The Innovation | 水生植物恢复可同步削减湖泊富营养化和碳排放

湖泊是温室气体CO2和CH4的重要释放源。富营养化湖泊中浮游藻类吸收CO2后难以长期储存甚至进一步转化为强效温室气体CH4，从而促进湖泊净碳排放。利用水生植物将藻型浊水态恢复为草型清水态湖泊是常用的生态修复策略，然而其气候增益尚不明确：既有研究显示水生植物恢复可大幅减排，也有证据表明草型湖泊碳排放更高。本研究旨在厘清水生植物恢复能否协同湖泊减污降碳，并阐明其潜在机制。

导 读

在人类活动和气候变化影响下，全球湖泊藻类水华问题日益严重，威胁饮用水安全。藻类短期能吸收CO2，但死亡分解后反而可能释放更强效的温室气体CH4，加剧全球变暖。因此，寻求既能改善水质又能减少碳排放的协同治理策略至关重要。

图1(A)水生植物恢复前后全生命周期碳收支的质量守恒模型；(B-D)藻型湖泊在(B)20年、(C)100年和(D)500年尺度的净CO2排放当量概率分布，蓝色和红色分别代表净CO2排放当量下降和上升，下同；(E-F)草型湖泊在(E)20年、(F)100年和(G)500年尺度的净CO2排放当量概率分布；(H-J)全球浅水湖泊经水生植物恢复后净CO2排放在(H)20年、(I)100年和(J)500年尺度的削减量；(K)水生植物恢复后碳汇提升的潜在机制

一、湖泊富营养化与碳排放的正反馈效应

尽管强烈的光合作用可在浮游藻类主导的湖泊中暂时形成CO2汇，但其生物量往往快速分解，导致大部分固存的碳重新释放至大气。此外，藻类衍生的活性有机碳可通过激发效应促进沉积物内源有机碳矿化，从而减少碳储存并刺激碳释放。值得注意的是，未来百年间浮游藻类的增加将使得湖泊CH4排放量提升30-90%，这反映出藻类聚积及随之产生的缺氧环境为产甲烷菌提供了充足的底物和适宜的氧化还原条件。尤其需要指出的是，多种蓝藻可直接在富氧水体产生CH4，成为藻型湖泊中不可忽视的CH4源。考虑到CO2与CH4的综合温室效应，藻华频发的富营养化湖泊极有可能增加碳排放，而全球变暖将进一步强化这种正反馈效应，进而削弱湖泊生态系统的气候韧性。

二、水生植物恢复可同步缓解湖泊富营养化和碳排放

基于稳态转换理论，将浮游藻类占优的藻型湖泊恢复至水生植物占优的草型湖泊，对于缓解湖泊富营养化至关重要，也为打破富营养化与碳排放形成的正反馈提供了契机。首先，通过构建滨岸带人工湿地可极大削减来自流域的外源营养盐负荷，人工湿地中的水生植物可大量吸收营养盐并将CO2转化为生物量。当入湖营养盐降至一定阈值时，敞水区水生植物（尤其是沉水植物）恢复可进一步吸收营养盐、抑制内源营养负荷，从而遏制浮游藻类增殖。此外，通过刈割与资源化利用可在水生植物腐烂前将其固存的碳封存，避免重新释放至大气。基于质量守恒模型（图1A），草型湖泊实现净CO2排放当量低于零（ΔCO2-eq<0，即净碳汇）的概率显著高于藻型湖泊（图1B-G）。估算结果显示：藻型湖泊经水生植物恢复后，在20年、100年和500年时间尺度上净碳排放量分别减少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（图1H-J），约为藻型湖泊净CO2排放当量的49.7%-770.2%。由此可见，恢复大型水生植物有望同步实现湖泊富营养化治理与碳减排的双重目标。

三、水生植物恢复削减碳排放的潜在机制

长期碳埋藏与低排放是草型湖泊碳汇能力增强的典型特征，其潜在机制主要包括以下几个方面：首先，CO2可转化为大型水生植物组织中的难降解有机碳（如纤维素），这类有机碳具有更长的保存时间。其次，作为水生食物网的重要节点，一些底栖动物（如贝类幼体）展现出独特的强化碳汇优势，其在草型湖泊中也更为丰富。它们不仅通过吸收颗粒有机碳促进软组织生长，还能通过生物钙化作用将碳以稳定无机碳形态CaCO3封存于壳体。在喀斯特湖泊中，碳酸盐风化作用释放的溶解态无机碳为水生植物光合作用提供碳源，促进难降解有机碳的形成，从而增强湖泊沉积物的碳埋藏能力。再次，草型湖泊更高的微生物多样性有助于强化微生物碳泵效应，进而提升其气候韧性。最后，根际泌氧不仅促进CH4氧化，还能将铁元素稳定在高价态，并进一步通过矿物碳泵助力有机碳在草型湖泊中稳定封存（图1K）。

总结与展望

许多原位观测和中宇宙实验均表明水生植物恢复后净碳排放如预期般降低，一些例外情况则可能归因于草型湖泊外源碳输入干扰、水生植物根际分泌物分解或通气组织释放CH4。为最大化削减湖泊净碳排放，亟需构建不同类型水生植物的有机碳矿化效率与CH4排放占比数据库。未来根据该数据库有针对性地选择拟修复水体中的水生植物类型，对于维持湖泊生态系统健康和增强气候韧性至关重要。

责任编辑

刘亮  中国科学院广州地球化学研究所