利用放射性碳和稳定碳同位素来评估中国一个超富营养化湖泊中颗粒有机碳的来源及其循环过程

《Applied Geochemistry》：Use of radiocarbon and stable carbon isotope for evaluating the provenance and cycling of particulate organic carbon in a hyper-eutrophic lake, China

　　

张涛|杨海泉|陈京安|王景福|宋一龙|王勤林|唐旭茵|孙书文

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵州贵阳，550081，中国

摘要

颗粒有机碳（POC）是湖泊生态系统中碳和能量流动的关键组成部分，然而在严重富营养化的湖泊中，其来源和循环过程仍缺乏准确的量化。本研究采用双同位素（Δ¹⁴C-δ¹³C）方法结合SIAR模型，来量化滇池这一严重富营养化湖泊中POC的时空动态和来源。研究结果显示，湖泊中的POC总量约为3.24×10⁹克碳，其变化受到藻类初级生产、陆地输入和沉积物再悬浮作用的显著影响，表现出明显的季节性和空间性差异。夏季，北部POC浓度较高，而南部较低，这受盛行风的影响；冬季由于垂直混合增强和陆地输入增加，这种空间模式发生了逆转。SIAR模型表明，藻类生产占POC总量的71.4±5.4%，其次是陆地输入（13.9±5.7%）和来自再悬浮沉积物的POC（14.7±2.3%）。双同位素证据进一步表明，流域内的老化有机碳对POC的贡献显著，这与深层、生产力较低的湖泊中常见的内部沉积物循环过程形成对比。这些发现突显了浅水富营养化系统与分层贫营养化湖泊在碳循环途径上的根本差异。总体而言，本文提出的双同位素框架为阐明富营养化条件下的POC转化过程提供了有力的工具，并为管理滇池及其他富营养化湖泊的营养源和减轻内部负荷提供了科学依据。

引言

湖泊是全球碳循环中的关键热点和活跃的处理者，负责有机碳的传输、矿化和埋藏（Cole等人，2007年；Zhou等人，2025年）。尽管湖泊仅覆盖地球陆地表面的2%左右，但它们每年释放约0.32拍克碳（CO₂），相当于全球化石燃料碳排放量的近20%（Raymond等人，2014年）。此外，湖泊的碳埋藏速率达到0.15拍克碳/年，占海洋碳埋藏量的58%（Zigah等人，2012a；Mendon?a等人，2017年；Xia等人，2024年）。湖泊的碳循环与氮（N）和磷（P）循环紧密耦合，共同调节着初级生产和有机物降解等关键生物地球化学过程（Bratki?等人，2012年；Li等人，2016年；Duhamel等人，2025年）。虽然颗粒有机碳（POC）仅占总水生碳的一小部分，但它在湖泊碳循环和能量流动中起着重要作用，同时也会影响营养物质、有毒金属和有机污染物的传输（Li等人，2016年；Zhou等人，2023年）。湖泊中的POC来源于外来输入，如植物残体、土壤有机物、人为废物，以及主要由浮游植物和大型水生植物残余物产生的内源性物质（Chen等人，2018年）。富营养化这一主要生态问题会提高湖泊中的有机碳浓度并促进碳的埋藏（Jiang等人，2022年；Liu等人，2024年）。在营养物富集的驱动下，藻类生产力提高，导致水柱和沉积物中的POC水平迅速增加（Zhao等人，2021年；Zhou等人，2022年）。在底栖-浮游生物耦合较强的浅水盆地中，风和波浪作用经常将表层沉积物中的藻类碎屑重新悬浮（Persaud等人，2014年）。这些再悬浮的沉积物来源的POC可以在几天到几周内被微生物和浮游动物群落矿化，从而将碳和营养物质重新释放回水柱。因此，明确POC的来源和转化过程对于理解C–N–P生物地球化学循环至关重要。

放射性碳（¹⁴C）测量被广泛用于追踪水生生态系统中的POC来源，包括海洋（Walker等人，2016年；Wang等人，2024年）、河口（Raymond等人，2001b；Behnke等人，2023年）、河流（Raymond等人，2001a；Xue等人，2017年；Wu等人，2025年）和湖泊（Zigah等人，2011年，2012a，2012b；Chen等人，2018年）。然而，在严重富营养化的湖泊中，Δ¹⁴C在POC来源定量应用方面仍然有限，因为富营养化和蓝藻水华强烈影响POC的传输和生物地球化学过程（Li等人，2018年；Zhou等人，2023年）。因此，来自这类环境的Δ¹⁴C-POC数据集仍然有限，阻碍了对这些全球重要系统中碳循环机制的理解。我们研究了中国西南部严重富营养化湖泊滇池中POC的双同位素特征（Δ¹⁴C和δ¹³C）。本研究的目标是：（1）表征POC同位素组成（δ¹³C和Δ¹⁴C）的时空变化；（2）量化水柱中POC的主要来源；（3）评估富营养化系统中的POC循环动态及其相关的生态环境影响。

章节摘录

研究区域

滇池（北纬24°40′-25°01′，东经102°36′-102°47′）是中国最大的淡水高原湖泊，位于中国西南部的云南省。该湖泊处于亚热带高原季风气候区，主要受西南季风与热带大陆性空气交替的影响。1月份的平均气温为7.4℃，7月份为19.6℃。湖泊的年平均蒸发量为1409毫米，远高于降水量（924毫米）。

POC和DIC浓度的时空变化

夏季，滇池中的POC浓度范围为1.52至2.75毫克/升（平均值：2.00±0.40毫克/升），由于浅层（约5米）的强烈垂直混合，导致垂直变化较小（图2C）。从空间上看，北部区域的POC浓度高于南部区域（DC-1和DC-2），超过2.5毫克/升。相比之下，冬季POC浓度在0.63至3.20毫克/升之间（平均值：2.17±0.70毫克/升），接近夏季平均水平。

POC分布的季节性调节和水动力控制

滇池的特点是严重的富营养化、强烈的阳光、快速的藻类生长和持续的藻类水华。滇池流域内的盛行西南风将藻类生物量输送到北部区域，导致夏季北部区域的藻类数量较多，南部较少。冬季，这种模式逆转，南部和中部区域的藻类数量多于北部区域。此外，冬季流域径流增加

结论

本研究对中国西南部浅水富营养化高原湖泊滇池中的POC来源和循环进行了全面的双同位素（Δ¹⁴C-δ¹³C）评估。该湖泊储存了约3.24×10⁹克碳的POC，其时空变化主要由藻类生产、陆地输入和沉积物再悬浮作用驱动。贝叶斯混合模型结果显示，藻类生产占POC总量的71.4±5.4%，其次是

CRediT作者贡献声明

张涛：概念构思、正式分析、调查、软件使用、数据可视化、初稿撰写、审稿与编辑。杨海泉：资金获取、方法研究、项目管理、监督、审稿与编辑。陈京安：资金获取、方法研究、监督、审稿与编辑。王景福：资金获取、项目管理、审稿与编辑。宋一龙：资金获取、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42473022、41807394、U2202209）、贵州省科技计划（Qian Ke He Basic ZK [2024]项目088号）和Qian Ke He Platform-YWZ [2024]006号项目的财政支持。