水生植物恢復或可同步緩解湖泊富營養化和碳排放

在人類活動和氣候變化的雙重脅迫下，全球湖泊普遍面臨富營養化加劇、藻類水華頻發等環境問題，對飲用水安全、水生生物多樣性維持等生態系統服務功能造成威脅。盡管浮游藻類可在短期增強CO₂吸收，但在全生命周期尺度上，浮游藻類生物量易降解并可能增加強效溫室氣體CH₄排放。湖泊富營養化與凈碳排放形成潛在的正反饋效應，因此亟需尋求湖泊減污降碳的協同增效策略。

近日，中國科學院南京地理與湖泊研究所研究員吳慶龍團隊提出，通過恢復水生植物可將浮游藻類占優勢的濁水態系統轉化為清水態系統，或有助于打破上述正反饋，從而同步緩解湖泊富營養化和碳排放。

強烈的光合作用可在浮游藻類主導的湖泊中暫時形成CO₂匯，但其生物量往往快速分解，導致大部分固存的碳重新釋放至大氣。此外，藻類衍生的活性有機碳可通過激發效應促進沉積物內源有機碳礦化，從而減少碳儲存并刺激碳釋放。未來，百年間浮游藻類的增加將使湖泊CH₄排放量提升30%至90%，反映出藻類聚積及隨之產生的缺氧環境為產甲烷菌提供了充足的底物和適宜的氧化還原條件。同時，多種藍藻可直接在富氧水體產生CH₄，成為藻型湖泊中的CH₄源。考慮到CO₂與CH₄綜合溫室效應，藻華頻發的富營養化湖泊可能增加碳排放，而全球變暖將進一步強化這種正反饋效應，削弱湖泊生態系統的氣候韌性。

基于穩態轉換理論，將浮游藻類占優的藻型湖泊恢復至水生植物占優的草型湖泊，對緩解湖泊富營養化較為重要，并為打破富營養化與碳排放形成的正反饋提供契機。構建濱岸帶人工濕地可削減來自流域的外源營養鹽負荷，人工濕地中的水生植物可吸收營養鹽并將CO₂轉化為生物量。當入湖營養鹽降至一定閾值時，敞水區水生植物恢復可吸收營養鹽、抑制內源營養負荷，從而遏制浮游藻類增殖。此外，刈割與資源化利用可在水生植物腐爛前將其固存的碳封存，避免重新釋放至大氣。基于質量守恒模型，草型湖泊實現凈CO₂排放當量低于零（ΔCO₂-eq<0，即凈碳匯）的概率高于藻型湖泊。估算結果顯示，藻型湖泊經水生植物恢復后，在20年、100年和500年時間尺度上，凈碳排放量分別減少0.006-23.18 g ΔCO₂-eq/m²/d、0.003-10.44 g ΔCO₂-eq/m²/d和0.002-5.71 g ΔCO₂-eq/m²/d，約為藻型湖泊凈CO₂排放當量的49.7%至770.2%。因此，研究認為，恢復大型水生植物有望同步實現湖泊富營養化治理與碳減排的雙重目標。

長期碳埋藏與低排放是草型湖泊碳匯能力增強的典型特征，其潛在機制包括如下內容。一是CO₂可轉化為大型水生植物組織中的難降解有機碳，這類有機碳具有更長的保存時間。二是作為水生食物網的重要節點，一些底棲動物展現出強化碳匯優勢，且在草型湖泊中更為豐富。它們通過吸收顆粒有機碳促進軟組織生長，還可以通過生物鈣化作用將碳以穩定無機碳形態CaCO₃封存于殼體。在喀斯特湖泊中，碳酸鹽風化作用釋放的溶解態無機碳為水生植物光合作用提供碳源，促進難降解有機碳形成，增強湖泊沉積物的碳埋藏能力。三是草型湖泊更高的微生物多樣性有助于強化微生物碳泵效應，進而提升其氣候韌性。四是根際泌氧促進CH₄氧化，可將鐵元素穩定在高價態，并通過礦物碳泵助力有機碳在草型湖泊中穩定封存。

較多原位觀測和中宇宙實驗表明，水生植物恢復后，ΔCO₂-eq如預期降低，一些例外情況或歸因于草型湖泊外源碳輸入干擾、水生植物根際分泌物分解或通氣組織釋放CH₄。為最大化ΔCO₂-eq<0概率，亟需構建不同類型水生植物的有機碳礦化效率與CH₄排放占比譜系。因此，整合上述譜系數據以指導擬修復水體中水生植物的選擇，對維持湖泊生態系統健康和增強氣候韌性至關重要。

相關研究成果發表在《創新》（The Innovation）上。

水生植物恢復或可同步緩解湖泊富營養化和碳排放