湖泊生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及其環(huán)境管理意義

高若桐 張瑞琦 王 玥 況志娟 蘇 飄

（江蘇師范大學(xué)地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

2020年，黨中央提出“2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的重大戰(zhàn)略目標(biāo)。其中，碳達(dá)峰碳中和源于氣候變化科學(xué)，核心是碳循環(huán)問(wèn)題。大氣碳庫(kù)、海洋碳庫(kù)和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)是地球上碳的主要儲(chǔ)存點(diǎn)，所有的碳會(huì)在各碳庫(kù)之間不斷循環(huán)和變化，這樣就構(gòu)成了全球碳循環(huán)。自工業(yè)革命至今，封存于巖石圈中的有機(jī)、無(wú)機(jī)碳由于燃燒化石燃料等人類活動(dòng)而被活化，重新參與進(jìn)地球系統(tǒng)碳循環(huán)，這也致使大氣中的CO2 等溫室氣體的濃度不斷升高，進(jìn)一步導(dǎo)致溫室效應(yīng)的不斷增強(qiáng)。而這一系列變化又會(huì)導(dǎo)致大范圍極地、高山積雪和冰川的融化，在加速全球海平面上升的同時(shí)，不斷威脅人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 湖泊生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)

作為陸地上湖盆與上覆水體相互作用的綜合體，湖泊將流域內(nèi)的降水、沖刷、排放和懸浮物質(zhì)匯集，成為了CO2交換的重要場(chǎng)所；除此之外，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生物化學(xué)過(guò)程也十分活躍，主要表現(xiàn)在與陸地生態(tài)系統(tǒng)的能量、物質(zhì)和信息的交換強(qiáng)烈、沉積速率較高等方面，因而，近年來(lái)湖泊生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)也備受關(guān)注。

2 湖泊有機(jī)碳埋藏特點(diǎn)與影響因素

2.1 湖泊有機(jī)碳（OC）埋藏特點(diǎn)

2.1.1 沉積物OC 在湖泊中的埋藏量很高

流行全球范圍內(nèi)的小而淺的湖泊OC 所在的大部分沉積物是淺層沉積物，雖然淺層沉積物中的礦化程度較高，但淺層沉積物OC 可能通過(guò)沉積物聚焦重新分布到更深的地層，湖泊、碳等隨后通過(guò)它被掩埋。湖泊中的長(zhǎng)期平均碳埋藏率估計(jì)在4.5～14gCm-2yr-1 之間，埋藏量較高。

2.1.2 活體顆粒有機(jī)碳占顆粒碳的比例很小

KROGH 和LANGE 的相關(guān)研究表明，水體中有機(jī)碳占顆粒碳比值隨水體深度變化及季節(jié)更替變動(dòng)較小，大多數(shù)為初級(jí)或中等生產(chǎn)力的湖泊，其比值一般為10: 1。而隨著湖泊中藻類和細(xì)菌增多，水體營(yíng)養(yǎng)程度增加，有機(jī)碳占顆粒碳的比值會(huì)隨水深及季節(jié)變化發(fā)生較大變化，如Witergreen 湖水體中有機(jī)碳占顆粒碳的比值的年均值在5: 1 左右，在一些季節(jié)，藻類和細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖旺盛，則比值達(dá)1: 1，甚至更小。

2.1.3 受人類活動(dòng)影響較大

對(duì)近百年來(lái)洪澤湖有機(jī)碳分布的研究結(jié)果表明，洪澤湖沉積物中北部徐洪河入洪澤湖湖口位置的平均有機(jī)碳含量高于其他3處湖心區(qū)的含量，其平均含量介于0.69%～0.91%之間，有機(jī)碳含量的這種區(qū)域差異與葉綠素a濃度及人類活動(dòng)有關(guān)，其中洪澤湖沉積物TN 與TOC 表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，反映了洪澤湖沉積物有機(jī)碳沉積主要受到人口數(shù)量增加以及人類活動(dòng)的影響。

2.1.4 輸入與輸出路徑多樣

湖泊水體中的有機(jī)碳輸入途徑分為外來(lái)與自生兩種。外來(lái)的有機(jī)碳主要為地表徑流帶入的有機(jī)碳，包括陸生植物碎屑及其降解形成的各種溶解性有機(jī)物，由風(fēng)帶入湖面的輸入；人類活動(dòng)產(chǎn)生的廢水排入湖泊；湖泊沉積物再懸浮和釋放。自生的有機(jī)碳主要來(lái)自湖泊水體內(nèi)各類植物的光合作用及湖泊中細(xì)菌的光化學(xué)反應(yīng)。隨著湖泊通向外界河道流出、湖泊內(nèi)有機(jī)碳的礦化與降解、人類活動(dòng)（如捕撈等）都是湖泊水體有機(jī)碳的主要輸出途徑。

2.2 湖泊有機(jī)碳埋藏的影響因素

湖泊中的有機(jī)碳主要有2 種存在形式： 即溶解的有機(jī)碳（DOC）和顆粒有機(jī)碳（POC）。大量研究表明，影響湖泊有機(jī)碳埋藏的主要因素有：氣候、湖泊特征、生物因素、人類活動(dòng)等。

2.2.1 氣候因素

氣候代表區(qū)域的降水量和溫度。這兩方面會(huì)影響微生物對(duì)有機(jī)碳的分解和轉(zhuǎn)化，從而對(duì)其分布產(chǎn)生影響。

（1）溫度。當(dāng)前被廣泛認(rèn)可的說(shuō)法是，隨大氣溫度的升高，有機(jī)碳分解速度也會(huì)隨之增加。溫度的高低影響湖泊中細(xì)菌的產(chǎn)出率使得分解作用發(fā)生變化，影響湖泊的初級(jí)生產(chǎn)力，使得有機(jī)碳的儲(chǔ)藏率發(fā)生變化。

（2）降水。降水會(huì)對(duì)土壤的淋溶作用產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響湖泊有機(jī)碳的積累。以中國(guó)東部濕潤(rùn)區(qū)的湖泊為例，濕潤(rùn)地區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化情況較為嚴(yán)重，生產(chǎn)力會(huì)隨之提高，但是因?yàn)闈駶?rùn)的天氣會(huì)使湖泊中有機(jī)碳的分解作用加劇，反而濕潤(rùn)地的有機(jī)碳儲(chǔ)藏量不如干旱地區(qū)的湖泊。

2.2.2 土地利用變化

研究表明：土地利用類型和利用率均會(huì)影響湖泊中有機(jī)碳的埋藏。國(guó)外學(xué)者研究土地利用情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳的埋藏量隨著建筑用地的增加而出現(xiàn)小幅增加，隨著林地增多而下降。研究發(fā)現(xiàn)施工建地使得地表水土保持能力減弱，大量泥沙進(jìn)入湖中，有機(jī)碳埋藏隨之增多。

2.2.3 湖泊理化性質(zhì)與有機(jī)碳埋藏效率的響應(yīng)

影響湖泊有機(jī)碳分布的理化因素主要包括湖泊水體的種類、有機(jī)碳來(lái)源與含量、氧氣的滲透深度、底層水中的溶解氧濃度、氧氣曝光時(shí)間等。湖泊的水體類型、大小和數(shù)量對(duì)有機(jī)碳含量的大小也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)pH 值也會(huì)影響有機(jī)碳埋藏效率。

2.2.4 生物因素

如果某湖泊生物量較其他湖泊較高，那么光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)含量也會(huì)因此增多。在光合作用的影響下，有機(jī)碳的沉積速度會(huì)加快，該湖泊的有機(jī)碳埋藏量可能較其他湖泊高。但是有的湖泊受微生物的分解作用影響較大，所以還需根據(jù)具體湖泊進(jìn)行探測(cè)。

2.2.5 人類活動(dòng)

對(duì)于人類活動(dòng)產(chǎn)生的影響，很少有人進(jìn)行專門研究，但人類活動(dòng)與有機(jī)碳的分布密不可分。農(nóng)村很多人進(jìn)行湖泊魚(yú)類養(yǎng)殖時(shí)加入過(guò)量的農(nóng)藥，導(dǎo)致湖泊出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，這會(huì)使整個(gè)湖域產(chǎn)生污染。而城市中，由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加速，生活污水和垃圾等排放不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致湖泊生產(chǎn)力持續(xù)下降，從而影響湖泊中有機(jī)碳埋藏速率與分布。

3 湖泊生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)意義

（1）湖泊碳循環(huán)在全球變化研究的意義。由于湖泊沉積是大氣圈、陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生態(tài)系統(tǒng)的相交點(diǎn)，碳在這些界面交界處具有活躍的交換，存儲(chǔ)量豐富的區(qū)域和全球性環(huán)境變化信息，具有沉積連續(xù)、沉積速率快的特點(diǎn)，造成其碳源匯功能十分活躍。因此，研究湖泊生態(tài)循環(huán)過(guò)程能夠進(jìn)一步完善生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)和反饋?zhàn)饔茫欣诮档蜐竦靥佳h(huán)在全球變暖互饋機(jī)制中的不確定性。

（2）湖泊沉積碳埋藏對(duì)碳減排的意義。由于一些國(guó)家的重要產(chǎn)業(yè)、高密度人口城市通常布局在湖泊附近，導(dǎo)致內(nèi)陸水體湖泊深受人類活動(dòng)的影響，對(duì)人類活動(dòng)排放的碳具有強(qiáng)烈的匯集作用。深受人類活動(dòng)的影響，再考慮到水體活躍的光合和呼吸作用過(guò)程，推測(cè)湖泊對(duì)地區(qū)碳循環(huán)過(guò)程可能產(chǎn)生重要的影響。因此，研究湖泊有機(jī)碳周轉(zhuǎn)規(guī)律，有助于預(yù)測(cè)環(huán)境變化對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其循環(huán)產(chǎn)生的影響，填補(bǔ)有關(guān)內(nèi)陸水體碳循環(huán)研究上的空白。這不僅能夠?yàn)閲?guó)家碳減排決策提供依據(jù)，對(duì)于應(yīng)對(duì)全球氣候變化和履行碳減排也具有重大意義。

（3）湖泊生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯功能在碳固持及環(huán)境管理方面的意義。探討湖泊生態(tài)環(huán)境的變化規(guī)律、驅(qū)動(dòng)過(guò)程，利用不同代用指標(biāo)重建流域開(kāi)發(fā)與湖泊環(huán)境變化的歷史。通過(guò)藻類指標(biāo)揭示生物群落響應(yīng)的變化模式，揭示湖泊碳循環(huán)與藻類變化的重要驅(qū)動(dòng)因子，可為湖泊的生態(tài)評(píng)估與流域管理提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。選取典型湖泊，對(duì)其展開(kāi)精確的碳收支和碳循環(huán)定位觀測(cè)和研究，尋求影響其碳循環(huán)的因子，建立相關(guān)的關(guān)系，從而外推該流域內(nèi)陸水體的碳儲(chǔ)量，初步估算內(nèi)陸水體的碳源匯功能，量化湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣CO2的固持功能，更有助于采取更具針對(duì)性、更高效的生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，湖泊是重要的碳源/匯生態(tài)系統(tǒng)，在維系全球碳平衡中起著不可替代的作用。研究湖泊碳循環(huán)在制定科學(xué)合理的湖泊利用管理策略、保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)、控制碳排放、促進(jìn)碳增匯以及預(yù)見(jiàn)全球變化等方面均有重要意義。