人类活动加剧洪泛区湖泊硅限制风险：来自鄱阳湖子湖的证据

《Journal of Environmental Management》：Human activities aggravate silicon limitation risks in floodplain lakes: Evidence from the sub-lakes of Poyang Lake

　　**摘要要点**- 鄱阳湖硅-碳循环的耦合在过去约130年间转变为解耦。- 湖-河连通性塑造了洪泛区湖泊硅-碳解耦的轨迹。- 筑坝和富营养化与生物硅/总有机碳比率下降及硅限制风险增强相伴随。**引言**硅（Si）的生物地球化学循环在地质时间尺度（≥10?年）上与全球碳（C）循环存在内在耦合（Canfield et al., 2005; Renaudie, 2016）。钙镁硅酸盐矿物的化学风化消耗大气中的CO?；其产生的溶解态硅酸盐（DSi）、阳离子和碱度由河流输送至海洋，通过生物泵维持硅藻生产力和碳固存（Conley, 2002; Street-Perrott and Barker, 2008; Struyf et al., 2009; Tréguer and De La Rocha, 2013）。然而，在输送至海洋的过程中，部分DSi通量被湖泊和水库截留，以生物硅（BSi）的形式埋藏，速率约为1.53 Tmol·yr?1（Frings et al., 2014），其量级与海洋BSi埋藏通量相当（Tréguer et al., 2021; Tréguer and De La Rocha, 2013）。河流筑坝直接干扰上游硅的输送以及水库水体中的硅-碳循环。通过拦蓄河流并破坏维持洪泛区湖泊汛期水文连通性的横向水文连通，筑坝形成了缓慢交换的静水系统——包括水库和水文隔离的洪泛区湖泊。在这些系统中，较长的水体停留时间促进了高效的硅保留：原位硅藻生产增强及其后的BSi沉降，与颗粒态硅截留相结合，大幅减少了向下游生态系统输送的DSi（Harrison et al., 2012; Ma et al., 2017; Teodoru et al., 2006）。实地观测表明，这种保留甚至可能在这些系统内部引发季节性硅限制（Wang, 2020）。由此导致的DSi耗竭抑制了硅藻生产和BSi埋藏，从而削弱了耦合的碳固存，而筑坝引起的水文调节进一步重塑了这些湖泊系统中DSi的动态及其与碳的化学计量耦合（Li et al., 2021; Wang et al., 2016; Zhang et al., 2023）。湖泊BSi的产生与淡水系统的长期碳汇能力密切相关。与非硅质藻类来源的有机质不同，BSi壳瓣具有极高的抗微生物降解能力，使得包裹的有机碳可在沉积物中存留102至10?年（Song et al., 2016）。这使得BSi成为湖泊环境中有机碳最长寿的载体之一。相应地，湖泊环境表层沉积物中硅与碳含量之间表现出显著的线性正相关，反映了硅质生物对硅碳循环耦合的根本性作用（Li et al., 2013; Zhao et al., 2024a）。然而，类Redfield硅碳化学计量比在富营养化湖泊中经常被打破（Wang et al., 2016; Wang, 2020）。随着农业径流、市政污水排放和集约化水产养殖带来人为氮（N）和磷（P）输入的增加——而DSi供给主要受较慢的、受地质限制的风化通量制约——全球许多湖泊系统的水体和沉积物中N:Si和P:Si比值持续上升（Conley et al., 1993; Struyf et al., 2010; Wang et al., 2016）。这种硅限制重塑了浮游植物群落结构，抑制硅藻优势种，促进非硅质藻类（特别是蓝藻）水华，破坏以硅藻为基础的食物网，最终导致水质恶化和生态系统服务功能退化（Conley et al., 1993）。近期研究记录了洪泛区湖泊中N、P和BSi埋藏通量之间渐进的解耦现象，表明在持续富营养化下硅耗竭正在加剧（Zeng et al., 2023）。筑坝与富营养化在此交汇的长江流域，为考察其对湖泊硅-碳循环的复合效应提供了关键场所。在长江洪泛区，密集分布的半封闭湖泊构成了陆地与水域之间重要的过渡生态系统。这些洪泛区湖泊既从冲积沉积物又从河流连通获得硅输入，通过硅藻生产和植硅体沉降积累BSi，并根据水文连通性向下游输出不同比例的硅（Ha et al., 2022; Ran et al., 2013, 2022）。该流域经历了强烈的人为干扰，包括大规模筑坝（如三峡大坝）、由自然植被向农业用地和水产养殖池塘的土地利用变化以及加速的城市化（Li et al., 2020; Liu et al., 2018）。这些干扰凸显了针对洪泛区湖泊系统背景下硅-碳解耦问题开展专项研究的必要性。然而，由于长期观测数据的稀缺，这些复合干扰下响应中的十年尺度硅和营养盐动态在河流洪泛区——作为陆-海连续体营养盐处理的关键区域——仍缺乏约束。尽管洪泛区湖泊在硅-碳耦合系统中具有生态学和生物地球化学意义，但在环境变化和人为干扰背景下对BSi动态的系统研究仍然匮乏。现有研究主要集中于海洋系统（Conley, 1997）、大型深水湖泊（如贝加尔湖、黄石湖、马拉维湖和青海湖）（Johnson et al., 2011; Liu et al., 2014; Prokopenko et al., 2001; Zahajská et al., 2023）或沿海湿地（Li et al., 2013; Zhao et al., 2024b），而洪泛区湖泊——尽管具有高生产力、广泛分布和强烈的硅-碳耦合潜力——却相对研究不足。此外，水文改造（如筑坝、河道化、湖泊隔离）影响洪泛区湖泊沉积BSi和耦合碳固存的机制仍未得到量化。这一知识空白对于鄱阳湖流域尤为相关，该流域拥有中国最大的淡水湖（面积约2933 km2）以及密集的洪泛区湖泊网络，为候鸟提供关键栖息地并作为重要碳埋藏场所（Mei et al., 2024; Zhao et al., 2026）。了解这些系统中长期硅-碳动态对于预测其在持续气候变化和人为压力下未来轨迹至关重要。为填补这些知识空白，本研究调查了鄱阳湖流域三个代表性子湖（君山湖、青兰湖和珠湖，以下简称JSH、QLH和ZH）。基于21?Pb和13?Cs定年的沉积岩芯，覆盖约过去130年，本研究旨在：（1）表征BSi含量的时空变化并识别BSi与TOC动态之间的耦合-解耦过程；（2）利用随机森林（RF）建模和相关分析对水文学、沉积物特征和营养盐状态在BSi/TOC变异性中的相对重要性进行排序，并从统计关联的角度进行解释；（3）评估湖泊隔离和富营养化如何调节BSi动态及相关碳固存潜力。这些发现将推进对洪泛区湖泊系统中硅-碳耦合的机制性理解，并为持续环境扰动下此类生态系统的生态可持续性提供启示。**研究区**鄱阳湖（28°22′~29°46′N，115°49′~116°46′E；图1），中国最大的淡水湖，位于长江中下游南岸。该湖平均水面面积约2933 km2，流域面积约162,225 km2，覆盖江西省的97%（Mei et al., 2024; Wei et al., 2026a; Zhang et al., 2025）。该地区属亚热带季风气候（年平均气温16.5-17.8°C，年平均降水量1570-1632 mm，其中4-6月占45-50%）（Li et al., 2020）。湖泊接受……**硅与碳变化的耦合与解耦**在自然条件下，浮游植物光合作用在表层水固定的大部分碳通过呼吸作用重新矿化为CO?并释放到大气中，维持着"等价交换"的平衡状态（Colbourn et al., 2015）。然而，当部分有机碳以颗粒态有机碳或溶解态有机碳的形式沉降至深层水并最终埋藏于沉积物中时，这部分碳便被从大气-水……**结论**鄱阳湖流域三个子湖（JSH、QLH、ZH）的沉积BSi记录揭示了由水文条件塑造的不同BSi含量轨迹。隔离湖泊（JSH和ZH）表现出对封闭的显著响应：JSH经历了短暂的筑坝后BSi脉冲，随后在约1984年后下降，而ZH则持续呈现低BSi值。相比之下，水文连通的QLH维持了BSi和TOC的渐进同步增加。BSi/TOC比率……**CRediT作者贡献声明****Yao Wang（王瑶）：** 写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，方法论，调查研究，经费获取，数据整理。**Sheng Huang（黄盛）：** 方法论，调查研究。**Yanjie Zhao（赵岩杰）：** 方法论，调查研究，经费获取。**Yuhan Zhou（周宇涵）：** 方法论，调查研究。**Yanxian Wei（魏衍贤）：** 方法论，调查研究。**Weiwei Sun（孙薇薇）：** 写作—审阅与编辑，调查研究。**Enlou Zhang（张恩楼）：** 写作—审阅与编辑，指导，经费获取，概念构思。**利益冲突声明**作者声明不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。**致谢**本研究获得了江西省"双千计划"（jxsq2023101035）、国家自然科学基金委员会（42307554，42307561）以及江苏省基础研究计划项目（BK20231095）的资金支持。Yao Wang | Sheng Huang | Yanjie Zhao | Yuhan Zhou | Yanxian Wei | Weiwei Sun | Enlou Zhang