人类世期间全球水生生态系统沉积碳的特征与驱动因素

《Water Research》：Patterns and drivers of sedimentary carbon in global aquatic ecosystems during the Anthropocene

　　

摘要

水生生态系统是关键碳汇，沉积物在长期有机碳封存中发挥着关键作用。然而，人类世期间沉积物总有机碳浓度 (TOC) 和有机碳埋藏速率 (OC-BR) 的全球格局和轨迹仍难以确定。在此，我们呈现了来自湖泊、水库、内陆湿地和沿海系统的沉积岩芯记录的综合全球合成研究，整合了来自不同气候和地理环境下的 585 个站点的 18,000 多行数据。总体而言，我们的结果显示，自 20 世纪 50-60 年代以来，TOC 和 OC-BR 均有所增加，这与“大加速”的开始相吻合。这些趋势主要归因于人为驱动的温度、大气 CO₂ 和氮沉降的变化。在空间上，TOC 和 OC-BR 在浅层、受人为影响和低纬度地区表现出更高值，尽管碳封存效率在不同生态系统类型间差异显著。未来社会经济情景下的预测表明，沉积物碳封存可能接近上限（例如，沉积物碳储存能力可能无法无限增加），限制了未来水生系统作为碳汇的能力。这些发现突出了气候变化在人类世期间对沉积系统的影响。

引言

自工业革命以来，人类活动从根本上改变了地球演化的进程，导致了全新世的结束和人类世的开始，这一术语凸显了人类面临的严峻挑战（Keith et al., 2022; Lenton et al., 2008; Lewis & Maslin, 2015; Steffen et al., 2016）。目前，人类社会的发展——如人口增长、城市化和土地利用及覆盖变化——在过去约 300 年间深刻影响了水生生态系统，特别是在内陆和沿海地区（Foley et al., 2005; Lotze et al., 2006; Vitousek et al., 2008; Zalasiewicz et al., 2011）。这些影响包括集水区面积的改变和富营养化。水生生态系统，包括湖泊、沿海、水库、湿地和海洋，充当着至关重要的碳汇，其沉积物代表了全球最大的有机碳库之一（Aufdenkampe et al., 2011; Tranvik et al., 2009; Wilkinson et al., 2018）。例如，仅北方针叶林湖泊就储存了陆地碳的 15%（Benoy et al., 2007）。同时，估计海洋表层沉积碳库和大气碳库分别约为 1750 GtC 和 890 GtC（Friedlingstein et al., 2025）。此外，鉴于水生生态系统充当气候变化的哨兵（Adrian et al., 2009; Williamson et al., 2009），利用沉积物记录重建全球碳循环的变化成为可能。

沉积碳可大致分为无机和有机组分，其中有机碳与由水生生物驱动的生物学地球化学过程密切相关（Canfield, 1994; Meyers and Ishiwatari, 1993）。沉积物有机碳的关键属性——包括来源、浓度和埋藏速率——直接或间接受到全球变化的影响（Guo et al., 2021; Su et al., 2023; Wang and Wang, 2026）。通常，沉积物有机碳根据来源分为原生和外源组分。原生有机碳包括由藻类和水生植物分泌或其分解释放的碳，而外源有机碳则涵盖通过水文过程输送到沉积物中的陆源植物残体和土壤有机碳（Xu et al., 2023）。同时，沉积物有机碳浓度和埋藏速率是水生生态系统内自养固定（如湖泊）、陆地生态系统有机碳传输、矿化作用和下游输出的净平衡（Mendonca et al., 2017）。然而，在全球变化下，人类世期间全球水生生态系统的沉积物碳埋藏受到了显著影响（Rogers et al., 2019）。此外，水生生态系统也是温室气体通过好氧和厌氧呼吸过程的重要来源，例如，湖泊排放量几乎等于全球化石燃料 CO₂ 排放到大气的 20%（DelSontro et al., 2018; Meng et al., 2024）。因此，了解水生生态系统沉积物中的碳埋藏和储存及其驱动因素对于实现碳中和至关重要。

已对沉积物总有机碳浓度 (TOC) 和有机碳埋藏速率 (OC-BR) 进行了广泛研究，特别是在湖泊（Mendonca et al., 2017）、沿海（Maxwell et al., 2024）和峡湾（Smith et al., 2015）中，为全球尺度的合成研究提供了基础数据。然而，在全球尺度上，各种水生生态系统内部及之间的沉积物 TOC 和 OC-BR 的一般格局仍不清楚。此外，人类活动通常被考察其对偏远地区沉积物 OC-BR 的间接影响，而其直接影响则很大程度上被忽视，例如，水库的 OC-BR（291 g C m^-2 y^-1）显著高于天然湖泊（40 g C m^-2 y^-1）（p<0.05, Mendonca et al., 2017）。因此，整合不同水生生态系统中沉积物 TOC 和 OC-BR 的研究对于理解不同情景下的未来碳动态至关重要。此外，沉积碳源的变化在推进我们对人类世全球碳循环的理解方面发挥着关键作用。通常，当碳被固定在沉积物中时，它在短期内不再参与全球碳循环（Alin and Johnson, 2007）。然而，全球变化可能加速沉积物有机碳的释放。重要的是，协变量，如总氮浓度 (TN)、C/N 比、碳同位素 (δ¹³C) 和氮同位素 (δ¹⁵N)，可作为沉积物碳循环过程的有价值代理指标。总之，我们关注沉积物 TOC 和 OC-BR，同时整合相关协变量对于推进我们对碳循环的理解和实现更可靠的预测至关重要。

在此，我们合成全球水生生态系统的沉积物 TOC 和 OC-BR，并结合相关协变量。我们假设：(1) 包括气候变化在内的人类活动将导致全球尺度下水生生态系统沉积物 TOC 和 OC-BR 的时空改变；(2) 自从人类世开始以来，全球平均温度迅速上升，这种现象影响了水生生态系统中的生物量动态，这可能导致沉积物中 TOC 和 OC-BR 的随后增加。为了检验我们的假设，我们整合了沉积年代序列，以定量评估全球变化驱动因素如何影响沉积物碳循环（图 1）。

章节片段

文献检索与数据获取

全球数据库从两个主要数据集进行搜索：Web of Science 和 CNKI。于 2026 年 8 月使用关键词确定相关文章，结果过滤出约 4000 篇文章。此外，为弥补基于关键词检索的局限性，我们还手动筛选了高度相关研究的参考文献列表，包括（Smith et al. 2015; Heathcote et al. 2015; Wang et al. 2018, Zhuo et al 2022; Anderson et al. 2020; Mendonca et al.,

沉积物 TOC 和 OC-BR 的空间格局

基于我们的数据集，人类世期间全球沉积物 TOC 中位数为 2.3（95% 置信区间：2.0–2.6）%，OC-BR 中位数为 27.1（95% 置信区间：21.7–32.6）g m^-2 y^-1（图 1 c, d）。然而，沉积物 TOC 和 OC-BR 均显著受各种因素影响（图 2）。遵循 AWG 的建议以及贝叶斯分层模型的结果（平均值：1959，95% 可信区间：1937-1972），我们采用 20 世纪 50 年代作为人类世的开始（Steffen et al.,. 2015; Zalasiewicz,

人类世沉积物有机碳的变化

沉积物 TOC 和 OC-BR 分别可以代表沉积物有机碳库的大小和变化速率。因此，沉积物有机碳代理指标的变化为重建全球变化对碳循环的影响提供了一种手段（Hedges and Keil, 1995）。通常，由于沉积后分解，TOC 浓度倾向于随着沉积物深度的增加而逐渐下降（Burdige, 2006; Hedges and Keil, 1995）。然而，自 20 世纪中叶以来

结论

本研究呈现了人类世期间水生生态系统沉积物 TOC 和 OC-BR 的综合全球分析。为了回答我们的假设：(1) 人类活动和气候变化确实引起了沉积物碳循环的改变，并具有显著的时空差异。(2) 我们的结果显示，自 20 世纪中叶以来，沉积物 TOC 和 OC-BR 显著增加，主要由全球变化因素驱动。温度解释了变异性

CRediT 作者贡献声明

Xin Li：写作 – 初稿，可视化，验证，软件，调查，正式分析，数据整理，概念化。Jintai Wu：写作 – 审阅 & 编辑，方法学，调查，数据整理。J. Adam Langley：验证，监督，方法学，概念化。Meng Lu：写作 – 审阅 & 编辑，可视化，验证，监督，软件，方法学，调查，资金获取，正式分析，数据整理，概念化。Jianjun Zhou：

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所述工作的报告。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（基金编号：32160288, 32272818, 32471561, 32472837）的资助；第二次青藏高原综合科学考察研究 (STEP) 项目（基金编号：2019QZKK0308）；云南省青年拔尖人才计划，云南省基础研究计划重点项目（202301AS070024）；云南大学双一流大学计划基金（基金编号：C176220100044）；以及基础与交叉学科

Xin Li|Jintai Wu|J. Adam Langley|Meng Lu|Jianjun Zhou|Liding Chen|Kai Jensen|Peter Muller|Grace M. Cott|Xiaolin Dou