高原湖泊碳氮耦合的双同位素示踪：气候变暖与人类活动的生态印记

本研究针对高原湖泊生态系统碳氮循环耦合机制不清的问题，通过分析云南九大高原湖泊浮游植物碳氮稳定同位素(δ13Cphy和δ15Nphy)，揭示了气候变暖(+0.43‰/°C)驱动碳同位素分馏、人类活动（污水与农业输入）调控氮同位素组成的双重机制，为脆弱高原湖泊的生态治理提供了同位素诊断工具。

　　

在全球气候变暖和人类活动加剧的双重压力下，高原湖泊生态系统正面临前所未有的挑战。作为地球上最重要的淡水生态系统之一，湖泊不仅是碳氮等生源要素的关键储库、转化枢纽和传输通道，更在调节区域气候中发挥着不可替代的作用。然而，当前全球湖泊正经历系统性转变——持续水温上升、时空降水失衡、热结构重组和分层期延长等气候驱动因素，与富营养化、污染物累积、水生植被退化和湖面收缩等人为生态危机相互叠加，从根本上重构着碳氮生物地球化学循环过程。

面对这些复杂变化，如何精准识别碳氮循环的调控机制成为生态学研究的焦点。稳定同位素分析作为强大的生物地球化学过程示踪工具，碳同位素(δ¹³C)为初级生产和有机质来源提供见解，而氮同位素(δ¹⁵N)能有效追踪人为氮输入和营养动力学。浮游植物作为初级生产者，因其生长快速、生命周期短和对环境波动高度敏感，在调节生物地球化学循环和能量转移中处于核心地位。它们的稳定同位素特征(δ¹³C_phy和δ¹⁵N_phy)编码着关键的环境信息，为评估湖泊碳氮循环提供了宝贵手段。

在此背景下，研究人员在《Water Research》上发表了关于高原湖泊生态系统碳氮耦合的研究成果。该研究通过2017-2022年间对云南九大高原湖泊（泸沽湖、程海、洱海、阳宗海、滇池、抚仙湖、星云湖、杞麓湖和异龙湖）的系统采样，综合分析了浮游植物碳氮同位素特征。研究团队采集了不同季节的水样和浮游植物样本，运用稳定同位素比率质谱仪(MAT-253)测定了δ¹³C和δ¹⁵N值，采用主成分分析(PCA)评估环境因子与同位素的关系，并通过相关分析和回归分析揭示了关键驱动因素。

3.1. 主要湖沼学特征

九大高原湖泊呈现出显著的季节和湖间差异。海拔最低的异龙湖(1412.2 m)表面水温最高(22.6±3.6°C)，而海拔最高的泸沽湖(2690.8 m)水温最低(15.4±4.4°C)，温差达7.2°C且主要受海拔控制。所有湖泊都表现出一致的热力季节特征：1月至6月逐渐变暖，7-8月达到峰值，9月后逐渐冷却，年温度波动约7°C。pH值稳定在8.6-9.5范围内，程海湖pH最高，电导率达1928.5 μS/cm，溶解无机碳水平最高(150.4±19.1 mg/L)，而抚仙湖电导率最低(351.0 μS/cm)，滇池DIC浓度最低(8.4±3.9 mg/L)。

营养状态方面，滇池、星云湖、杞麓湖和异龙湖表现出较高的TN和TP浓度(平均TN>2 mg/L，TP>0.1 mg/L)，而泸沽湖和抚仙湖营养水平显著较低(TN:0.47±0.15和0.38±0.20 mg/L；TP:0.02±0.02和0.02±0.01 mg/L)。营养水平升高的湖泊相应地具有较高的Chl.a浓度——滇池(137.3±80.1 μg/L)、星云湖(85.7±58.8 μg/L)、杞麓湖(70.8±36.8 μg/L)和异龙湖(109.1±86.1 μg/L)，而泸沽湖和抚仙湖维持在最低水平(0.6±0.5和5.5±3.7 μg/L)。水透明度也呈现平行模式：泸沽湖和抚仙湖Secchi深度>5 m，泸沽湖峰值达12.3 m，而滇池、星云湖、杞麓湖和异龙湖SD值<1 m。基于营养分类标准，泸沽湖和抚仙湖为贫营养；阳宗海、洱海和程海为中营养；异龙湖、杞麓湖、星云湖和滇池在研究期间为富营养。

3.2. 九大高原湖泊δ¹³C_phy和δ¹⁵N_phy分布

九个湖泊的浮游植物C/N比为：滇池6.2±0.8、洱海9.0±1.3、抚仙湖10.6±2.0、泸沽湖11.2±4.4、杞麓湖5.9±0.5、星云湖6.8±0.8、异龙湖7.0±0.6、程海7.3±1.9和阳宗海7.3±2.2。大多数值落在典型淡水浮游植物范围(4-10)内，证实了纯化效果和同位素分析的代表性。

九个高原湖泊表现出明显的δ¹³C_phy和δ¹⁵N_phy特征。统计分析显示，阳宗海湖(?26.27‰±4.69‰)和异龙湖(?26.09‰±1.41‰)的δ¹³C_phy值显著贫化(P<0.05)。洱海(?23.99‰±2.29‰)、泸沽湖(?23.93‰±2.71‰)、杞麓湖(?23.42‰±2.50‰)、星云湖(?22.67‰±0.88‰)和抚仙湖(?21.77‰±3.80‰)湖泊具有相当的δ¹³C_phy范围(P>0.05)，而程海(?19.73‰±6.65‰)和滇池(?18.34‰±2.93‰)湖泊则以富集值为特征(P<0.05)。

δ¹⁵N_phy分布与营养状态密切相关，营养丰富系统中值升高。富营养湖泊滇池(14.34‰±1.80‰)、杞麓湖(14.04‰±0.79‰)和星云湖(13.19‰±1.14‰)表现出显著高于其他湖泊的δ¹⁵N_phy(P<0.05)，与贫营养的泸沽湖(5.46‰±0.89‰)和抚仙湖(4.49‰±0.90‰)形成对比。特别值得注意的是，富营养的异龙湖(4.52‰±2.02‰)和中营养的程海湖(2.86‰±2.58‰)显示出异常低的δ¹⁵N_phy。

来源分析显示，滇池、杞麓湖和星云湖的δ¹⁵N_phy值集中在11.54‰～15.33‰，直接匹配生活污水特征。对于洱海，δ¹⁵N_phy测量值显示略低幅度(9.36‰至10.48‰)，但仍与污水源兼容。相反，异龙湖和程海湖的δ¹⁵N_phy特征与农业肥料范围(?4‰至+4‰)一致，而阳宗海显示出过渡性δ¹⁵N_phy波动(2.00‰至12.82‰)，表明混合的污水-土壤-肥料输入。值得注意的是，抚仙湖(3.48‰至5.53‰)和泸沽湖(4.46‰至6.05‰)的δ¹⁵N_phy谱 exclusively反映了土壤氮来源。

3.3. δ¹³C_phy和δ¹⁵N_phy的季节和年际变化

δ¹³C_phy的季节动态在各湖泊间表现出显著变化。程海湖波动最明显(16.33‰)，9月峰值(?11.79±0.75‰)，3月谷值(?28.12±0.34‰)。抚仙湖(8.36‰)、杞麓湖(6.63‰)、泸沽湖(6.58‰)和滇池湖(4.52‰)观察到显著季节差异，而洱海(2.89‰)、星云湖(2.18‰)和异龙湖(1.83‰)湖泊变化最小。尽管九个湖泊在水深、营养水平、海拔和浮游植物群落方面存在显著差异，但δ¹³C_phy consistently表现出温度驱动的变化模式，温暖月份值富集，凉爽时期值贫化。具体而言，δ¹³C_phy春季最低，逐渐上升到夏末峰值，此后下降，形成单峰模式，镜像区域气温趋势但滞后两个月。

大多数湖泊在δ¹⁵N_phy值上表现出有限的季节振幅，这种模式在富营养和贫营养系统中一致；值得注意的是，两个中营养湖泊——阳宗海和程海湖——出现了较大变化(>7‰)。在这些湖泊中，δ¹⁵N_phy值从正值(1月)逐渐转变为负值(12月)，显示单调下降，年极值分别为阳宗海10.82‰和程海7.17‰。它们的同位素特征季节性转变，从春季接近生活污水端元到冬季与农业肥料端元对齐。

年际分析显示，抚仙湖和阳宗海湖在δ¹³C_phy和δ¹⁵N_phy值上具有几乎相同的季节轨迹，年际无显著差异(P>0.05)。相比之下，异龙湖的δ¹⁵N_phy表现出年际变异性——与生态管理干预相关(如2020-2022年调水补水、污水改道和有机肥采用)——而δ¹³C_phy受影响最小。总体而言，在稳定环境条件下，δ¹³C_phy和δ¹⁵N_phy表现出强烈的季节可重现性和有限的年际变异性，表明单年季节采样足以捕捉这些湖泊中浮游植物碳氮同位素动态。

3.4. δ¹³C_phy和δ¹⁵N_phy与环境因子的关系

相关分析显示δ¹³C_phy与水温(r=0.43,P<0.01)、降水(r=0.53,P<0.01)和pH(r=0.26,P<0.01)显著共变，突出了控制碳同位素特征的自然湖沼学驱动因素。δ¹⁵N_phy与TP(r=0.57)、TN(r=0.60)、Chl.a(r=0.42)和NO₂?-N(r=0.50)表现出更强的正相关(所有P<0.01)，同时与SD(r=?0.40)和深度(r=?0.45)呈反比关系(所有P<0.01)，证实了人为介导的富营养化作为氮循环的主要调节因子。

δ¹⁵N_phy对三个人为指标的回归分析显示，与人口密度(R2=0.55)、建成区面积(R2=0.56)和TLI(R2=0.57)呈显著正相关(所有P<0.05)，证实了人为驱动对氮同位素特征的实质性调节。

4.1. δ¹³C_phy的季风效应

δ¹³C_phy的变化主要受水温和降水控制，表现出与当地气温一致的单峰季节模式。这突出了季风气候作为西南中国高原湖泊δ¹³C_phy动态的主要驱动因素，具有明显的季风印记。

温度通过多种生理生化途径对浮游植物碳同位素产生最显著影响。在季风主导的西南中国，气温季节变化约20°C，这放大了浮游植物生长和代谢。热力学原理表明在最佳范围内每升温10°C代谢率增加1.88倍。通常，生物系统由于较低的活化能阈值(较高的零点能)而偏好同化较轻同位素。在碳吸收过程中，浮游植物优先同化¹²C，通常产生贫化的δ¹³C值。然而，在快速生长时期(如高温季节)，它们表现出光合碳固定中减少的同位素分馏以满足增加的需求，如九个高原湖泊中观察到的δ13C_phy值升高所反映。这种模式与其他水体中记录的浮游植物生长速率与正碳同位素偏移之间的相关性一致，表明这种转变是由升高的生长速率驱动而非DIC库改变。

此外，温度可以直接或间接影响湖泊DIC库，从而影响δ¹³C_phy。DIC是浮游植物光合作用的主要碳底物，具有双重来源机制——陆地径流和气水CO₂交换。水生DIC以三种形态存在：HCO??、CO₂(aq)和CO₃²?。虽然CO₂(aq)是首选的光合底物，但其低浓度和慢扩散创造了碳限制条件，在大多数情况下需要利用HCO??。关键的是，HCO??表现出比CO?(aq)重7‰～11‰的δ¹³C值，因此当被同化时富集δ¹³C_phy。首先，温度反向影响CO₂溶解度——水分子增加的热运动减少CO₂水合，迫使浮游植物更多地依赖相对¹³C富集的HCO₃?池。其次，湖泊的喀斯特地质意味着升高温度加速石灰岩风化。研究表明，如果大气温度升高3°C，地表风化程度将增加10%至12%，从而向系统引入额外的¹³C富集无机碳。最后，升高温度下增强的光合活性促进更大的生物量生产，强化¹²C偏好，从而富集透光层DIC δ¹³C值，进而升高浮游植物δ¹³C。

值得注意的是，温度介导的调节减少碳分馏效应，导致温暖时期δ¹³C_phy富集。这种季风驱动机制在九个高原湖泊中一致观察到：δ¹³C_phy紧密跟踪月气温趋势(2-3个月滞后)，这是水高热容量引起的热惯性效应。

降水构成次要影响因素，尽管观察到月降水与δ13C_phy的相关性高于温度。这种统计关系不一定意味着降水的因果影响更大，因为必须承认两个关键方法学考虑：(1)降水和温度之间的季节共变可能产生虚假相关；(2)月平均过程中固有的数据平滑可能人为膨胀表观统计关系。

在机制层面，温度通过调节浮游植物生长动力学和碳池动态对δ13C_phy施加主要控制，而降水的 influence主要通过引入喀斯特衍生的HCO??离子运作。PCA结果证实了这一解释，表明δ13C_phy与温度之间的矢量角小于与降水的矢量角，定量确认了与温度的更强关联。

4.2. δ¹³C_phy指示的湖泊碳循环过程

九个云南高原湖泊的季节δ¹³C_phy动态证明了强大的温度驱动碳循环机制，水温升高1°C使δ¹³C_phy升高约0.43‰(r=0.43,P<0.01)。这种关系出现是因为浮游植物在变暖下优先快速碳同化而非动力学同位素分馏，优先从DIC中掺入较重的¹³C以维持生长。这种热适应不仅与季风驱动的季节模式一致，也镜像了预计的气候轨迹，其中 prolonged变暖放大了有机质中的¹³C富集。这些发现量化了升高温度如何系统地将较重碳同位素引导进入湖泊碳循环。

在IPCC AR6 RCP 4.5情景下(到2100年变暖1.5-2.7°C)的预测表明，云南高原湖泊的浮游植物可能表现出约0.6–1.2‰的¹³C富集，由热增强的碳同化驱动(Δδ¹³C_phy/ΔT≈+0.43‰/°C)。作为基础生产者，浮游植物通过湖泊食物网传播这种¹³C富集的同位素特征，最终升高水生消费者的δ¹³C值。

4.3. 九大高原湖泊氮污染来源

湖泊中的氮来源多样，不仅包括湖泊内部氮源如蓝藻固氮和有机质分解的氮循环，还包括外部输入的氮。这些对淡水生态系统的外部输入可进一步分为五个主要来源：大气沉降、土壤淋溶、生活污水、人畜粪便和化学肥料。这些来源通过三个主要水文途径进入水生系统：地表径流、地下水渗透和大气沉降。被初级生产者同化后，这些氮形式基本调节水生氮循环过程和生态系统稳定性。来源特异性δ¹⁵N特征作为氮来源的同位素指纹。肥料通常表现出δ¹⁵N值?4‰至+4‰，而土壤衍生氮范围从+2‰至+9‰。人为废水和动物粪便显示升高δ¹⁵N(+10‰至+22‰) due to氨挥发，而生物固氮产生贫化特征(?3‰至?1‰)接近大气N?。然而，九个高原湖泊的摩尔TN:TP比范围从16.3±1.8到80.8±9.1，表明弱固氮作用。浮游植物样本的显微镜检查显示只有一小部分固氮蓝藻发育了异形胞。这些发现证明这些湖泊中固氮作用不发达，对浮游植物氮同位素影响极小。

浮游植物在氮同化过程中表现出2-6‰的同位素分馏，具有物种特异性变异。虽然这种不确定性限制了对氮污染来源的定量追踪，但由于主要污染源之间明显的同位素特征(-4‰至22‰)，δ¹⁵N_phy仍然是可靠的定性指标。在具有相似地质背景的地区(如云南湖泊)，贫营养湖泊(本例中为泸沽湖和抚仙湖)的δ¹⁵N_phy作为区域基线。显著偏差表明额外的污染输入，使δ¹⁵N_phy成为淡水系统中瞬态污染指纹识别的强大工具。

δ¹⁵N_phy在九个高原湖泊间表现出显著的空间异质性(2.86‰至14.34‰)，揭示了差异化的人为氮负荷模式。三个超富营养系统——滇池(δ¹⁵N_phy=14.34‰)、星云湖(13.19‰)和杞麓湖(14.04‰)——表现出诊断废水主导的同位素比率(+10‰至+22‰范围)，暗示未经处理的生活污水是主要氮源。这种污水特征与非凡的流域人口压力相关——滇池(1,676人/km2)、星云湖(356人/km2)、杞麓湖(396人/km2)——其中日常人为废水通量向接收水域输送浓缩的铵氮和有机氮。这些流域中的浮游植物群落主要同化废水衍生的氮，掺入来自污水的¹⁵N富集铵和有机氮，导致观察到的δ¹⁵N_phy升高。

相比之下，异龙湖——一个低人口密度(<100人/km2)的富营养湖泊——显示出独特的δ¹⁵N_phy特征(4.52‰)紧密匹配化学肥料。这种模式排除了生活污水作为主要氮源，反而指出农业径流是主导贡献者。作为一个历史悠久的农业区，流域中数十年的集约农业驱动了过量肥料使用。过剩肥料通过降雨诱导的径流进入湖泊，将氮池转向肥料衍生的氮，并由于合成肥料的较低¹⁵N特征 compared to污水衍生氮而抑制δ¹⁵N_phy值。

洱海表现出δ¹⁵N_phy值(9.92‰)紧密匹配生活污水特征，确认废水是其主要氮源。作为云南高原湖泊中第三高人口密度(380人/km2)和快速旅游业增长，不足的废水基础设施加剧了污水排放。然而，其δ¹⁵N_phy保持适度低于滇池、星云湖和杞麓湖湖泊，反映了相对较低的氮污染严重性。这种差异源于洱海的深水形态，维持了持久的热分层，通过沉积物埋藏和反硝化增强水动力自净，最终减少营养保留和同位素富集 compared to浅水湖泊。

两个中营养湖泊程海和阳宗海的δ¹⁵N_phy值逐月下降，形成旱季值升高、雨季值降低的独特季节模式——九个高原湖泊中的一个 distinctive特征。值得注意的是，阳宗海湖的δ¹⁵N_phy值范围在污水和肥料端元之间，表明多样化的氮污染来源。这种变化与季风驱动的污染输入路径转变密切相关。约85%的年降水集中在雨季，云南 distinct季风气候创造了双相污染物动态：农业非点源在雨季主导，产生较低δ¹⁵N_phy值，而减少的旱季降水促进点源主导的生活污水输入，升高δ¹⁵N_phy。这导致明显的季节波动。这种双源动态只有当生活污水和农业肥料对氮负荷贡献相当时才显现；单一来源的压倒性 dominance稳定年度δ¹⁵N_phy趋势，如其他湖泊所见。程海湖 consistently较低的δ¹⁵N_phy值相对于阳宗海湖反映了其较低的流域人口密度，11月值暴跌至?1.25‰。尽管生物固氮可以产生近0‰的δ¹⁵N信号类似于肥料，但固氮蓝藻优先利用溶解无机氮(NH₄⁺/NO₃?)而非能量昂贵的固氮酶合成，仅在环境无机氮耗尽时启动固氮。程海湖11月 substantial的无机氮浓度(NH₄⁺:20.05±6.91 μg/L；NO₃?:100.63±17.41 μg/L)，TN:TP摩尔比为44.7±18.1，确认了农业肥料——而非生物固氮——作为该月主要δ¹⁵N_phy驱动因素。

此外，冬季湖水混合可能也加剧了阳宗海湖和程海湖观察到的单调下降模式。程海和阳宗海湖是深水湖，最大深度分别为35.1 m和30.0 m，分类为暖单对流湖，经历冬季混合。12月至1月，水温从15°C降至14°C，触发完全混合。在分层期间，底层水和沉积物中的缺氧条件促进反硝化，释放NO、N?O和N?，富集残留NO₃^-/NO₂^-中的氮同位素。当混合发生时，来自底部的同位素富集NO₃^-/NO₂^-被输送到表层并被浮游植物吸收，由于污水污染的 combined效应在1月达到峰值。随着分层恢复和降雨增加农业径流，同位素季节性地下降，形成单调模式。

泸沽湖和抚仙湖的浮游植物表现出中等且稳定的δ¹⁵N值 compared to其他湖泊，紧密对齐土壤衍生氮的特征同位素范围。两个贫营养湖受生活废水和肥料衍生氮输入的影响极小，归因于其流域的低污染负荷，这维持了优越的水质和低营养浓度。土壤集水区衍生氮作为这些系统中浮游植物的主要营养源 predominance解释了其中间δ1?N_phy特征，这些特征既反映了污水的正移也不是农业肥料的负移。

氮同位素分馏在硝化和反硝化过程中都发生，但它们对这些湖泊中溶解无机氮同位素的净影响受两个关键因素约束。反硝化在DO水平超过2 mg/L时被强烈抑制，速率随着DO增加指数下降，高原湖泊表现出持续高DO浓度(7.3-11.1 mg/L)远超过此阈值。此外，湖泊的碱性pH(8.6-9.5)进一步抑制反硝化，因为它落在大多数环境反硝化菌株的最佳范围6-8之外。虽然硝化涉及NH??逐步氧化为NO??和NO??，具有同位素分馏，但水-气界面气态氮的 negligible损失确保质量守恒并防止水柱中的净同位素分馏。因此，微生物氮转化对这些湖泊中的δ1