长期观测发现，在水产养殖活动停止后，湖泊仍持续排放二氧化碳

《Water Research》：Long-term observations uncover sustained carbon dioxide emissions from lakes following aquaculture retreat

湖泊碳循环与养殖场撤退影响研究。通过分析阳城湖和太湖东港湾2000-2015年二氧化碳通量数据，发现阳城湖养殖场全面撤退后CO?排放量先降54%后反弹56%，主因水下植被锐减削弱碳汇功能；太湖东港湾因保留部分植被维持稳定排放。研究证实养殖区面积对排放强度呈非线性调控，揭示植被恢复与结构完整性对碳汇能力的关键作用。

　　

赵佳宇|张米|肖伟|葛佩|罗菊华|姜敏良|胡成|李德林|张天宇|段洪涛|肖启涛|李旭辉

广东海洋大学海洋与气象学院，湛江524088，中国

摘要

水产养殖已成为改变湖泊生态系统二氧化碳（CO₂）平衡的主要人为因素之一。尽管湖泊中已广泛实施了水产养殖退出（拆除围栏）措施，但由于实地测量数据不足，其对CO₂变化影响的长期效应仍不明确，这阻碍了我们对人为碳循环的理解。为填补这一知识空白，我们基于长期（2000–2015年）的实地测量数据，研究了中国东部两个受水产养殖影响的湖泊（杨城湖（LYC）和太湖东太湖湾（DTH）的二氧化碳分压（pCO₂）和CO₂通量。研究结果表明，这两个系统都是净CO₂来源，但营养负荷较高的LYC的排放量显著更高（108 ± 56 g C m^-2 yr^-1；pCO₂：1180 ± 390 μatm），而DTH的排放量为37 ± 24 g C m^-2 yr^-1；pCO₂：716 ± 185 μatm）。关键的是，LYC的CO₂排放量在管理干预下表现出反直觉的“V形”轨迹：在主动拆除阶段减少了54%，但在恢复阶段反弹了56%。这种意外反弹不仅由营养物质的遗留效应驱动，更根本的是由于水下植被的丧失，从而严重削弱了生态系统的CO₂吸收能力。相比之下，DTH在采取适度退出策略的情况下保持了稳定的排放量，这主要得益于大型水生植物的保留作用。随机森林（RF）模型进一步表明，水产养殖面积对排放强度具有非线性调节作用，挑战了线性比例关系的假设。我们的研究结果表明，成功缓解水产养殖系统中的碳问题不仅依赖于减少营养物质负荷，还依赖于自养碳汇的结构恢复和功能完整性。

引言

湖泊仅占地球陆地表面的2.2%，但在全球二氧化碳（CO₂）预算中起着关键作用（Raymond等人，2013；Holgerson和Raymond，2016；Pi等人，2022）。湖泊通常处于二氧化碳过饱和状态，并被广泛认为是二氧化碳的排放源（Borges等人，2022；Duan等人，2023；Lauerwald等人，2023）。过去十年中，人们在区域和全球范围内做出了大量努力来精确估计排放量（例如，Finlay等人，2015；Li等人，2018；Song等人，2024；Grasset等人，2025；Zhang等人，2026b）。然而，目前对全球湖泊的CO?排放量估计仍存在很大不确定性，范围从0.07到0.81 Pg C yr^-1（Cole等人，2007；Raymond等人，2013；DelSontro等人，2018；Lauerwald等人，2023）。这种不确定性不仅源于观测限制，还源于人类活动对湖泊生物地球化学的深远影响，这些影响显著改变了CO?排放量（Liu等人，2025b；Zhang等人，2026b）。鉴于人类活动可以重塑湖泊的CO?排放量，迫切需要更全面的基于实地的测量来量化这些人为因素对CO?动态的影响。

自20世纪80年代末以来，围栏水产养殖已成为影响湖泊生态系统的主要人为因素，这主要是由于全球对水生蛋白需求的增加（FAO，2024）。这种密集型养殖方式通过复杂的生物地球化学途径显著改变了湖泊的碳动态（Kosten等人，2020；Chen等人，2023；Zhang等人，2026a）。一方面，有意引入水下大型水生植物以改善栖息地，促进了光合作用下的CO₂吸收，植被茂盛的区域相比荒芜区域可减少高达43%的排放量（Zhang等人，2022b）。另一方面，大量的饲料投入（1500至6000 kg C ha?1 yr?1）刺激了微生物呼吸作用，从而增加了CO₂的排放（Chen等人，2016；Yuan等人，2019；Waldemer和Koschorreck，2023；Yang等人，2024；Liu等人，2025a）。虽然现有研究广泛讨论了水产养殖活跃阶段的“源-汇”平衡，但一个被忽视的关键方面是这些活动停止后引发的生态转变。实施“水产养殖退出”政策旨在恢复水质，但实际上是对环境的巨大干扰，导致亚热带湖泊中超过83%的围栏被拆除（Luo等人，2020；Yin等人，2024）。虽然这些干预措施最初减少了外部营养负荷，但也突然终止了长期存在的人为碳汇（Pu等人，2022）。目前尚不清楚这种从密集干预到自然恢复的突然转变如何破坏已建立的生物地球化学平衡，以及随后营养物质和大型水生植物动态的变化是否会导致CO₂动态的潜在转变或非线性轨迹。

量化人类活动对湖泊CO₂动态影响的一个关键挑战是缺乏长期观测数据，特别是针对特定管理干预措施的数据。尽管关于一般富营养化湖泊恢复的十年尺度生态响应已有越来越多报道，但这些研究主要集中在水质改善或植被恢复上（例如，Lin等人，2021；Duan等人，2022；Poikane等人，2024），而对碳动态的时间演变关注较少（例如，Xiao等人，2020，2023）。对于恢复后的水产养殖系统来说，这一知识缺口尤为突出，因为其生物地球化学后果仍不明确（Kosten等人，2020；Chen等人，2023；Zhang等人，2026a）。此外，由于水产养殖区在生态结构和功能上与典型湖泊生态系统有根本不同，其特征是半封闭的物理屏障和大量的外来营养物质补贴（Pu等人，2022；Zhao等人，2025），因此无法确定从一般湖泊恢复中得出的结论是否直接适用于这些独特系统。现有文献中普遍存在的短期观测数据（< 2年）加剧了这种不确定性，这些数据容易将短暂状态误认为是稳定趋势，并未能捕捉到系统向新平衡过渡时的复杂滞后效应（Jeppesen等人，2007；Kosten等人，2020）。因此，长期数据集对于区分密集水产养殖退出后的暂时波动和真正的制度转变至关重要。

作为全球淡水水产养殖的主要生产国，中国占全球产量的60%以上（FAO，2024）。长江三角洲（YRD）是中国的重要区域，占中国水产养殖面积的26%（中国渔业统计年鉴，2023）。在该区域内，杨城湖（LYC）和太湖东太湖湾（DTH）是两个具有悠久水产养殖历史的典型系统。这两个湖泊的水产养殖始于20世纪80年代，并随后迅速扩张。然而，2008年后它们的发展轨迹出现了显著差异：LYC经历了大规模的水产养殖退出，而DTH则经历了缓慢的分阶段退出过程（Luo等人，2020；Xiao等人，2024b）。这种对比使我们能够系统地研究不同强度的人为干预如何影响碳通量。通过比较LYC的快速政策驱动恢复和DTH的逐步减少，本研究阐明了不同管理策略如何调节湖泊碳预算。这些发现为理解不同生态恢复路径下的碳源-汇转变提供了机制性解释。

为解决上述问题，本研究提供了LYC和DTH站点16年（2000–2015年）的二氧化碳分压（pCO₂）测量数据和CO₂交换通量估计。虽然已知淡水水产养殖的扩张会增加CO₂排放量（Liu等人，2025a；Yuan等人，2019，2025；Zhang等人，2026a），但我们假设水产养殖退出将引发CO₂排放量的持续下降。因此，本研究的具体目标是：（1）量化LYC和DTH在16年期间的长期CO₂交换通量并评估其碳源/汇状态，（2）描述CO₂动态的年际变化轨迹，并确定“水产养殖退出”是否引发碳排放的线性下降或非线性转变，以及（3）识别调节CO₂变化的关键环境因素和生物机制，并开发预测模型。通过整合长期观测和机制分析，本研究旨在加深我们对管理水生生态系统中碳循环的理解，并阐明人为干扰后的复杂生物地球化学反馈。

站点描述

站点描述

杨城湖（LYC）和太湖东太湖湾（DTH）是中国长江三角洲的两个代表性浅水富营养化湖泊（图1）。LYC（31°21′ N，120°39′ E）是太湖盆地第三大水体，面积108平方公里，平均深度2.1米。该湖泊具有独特的三部分结构，包括西部（面积：33平方公里）、中部（面积：33平方公里）和东部（面积：42平方公里）区域。水质存在空间梯度，从

围栏养殖面积、气象条件和生化变量的变化

2000年至2015年间，LYC和DTH的围栏养殖面积变化模式有所不同（图1）。在LYC，区域分析显示了明显的空间异质性：西部区域在2008年完全拆除前保持了88%的覆盖率，而东部和中部区域的覆盖率则逐渐下降，且转变年份不同（图S4）。总体而言，LYC的轨迹可以分为三个阶段：（1）第一阶段（2000–2007年）表现为逐渐下降

湖泊水产养殖作为持续的净CO₂来源

水产养殖是蛋白质和经济生计的重要来源，但它是否在碳循环中作为净CO?来源或汇仍存在争议（Kosten等人，2020；Chen等人，2023）。尽管存在这种争议，但研究主要集中在封闭池塘系统上，而对开放湖泊中的围栏水产养殖的研究相对较少（Xiao等人，2024b；Zhao等人，2025）。为填补这一关键知识空白，我们的16年数据集提供了有力证据

结论

这项为期16年（2000–2015年）的研究阐明了两个受水产养殖影响的湖泊中不同的CO₂动态，识别出明显的空间模式和复杂的时间轨迹。LYC和DTH都被确认为净CO?来源，但它们的排放量相差三倍（LYC为108 ± 56 g C m?2 yr?1，DTH为37 ± 24 g C m?2 yr?1）。这种空间异质性主要是由于LYC较高的人为营养负荷造成的，加之协同效应

CRediT作者贡献声明

赵佳宇：撰写——初稿，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。张米：撰写——审稿与编辑，方法学，正式分析。肖伟：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金获取。葛佩：调查。罗菊华：数据管理。姜敏良：数据管理。胡成：撰写——审稿与编辑，数据管理。李德林：资金获取。张天宇：资金获取。段洪涛：数据

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。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（42425104、42401111、42271114、42205025和42271377）、江苏省“333项目”（BRA2022023）、国家外国专家计划（编号S20240134）、中国气象局生态系统碳源与汇重点实验室（ECSS-CMA202302、ECSS-CMA202404）、中国科学院青年创新促进会（2023329）以及广东省科研启动资金的支持