山地-草原海拔梯度下湖泊生态系统特征：加拿大西部湖泊功能与生产力的边缘生命研究

《Ecohydrology》：Life on the Edge: Ecosystem Features of Lakes Across a Mountain–Prairie Elevation Gradient in Western Canada

本文综述了加拿大西部落基山脉东坡11个湖泊沿600米海拔梯度的生态调查，揭示了半干旱区湖泊代谢（GPP/ER/NEP）和溶解性有机物（DOM）组成对海拔变化的不显著响应。研究发现湖泊自养性主导、浮游动物多不饱和脂肪酸（PUFA）与营养状态（TP）正相关，强调了低降水 regime 下陆-水连通性减弱对湖泊碳循环的调控作用，为山地-草原过渡带湖泊管理提供了新视角。

　　

1 引言

山地至低海拔梯度作为自然过渡带，通过气候特征和流域组成（如土地利用/覆盖）影响淡水生态系统的功能和生产力。尽管已有研究揭示了海拔变化对湖泊性质的影响，但加拿大落基山脉东坡这类半干旱过渡区的湖泊响应模式尚不明确。本研究沿加拿大艾伯塔省西南部山地-草原过渡带，对11个海拔跨度600米的湖泊进行采样，重点分析流域组成、水化学、湖泊代谢率（基于氧同位素）、溶解性有机物（DOM）组成、浮游动物群落结构及其脂肪酸组成，以检验海拔梯度对湖泊功能的调控作用。

2 方法

2.1 研究区域

研究湖泊位于落基山脉东坡，处于山地草原（Montane Cordillera）与平原（Prairies）生态区的过渡带。高海拔湖泊流域以森林和灌木为主，低海拔接近平原区则以农业用地为主导。该区域气候半干旱，山区年均降水量680毫米，平原区降至400毫米。

2.2 采样与实验

在2022年6月至7月间，对11个湖泊（海拔940–1576米）进行水化学、DOM光学性质、浮游动物群落及脂肪酸分析。同时，选取博沃湖（Beauvais Lake，高海拔）和泰瑞尔湖（Tyrrell Lake，低海拔）进行全年月度监测，以对比季节动态。水样采集包括溶解氧同位素（δ¹⁸O-O₂）、水同位素（δ¹⁸O-H₂O）、总磷（TP）、总氮（TN）、溶解有机碳（DOC）及溶解无机碳（DIC）。浮游动物通过垂直拖网采集，并分析其脂肪酸组成（如多不饱和脂肪酸PUFA）。

2.3 数据分析

通过主成分分析（PCA）评估环境变量与流域组成的关联，使用线性回归和广义加性模型（GAM）分析代谢率与DOC、温度的关系。DOM组成通过荧光指数（如峰值A、C、B、T）、腐殖化指数（HIX）和比紫外吸收（SUVA₂₅₄）等指标表征。

3 结果

3.1 湖泊学特征

湖泊深度（2–27米）、面积（0.01–16.34平方公里）和流域面积（0.09–1939平方公里）变异显著。水温范围9.4–18.5°C，溶解氧饱和度91.5%–115.9%，pH值7.9–8.4。所有湖泊均呈贫营养状态，TP（4.5–20.5微克/升）和TN（56–547微克/升）浓度较低。DOC浓度（1.1–6.2毫克/升）与海拔无显著相关性，但高海拔湖泊碱性更强（碱度93–220毫克/升）。PCA显示，低海拔湖泊与农业用地和较高水温关联，而高海拔湖泊与贫瘠土地相关。

3.2 代谢率

总初级生产力（GPP）和生态系统呼吸（ER）在低海拔湖泊较高，但仅GPP与海拔呈显著负相关（p=0.02）。净生态系统生产力（NEP=GPP?ER）在大部分湖泊接近平衡（?1.3至0.95克氧/平方米·天），且随海拔升高略有下降。DOC浓度与ER呈显著正相关（p=0.003），而GPP和NEP在DOC≈4毫克/升时出现拐点，表明中等DOC水平支持最高净生产力。温度与代谢率均呈正相关，但仅GPP关系显著。

3.3 DOM组成

DOM光学指标（如SUVA₂₅₄、S₂₈₅）与海拔无显著趋势，且蛋白类峰值（B、T）与GPP、ER显著正相关（p<0.05）。DOC主要与自源指标（如生物指数BIX）关联，而非陆源腐殖质成分，反映DOM以自生来源为主。

3.4 浮游动物与脂肪酸

共鉴定35种浮游动物，高海拔以轮虫（Rotifera）为主，低海拔转向桡足类（Copepoda）和枝角类（Cladocera）。浮游动物生物量（9–12955微克/升）与海拔无关，但PUFA比例（4%–29%）与总磷（TP）呈显著正相关（p<0.001），表明营养状态而非海拔调控脂肪酸质量。

4 讨论

4.1 陆源DOM输入的缺失

与多数山地研究不同，本区DOC浓度和组成未随流域植被类型（如森林覆盖率）显著变化，可能与半干旱区降水稀少导致的陆-水连通性减弱有关。低降水限制了陆源有机质输入，使DOM以自生源主导。

4.2 代谢对DOC和温度的响应

湖泊代谢率主要受DOC浓度和温度驱动，而非海拔。GPP随DOC增加至4毫克/升后趋于平稳，与光限制效应较弱一致（水体色度低）。与典型异养型 boreal 湖泊相反，本区湖泊多呈自养性，类似高海拔贫营养湖泊。

4.3 浮游动物对营养状态的响应

浮游动物群落结构沿海拔梯度变化，但脂肪酸质量（PUFA）与TP正相关，不同于其他研究中光限制导致的负相关。本区湖泊营养盐（如TP）可能通过促进浮游植物生物量间接提升消费者食物质量。

5 结论

落基山脉东坡湖泊对海拔梯度的响应较弱，主要受局部因素（如温度、TP）调控。低降水 regime 下有限的陆源碳输入使湖泊代谢偏向自养，浮游动物营养质量取决于水体营养状态。这一特征区别于其他山地系统，凸显半干旱过渡带湖泊生态的特殊性，为区域水资源保护提供科学依据。