Shuoyue Wang, Yang Gao, Junjie Jia, Yao Lu, Kun Sun, Xianrui Ha, Zhaoxi Li, Wanqian Deng. Vertically stratified water source characteristics and associated driving mechanisms of particulate organic carbon in a large floodplain lake system, Water Research, 2022, 209, 117963.
第一作者：王朔月 硕士生（中科院地理科学与资源研究所）
通讯作者：高扬 研究员（中科院地理科学与资源研究所）
论文DOI: 10.1016/j.watres.2021.117963
图文摘要
成果简介
近日，中科院地理科学与资源研究所高扬研究员课题组在Water Research上发表了题为“Vertically stratified water source characteristics and associated driving mechanisms of particulate organic carbon in a large floodplain lake system”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2021.117963)，采用δ13C和δ15N双稳定同位素方法，探讨了鄱阳湖的颗粒态有机碳(POC)及其相关稳定同位素的垂直分布格局，定量评估了鄱阳湖POC来源的垂向特征，研究了一个大型漫滩湖泊系统POC来源的垂向分布特征及其驱动因素。研究表明，从鄱阳湖由表层到底层，POC组成依次由内源主导向外源主导转变。表层的POC组成主要由与浮游植物光合作用和营养水平相关的环境因子驱动，而土壤侵蚀、泥沙淤积和再悬浮对湖泊中层和底层POC的分布和组成有较大影响。此外，POC的来源还受风速和水深等垂直混合相关因素的影响。研究结果有助于我们全面认识湖泊碳循环过程、水生态系统功能和污染物迁移转化的潜在驱动机制。
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颗粒态有机碳(POC)是湖泊有机碳库的重要组成部分，通过沉积、降解和矿化对有机碳库和无机碳库具有显著的调控作用，并在很大程度上控制着营养元素和污染物的运输。湖泊中POC的垂直分布和来源受不同因素的影响。本研究采用了δ13C和δ15N结合的双稳定同位素方法，深入探究了一个大型漫滩湖泊POC的垂向来源及其驱动因子，对于全面了解碳-氮-磷耦合循环、水生生态系统功能以及污染物的迁移转化过程具有重要意义。
引言
颗粒态有机碳(POC)是湖泊有机碳库的重要组成部分，通过沉积、降解和矿化对有机碳库和无机碳库具有显著的调控作用，并在很大程度上控制着营养元素和污染物的运输。根据其地球化学特征，POC可分为内源性POC和外源性POC，它们与湖泊系统中土壤侵蚀、浮游植物初级生产和大型植物碎屑等陆源输入有关。湖泊中POC的垂直分布和来源受不同因素的影响。本研究利用δ13C和δ15N作为端元混合分析的双稳定同位素，研究了鄱阳湖POC及其相关的稳定同位素的垂向分布特征，定量评价了鄱阳湖POC来源的垂向特征，探讨了鄱阳湖POC来源及特征的驱动因素。深入研究大型漫滩湖泊系统中垂直POC的来源和驱动因素，对于全面理解碳循环、水生生态系统功能和污染物迁移转化过程至关重要。
Fig. 1. Study area and sampling sites. The area marked by the red box is the water channel area; the area marked by the blue box is the main lake area; and the area marked by gray box is the sub-lakes area.
除了Chl a、DOC、DTC、NH4-N和PO4-P外，大部分环境参数在鄱阳湖的三个区域间均存在显著差异 (p<0.05)。然而，除了TSM和DTN，其他环境因子在三个垂直层间均未表现出显著差异。
Fig. 2. Distribution characteristics of environmental parameters in Lake Poyang. The gray, blue and red dots represent the chemical parameter distribution of surface, middle and bottom layers respectively.
鄱阳湖的POC浓度在三个垂直分层间存在显著差异 (p<0.01)，底层的POC浓度显著高于表层和中层。此外，碟形湖区的POC浓度波动较大且显著高于入江水道区域 (p<0.05)。
Fig. 3. Spatial POC patterns in Lake Poyang. * and ** indicate extremely significant (p<0.01) and significant (p<0.05) differences respectively; Kruskal-Wallis rank sum test and pairwise comparisons using Wilcoxon rank sum test.
从表层到底层，δ13C的平均值呈上升趋势，表层的δ13C值显著低于底层的δ13C值，碟形湖区的δ13C值显著高于主湖区和入江水道区 (
p
<0.01)。然而，鄱阳湖的δ15N值在三个区域与三个垂直层之间均未呈现出显著差异。
Fig. 4. Distribution of δ13C (a) and δ15N (b) in Lake Poyang. ** indicates extremely significant differences (p<0.01); Kruskal-Wallis rank sum test and pairwise comparisons using Wilcoxon rank sum test.
端元混合模型的结果表明，碟形湖区的POC几乎完全由外源驱动，包括C3植物源(33%)和土壤有机质源(66%)。鄱阳湖的主湖区和入江水道区的POC来源均表现出了从表层到底层依次由内源主导转变为外源主导的趋势，即表层是内源主导层，中层是混合层，底层是外源主导层。
Fig. 5. (a) and (b) showing distribution characteristics of end-member values; (c) showing the quantitative estimation of POC composition.
鄱阳湖作为一个典型的亚热带大型漫滩湖泊，受物理、化学和生物等因素的空间差异的影响，导致潜在POC来源的空间异质性。
结构方程模型的结果显示，与浮游植物光合作用和营养物质(氮和磷)水平相关的环境因素主要驱动表层的POC，例如溶解氧、透明度和水温等因子。鄱阳湖的底层POC的分布和组成受到土壤侵蚀、泥沙沉积和再悬浮的强烈影响。人为活动(如土地利用变化、挖沙和筑坝等)可以显著影响这些过程。
此外，与垂直混合相关的因素，如风速和水深，也可能会显著影响流速，也在POC的分布和来源中发挥着重要作用。水体流速、湖底地形以及不同的降解过程也可能对不同垂直层和不同区域的POC组成产生影响。POC和各种影响因素之间的相关关系的差异性进一步说明调控碳循环和POC组成的潜在过程可能是复杂多变的，且具有一定的空间特异性。
Fig. 6. PLS-SEM model results illustrating the relationship between environmental factors and POC concentrations and its associated isotopes in surface (a), middle (b), and bottom (c) water layers. The values are path coefficients of PLS-SEM model among environmental factors and POC concentrations and its associated isotopes. The circular is the latent variable, it could not be observed directly, while the square is the observed variable, the actual monitoring index. The red arrows indicate that the influencing factors have a positive effect on POC concentrations and its associated isotopes, while the blue arrow indicates that influencing factors have a negative effect on POC concentrations and its associated isotopes. Arrows with path coefficients less than 0.2 were hidden.
Fig. 7.
Conceptual model of POC composition, carbon cycling, and environmental impacts in Lake Poyang. The green color blocks represent the proportion of exogenous POC; the blue color blocks represent the proportion of endogenous POC. The size of color block is proportional to POC concentration. The numbers on the color blocks represent the percentage of endogenous and exogenous POC sources. The gray blocks represent the total POC concentrations.
小结
此研究采用双稳定同位素(δ13C和δ15N)和端元混合分析(EMMA)定量评价了鄱阳湖POC来源的垂向特征，并且深入探究了鄱阳湖POC的垂直分层来源的不同驱动过程。此研究对于全面理解湖泊碳循环过程、水生生态系统功能及温室气体排放的潜在驱动机制具有重要意义。
作者介绍
高扬 博士生导师，中国科学院地理科学与资源研究所研究员，中国科学院大学岗位教授。曾获得国家自然科学优秀青年基金、入选中国科学院青促会优秀会员、“卢嘉锡青年优秀人才” “秉维优秀青年人才”等称号；2017年获得陕西省自然科学奖二等奖（排名第三）以及2015年获得陕西高等学校科学技术一等奖（排名第二）。2014年Purdue University访问学者以及2018年University of Bristol, Honorary Visiting Associate Professor。兼任《中国水土保持科学》编委、《湖泊科学》编委、Journal of Geographical Sciences客座编委以及多家国内外多家知名期刊审稿专家。已发表论文130多篇，SCI收录80多篇，其中第一作者/通讯作者发表SCI论文70多篇，代表性论文包括：National Science Review、Earth-Science Reviews、Water Research、Global Change Biol、J Appl Ecol、ES&T、J Hydrol和Agr Forest Meteorol等期刊，多篇论文获Nature Climate Change亮点评价、中国科学·地球科学与ACS Earth and Space Chemistry当期封面、以及Elsevier研究热点。
参考文献：
Shuoyue Wang, Yang Gao, Junjie Jia, Yao Lu, Kun Sun, Xianrui Ha, Zhaoxi Li, Wanqian Deng. Vertically stratified water source characteristics and associated driving mechanisms of particulate organic carbon in a large floodplain lake system, Water Research, 2022, 209, 117963.
文章链接:
https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117963
