湖泊科学   2019, Vol. 31 Issue (1): 282-292.  DOI: 10.18307/2019.0126.
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研究论文

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刘会基, 刘恩峰, 于真真, 张恩楼, 林琪, 王荣, 沈吉, 近百年来洱海沉积物有机碳埋藏时空变化. 湖泊科学, 2019, 31(1): 282-292. DOI: 10.18307/2019.0126.
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LIU Huiji, LIU Enfeng, YU Zhenzhen, ZHANG Enlou, LIN Qi, WANG Rong, SHEN Ji. Spatio-temporal patterns of organic carbon burial in the sediment of Lake Erhai in China during the past 100 years. Journal of Lake Sciences, 2019, 31(1): 282-292. DOI: 10.18307/2019.0126.
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基金项目

国家科技基础性工作专项(2014FY110400)和国家自然科学基金项目(41672354,41271214)联合资助

作者简介

刘会基(1992~), 女, 硕士研究生; E-mail:liuhuiji16@mails.ucas.ac.cn

通信作者

刘恩峰, E-mail:liuenfeng@sdnu.edu.cn

文章历史

2018-05-13 收稿
2018-06-27 收修改稿

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近百年来洱海沉积物有机碳埋藏时空变化
刘会基1,2 , 刘恩峰1,3 , 于真真1,2 , 张恩楼1 , 林琪1,2 , 王荣1 , 沈吉1     
(1: 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室, 南京 210008)
(2: 中国科学院大学, 北京 100049)
(3: 山东师范大学地理与环境学院, “人地协调与绿色发展”山东省高校协同创新中心, 济南 250358)
摘要:湖泊沉积物有机碳埋藏是陆地碳循环中重要的环节,对全球碳平衡起着重要的作用.洱海是云贵高原第二大淡水湖,目前对洱海生态环境变化、重金属与营养盐污染等已展开了较为深入的研究,但对近百年来沉积物有机碳埋藏时空变化与驱动因素缺乏系统的分析.本文通过对洱海北部湖区典型岩芯(编号EH2012)以及其他湖区13个沉积岩芯中有机碳(OC)含量的分析,结合湖泊生态环境与气候因子变化,研究了近百年来沉积物有机碳埋藏时空变化特征与影响因素.C/N摩尔比值表明洱海沉积物中OC以湖泊内源为主,不同湖区岩芯中OC含量变化趋势基本相似.以EH2012岩芯为例,OC含量历史变化可分为3个阶段:1970年以前,表现出较稳定的低值;1970-2000年,OC含量逐渐增加;2000年以来,OC含量增加更加明显并达到近百年来的最大值.近百年来,EH2012岩芯有机碳累积速率(OCAR)呈逐渐增加趋势,变化范围为7.9~87.2 g/(m2·a),平均OCAR(OCAR)为24.1 g/(m2·a);OCAR变化与OC含量和区域气温呈显著正相关,全球变暖与营养驱动下的湖泊生产力提高可能是近年来OCAR增加的主要原因之一.基于重金属Cd污染初始时间建立的时标,1982年以来不同湖区OCAR为17.1~44.7 g/(m2·a),采用克里金插值得到的全湖OCAR均值为31.4 g/(m2·a);不同湖区OCAR与磷累积速率呈显著正相关,指示了湖泊营养水平对有机碳埋藏空间变化的重要影响.
关键词洱海    沉积物    有机碳埋藏    时空变化    驱动机制    
Spatio-temporal patterns of organic carbon burial in the sediment of Lake Erhai in China during the past 100 years
LIU Huiji1,2 , LIU Enfeng1,3 , YU Zhenzhen1,2 , ZHANG Enlou1 , LIN Qi1,2 , WANG Rong1 , SHEN Ji1     
(1: State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, P. R. China)
(2: University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China)
(3: Collaborative Innovation Center of Human-Nature and Green Development in Universities of Shandong, College of Geography and Environment, Shandong Normal University, Ji'nan 250358, P. R. China)
Abstract: Organic carbon (OC) burial in lake sediments plays important roles in the terrestrial carbon cycle and global carbon balance. Lake Erhai is the second largest freshwater lake in the Yunnan-Guizhou Plateau. There have been many studies on the changes in the lake ecological environment and pollution of trace metals and nutrients, but limited knowledge is available on the spatio-temporal patterns in OC burial in sediment. Based on the analysis of OC content in core EH2012 and other 13 sedimentary cores in Lake Erhai, the characteristics in temporal and spatial variations of OC burial in recent 100 years were studied, and their relationships with the climatic, anthropogenic and ecological factors were discussed. The C/N molar ratio indicated that the sedimentary OC in Lake Erhai were mainly autochthonous in source, and they displayed similar vertical trends in the cores from different lake areas. In core EH2012, for example, the OC content displayed three stages variations. The OC content were low before 1970 AD, followed by a gradual increase between 1970 and 2000 AD, then increased sharply after 2000 AD and reached the maxima in recent years. The organic carbon accumulation rate (OCAR) increased gradually over the past 100 years as shown in core EH2012, and ranged from 7.9 to 87.2 g/(m2·a), with an average value (OCAR) of 24.1 g/(m2·a). The OCAR variations in cores EH2012 were positively correlated with the OC content and regional temperature, suggesting that the enhancing lake primary productivity driven by both nutrients levels and temperature should be one of major factors responsible for rising OCAR. Using the 1982 chronology mark established by initial time of Cd pollution in the cores, the OCAR since 1982 AD showed large diversity in different lake areas, ranging from 17.1 to 44.7 g/(m2·a), and it averaged 31.4 g/(m2·a) for the whole lake based on the Kriging interpolation. The spatial variation in OCAR is positively correlated with the phosphorus accumulation rate, which also suggests the driving mechanism of nutrient levels on the OC burial.
Keywords: Lake Erhai    sediment    organic carbon burial    spatio-temporal variations    driving mechanism    

湖泊沉积物作为有机碳(OC)的储存库之一,在区域与全球碳循环与碳平衡中发挥着重要的作用.研究表明,全球内陆水体沉积物中OC累积速率在150~600 Tg/a之间[1-3],其中湖泊OC累积速率平均约为42~90 Tg/a[3-4].近百年来受到人类活动的强烈影响,外源有机质入湖通量增加明显[5],大量外来营养盐的输入使得湖泊初级生产力升高,富营养化问题日益突出,由此导致部分湖泊“碳汇”效应更为明显[6-7].如北美爱荷华州富营养湖泊有机碳累积速率高达200 g/(m2·a)[6],欧洲富营养化湖泊有机碳累积速率超过50 g/(m2·a)[7].除营养盐输入之外,全球变暖也可引起水体初级生产力的提高;然而,增温背景下水体与沉积物中微生物呼吸作用与有机质矿化速率增强[8],可导致有机碳埋藏率的下降[8],湖泊沉积物可能由“碳汇”变为“碳源”,全球变暖与湖泊营养水平提高对碳埋藏的影响可能存在一定的区域差异.因此,深入研究湖泊沉积物中有机碳埋藏的时空变化及其与湖泊生态、气候环境与人类活动等的关系,不仅有利于更加深刻地了解湖泊生态环境演化,而且可以更加科学地评估湖泊有机碳埋藏在全球碳循环中的作用.

湖泊有机碳埋藏与流域人类活动强度、沉积特征、水文生态等生态环境因子密切相关[5, 9-10],不仅不同湖泊之间有机碳累积速率存在很大差异[5-6],而且同一湖泊的不同湖区有机碳累积速率可能表现出较大的空间差异性[10].目前全球及区域湖泊有机碳埋藏的估算主要是基于单一或者少数岩芯资料,这会导致全湖有机碳埋藏量估算结果存在较大偏差[11],进而影响到全球湖泊有机碳埋藏量估算的精度[3].对于大型湖泊而言,单个或少量岩芯数据在多大程度上能代表全湖的有机碳埋藏情况还有待进一步评估.

我国大于1 km2的湖泊总面积约81415 km2,据估算,近150年来有机碳埋藏量为269.5 Tg[11].目前,针对我国湖泊碳埋藏的研究多集中在全新世和近150年两个阶段[12-14],研究内容上主要侧重于有机碳埋藏历史变化[12-13].如张风菊等[15]对中国不同气候区64个湖泊的研究表明,近150年来有机碳累积速率为1.4~259.5 g/(m2·a),平均为21.7 g/(m2·a).长江中下游浅水湖泊研究表明[13],1850年以来,有机碳累积速率约为5~373 g/(m2·a),同时期该地区湖泊有机碳埋藏总量约为80 Tg,相当于土壤碳埋藏量的11 %.云贵高原是我国五大湖区之一,据估算,云贵高原九大湖泊1850年以来的有机碳平均累积速率为27.4 g/(m2·a)[15].洱海是云贵高原第二大淡水湖,20世纪末期以来富营养化问题日益突出[16].针对洱海水质和生态环境等方面已开展了较为深入的研究[17-18],但是关于洱海有机碳埋藏时空变化与影响因素的研究还十分薄弱.本文在前人研究的基础上,通过对洱海14个沉积岩芯中有机碳含量时空分布特征进行分析,研究了有机碳埋藏时空变化规律及其与湖泊水环境和主要气候因子等的关系,评估了沉积空间异质性对全湖有机碳埋藏估算的影响,以期为全面深入地认识洱海生态系统演化、科学评估湖泊沉积物碳埋藏对区域及全球碳循环的贡献提供参考.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

洱海位于云南省大理市,湖泊面积249 km2,汇水面积2785 km2,最大水深20.7 m,平均深度10.2 m[19].洱海是典型的构造断陷湖,主要靠降水和冰雪融水补给,其中大部分来自流域西部的苍山山脉,南部的西洱河是洱海主要的出湖河流(图 1). 1950 —2012年,环洱海地区年平均气温和降水变化范围分别是14~16℃和647~1453 mm,平均为15℃和1055 mm;年平均气温呈现出升高的趋势,而年平均降水量呈现微弱降低的趋势[20].从1990s开始,洱海水体趋于富营养化,包括总磷(TP)和总氮(TN)在内的营养指标均呈上升趋势,至2003年,TP浓度达到了30 μg/L,随后有所下降,但TN一直保持在较高水平(2006年达到峰值,浓度为0.66 mg/L)[21].较高的营养盐浓度诱发了蓝藻等浮游植物的大量生长,密度由1995年的2 × 106 cells/L升高到2003年的2 × 107 cells/L,并且引发了严重的藻华灾害[21].总体上,洱海的水环境与生态环境演变以1970s、1980s和1990s为界可划分3个阶段,经历了大型水生植物扩张、衰退,由贫营养到富营养,水质不断下降的过程[22].洱海环境变化与人类活动密不可分,其中1970s西洱河水电站放水发电、1990s网箱养殖、近年来旅游业与农业发展及氮磷等营养盐输入都对洱海的生态环境产生了巨大的影响[23].

图 1 洱海沉积岩芯采样点位置与编号 Fig.1 Sampling sites and codes of the cores in Lake Erhai
1.2 样品采集

2012和2014年,使用奥地利产UWTTEC重力采样器在洱海不同湖区共采集了14个沉积岩芯(图 1). EH2012岩芯以0.5 cm间隔现场分样,其他沉积岩芯以1 cm为间隔分样,所有样品均装入聚乙烯自封袋中密封保存,带回实验室储存在4℃的冷库中.

1.3 样品分析

沉积物样品经冷冻干燥后分别用于各项指标分析.本文主要对EH2012岩芯进行年代学指标分析,210Pb、226Ra及137Cs活度采用美国EG&G Ortec公司生产的高纯锗井型探测器(HPGe GWL-120-15)测定,根据210Pb与226Ra差值计算获得过剩210Pb(210Pbex).

取0.5 g左右沉积物样品经1 M HCl去除碳酸盐并用蒸馏水洗至中性后进行冷冻干燥,研磨后采用Flash EA 1112元素分析仪测定有机碳(OC)和总氮(TN)含量.称取研磨后的沉积物样品约0.1 g置于聚四氟乙烯烧杯中,经HCl-HNO3-HF-HClO4中温(180℃左右)完全消解并蒸干后,再加入2.5 ml 1 mol/L的硝酸和5 ml超纯水,加热溶解残渣,冷却后定容至25 ml[11],采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(Leeman Labs, Profile DV)测定总磷(TP)含量,Cd含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,Agilent 7700)测定.分析过程中采用GSS-9和GSS-13标准物质进行精度控制,测量值均在标准值误差范围内.上述测试均在中国科学院湖泊与环境国家重点实验室完成,EH2012岩芯中样品的分析间隔为每1~2 cm一个样品,其他岩芯中0~20 cm样品的分析间隔为每2 cm一个样品,20 cm以下样品的分析间隔为每4 cm一个样品,上下样品间OC含量采用内插方法计算有机碳累积速率.

1.4 有机碳累积速率计算

有机碳累积速率(organic carbon accumulation rate,OCAR,g/(m2·a))采用如下公式计算[15]

$ {\rm{OCAR}} = {\rm{SARs}} \cdot {\rm{OC}}\left( \% \right) $ (1)

式中,OC(%)为每层沉积物的有机碳含量,SARs为每层沉积物沉积速率(sediment accumulation rates,g/(m2·a)).

平均OCAR计算公式为:

$ \overline {{\rm{OCAR}}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{F_i} \cdot \Delta {t_i} \cdot {{({\rm{OC}}\% )}_i}} }}{{\sum\limits_{i = 1}^n {\Delta {t_i}} }} $ (2)

式中,OCAR为一定时间内的平均OCAR,Fi为第i层沉积物沉积速率,Δti为第i层和i+1层的年代间隔,(OC %)i为第i层沉积物的有机碳含量.全湖沉积物碳埋藏量基于公式(2)、湖泊面积以及沉积年代结果,采用克里金插值法进行计算.

1.5 数据分析

文中数据统计分析采用SPSS 22.0软件进行,OC等指标的空间分布图采用Surfer 10.0(Golden Software Inc.)软件进行绘制(Kriging空间插值).

2 结果与讨论 2.1 沉积岩芯年代

EH2012岩芯中210Pbex活度自上而下总体上呈指数下降(R2= 0.8,P < 0.01),137Cs活度在约17 cm处呈现明显的峰值(图 2);参考北半球大气137Cs沉降通量[24],EH2012岩芯中137Cs峰值对应于1963年.岩芯底部(31 cm以下),210Pbex活度小于10 Bq/kg,210Pb衰变已基本达到平衡(图 2).根据210Pbex活度,采用CRS模型建立沉积岩芯年代[24],深度17 cm处年代为1964年(图 2),这与137Cs时标(1963年)吻合,说明根据210Pbex活度建立的沉积岩芯年代具有较高的精度.沉积岩芯31 cm处对应年代为1825年,由于210Pb测年方法本身的局限性,210Pb衰变平衡点附近年代结果误差较大[24],可能对有机碳累积速率计算有较大影响,因此本文重点对近百年(对应于EH2012岩芯深度28~0 cm)沉积物中碳累积速率进行分析.

图 2 洱海EH2012岩芯137Cs与210Pbex活度、年代—深度对应关系以及镉(Cd)含量 Fig.2 Activities of 137Cs and 210Pbex, the age-depth relationship and the content of Cd in the core EH2012 from Lake Erhai

除了EH2012岩芯之外,其他沉积岩芯年代时标建立采用地层对比法[25]. EH2012岩芯中Cd污染开始出现于1982年前后(图 2),结合其他沉积岩芯中Cd污染开始出现的层位,建立各岩芯1982年时标所对应的深度,进而估算近年来不同湖区有机碳累积速率与累积量.

2.2 洱海沉积物有机碳时空变化特征 2.2.1 洱海沉积物中有机碳含量历史变化

EH2012岩芯OC等指标变化如图 3所示. OC含量为1.8 % ~12.5 %,平均值为3.8 %. OC含量变化可分为3个阶段:1970年以前,OC含量无明显的变化趋势,维持在较稳定的低值;1970 —2000年,OC含量逐渐增加;2000年以来,OC含量快速增加并达到整个岩芯的最高值,这与水体中叶绿素a浓度变化阶段相似[26]. TN含量变化趋势与OC基本一致,二者呈显著正相关(r=0.997,P < 0.01). C/N摩尔比值为9.9~14.9,总体上由下向上呈逐渐降低趋势.沉积岩芯中TP含量总体上呈向上增加的趋势,可分为3个阶段:1970年以前其含量逐渐增加,1970 —2000年无明显变化趋势,2000年以来磷含量快速增加.

图 3 EH2012岩芯有机碳(OC)、总氮(TN)、总磷(TP)含量及C/N摩尔比值变化 Fig.3 Vertical variations of organic carbon, total nitrogen, total phosphorus contents and C/N molar ratio in the core EH2012

洱海其他沉积岩芯中OC含量变化如图 4所示.各岩芯中OC平均含量介于2.5 % ~6.6 %之间.垂向上,EH1~EH14岩芯中OC含量变化趋势与EH2012相似,但各岩芯OC含量开始出现变化的深度有所不同,可能主要与各湖区沉积速率的空间差异有关.总体上,各岩芯下部OC含量较为稳定;岩芯中部OC含量缓慢增加,岩芯上部OC含量呈快速增加趋势. 14个岩芯中C/N摩尔比值均值为9.2~10.6.

图 4 洱海沉积岩芯有机碳(OC)含量(%)垂向变化 Fig.4 Vertical variations of organic carbon content (%) in sediment cores from Lake Erhai
2.2.2 沉积物中有机碳含量空间变化

由于受到年代资料的限制,本文只建立了各岩芯1982年时标,这基本上对应于洱海营养程度开始升高、生态系统类型开始发生变化的时段[22].因此,重点对表层沉积物与1982年以来沉积物中OC含量等空间变化进行了分析(图 5).

图 5 洱海表层(a)与1982年以来(b)沉积物中有机碳(OC)含量和C/N摩尔比值空间变化 Fig.5 Spatial variations of organic carbon content and C/N molar ratios in surface (a) and recent sediments after 1982 (b) in Lake Erhai

表层沉积物中OC含量为5.1 % ~12.5 %,平均为7.6 %;C/N摩尔比值在9.0~11.2之间,平均值为10.1(图 5).空间上,表层沉积物中OC含量高值区主要位于中北部和西南部湖区(图 5).与云贵高原地区其他湖泊相比,洱海表层沉积物中OC平均含量低于富营养程度较高的杞麓湖(OC含量为9.2 %),但高于中营养的程海(OC含量为2.8 %)和贫营养的泸沽湖(OC含量为6.6 %)[27]. 1982年以来,洱海不同湖区沉积物中OC平均含量为3.2 % ~9.9 %,平均为5.6 % (图 5);C/N摩尔比值为9.2~10.6(图 5),平均值为10.0,变异系数为0.04,表明有机质来源空间差异较小. 1982年以来沉积物中OC平均含量以及C/N摩尔比值空间分布特征与表层沉积物基本一致,说明近年来洱海各湖区沉积物中有机质累积与来源等较为稳定.

2.3 有机碳埋藏时空变化与影响因素 2.3.1 近百年来洱海沉积物中有机碳埋藏变化

EH2012岩芯记录的OCAR变化趋势与OC总体一致,约1970年以前OCAR较为稳定,1970年以来OCAR呈逐渐增加趋势,尤其是2000年以来OCAR达到近百年的最高水平(图 6). EH2012岩芯中OCAR变化范围为7.9~87.2 g/(m2·a),基于公式(2)估算得到近百年来OCAR为24.1 g/(m2·a),与泸沽湖1920年以来沉积物OCAR(23.9 g/(m2·a))相近[25],与云贵高原地区9个湖泊1850年以来的OCAR结果(27.4 g/(m2·a))[15]相当,远高于长江中下游湖泊同时期的OCAR(如太湖为5 g/(m2·a)[13],略低于美国(除阿拉斯加和夏威夷州)的湖泊与水库沉积物OCAR(31 g/(m2·a))[28],远低于北美和欧洲富营养湖泊(50~150 g/(m2·a)[6-7]和爱荷华州富营养化水库的OCAR(150~17000 g/(m2·a))[29].上述不同地区湖泊OCAR的差异可能更主要的取决于人为活动导致的湖泊富营养化与水体生产力水平[7],除此之外,还可能与气候和水体理化性质不同造成的水体与沉积物有机质矿化速率[8, 30-32]、湖泊形态、水深及有机质来源差异等因素有关[3, 30].

图 6 EH2012岩芯沉积速率(SARs)与有机碳累积速率(OCAR) Fig.6 The sediment accumulation rates (SARs) and organic carbon accumulation rates (OCAR) in the core EH2012

近百年来,EH2012岩芯记录的OCAR与OC含量呈显著正相关(n=28, r=0.937, P < 0.01)(图 7),这与全新世大暖期研究结果相似[15];而OCAR与沉积物累积速率无显著相关性(n=28, r=0.179, P=0.362)(图 7). EH2012岩芯记录的有机碳累积速率与沉积物沉积速率在1980s以前趋势相同,随后总体趋势相反,说明在1980s以前,沉积速率对有机碳累积速率具有较大影响,这可能与较高沉积速率条件下有利于沉积物中有机质的保存有关[3];而在1980s以后,洱海有机碳累积速率主要取决于水体OC供给的变化,沉积速率影响降低.

图 7 EH2012岩芯有机碳累积速率与沉积速率(SARs)、有机碳(OC)含量、区域年均温和降水量[20]之间的关系(虚线为95 %置信区间) Fig.7 Plots of OCAR against SARs and organic carbon content in core EH2012, and the regional annual temperature and precipitation (Dashed line shows the 95 % confidence interval)
2.3.2 沉积物有机碳埋藏历史变化的影响因素分析

流域人类活动强度与气候变化[5]、有机质来源[30-31]、水体生产力水平与生态类型转变[8]、水体—沉积物界面环境条件[30-31]、水体与沉积物中有机质的降解[29]等因素对沉积物有机碳累积速率有重要影响.本文基于EH2012岩芯结果,对洱海沉积物OC埋藏历史变化的主要因素进行了分析.

湖泊沉积物中有机质来源分为内源和外源,内源有机质主要包括水生生物残体,而外源有机质主要为入湖径流携带的以颗粒态和溶解态存在的陆生植物有机质.研究表明,藻类等低等水生植物具有较低的C/N摩尔比值,一般小于7;陆生高等植物C/N摩尔比值一般大于20[33].根据洱海各岩芯中C/N摩尔比值,沉积物中有机质均以湖泊内源为主,这与倪兆奎根据δ13Corg和C/N摩尔比值得到的研究结果一致[34].洱海各湖区沉积物中C/N摩尔比值差异较小(图 5),反映了全湖较为相似的有机质来源.

研究认为,当湖泊沉积物中有机质以内源为主时,其埋藏通量高低通常反映了湖泊生产力水平[7]. 1970年以前,洱海流域经济发展水平不高,人类活动对洱海影响较小,喜爱清洁水体的云南飞燕角甲藻、暗丝藻等藻类较为常见[34],湖泊初级生产力保持在较低水平,有机碳累积速率处于较低水平(图 6). 1970s之后,西洱河水电站建成使用,造成洱海水位下降(1973 —1982年平均水位下降1.2 m)[35],水生植物向湖心区扩展,沉水植物生物量大幅增加[17];这一时期,洱海流域农业快速发展,农业及生活废水排放的人为营养盐输入增加使得湖泊生产力上升[36],沉积物中OC含量与有机碳累积速率升高(图 6). 1990年以后,沉积物中OC含量与OCAR增加趋势明显加快并在2000年后达到最高水平;这一时期,网箱养鱼面积大幅度增加,旅游业日益兴旺,进入洱海的营养物质量增加,水体逐渐过渡到富营养水平[22].根据相关研究,1996年洱海出现了大面积的“水华”[26, 34],枝角类研究也表明约1996年以后,喜爱富营养水体的象鼻溞替代喜好贫营养水体的象鼻溞成为优势种[37],洱海生态环境恶化. 2000年以来,洱海环境治理,大型水生植物有所恢复,但水体浮游藻类生物量增高[23],OC含量与累积速率快速增加(图 3图 6).近百年来EH2012岩芯OC含量及OCAR的变化与洱海生态环境演化过程吻合. EH2012岩芯中OC与TP含量具有显著的相关关系(r=0.536,P < 0.01),营养盐输入是沉积物中OC含量与累积通量升高的主要影响因子之一,同时也说明洱海沉积物有机质与营养盐沉积通量可反映湖泊营养水平与生产力变化[38].

除了湖泊营养水平之外,温度和降水量对湖泊生产力以及沉积物有机碳的保存也有重要影响.目前研究认为有机碳埋藏对温度存在两种反馈作用,一方面温度升高有利于有机质的矿化分解,从而降低有机碳累积速率[39];另一方面随着温度的升高,湖泊及流域的初级生产力也升高,进而有利于湖泊有机碳的供给和累积[13].降水量的增加会提升流域植被和土壤碳储量,增加湖泊沉积物有机碳的输入[15];但洱海沉积物中有机质以湖泊内源为主,外源有机质输入变化对沉积物有机质累积速率的影响应较弱.本研究选择环洱海地区1951 —2014年6个基本站点(洱源、大理、弥渡、漾濞、祥云、宾川)气温和降水数据[20]与有机碳累积速率进行线性拟合,结果表明OCAR与年均温度有正相关关系(n =21, r=0.518, P=0.016),而与降水量未表现出显著相关关系(n=21, r=0.136, P=0.557)(图 7).考虑到增温过程与洱海富营养化过程在时间上的同步性,为更准确地刻画温度与有机碳埋藏的关系,以TP为控制变量,对OCAR与温度进行偏相关分析,二者具有相关性(n=21, r=0.473, P=0.035),因此认为近年来的增温过程对洱海水体生产力提高和碳埋藏影响显著,与其他研究结果一致[6, 13].

沉积到湖底的一部分活性有机质经微生物降解和矿化作用生成二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)[40],另外一部分将被埋藏在沉积物中[41],但有机碳降解一般发生在初始沉积后的5~30年内并呈指数衰减[30, 41];与外源有机质为主的湖泊相比,以内源有机质为主的湖泊中沉积物中OC的降解对碳埋藏效率影响较小[9].研究还表明,清水的“草型湖”转变为浊水“藻型湖”后,由于沉积物氧化还原电位的降低,有机质降解速率减小,有利于沉积物中有机质的保存[9].与历史上时期相比,上述因素可能导致表层沉积物中有机碳累积速率被高估[42],但还有待进一步深入研究.

2.3.3 洱海碳埋藏空间变化与全湖碳埋藏量估算

基于不同湖区沉积岩芯1982年时标所对应的深度、单位面积沉积物干重及有机碳含量,估算得到1982年以来各岩芯OCAR介于17.1~44.7 g/(m2·a)之间,采用克里金插值得到的全湖OCAR平均值为31.4 g/(m2·a),略低于同时期滇池有机碳累积速率(55.6 g/(m2·a))[43],这可能与滇池富营养化较重,水体生产力较高以及较多的外源有机碳输入有关.空间上,洱海各湖区OCAR存在一定差异,南部湖区与北部湖区的OCAR相对较低,而中部偏北湖区较高(图 8),这与OC含量空间变化基本一致.总体上,SARs、OCAR与TP含量均呈由南部湖区和北部湖区向中部偏北湖区逐渐升高的规律(图 8). OCAR与SARs呈显著相关关系(r=0.738, P=0.05),并与磷累积速率显著相关(r=0.667, P < 0.01).

图 8 1982年以来洱海沉积速率(SARs)、OCAR及总磷(TP)累积速率等值线图 Fig.8 Contour maps of the SARs, OCAR and phosphorus accumulation rates in sediments after 1982 in Lake Erhai

洱海沉积物中有机质以内源为主,OCAR与SARs具有典型相关性,这与EH2012岩芯1980s之前结果一致,可能与较高沉积速率环境下有机质埋藏效率较高有关[32].相关研究表明,洱海中北部湖区黏土含量较高[44],沉积物粒径越小对磷的吸附作用就越强[10];中北部湖区沉积物中磷的累积速率较高除了受外源输入的影响之外,还可能与沉积物质地组成较细有关.沉积物中磷含量的变化在一定程度上反映了湖泊水体的营养变化[38],中北部湖区较高的营养条件使得水体生产力较高,沉水植物在洱海北部湖区具有最深的分布水深和分布范围[45],可以有效地反映浮游植物生物量的叶绿素a在洱海北部也有较高的浓度[46].因此,OCAR空间变化可能与不同湖区营养状况及初级生产力的差异有关.

实际研究中,由于受采样条件或工作量等因素的制约,往往采用单一岩芯代表全湖的碳埋藏情况,为进一步评价其可靠性,分别以洱海各个单岩芯OCAR代表全湖有机碳埋藏特征,估算得到1982年以来全湖沉积物中的碳埋藏量为0.13~0.34 Tg;基于14个岩芯OCAR估算的全湖沉积物碳埋藏量为0.23 Tg,偏差为-45 % ~44 %.由此可见,沉积环境与碳埋藏的空间异质性可能会导致基于少数钻孔估算的区域及全球湖泊碳埋藏误差的增大.

3 结论

通过对洱海沉积物近百年碳埋藏时空变化的研究,得出以下结论:

1) 近百年来,洱海沉积物中有机质以内源为主,EH2012岩芯记录的有机碳累积速率与OC含量变化趋势一致;1970年前较低,1970年以来呈逐渐升高的趋势,2000年来快速增加并达到最高值,与洱海生态环境变化吻合.磷输入导致的湖泊营养程度升高、初级生产力增加是洱海有机碳累积速率升高的主要原因之一,除此之外还可能受全球变暖的影响.近百年来洱海有机碳平均累积速率与云贵高原地区其他湖泊相当,但远高于长江中下游湖泊,低于北美和欧洲的富营养湖泊.

2) 空间上,洱海表层以及1982年以来沉积物中平均OC含量和有机碳累积速率高值区域主要分布于中部偏北湖区,与TP含量空间分布呈现出较好的一致性;有机碳累积速率呈由南部湖区和北部湖区向中部偏北湖区逐渐升高的规律.洱海有机碳埋藏空间变化主要受到湖泊营养程度的影响.

3) 基于单一岩芯估算的洱海碳埋藏与多岩芯估算结果相比,偏差可达-45 % ~44 %,指示了沉积空间异质性对全湖碳埋藏估算的影响. 1982年以来,全湖有机碳平均累积速率为31.4 g/(m2·a),碳埋藏量为0.23 Tg.

致谢: 袁和忠博士、纪明博士、罗文磊、宁栋梁等参加野外采样,朱育新副研究员、夏威岚高工、刘一兰、蔡艳杰等协助完成实验室测试,在此深表感谢.

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