段和藻型阶段两个时期。结果显示,沉积物δ^(15)N值较低(2.50‰±1.42‰),与化肥氮同位素信号相近,表明长期的农业面源污染是导致异龙湖水体富营养化的主要原因。近百年来异龙湖从草型清水态向藻型浊水态的转变过程中,呈现碳同位素信号偏负、C/N值较低的藻源性有机质来源占比升高而水生维管束植物(δ^(13)C偏正,C/N值较高)来源降低的演变过程。进一步运用MixSIAR贝叶斯混合模型对异龙湖草型、藻型两个时期有机质来源的定量分析表明,浮游植物贡献率从草型湖泊阶段的26.69%±4.38%上升到藻型湖泊阶段的41.91%±5.03%;而沉水植物贡献率则由16.10%±6.26%下降到2.89%±1.09%。此外,较高的陆源有机质占比(草型:39.6%±3.5%,藻型:37.3%±3.4%),可能与较大的异龙湖流域与湖泊面积比(11.63)以及流域土地利用类型改变导致的地表侵蚀速率上升有关。草型和藻型阶段中挺水植物的相对贡献率没有显著差异(17.60%±1.87%和17.93%±1.62%),指示浅水湖泊湖滨带挺水植物分布广泛,受水体营养水平的影响较小;同时挺水植物纤维素含量高、降解速度慢,更容易在沉积物中保存,成为沉积物有机质的重要来源之一。湖泊生态系统稳态转换过程中有机质来源的定量研究有助于精准甄别不同有机质贡献情况,为制定湖泊管理策略与实施评估提供帮助,为生态修复提供理论支撑。