湖泊生态系统碳循环及其环境管理意义

高若桐 张瑞琦 王 玥 况志娟 苏 飘

（江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州 221000）

2020年，党中央提出“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的重大战略目标。其中，碳达峰碳中和源于气候变化科学，核心是碳循环问题。大气碳库、海洋碳库和陆地生态系统碳库是地球上碳的主要储存点，所有的碳会在各碳库之间不断循环和变化，这样就构成了全球碳循环。自工业革命至今，封存于岩石圈中的有机、无机碳由于燃烧化石燃料等人类活动而被活化，重新参与进地球系统碳循环，这也致使大气中的CO2 等温室气体的浓度不断升高，进一步导致温室效应的不断增强。而这一系列变化又会导致大范围极地、高山积雪和冰川的融化，在加速全球海平面上升的同时，不断威胁人类社会的可持续发展。

1 湖泊生态系统碳循环

作为陆地上湖盆与上覆水体相互作用的综合体，湖泊将流域内的降水、冲刷、排放和悬浮物质汇集，成为了CO2交换的重要场所；除此之外，湖泊生态系统的生物化学过程也十分活跃，主要表现在与陆地生态系统的能量、物质和信息的交换强烈、沉积速率较高等方面，因而，近年来湖泊生态系统碳循环也备受关注。

2 湖泊有机碳埋藏特点与影响因素

2.1 湖泊有机碳（OC）埋藏特点

2.1.1 沉积物OC 在湖泊中的埋藏量很高

流行全球范围内的小而浅的湖泊OC 所在的大部分沉积物是浅层沉积物，虽然浅层沉积物中的矿化程度较高，但浅层沉积物OC 可能通过沉积物聚焦重新分布到更深的地层，湖泊、碳等随后通过它被掩埋。湖泊中的长期平均碳埋藏率估计在4.5～14gCm-2yr-1 之间，埋藏量较高。

2.1.2 活体颗粒有机碳占颗粒碳的比例很小

KROGH 和LANGE 的相关研究表明，水体中有机碳占颗粒碳比值随水体深度变化及季节更替变动较小，大多数为初级或中等生产力的湖泊，其比值一般为10: 1。而随着湖泊中藻类和细菌增多，水体营养程度增加，有机碳占颗粒碳的比值会随水深及季节变化发生较大变化，如Witergreen 湖水体中有机碳占颗粒碳的比值的年均值在5: 1 左右，在一些季节，藻类和细菌生长繁殖旺盛，则比值达1: 1，甚至更小。

2.1.3 受人类活动影响较大

对近百年来洪泽湖有机碳分布的研究结果表明，洪泽湖沉积物中北部徐洪河入洪泽湖湖口位置的平均有机碳含量高于其他3处湖心区的含量，其平均含量介于0.69%～0.91%之间，有机碳含量的这种区域差异与叶绿素a浓度及人类活动有关，其中洪泽湖沉积物TN 与TOC 表现出显著的正相关关系，反映了洪泽湖沉积物有机碳沉积主要受到人口数量增加以及人类活动的影响。

2.1.4 输入与输出路径多样

湖泊水体中的有机碳输入途径分为外来与自生两种。外来的有机碳主要为地表径流带入的有机碳，包括陆生植物碎屑及其降解形成的各种溶解性有机物，由风带入湖面的输入；人类活动产生的废水排入湖泊；湖泊沉积物再悬浮和释放。自生的有机碳主要来自湖泊水体内各类植物的光合作用及湖泊中细菌的光化学反应。随着湖泊通向外界河道流出、湖泊内有机碳的矿化与降解、人类活动（如捕捞等）都是湖泊水体有机碳的主要输出途径。

2.2 湖泊有机碳埋藏的影响因素

湖泊中的有机碳主要有2 种存在形式： 即溶解的有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）。大量研究表明，影响湖泊有机碳埋藏的主要因素有：气候、湖泊特征、生物因素、人类活动等。

2.2.1 气候因素

气候代表区域的降水量和温度。这两方面会影响微生物对有机碳的分解和转化，从而对其分布产生影响。

（1）温度。当前被广泛认可的说法是，随大气温度的升高，有机碳分解速度也会随之增加。温度的高低影响湖泊中细菌的产出率使得分解作用发生变化，影响湖泊的初级生产力，使得有机碳的储藏率发生变化。

（2）降水。降水会对土壤的淋溶作用产生影响，进而影响湖泊有机碳的积累。以中国东部湿润区的湖泊为例，湿润地区的富营养化情况较为严重，生产力会随之提高，但是因为湿润的天气会使湖泊中有机碳的分解作用加剧，反而湿润地的有机碳储藏量不如干旱地区的湖泊。

2.2.2 土地利用变化

研究表明：土地利用类型和利用率均会影响湖泊中有机碳的埋藏。国外学者研究土地利用情况时，发现有机碳的埋藏量随着建筑用地的增加而出现小幅增加，随着林地增多而下降。研究发现施工建地使得地表水土保持能力减弱，大量泥沙进入湖中，有机碳埋藏随之增多。

2.2.3 湖泊理化性质与有机碳埋藏效率的响应

影响湖泊有机碳分布的理化因素主要包括湖泊水体的种类、有机碳来源与含量、氧气的渗透深度、底层水中的溶解氧浓度、氧气曝光时间等。湖泊的水体类型、大小和数量对有机碳含量的大小也会产生一定的影响，同时pH 值也会影响有机碳埋藏效率。

2.2.4 生物因素

如果某湖泊生物量较其他湖泊较高，那么光合作用产生的有机质含量也会因此增多。在光合作用的影响下，有机碳的沉积速度会加快，该湖泊的有机碳埋藏量可能较其他湖泊高。但是有的湖泊受微生物的分解作用影响较大，所以还需根据具体湖泊进行探测。

2.2.5 人类活动

对于人类活动产生的影响，很少有人进行专门研究，但人类活动与有机碳的分布密不可分。农村很多人进行湖泊鱼类养殖时加入过量的农药，导致湖泊出现富营养化现象，这会使整个湖域产生污染。而城市中，由于城镇化进程不断加速，生活污水和垃圾等排放不当会导致湖泊生产力持续下降，从而影响湖泊中有机碳埋藏速率与分布。

3 湖泊生态系统碳循环意义

（1）湖泊碳循环在全球变化研究的意义。由于湖泊沉积是大气圈、陆地生态系统和水生态系统的相交点，碳在这些界面交界处具有活跃的交换，存储量丰富的区域和全球性环境变化信息，具有沉积连续、沉积速率快的特点，造成其碳源汇功能十分活跃。因此，研究湖泊生态循环过程能够进一步完善生态系统对全球变化的响应和反馈作用，有利于降低湿地碳循环在全球变暖互馈机制中的不确定性。

（2）湖泊沉积碳埋藏对碳减排的意义。由于一些国家的重要产业、高密度人口城市通常布局在湖泊附近，导致内陆水体湖泊深受人类活动的影响，对人类活动排放的碳具有强烈的汇集作用。深受人类活动的影响，再考虑到水体活跃的光合和呼吸作用过程，推测湖泊对地区碳循环过程可能产生重要的影响。因此，研究湖泊有机碳周转规律，有助于预测环境变化对湿地生态系统碳储量及其循环产生的影响，填补有关内陆水体碳循环研究上的空白。这不仅能够为国家碳减排决策提供依据，对于应对全球气候变化和履行碳减排也具有重大意义。

（3）湖泊生态系统碳源/汇功能在碳固持及环境管理方面的意义。探讨湖泊生态环境的变化规律、驱动过程，利用不同代用指标重建流域开发与湖泊环境变化的历史。通过藻类指标揭示生物群落响应的变化模式，揭示湖泊碳循环与藻类变化的重要驱动因子，可为湖泊的生态评估与流域管理提供重要的基础数据和科学依据。选取典型湖泊，对其展开精确的碳收支和碳循环定位观测和研究，寻求影响其碳循环的因子，建立相关的关系，从而外推该流域内陆水体的碳储量，初步估算内陆水体的碳源汇功能，量化湖泊生态系统对大气CO2的固持功能，更有助于采取更具针对性、更高效的生态环境保护措施。

4 结语

总之，湖泊是重要的碳源/汇生态系统，在维系全球碳平衡中起着不可替代的作用。研究湖泊碳循环在制定科学合理的湖泊利用管理策略、保护湖泊生态系统、控制碳排放、促进碳增汇以及预见全球变化等方面均有重要意义。