在人類活動和氣候變化的雙重脅迫下，全球湖泊普遍面臨富營養(yǎng)化加劇、藻類水華頻發(fā)等環(huán)境問題，對飲用水安全、水生生物多樣性維持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能造成威脅。盡管浮游藻類可在短期增強CO2吸收，但在全生命周期尺度上，浮游藻類生物量易降解并可能增加強效溫室氣體CH4排放。湖泊富營養(yǎng)化與凈碳排放形成潛在的正反饋效應(yīng)，因此亟需尋求湖泊減污降碳的協(xié)同增效策略。
近日，中國科學院南京地理與湖泊研究所研究員吳慶龍團隊提出，通過恢復(fù)水生植物可將浮游藻類占優(yōu)勢的濁水態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為清水態(tài)系統(tǒng)，或有助于打破上述正反饋，從而同步緩解湖泊富營養(yǎng)化和碳排放。
強烈的光合作用可在浮游藻類主導(dǎo)的湖泊中暫時形成CO2匯，但其生物量往往快速分解，導(dǎo)致大部分固存的碳重新釋放至大氣。此外，藻類衍生的活性有機碳可通過激發(fā)效應(yīng)促進沉積物內(nèi)源有機碳礦化，從而減少碳儲存并刺激碳釋放。未來，百年間浮游藻類的增加將使湖泊CH4排放量提升30%至90%，反映出藻類聚積及隨之產(chǎn)生的缺氧環(huán)境為產(chǎn)甲烷菌提供了充足的底物和適宜的氧化還原條件。同時，多種藍藻可直接在富氧水體產(chǎn)生CH4，成為藻型湖泊中的CH4源。考慮到CO2與CH4綜合溫室效應(yīng)，藻華頻發(fā)的富營養(yǎng)化湖泊可能增加碳排放，而全球變暖將進一步強化這種正反饋效應(yīng)，削弱湖泊生態(tài)系統(tǒng)的氣候韌性。
基于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換理論，將浮游藻類占優(yōu)的藻型湖泊恢復(fù)至水生植物占優(yōu)的草型湖泊，對緩解湖泊富營養(yǎng)化較為重要，并為打破富營養(yǎng)化與碳排放形成的正反饋提供契機。構(gòu)建濱岸帶人工濕地可削減來自流域的外源營養(yǎng)鹽負荷，人工濕地中的水生植物可吸收營養(yǎng)鹽并將CO2轉(zhuǎn)化為生物量。當入湖營養(yǎng)鹽降至一定閾值時，敞水區(qū)水生植物恢復(fù)可吸收營養(yǎng)鹽、抑制內(nèi)源營養(yǎng)負荷，從而遏制浮游藻類增殖。此外，刈割與資源化利用可在水生植物腐爛前將其固存的碳封存，避免重新釋放至大氣。基于質(zhì)量守恒模型，草型湖泊實現(xiàn)凈CO2排放當量低于零（ΔCO2-eq<0，即凈碳匯）的概率高于藻型湖泊。估算結(jié)果顯示，藻型湖泊經(jīng)水生植物恢復(fù)后，在20年、100年和500年時間尺度上，凈碳排放量分別減少0.006-23.18 g ΔCO2-eq/m2/d、0.003-10.44 g ΔCO2-eq/m2/d和0.002-5.71 g ΔCO2-eq/m2/d，約為藻型湖泊凈CO2排放當量的49.7%至770.2%。因此，研究認為，恢復(fù)大型水生植物有望同步實現(xiàn)湖泊富營養(yǎng)化治理與碳減排的雙重目標。
長期碳埋藏與低排放是草型湖泊碳匯能力增強的典型特征，其潛在機制包括如下內(nèi)容。一是CO2可轉(zhuǎn)化為大型水生植物組織中的難降解有機碳，這類有機碳具有更長的保存時間。二是作為水生食物網(wǎng)的重要節(jié)點，一些底棲動物展現(xiàn)出強化碳匯優(yōu)勢，且在草型湖泊中更為豐富。它們通過吸收顆粒有機碳促進軟組織生長，還可以通過生物鈣化作用將碳以穩(wěn)定無機碳形態(tài)CaCO3封存于殼體。在喀斯特湖泊中，碳酸鹽風化作用釋放的溶解態(tài)無機碳為水生植物光合作用提供碳源，促進難降解有機碳形成，增強湖泊沉積物的碳埋藏能力。三是草型湖泊更高的微生物多樣性有助于強化微生物碳泵效應(yīng)，進而提升其氣候韌性。四是根際泌氧促進CH4氧化，可將鐵元素穩(wěn)定在高價態(tài)，并通過礦物碳泵助力有機碳在草型湖泊中穩(wěn)定封存。
較多原位觀測和中宇宙實驗表明，水生植物恢復(fù)后，ΔCO2-eq如預(yù)期降低，一些例外情況或歸因于草型湖泊外源碳輸入干擾、水生植物根際分泌物分解或通氣組織釋放CH4。為最大化ΔCO2-eq<0概率，亟需構(gòu)建不同類型水生植物的有機碳礦化效率與CH4排放占比譜系。因此，整合上述譜系數(shù)據(jù)以指導(dǎo)擬修復(fù)水體中水生植物的選擇，對維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康和增強氣候韌性至關(guān)重要。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《創(chuàng)新》（The Innovation）上。
論文鏈接
水生植物恢復(fù)或可同步緩解湖泊富營養(yǎng)化和碳排放
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