大型湖泊中沉积物有机碳的非线性阈值响应及其在侵蚀作用驱动下的转化路径与人为活动之间的关系

《Anthropocene》：Nonlinear threshold response and erosion-driven pathways of sediment organic carbon to anthropogenic activities in a large lake

人类活动强度（HAI）对大型湖泊沉积有机碳通量（F_SOCSOC）的非线性响应及阈值效应研究。基于洞庭湖流域四子流域数据，发现F_SOCSOC与HAI呈对数线性关系（R2>0.44），存在四个阈值（1.0、1.6、2.3、2.9），不同发展水平流域的直接驱动因子差异显著（土壤侵蚀|土地利用变化|经济发展指标）。

　　

冯伟然|陶晓|李中武|王世兰|侯英龙|吴海鹏|聂晓东

湖南师范大学地理科学学院，洞庭湖盆地生态环境变化与碳封存湖南省重点实验室（湖南师范大学），中国长沙410081

摘要

了解湖泊沉积物有机碳通量（F_SOC）对上游流域人类活动的响应对于管理全球碳通量至关重要。然而，大型湖泊中F_SOC与人类活动强度（HAI）之间的定量关系仍不明确。本研究调查了流入大型湖泊的河流及其上游生态环境中F_SOC对HAI的响应函数、幅度和路径。人类活动强度通过关键因素（如土地利用强度、经济增长）进行量化，这些因素解释了流域内71%–87%的土壤侵蚀变化。对数线性模型显示F_SOC对HAI有显著的非线性响应（R²>0.44，P<0.001）。不同子流域类型的响应阈值有所不同：发达流域有四个阈值（HAI = 1.0、1.6、2.3、2.9），发展中流域有四个阈值（HAI = 1.0、1.5、2.0、2.9），未开发流域有一个阈值（HAI = 1.3）。偏最小二乘路径模型（拟合优度：0.72-0.81）进一步量化了HAI对F_SOC的驱动路径。直接影响因素包括发达流域的土壤侵蚀（r_?: 0.84，p<001）、发展中流域的土壤侵蚀（r_?: -0.94，p<001）以及未开发流域的土地利用变化（r_?: 0.60，p<001）。我们的研究发现，大型浅水湖泊中的F_SOC对上游HAI的非线性响应具有阈值驱动特性和侵蚀介导的路径。这项工作加深了人类-气候-碳相互作用机制的理解，并为全球变化背景下水生生态系统的碳管理策略提供了关键信息。

引言

全球范围内，湖泊每年拦截1-5 Pg C的流域来源碳，其中70-90%最终沉积并埋藏在湖泊沉积物中（Drake等人，2017年；Lee等人，2023年）。湖泊沉积物有机碳通量（F_SOC）保留了关于土壤侵蚀来源、分布和碳迁移的重要信息，是环境演变的指示器（Maavara等人，2017年）。人类活动的加剧是全新世全球陆地景观的典型特征（Waters等人，2022年）。土地利用变化是全球侵蚀变化的关键原因和结果（Borrelli等人，2021年）。水利工程拦截了10%的有机碳（Quinton等人，2010年）。因此，人类活动强度深刻影响了沉积碳源、土壤碳的垂直转化过程（Luo等人，2022年）、F_SOC的侧向迁移输出（Regnier等人，2013年）以及最终的埋藏和封存，同时对生物气候系统产生反馈效应（Jenny等人，2019年）。然而，由于人类因素的复杂性、长期连续数据的缺乏以及控制土壤侵蚀的空间时间异质性，关于F_SOC对人类驱动的流域侵蚀响应的定量研究尚未得到系统探讨。大多数全球陆地表面模型忽略了水力侵蚀引起的F_SOC，导致陆地碳预算模拟、垂直CO₂平衡和气候变化预测出现较大偏差（Nakhavali等人，2020年；Song等人，2019年）。

F_SOC作为历史环境变化的优秀陆地指标，反映了流域湖泊在人类干扰、自然变化、重力压缩和微生物矿化过程中的变化。大多数研究仅定性地追踪了历史上的突发灾难（气象灾害和重金属事件）以及个别湖泊在较短时间内的受人类活动影响（Zhuo等人，2021年）。单一宏观社会变量可能夸大了不同流域之间的聚集效应和地理联系。这些结果为评估特定人类活动与有机碳之间的关系提供了参考。此外，人类活动强度（HAI）是一个综合指标，用于描述人类对陆地、水生及其他地表生态系统的影响。然而，客观定义具有广泛应用的综合指标面临巨大挑战。当前关于HAI的研究集中在定义、定量表征和应用方面（Allan等人，2017年），从单因素分析发展到基于权重融合的多元指标叠加（Williams等人，2020年）。此外，现有研究中大多未能从流域土壤侵蚀的角度分析水生F_SOC对HAI的响应，尤其是在人类发展程度不同的流域中。人类活动直接导致了60%的全球土地利用变化，导致约2.5 Pg C每年的土壤侵蚀和有机碳位移，其中36%来自农业用地（Song等人，2018年）。因此，探索HAI与F_SOC之间的关系有助于评估碳转化的人为机制和水生连续体碳循环，这对于政府间气候变化专门委员会和全球碳项目预算中的侧向碳传输链接至关重要。

土壤侵蚀改变了土壤物质的组成和结构，促进了富有机碳土壤颗粒的传输-沉积过程，显著影响了陆地碳平衡（Pilla等人，2022年；Tian等人，2013年）。研究从多因素分析发展到发现土壤侵蚀的驱动因素并非气候变化，而是人类活动（Yu等人，2021a；Yu等人，2021b）。值得注意的是，土地利用变化和水坝拦截在过去几个世纪逐渐主导了这一过程。Quinton等人（2010年）和Lü等人（2012年）表明，全球土壤侵蚀导致每年28 Pg的表土侧向迁移，其中9%因土地利用变化而流失，50%的土壤有机碳进入河流，而水坝拦截了8.46%（Lü等人，2012年）。因此，土壤侵蚀是人类活动与下游沉积碳之间的中介桥梁，Cao等人（2020年）强调，模拟全球变化对陆地碳储量响应的全球陆地表面模型应考虑这一过程。然而，大多数研究集中在喀斯特洼地、三峡水库区域和黄土高原（Bai等人，2010年；Yuan等人，2020年；Zhang等人，2020年）。在理解大规模侧向土壤碳再分配的CO₂定量评估方面存在许多不确定性，部分原因是未能模拟和阐明人类活动引起的陆地-水生连续体中的侧向碳传输。此外，它们未能提供一个从土壤侵蚀角度建立通用流域HAI的框架，定量评估HAI对Fsoc的影响，限制了对人类活动在陆地碳循环中作用的全面理解。

尽管越来越多的人认识到HAI与大型湖泊中Fsoc动态之间的相互作用，但明确的因果关系和定量理解仍然缺乏。我们假设F_SOC与HAI之间存在连续的正指数增长响应函数关系。研究目标包括：（1）剖析驱动流域侵蚀的关键人类因素，以定量表征HAI；（2）阐明在不同HAI条件下土壤侵蚀和F_SOC的时空演变；（3）量化不同发展水平地区Fsoc对侵蚀驱动的HAI的响应关系。本研究揭示了从流域侵蚀和沉积角度出发的湖泊碳对HAI的侧向输入响应，加深了我们对它们之间关系的理解，并为有效调整人类活动的类型、模式和强度以平衡陆地-水生生态系统的地球化学循环提供了见解。

研究区域

洞庭湖（北纬28°43-29°51，东经111°19-113°34）是《拉姆萨尔公约》和200个全球优先生态保护区之一，也是中国南方最重要的淡水栖息地，其沉积物中蕴含了关于土壤侵蚀和人类活动的关键流域信息。其上游流域主要包括湘江流域（XJB）、资水流域（ZSB）、沅江流域（YJB）和漓水流域（LSB），称为四大流域（图S1）。这些流域具有战略重要性

四大流域的人类活动强度变化

四大流域的土壤侵蚀趋势总体下降，相应的变化率也呈下降趋势（图S7）。机器学习方法显示，GDPPL、EIA、GGY和土地利用变化是影响土壤侵蚀的主要因素，其中土地利用变化解释了超过90%的变化（表S5）。四大流域的HAI值随时间呈指数增长，尤其是在第二阶段（图S8）。第二阶段的HAI平均值和变异系数分别为10-15倍和1-2倍

人类活动强度对土壤侵蚀驱动因素的响应动态

作为流域物质传输和沉积的中介过程，土壤侵蚀在全新世期间逐渐受到长期人类活动的控制，而非气候变化的影响（Dearing和Jones，2003年）。在第一阶段，不合理的人类活动是主导因素，主要包括土地利用变化，如植被破坏、矿产开发、土地围垦、土地开垦和建设用地扩张，这些活动叠加了极端自然变化

结论

基于不同发展阶段的人类活动-土壤侵蚀-湖泊Fsoc之间的定量响应关系，我们的研究表明F_SOC对上游HAI的非线性响应具有阈值特征，并通过土壤侵蚀建立了两者之间的驱动路径。对数-指数模型显示F_SOC对HAI的响应具有显著的非线性（R²>0.44，P<0.001）。F_SOC的响应临界点分别为四个（HAI分别为1.0、1.6、2.3和2.9）和四个（HAI分别为1.0、1.5、2

未引用的参考文献

(Xu等人，2016)

CRediT作者贡献声明

侯英龙：监督、调查、正式分析。王世兰：可视化、方法学、调查、正式分析。聂晓东：撰写-审稿与编辑、资源管理、项目协调、调查、资金获取、概念构思。吴海鹏：监督、正式分析。冯伟然：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。李中武：撰写-审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。