藻型湖泊溶解有機碳特征及其對甲烷排放的影響

肖啟濤 廖遠(yuǎn)珊 劉臻婧, 胡正華

0 引言

湖泊作為內(nèi)陸水體的重要組成部分,與陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生強烈的物質(zhì)和能量交換,也是流域碳等的主要匯集場所．因此,湖泊是全球碳循環(huán)的重要結(jié)構(gòu)單元,其碳通量研究已成為全球碳循環(huán)研究的前沿和熱點問題[1-3]．碳生物地球化學(xué)循環(huán)過程在湖泊生態(tài)系統(tǒng)異常活躍,大量內(nèi)源或者外源型碳在湖泊中經(jīng)歷分解、固定、埋藏和輸出等過程,致使湖泊呈現(xiàn)出極其顯著的碳源和碳匯等功能,影響區(qū)域和全球碳收支[4-6]．

湖泊水體中碳的賦存形態(tài)主要有溶解有機碳(DOC)、溶解無機碳(DIC)、顆粒有機碳(POC)和顆粒無機碳(PIC),其中DOC是主要的有機碳．DOC是湖泊生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的重要組成部分,也是湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要調(diào)節(jié)器[7-8]．水體DOC按其來源可分為外源性和內(nèi)源性DOC,外源性DOC主要來自于流域輸入,內(nèi)源DOC主要來自于浮游植物光合作用產(chǎn)物的釋放等[8-9]．相關(guān)研究表明在貧營養(yǎng)湖泊中,DOC來源主要以外源輸入為主[10],但在富營養(yǎng)化湖泊中,藍(lán)藻暴發(fā)可促使DOC含量升高,DOC以內(nèi)源性為主[11]．另外,研究發(fā)現(xiàn)因富營養(yǎng)湖泊中藍(lán)藻大量增值,其DOC含量要顯著高于其他湖泊[12-13]．考慮到全球湖泊普遍面臨著富營養(yǎng)化問題,且湖泊藍(lán)藻暴發(fā)呈現(xiàn)增長趨勢[14],為深入掌握湖泊碳循環(huán)機理和準(zhǔn)確估算湖泊碳收支,藻型湖泊DOC來源、生物地球化學(xué)過程及其對浮游植物水華過程的響應(yīng)需要進(jìn)一步探究．

湖泊水體DOC豐富程度對溫室氣體產(chǎn)生和排放具有重要影響[15-16]．水體甲烷(CH4)產(chǎn)生和排放與DOC緊密相關(guān),眾多研究表明CH4與DOC濃度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[1,17-18]．水體DOC既可作為底物為CH4產(chǎn)生提供碳源,同時高DOC使水體中氧氣消耗快,減少CH4的氧化消耗[15,19-20]．富營養(yǎng)湖泊是全球CH4的熱點排放區(qū)域,受到越來越多的關(guān)注[21]．在富營養(yǎng)化湖泊中,營養(yǎng)鹽等生源要素累積可刺激CH4產(chǎn)生和排放[22-23],但同時藻類增殖提高了新鮮DOC含量,大量新鮮DOC很易降解并產(chǎn)生大量CH4氣體[20,24]．富營養(yǎng)湖泊DOC積累及其營養(yǎng)負(fù)荷對CH4排放的影響模式需要進(jìn)一步明晰．

太湖位于我國長江中下游區(qū)域,是我國第三大淡水湖泊,同時也是湖泊水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題最早的湖泊之一．近些年太湖藍(lán)藻暴發(fā)頻次和暴發(fā)范圍均有明顯上升趨勢[25-26],其碳循環(huán)及其控制過程也受到了極大的關(guān)注[27-31]．本研究以太湖為研究對象,基于為期一年的逐月野外調(diào)查,探討藻型湖泊DOC變化特征及其對CH4排放影響,以期為深入掌握富營養(yǎng)化湖泊碳循環(huán)過程的控制機理及其CH4排放的調(diào)控過程提供科學(xué)依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

太湖水域面積為2 400 km2,平均水深為2 m,是典型的亞熱帶大型淺水湖泊．太湖流域橫跨三省一市(江蘇省、浙江省、安徽省和上海市),整個流域面積高達(dá)36 895 km2,流域內(nèi)水系發(fā)達(dá),河網(wǎng)密布,河道長度高達(dá)1.2×105km．另外,太湖及其流域受季風(fēng)氣候影響,四季分明,光照充足,溫?zé)釛l件好,降雨充沛,年降水量約1 154 mm,夏季降水多且頻繁[32]．近幾十年來,由于流域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及湖泊資源的不合理利用,太湖水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重,藍(lán)藻水華頻繁暴發(fā)．太湖水體生態(tài)和環(huán)境空間分異極大,藻型湖區(qū)和草型湖區(qū)共存[27-28]．草型湖區(qū)主要位于太湖的東部(圖1),水生植被豐富,水質(zhì)良好,部分水域清澈見底．根據(jù)污染負(fù)荷輸入和富營養(yǎng)化程度等,太湖藻型湖區(qū)可劃分為5個部分,即梅梁灣、西北湖區(qū)、貢湖灣、湖心區(qū)和西南湖區(qū)(圖1).其中:梅梁灣位于太湖北邊,是一個半封閉的湖灣,入湖河流給該區(qū)帶來了較大的外源負(fù)荷輸入;西北湖區(qū)周邊有大量的入湖河流,入湖水量最多,同時入湖河流攜帶大量外源污染物匯集在該湖區(qū);貢湖灣位于太湖的東北角,連接太湖流域“引江濟(jì)太”的重要調(diào)水通道;湖心區(qū)域面積較大,水域開闊,受人為活動影響相對較低;西南湖區(qū)連接太湖主要的入湖河道,換水周期快,是浮游植被和沉水植被的過渡區(qū)．

圖1 研究區(qū)域及采樣點位介紹Fig.1 Geographic locations of study sites

1.2 水樣采集和分析

本研究在太湖梅梁灣、西北湖區(qū)、貢湖灣,湖心區(qū)域和西南湖區(qū)等藻型湖區(qū)均勻設(shè)置21個采樣點位(圖1),進(jìn)行為期一年的連續(xù)采樣．在梅梁灣、西北湖區(qū)、貢湖灣,湖心區(qū)域采樣頻次為每月一次,西南湖區(qū)采樣頻次為每季度一次．每次采樣時,基于GPS精準(zhǔn)定位,到達(dá)每個采樣點位采集水樣,用于水體溶解有機碳(DOC)分析．每次采樣前先用待采湖水沖洗采樣瓶,樣品采集完成后,放入帶有冰塊的冷藏箱里,運回實驗室水樣經(jīng)GF/F膜過濾后,通過總有機碳分析儀測定DOC含量．

另外,在每個點位采集水樣用于溶解CH4含量分析．采樣時保證水面沒有擾動,采集水表以下約20 cm處水樣,裝入已用待采水樣沖洗的玻璃瓶中(體積為300 mL),待玻璃瓶裝滿水樣后立即用丁基膠塞密封,確保瓶內(nèi)無氣泡．同時為保證氣密性,用封口膜密封瓶塞和玻璃瓶的接口．采集水樣在野外保存在冷藏箱中,帶回實驗室后立即進(jìn)行預(yù)處理,處理流程如下:每個水樣先用100 mL的高純氮氣(摩爾分?jǐn)?shù)≥99.999%)頂空,然后劇烈搖晃5 min,搖晃完成后將玻璃瓶靜置,使CH4氣體在玻璃瓶頂空部分(氣相)和剩余水樣 (液相)之間達(dá)到動態(tài)平衡,最后用帶有三通閥的針筒抽取頂空中的CH4氣樣,通過氣相色譜儀測量其濃度．基于氣相色譜儀測量的濃度,利用物料守恒原理計算水樣溶解CH4的原始濃度[33]．基于野外采樣獲取的水體溶存CH4濃度,本研究利用水-氣界面擴散模型計算CH4擴散通量(Fm,mmol·m-2·d-1):

Fm=0.001×k×(Cw-Ceq)，

(1)

式中:0.001是單位轉(zhuǎn)換系數(shù);Cw為水體CH4溶存濃度(nmol·L-1),由頂空平衡法計算得到;Ceq為特定溫度下大氣CH4濃度與水體表面CH4氣體達(dá)到平衡時的濃度(nmol·L-1);k是水-氣界面CH4氣體的交換系數(shù)．已有研究表明在大型湖泊中,水-氣界面氣體交換系數(shù)k值主要受風(fēng)力驅(qū)動[34],因此本研究基于觀測的風(fēng)速計算水-氣界面CH4氣體交換速率,計算公式[35]為

(2)

式中:0.24是單位轉(zhuǎn)換系數(shù);Sc是無量綱CH4氣體施密特數(shù),與水溫相關(guān);n是與風(fēng)速相關(guān)的系數(shù);U10是10 m 高度的風(fēng)速 (m·s-1),根據(jù)粗糙度和儀器的觀測高度計算得到[32],同步風(fēng)速數(shù)據(jù)由太湖中尺度通量觀測網(wǎng)絡(luò)提供[28]．計算得到CH4擴散通量為正值時表征水體是向大氣CH4的排放源．

1.3 輔助觀測

1.4 數(shù)據(jù)分析

分湖區(qū)(梅梁灣、西北湖區(qū)、貢湖灣、湖心區(qū)域和西南湖區(qū))統(tǒng)計分析觀測數(shù)據(jù)以及計算得到的數(shù)據(jù),采用相關(guān)分析(Pearson correlations)方法分析不同指標(biāo)在空間尺度和時間尺度上的相關(guān)性．基于觀測的數(shù)據(jù)以及計算得到的數(shù)據(jù),采用One-way ANONA分析比較不同數(shù)據(jù)組間的差異,使用LSD(Least-Significant Difference)方法檢驗其差異是否顯著(P=0.05)．

2 結(jié)果

2.1 DOC空間變化及其影響因子

圖2表征太湖藻型湖區(qū)DOC的空間變化特征．由圖2可知,DOC具有強烈的空間變化特征,不同點位年均DOC質(zhì)量濃度介于3.19 mg/L與5.08 mg/L之間,均值為4.15 mg/L．在湖區(qū)尺度上,西北湖區(qū)DOC質(zhì)量濃度最高(4.85mg/L),其次為梅梁灣湖區(qū)(4.50 mg/L)和湖心區(qū)域(4.27 mg/L),貢湖灣和西南湖區(qū)DOC則相對較低,其質(zhì)量濃度分別為3.60 mg/L和3.50 mg/L．統(tǒng)計分析表明,貢湖灣和西南湖區(qū)DOC質(zhì)量濃度顯著(P<0.01)低于其他湖區(qū)．值得注意的是,西北湖區(qū)在河流入湖口處DOC較高,但是貢湖灣和西南湖區(qū)河流入湖口的DOC較低,其中年均DOC質(zhì)量濃度最低值(3.19 mg/L)出現(xiàn)在貢湖灣河流入湖口處．因藻類大量增殖和藍(lán)藻水華暴發(fā)導(dǎo)致太湖藻型湖區(qū)具有較高的初級生產(chǎn)力,Chl-a質(zhì)量濃度高且具有顯著的空間異質(zhì)性．結(jié)果分析表明,太湖藻型湖區(qū)DOC的空間變化與Chl-a質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖3a),Chl-a控制57%的DOC質(zhì)量濃度空間變化(R2=0.57,P<0.01)．太湖藻型湖區(qū)另一特點就是營養(yǎng)鹽富集,氮磷負(fù)荷高,相關(guān)性分析表明DOC的空間變化也和總氮(TN)緊密相關(guān)(R2=0.43,P<0.01;圖3b)．逐步多元統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),Chl-a和電導(dǎo)率(Spc)共同控制77%的DOC空間變化(R2=0.77,P<0.01)．相關(guān)性分析是判斷因果關(guān)系和驅(qū)動力的前提,以上分析結(jié)果表明Chl-a和TN等是驅(qū)動DOC空間變化的主要環(huán)境變量．

圖2 觀測期間DOC空間變化Fig.2 Spatial variation of DOC during sampling period

圖3 年均DOC質(zhì)量濃度與Chl-a(a)和TN(b)的空間相關(guān)性Fig.3 Spatial correlations of annual mean DOC concentration against (a)Chl-a and (b)TN

2.2 DOC的時間變化及其影響因子

連續(xù)采樣表明在月尺度上DOC質(zhì)量濃度波動明顯．其中,西北湖區(qū)DOC質(zhì)量濃度介于3.22 mg/L與6.47 mg/L之間,梅梁灣DOC質(zhì)量濃度介于3.28 mg/L與5.96 mg/L之間,貢湖灣DOC質(zhì)量濃度介于1.50 mg/L與5.02 mg/L之間,湖心區(qū)域DOC質(zhì)量濃度介于3.06 mg/L與5.52 mg/L之間．富營養(yǎng)湖泊藍(lán)藻生消過程可產(chǎn)生大量DOC,影響水體DOC變化[8]．本研究表明太湖西北湖區(qū)、梅梁灣和貢湖灣的DOC季節(jié)波動與表征藍(lán)藻生物量的Chl-a質(zhì)量濃度無直接關(guān)聯(lián)(圖4)．但是,在受外源負(fù)荷輸入影響較小的湖心區(qū)域,其DOC質(zhì)量濃度月變化與Chl-a呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.60,P<0.01;圖4d),表明藍(lán)藻暴發(fā)是其DOC時間變化的主要驅(qū)動因子．

圖4 月尺度西北湖區(qū)(a)、梅梁灣(b)、貢湖灣(c)和湖心區(qū)域(d)DOC與Chl-a的相關(guān)性Fig.4 Correlations between monthly DOC and Chl-a in (a)Northwest Zone,(b)Meiliang Bay,(c)Gonghu Bay,and (d)Central Zone

太湖流域降雨充沛,大量降雨不僅補充了太湖水資源,同時也攜帶了大量外源負(fù)荷入湖[36]．西北湖區(qū)和梅梁灣是太湖上游地區(qū)的主要匯水區(qū),其DOC質(zhì)量濃度的季節(jié)波動與降雨量緊密相連(圖5),尤其是在西北湖區(qū),降雨量可解釋其67%的DOC變化(R2=0.67,P<0.01)．但是在貢湖灣和湖心區(qū)域,DOC的季節(jié)波動與降雨量無直接聯(lián)系(圖5)．值得注意的是,在半封閉的富營養(yǎng)化梅梁灣,降雨量與TN、TP和Chl-a共同控制95%的DOC月際變化(R2=0.95,P<0.05)．

圖5 月尺度西北湖區(qū)(a)、梅梁灣(b)、貢湖灣(c)和湖心區(qū)域(d)DOC濃度與降雨的相關(guān)性(降雨量為采樣前5日的雨量總和)Fig.5 Correlations between monthly DOC and precipitation in (a)Northwest Zone,(b)Meiliang Bay,(c)Gonghu Bay,and (d)Central Zone

2.3 CH4通量空間變化影響因子

湖泊水-氣界面CH4擴散通量作為碳在水體流動轉(zhuǎn)移的結(jié)果,其變化特征受多種環(huán)境變量驅(qū)動．前期研究表明太湖CH4擴散通量具有極為顯著的空間變化特征,且藻型湖區(qū)是太湖CH4的“熱點”排放區(qū)域．本研究表明太湖藻型湖區(qū)CH4擴散通量在空間尺度上介于0.006 mmol·m-2·d-1與0.254 mmol·m-2·d-1之間,均值為0.083 mmol·m-2·d-1．結(jié)果分析表明CH4擴散通量的空間變化與DOC和Chl-a具有顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5),表明藻型湖區(qū)藍(lán)藻暴發(fā)和DOC富集對CH4產(chǎn)生和排放有顯著影響．逐步多元統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)DOC與水深共同控制59%的CH4擴散通量的空間變化(R2=0.59,P<0.01)．

2.4 CH4通量時間變化及其影響因素

湖泊等水體CH4擴散通量往往具有極為顯著的時間變化特征,明晰CH4通量時間變化的影響因素對深入掌握CH4循環(huán)過程及預(yù)測其未來變化尤為重要．逐月觀測數(shù)據(jù)表明西北湖區(qū)、梅梁灣、貢湖灣和湖心區(qū)域CH4擴散通量變化明顯(圖6)．其中,西北湖區(qū)CH4擴散通量最高為0.506 mmol·m-2·d-1,出現(xiàn)在11月,但最低值僅為0.050 mmol·m-2·d-1,出現(xiàn)在12月;貢湖灣CH4通量表現(xiàn)出雙峰特點,在6月和9月分別出現(xiàn)CH4排放通量峰值;梅梁灣和湖心兩個湖區(qū)CH4擴散通量表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化特征,即夏季CH4擴散排放通量最高,冬季最低．

圖6 CH4排放通量與DOC(a)和Chl-a(b)的空間相關(guān)性Fig.6 Spatial correlations of DOC concentration against (a)DOC and (b)Chl-a

圖7 不同湖區(qū)CH4擴散通量時間變化Fig.7 Temporal variations of CH4 diffusion flux at Northwest Zone,Meiliang Bay,Gonghu By,and Central Zone

表1 不同湖區(qū)CH4通量與環(huán)境變量的時間相關(guān)性Table 1 Temporal correlations between CH4 flux and environmental variables at the four zones

3 討論

3.1 DOC來源解析

DOC是維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵物質(zhì),調(diào)節(jié)和影響著湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[7]．湖泊水體DOC時空異質(zhì)性強,富營養(yǎng)化湖泊一般具有較高的DOC含量[12-13],且湖泊DOC時空變化在很大程度上受其來源的影響,因此辨識其DOC來源對全面理解湖泊碳循環(huán)和探究湖泊碳的生物地球化學(xué)過程具有重要意義．湖泊等水體DOC來源主要包括外源輸入和內(nèi)源產(chǎn)生,其中外源輸入受流域初級生產(chǎn)力和分解速率的共同控制,且與流域來水量密切相關(guān)[13,37-38]．流域降雨是太湖水量主要補給方式,本研究發(fā)現(xiàn)西北湖區(qū)和梅梁灣DOC季節(jié)變化與降雨量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5),表明外源輸入驅(qū)動著這兩個湖區(qū)DOC的時間變化．另外在空間尺度上,DOC與TN也具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖2),考慮到太湖氮負(fù)荷主要來自于外源輸送[39-40],且流域碳氮輸入具有共變特征[29,41],這也從另一方面說明外源輸送是太湖藻型湖區(qū)DOC的主要來源方式．

富營養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻暴發(fā)也與DOC濃度變化密切相關(guān),是DOC的主要內(nèi)源產(chǎn)生途徑[8]．相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)湖泊DOC來源存在季節(jié)性變化規(guī)律,藍(lán)藻暴發(fā)期間DOC產(chǎn)生速率高,且主要來源是內(nèi)源性碳[8,42-43]．本研究發(fā)現(xiàn)DOC的空間變化與Chl-a呈顯著正相關(guān)關(guān)系,表明藍(lán)藻暴發(fā)可顯著增加DOC濃度．但是,在嚴(yán)重富營養(yǎng)化的西北湖區(qū)和富營養(yǎng)化的梅梁灣湖區(qū),DOC濃度的季節(jié)變化與Chl-a無直接關(guān)聯(lián)性,這與之前相關(guān)研究有所不同[8-9]．考慮到西北湖區(qū)和梅梁灣接收了大量的流域外源負(fù)荷,高強度的外源輸入可能顯著增加水體DOC的外源比例[37],致使內(nèi)源性碳對DOC季節(jié)變化的影響相對較低．值得注意的是,在受外源輸入影響較低的湖心區(qū)域,其DOC的季節(jié)變化主要受Chl-a驅(qū)動(圖4和圖5),表明內(nèi)源性碳是其DOC主要來源途徑．因此,太湖水體不同來源DOC的貢獻(xiàn)比例在不同湖區(qū)之間有所不同．

湖泊等水體DOC含量受到多重因素的綜合影響,不同水體不同因素的影響程度不同.早期研究表明貧營養(yǎng)化湖泊因其生產(chǎn)力較低,DOC來源以外源性為主[10],本研究表明在富營養(yǎng)化湖區(qū),尤其是在西北湖區(qū),DOC季節(jié)波動受流域降雨量驅(qū)動(圖5),表明外源輸入對DOC含量變化影響顯著,即在藻型高產(chǎn)生力湖泊中,外源性DOC的貢獻(xiàn)也可能較顯著．值得注意的是,盡管西南湖區(qū)和貢湖灣也連通太湖的主要入湖河道(圖1),但其DOC濃度受外源輸入影響相對較低(圖5),其主要原因可能源于流域特征[37-38]．與西北湖區(qū)和梅梁灣相比,西南湖區(qū)和貢湖灣上游區(qū)域受人為干擾強度相對較低,其入湖河流DOC和污染物濃度較低[44],致使外源性碳貢獻(xiàn)不顯著．此外,西南湖區(qū)和貢湖灣藍(lán)藻生物量相對較低[29],進(jìn)一步致使其內(nèi)DOC含量顯著(P<0.01)低于其他湖區(qū)DOC含量(圖2)．因此,在開展湖泊等水體DOC來源辨識研究中應(yīng)考慮自然和人為等多種因素的綜合影響．

3.2 不同湖區(qū)CH4通量的驅(qū)動因子

湖泊等水-氣界面CH4擴散排放構(gòu)成了全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[2],明確其CH4排放變化特征及其控制因素對完善湖泊碳循環(huán)過程的基本理論有著重要作用．基于為期一年的觀測表明,太湖藻型湖區(qū)CH4擴散通量時間變化特征極為顯著(圖6)．湖泊等水體CH4產(chǎn)生和排放有很強的溫度依賴性[16,45],受季風(fēng)氣候影響,太湖水溫具有強烈的季節(jié)變化特征,高水溫出現(xiàn)在夏季,低水溫出現(xiàn)在冬季,且不同湖區(qū)間水溫?zé)o顯著差異[27,46]．統(tǒng)計分析表明水溫與梅梁灣、湖心和貢湖灣CH4通量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表1),表明水溫是其CH4通量變化的關(guān)鍵影響因子．此外,這三個湖區(qū)CH4通量與N負(fù)荷呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,考慮到不同生境下N負(fù)荷與CH4通量的關(guān)系較為復(fù)雜[15],本研究中的負(fù)相關(guān)關(guān)系可能源于在暖季CH4通量較高時,因較強的硝化和反硝化作用,水體N負(fù)荷出現(xiàn)低值[47]．

富營養(yǎng)化湖泊較高的藍(lán)藻生物量被認(rèn)為可顯著提高CH4的排放水平[21]．本研究發(fā)現(xiàn)僅梅梁灣的CH4擴散時間變化與Chl-a呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表1)．梅梁灣是半封閉的港灣,且在藍(lán)藻暴發(fā)的夏季因盛行風(fēng)向的影響,藍(lán)藻很容易在梅梁灣聚集,藻類繁殖和聚集為CH4產(chǎn)生提供有利條件,致使Chl-a和CH4通量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[48]．盡管西北湖區(qū)Chl-a濃度很高,但其連接眾多入湖河道(圖1),入湖水量大,已有研究表明水體CH4水平與流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[15,49],流量稀釋效應(yīng)可能“掩蓋掉”Chl-a對CH4通量的直接影響作用．此外,與之前研究相同[16],本研究也發(fā)現(xiàn)CH4通量與DO呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表1)．值得注意的是,藍(lán)藻暴發(fā)可提高湖泊水體DO含量[50],進(jìn)而增加水體CH4的氧化消耗量,降低CH4排放量．鑒于湖泊CH4的產(chǎn)生和排放是一個復(fù)雜動態(tài)過程,為明晰藍(lán)藻暴發(fā)對CH4排放的影響及其驅(qū)動機制,需考慮水體自身特性、理化性質(zhì)、水動力因素和生物因素等多種因素的綜合作用．

3.3 DOC與CH4排放的關(guān)聯(lián)性

水體DOC為CH4產(chǎn)生提供碳源,因此與CH4排放關(guān)系密切[17,51]．本研究結(jié)果表明,藻型湖泊CH4排放通量的空間變化主要受水體DOC質(zhì)量濃度控制(圖5),富營養(yǎng)化湖區(qū)DOC質(zhì)量濃度較高,其CH4排放量也明顯較高,這與其他研究結(jié)果相一致[22,48]．例如在湖區(qū)尺度上,西北湖區(qū)DOC質(zhì)量濃度最高(圖2),其CH4排放量(均值0.185 mmol·m-2·d-1)遠(yuǎn)高于低DOC含量的湖心(均值0.028 mmol·m-2·d-1)等區(qū)域CH4排放量．富營養(yǎng)化湖泊藻類繁殖提高新鮮DOC供給,這部分新鮮DOC不穩(wěn)定,轉(zhuǎn)化周期短,可很快被微生物分解利用[8],為CH4原位產(chǎn)生提供基質(zhì),導(dǎo)致富營養(yǎng)化藻型湖區(qū)是CH4熱點排放區(qū)域[24,52]．DOC可能是藍(lán)藻生消過程影響CH4產(chǎn)生和排放的主要因子,即藻類通過釋放DOC促進(jìn)CH4排放．同時,CH4排放往往出現(xiàn)在藻類衰亡釋放DOC之后,而此時Chl-a已降到較低水平[24],很可能致使CH4通量與Chl-a在大部分湖區(qū)沒有顯著相關(guān)性(表1)．此外,相關(guān)研究表明DOC的分解可進(jìn)一步消耗水體中氧氣,減少CH4的氧化消耗[15,23]．綜上所述,藻型湖泊DOC的累積有利于形成CH4排放熱點．

DOC等有機質(zhì)影響湖泊等水體CH4排放的主要作用機制是為CH4產(chǎn)生提供直接碳源,但這種影響可能因湖泊所處流域DOC來源途徑、豐富程度和地理位置不同而呈現(xiàn)差異．盡管研究表明DOC增加能顯著刺激水體CH4產(chǎn)生和排放[15,51],但本研究結(jié)果表明不同湖區(qū)CH4的時間變化均與DOC無直接關(guān)聯(lián)．這可能主要是因為水體有機質(zhì)的生物有效性和腐殖質(zhì)組成等影響CH4產(chǎn)生.已有研究表明藻型湖泊溶解有機質(zhì)中微生物代謝類腐殖質(zhì)和類蛋白是CH4通量變化的最佳解釋變量[53]．由于內(nèi)陸湖泊等水體有機質(zhì)的組成及其生物有效性極易受到人類活動(城市化、生活排污和農(nóng)業(yè)面源污染等)影響,因此研究DOC等有機質(zhì)與CH4排放的關(guān)系時,不僅需要關(guān)注DOC等有機質(zhì)含量與CH4產(chǎn)生的關(guān)系,更應(yīng)該開展有機質(zhì)組成與CH4產(chǎn)生和排放的影響[15]．此外,DOC降解是藻型湖泊CH4產(chǎn)生的主要途徑,但相關(guān)研究表明磷素有效性是控制水體DOC降解的關(guān)鍵因素[54]．本研究也發(fā)現(xiàn)在富含DOC的梅梁灣,其CH4通量與TP呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系,進(jìn)一步表明DOC對CH4排放的影響可能受磷素等其他因子的調(diào)控．綜上,DOC對湖泊CH4產(chǎn)生和排放的影響受到一系外部和內(nèi)部因子直接和間接的綜合調(diào)控,后續(xù)研究需要考慮多因素的綜合控制效應(yīng),以明晰DOC與CH4排放通量之間的關(guān)聯(lián)性．

4 結(jié)論

太湖藻型湖區(qū)DOC質(zhì)量濃度均值為4.15 mg/L,但具有顯著的時空變化特征．受外源輸送和內(nèi)部藍(lán)藻類增殖的影響,西北湖區(qū)和梅梁灣DOC含量較高,且其DOC時間變化與流域降雨量緊密相關(guān),但在受外源輸送影響較小的湖心區(qū)域,其DOC的時間變化主要受藍(lán)藻生物量驅(qū)動．太湖藻型湖區(qū)較高的藍(lán)藻生物量顯著提高了CH4的排放通量,且DOC含量是藍(lán)藻影響CH4產(chǎn)生和排放的主要因子．總體上,太湖藻型湖區(qū)DOC的累積致使其是CH4排放的熱點,但DOC對CH4產(chǎn)生和排放的影響受湖泊內(nèi)部因子和外部因子的綜合調(diào)控,其潛在的控制機制和具體的關(guān)聯(lián)性還需要進(jìn)一步探討．