《Aquatic Sciences》：Dissolved organic carbon dynamics are driven by water temperature, primary production, and anoxia over 5 years of whole-ecosystem experiments in a eutrophic reservoir
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本研究针对气候变化与土地利用改变导致的水温升高、缺氧加剧等环境压力如何影响淡水生态系统碳循环的关键科学问题，通过在美国弗吉尼亚州Falling Creek Reservoir (FCR)进行的为期五年（2017-2021）的全生态系统缺氧操纵实验，结合质量平衡模型与时间序列分析，揭示了水温是水柱溶解性有机碳(DOC)最重要的环境预测因子，初级生产等内部来源平均贡献了表层水体DOC的29%，且在缺氧条件下沉积物是底层水体DOC的重要来源。结果表明，在更暖、更缺氧的未来，湖泊与水库可能成为下游生态系统的更大DOC源，对全球碳循环预测具有重要意义。
在全球碳循环的宏大图景中，淡水生态系统，尤其是湖泊和水库，扮演着举足轻重的角色。它们既是陆地景观中重要的碳汇，能够埋藏有机碳，也是活跃的碳源，向大气释放二氧化碳和甲烷，并将碳输送到下游生态系统。然而，当前人类活动导致的气候变化和土地利用改变，正以前所未有的方式冲击着这些淡水碳库。空气和地表水温度持续升高，水体底层缺氧事件的发生频率和持续时间不断增加，水文过程和营养盐输入也发生改变。这些交织在一起的环境驱动因子，究竟会如何改变淡水生态系统接收和处理碳的方式，进而影响全球碳循环？这成为了淡水生态学和生物地球化学领域亟待回答的关键问题。
为了深入剖析这些复杂的环境驱动因子如何共同影响湖泊和水库中的碳循环，一个研究团队在《Aquatic Sciences》上发表了一项为期五年的全生态系统实验研究成果。他们将目光投向了一个小型富营养化水库——位于美国弗吉尼亚州的Falling Creek Reservoir (FCR)。这项研究的独特之处在于，它并非在实验室的烧瓶中进行，而是在真实的生态系统尺度上展开。研究人员利用水库中安装的底层增氧系统，巧妙地在一个完整的夏季分层期内，动态地操控底层水体的溶解氧水平，使其在缺氧和富氧状态之间切换，从而模拟了当前和未来可能出现的不同环境情景。通过这种“大自然实验室”般的设计，他们成功捕捉了在不同气象、水文和水体内部条件下，溶解性有机碳的动态变化规律。
研究发现，水温是驱动水库水柱DOC浓度的最关键环境因子。在夏末秋初季节性地温度升高期间，DOC浓度也相应达到峰值。这背后可能关联着温度对浮游植物生长和微生物活性的促进作用。更重要的是，研究量化了内部过程对水库碳库的贡献。尽管从流域流入的外部碳输入是DOC的主要来源，但水库内部产生的碳（即自生碳）不容忽视。在五年的观测期内，初级生产等内部来源平均贡献了表层水体DOC的29%，在某些年份，这一比例甚至接近一半。这意味着，水库并非仅仅是碳的“搬运工”或“通道”，其自身也是一个活跃的碳“加工厂”。对于底层水体，研究揭示沉积物是DOC的一个重要来源，尤其是在缺氧条件下。当底层水体缺氧时，沉积物中原本与金属氧化物结合的有机碳会被释放出来，同时DOC的降解速率减慢，导致DOC在底层积累。质量平衡模型显示，尽管存在因光降解和微生物降解造成的碳损失，该水库的表层和底层水体在研究期内整体上表现为DOC的净源而非汇。
这项研究的意义在于，它通过全生态系统的长期实验，清晰地表明在环境变化背景下，水体内部过程对碳循环的贡献会显著增强。随着未来气候变暖加剧、水体分层时间延长以及缺氧范围扩大，像FCR这样的湖泊和水库很可能不仅会储存更多的碳，其内部产生的碳也会增加，并可能向大气和下游生态系统释放更多的碳，从而进一步影响区域乃至全球的碳收支。这提醒我们，在预测未来碳循环时，必须充分考虑淡水生态系统内部动态的响应。
关键技术方法概述
本研究主要结合了全生态系统尺度的人工缺氧操纵实验与长期高频监测。关键技术方法包括：1) 在Falling Creek Reservoir (FCR)利用底层增氧系统进行季节性、月度或双周尺度的缺氧/富氧动态操纵；2) 在整个夏季分层期（5月1日至11月15日）进行每周一次的水体剖面采样，测定水温(°C)、溶解氧(DO)、浮游植物生物量、总磷(TP)、总氮(TN)和溶解性有机碳(DOC)浓度；3) 在主要入流口和水库最深点进行DOC样品采集与分析；4) 构建基于质量平衡的生态系统模型，量化表层和底层水体的外部DOC输入和内部DOC源/汇通量；5) 应用自回归积分滑动平均(ARIMA)时间序列模型，识别影响DOC浓度和内部贡献的关键环境预测因子（如水温、DO、浮游植物生物量、营养盐、入流量等）；6) 辅助使用荧光溶解性有机质(FDOM)分析（2019年数据）来区分DOC来源（类腐殖质/类蛋白质）。
研究结果
溶解性有机碳浓度动态
研究表明，FCR表层水体的体积加权平均DOC浓度在观测期内变化显著，范围在1.4至7.9 mg/L之间，中位值为3.4 ± 1.2 mg/L。浓度通常在夏季逐渐升高，并在夏末或初秋达到峰值。底层水体的DOC浓度同样存在波动，但整体水平较低，范围在0.8至5.1 mg/L之间，中位值为2.5 ± 0.9 mg/L。底层DOC浓度通常在秋季翻转当天或之后达到最高。来自两条主要入流（Tunnel Branch [TB] 和 Falling Creek [FC]）的DOC浓度远低于水库内部。
外部与内部溶解性有机碳贡献
质量平衡模型结果显示，外部DOC输入（来自流域）是整个水库DOC的主要来源。然而，内部DOC来源也构成了重要部分。聚合五年数据，内部DOC平均贡献了表层水体DOC的29%（年际变幅7-49%），贡献了底层水体DOC的6%（年际变幅1-10%）。内部贡献存在显著的年间和年内变异。例如，在外部DOC输入极高的2020年，内部贡献比例最低；而在外部输入最低的2021年，内部贡献比例最高。模型表明，水库的表层和底层水体在研究期内整体上是DOC的净源，但也存在DOC被消耗（如通过降解）的间歇性碳汇时期。
通过FDOM分析DOC质量
2019年夏季的FDOM数据显示，表层水体中自生来源的、类蛋白质的FDOM组分（Peak T）在夏季中后期显著增加，这与浮游植物生物量的高峰同步，支持了初级生产是内部DOC重要来源的结论。在底层水体，无论是类腐殖质（Peak A）还是类蛋白质（Peak T）的FDOM荧光强度在非增氧（缺氧）期间均出现峰值，表明在缺氧条件下，沉积物会释放出复杂混合的DOC。
环境驱动因子的变异性
FCR表现出典型的水体分层季节变化，表层水温显著高于底层。表层溶解氧饱和度通常较高，而底层溶解氧则因增氧操作而呈现巨大波动。浮游植物生物量在表层通常高于底层。水文上，2020年夏季的入流量显著高于其他年份。
DOC浓度和内部来源的环境预测因子
时间序列分析（ARIMA模型）表明，表层DOC浓度与水温、表层浮游植物生物量和总磷(TP)呈正相关，与入流量呈负相关（表明稀释效应）。底层DOC浓度与底层水温呈正相关，与底层浮游植物生物量呈负相关（可能反映了沉降颗粒有机碳的水解）。对于表层内部DOC贡献，其与溶解氧饱和度和温跃层深度呈正相关。对于底层内部DOC贡献，其与溶解氧饱和度呈负相关，证实了缺氧促进沉积物DOC释放的作用。
研究结论与意义
这项为期五年的全生态系统实验证实，水库DOC的动态受到外部输入和内部过程的共同影响，且其相对重要性随环境条件在年际和年内尺度上变化。水温被确定为最关键的环境驱动因子。初级生产是表层DOC的重要内部来源，而底层沉积物，尤其是在缺氧条件下，是底层DOC的重要来源。研究预测，在未来气候变暖、初级生产增强和缺氧范围扩大的情景下，类似FCR这样的水体其内部DOC的贡献可能会增加，从而使其更倾向于成为向下游生态系统输出碳的“源”。这强调了在评估内陆水体在全球碳循环中的作用时，必须充分考虑环境变化对水体内部碳循环过程的调控。研究采用的全生态系统实验与模型结合的方法，为理解复杂环境驱动下的碳循环提供了强有力的工具。
