大型河流湖泊中近期光合自养生物生产力的空间变异性受当地土地利用变化驱动（加拿大圣劳伦斯河）

《Freshwater Biology》：Spatial Variability in Recent Phototroph Production in a Large, Fluvial Lake Driven by Local Land-Use Changes (St. Lawrence River, Canada)

　　

许多温带淡水系统报告了湖泊生产力及蓝藻丰度的增加，其上升通常归因于营养盐输入增加或气候变化。在圣劳伦斯河（St. Lawrence River, SLR）上，近期证据表明蓝藻丰度自约2000年以来有所增加，但导致这一增加的精确机制尚不清楚。本研究旨在评估当地营养盐输入和气候作为圣劳伦斯河上一个大型河流湖泊（fluvial lake）——圣弗朗西斯湖（Lake St. Francis）湖泊生产力变化驱动因素的重要性。

研究人员从五个营养盐输入不同、范围从集约农业到最小土地利用干扰的沉积盆地中，采集了八根相似水深的沉积物岩芯并进行对比。岩芯通过放射性测年，并分析了沉积地球化学和光合色素浓度，以量化藻类和蓝藻生产力及组成的变化。

δ¹³C和碳酸盐含量的广泛变化反映了过去约85年SLR已知的水文变化时期。来自近岸盆地岩芯的大多数藻类和蓝藻色素显示出显著增加趋势，表明当地土地利用效应的重要性，而来自中航道盆地的岩芯通常显示不显著的趋势，这些趋势多变或下降，可能反映了上游安大略湖（Lake Ontario）从此前富营养化中的恢复。类似地，近岸地区δ¹⁵N的增加幅度是中航道地区的两倍，与当地支流营养盐输入增强一致。

不同沉积物岩芯的生物地球化学趋势差异受当地营养盐效应的影响大于气候变化影响，特别是在靠近农业集水区的区域。

本研究证实了当地土地利用实践对大型复杂河流生态系统水质退化的重要性，并强调了古湖泊学（paleolimnology，利用沉积物档案重建过去环境）在评估历史上研究不足的河流（lotic）系统中的作用。

论文解读：圣劳伦斯河大型河流湖泊生产力空间变化与土地利用驱动

富营养化是淡水生态系统长期面临的突出问题。许多温带淡水系统报告了湖泊生产力与蓝藻丰度上升，通常归因于营养盐输入增加或气候变化。圣劳伦斯河（St. Lawrence River, SLR）上的圣弗朗西斯湖（Lake St. Francis, LSF）是一个大型河流湖泊（fluvial lake，即河流相湖泊），其上游安大略湖出流磷浓度低，但北岸支流流域农业密集，输入营养盐高，而南岸多为森林覆盖的流域。已有证据表明SLR蓝藻丰度自约2000年以来增加，但机制不清。本研究旨在评估当地营养盐输入与气候对LSF湖泊生产力变化的影响，并检验“近岸盆地由于农业支流输入而比河道中央具有更高浮游植物丰度”的假设。该论文发表在《Freshwater Biology》。

研究人员在LSF五个沉积盆地（Lancaster、Saint-Zotique、Thompson、Aux Cèdres、Grenadier）采集了10根沉积物岩芯，其中8根通过放射性测年获得可用于分析的年代序列。他们分析了沉积物地球化学、稳定同位素（δ¹³C、δ¹⁵N）和光合色素（包括蓝藻标志物）。结果显示，近岸盆地中多数藻类和蓝藻色素浓度呈显著上升趋势，而中航道Thompson盆地的趋势多不显著或下降；近岸δ¹⁵N增幅（约2‰）是中航道（约1‰）的两倍。研究认为，与气候变化相比，当地土地利用引起的营养盐输入对LSF生产力的空间差异影响更大，证实当地农业活动对大型河流生态系统水质退化起关键作用，并凸显古湖泊学在评估受忽略的河流系统中的价值。

研究人员用到的关键技术方法包括：在五个沉积盆地采集沉积物岩芯，其中LSFL岩芯为先前Moir et al. (2018)采集，其余为本次研究采集；采用高纯锗γ能谱法测定²¹⁰Pb、¹³⁷Cs等放射性核素，并结合¹³⁷Cs峰值（1963年）、C:N峰值（1958年Moses-Saunders水坝淹没事件）和斑马贻贝（Dreissena polymorpha）壳层等独立标志建立年代模型。通过灼烧损失法（LOI）估算有机质和碳酸盐含量；用元素分析仪-同位素比质谱仪测定总碳、总氮及δ¹³C、δ¹⁵N。光合色素采用高效液相色谱（HPLC）测定，识别硅藻（diatoxanthin）、隐藻（alloxanthin）、绿藻（pheophytin b）、蓝藻（echinenone）和Nostocales（canthaxanthin）等标志物。用广义加性模型（GAM）分析时间趋势，并通过一阶导数识别显著变化时段。

研究结果按小标题概括如下：

沉积物定年：通过²¹⁰Pb和¹³⁷Cs测年，10根岩芯中8根获得可靠年代模型（SLRT2和SLRSZ1因放射性活度低未成功）。SLRT3采用Model 1，SLRG2、SLRL2、SLRT1及LSFL采用Model 3（结合1958年C:N峰），其余采用Model 2。三根岩芯（SLRL1、SLRSZ2、SLRT3）沉积速率高（>1 cm/年），覆盖近40年；其余提供更长尺度记录。

沉积物地球化学：有机质（LOI550）范围1.1%–16.5%，南岸较低。碳酸盐（LOI950）在SLRL2、SLRT1、SLRG2岩芯中于1950年代末出现峰值，对应C:N比值约30和δ¹³C峰值（?12‰至?9‰），指示Moses-Saunders水坝建设导致的洪水冲刷入河事件。δ¹⁵N在过去约40年普遍上升约1‰–2‰，近岸增幅大于中航道。

Thompson盆地（中航道）：SLRT1岩芯色素浓度多变，无显著变化趋势；SLRT3岩芯在1980年代中期至2000年代初几乎所有色素显著下降，仅隐藻标志物在2000年后显著上升。

Lancaster盆地（北岸）：LSFL和SLRL2岩芯大多数色素自1940年代起显著上升（diatoxanthin除外）。SLRL1呈先升后降的抛物线趋势：约2000年前echinenone显著上升，之后diatoxanthin和lutein-zeaxanthin显著下降。

Saint-Zotique盆地（北岸）：SLRSZ2岩芯趋势不一致：diatoxanthin先升后降（表层显著下降），pheophytin b在2010年后显著下降，echinenone在1980–2000年显著上升，canthaxanthin在2010年后显著下降。

Aux Cèdres盆地（南岸）：SLRAC1岩芯除canthaxanthin外所有色素趋势在整个记录中显著上升。色素浓度相对北岸和中航道低。

Grenadier盆地（南岸）：SLRG1岩芯中代表真核藻类的色素和β-胡萝卜素无显著趋势，但echinenone显著上升，canthaxanthin在1980–2000年显著上升。SLRG2岩芯多数色素（除canthaxanthin外）显著上升，如diatoxanthin在1960–2010年、lutein-zeaxanthin全长显著上升。

讨论部分总结了当地营养盐输入、水动力条件、外来入侵物种等因素对生产力记录的潜在影响。近岸盆地蓝藻增加与当地农业支流营养盐输入增强一致，尤其南岸最稳定。中航道生产力未增加甚至下降，可能反映上游安大略湖富营养化恢复以及快速水流限制浮游植物发展。δ¹⁵N广泛上升与化肥和城市污水输入有关，且上升幅度近岸更大，表明氮源位于当地。水坝建设造成的洪水干扰也被记录在碳氮比等指标中。外来入侵物种（斑马贻贝、斑驴贻贝、圆虾虎鱼）可能通过改变食物网和底栖生产影响化石色素记录，但难以与营养盐效应区分。

研究结论部分翻译如下：总体上，LSF的初级生产力在过去60年有所增加，尤其是靠近安大略湖下游、流入SLR的农业集水区附近区域。相反，受SLR中航道水影响较大的中心位置未见持续富营养化迹象，而靠近森林覆盖的南岸生产力较低，但也显示出近期生产力增加的一些证据。特别地，大多数岩芯中δ¹⁵N自约1960年以来持续富集，与陆地来源（农业、城市）氮输入大幅增加一致。相比之下，相对平缓的δ¹³C值难以解释，部分原因是河流流域中富集¹³C的碳酸盐物质间歇性输入。需要进一步研究来评估LSF近岸沉积盆地营养盐输入的来源，尤其是蓝藻增加最一致的河流南岸，同时应仔细考虑近岸与中航道站点之间的水文差异（如流量、水停留时间）。本研究的一个局限性是，尚不清楚从当地支流进入LSF的水如何与河流主体混合，因此难以量化各支流对LSF各子盆地的影响。尽管如此，多盆地古湖泊学方法表明，尽管存在多个局部压力因子（如水文学、水生入侵物种、气候变暖）之间的复杂相互作用，各岩芯生物地球化学趋势的差异主要受当地营养盐效应控制。