(2: 福建师范大学地理科学学院, 碳中和未来技术学院, 福州 350117)
(3: 福建师范大学稳定同位素中心, 福州 350117)
(4: 云南师范大学, 高原地理过程与环境变化云南省重点实验室, 昆明 650500)
(2: School of Geographical Science and School of Carbon Neutrality Future Technology, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, P. R. China)
(3: Stable Isotope Center, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, P. R. China)
(4: Yunnan Provincial Key Laboratory of Geographical Process and Environmental Change on the Plateau, Yunnan Normal University, Kunming 650500, P. R. China)
溶解性无机碳(DIC)作为湖泊中碳的主要存在形式之一,对于认识湖泊系统的碳循环过程有着重要作用[1-3]。湖泊水体DIC碳同位素(δ13CDIC)的组成主要受到湖泊初级生产力[4]、有机质分解[5]、湖水DIC与大气CO2交换程度[4]以及湖泊碳酸盐矿物沉淀与溶解[6]的控制,是指示湖泊DIC变化的重要工具。湖泊中水生腹足类动物在其壳体生长过程中,主要利用周围水体环境中的溶解无机碳来钙化自身的碳酸盐外壳,其外壳的碳同位素(δ13C)受周围水体环境的DIC、自身呼吸作用产生的代谢碳以及其间的动力学分馏等因素影响[7]。前人研究表明,新陈代谢产生的碳对水生壳体δ13C的贡献不大,基本在10%以内[8-9],即壳体所利用的碳主要来源于湖泊水体,贡献达到90%[10-11]。就δ13C而言,壳体碳酸盐形成过程中的同位素动力分馏不容忽视,尤其在快速成骨或成壳的生物体内较为显著[7],而对生长较为缓慢的壳体其同位素动力分馏作用较弱,通常可以忽略,即湖泊生物壳体δ13C与DIC之间的同位素分馏相对稳定[10-11]。由于在湖泊中直接开展持续性的DIC监测难度较大,利用壳体δ13C将有望获得其生长时段湖泊水体的DIC特征,对认识湖泊水体年际尺度的DIC变化过程极具潜力[12-14]。
滇中湖泊众多,是研究区域性乃至全球碳循环的重要场所[1, 15]。其中杞麓湖是滇中浅水湖泊的典型代表[16]。随着杞麓湖流域的不断开发,湖泊水体富营养化程度加重,杞麓湖的水生生态成为区域生态环境研究的热点[17],深入认识杞麓湖湖水DIC特征与变化有助于认识湖泊的循环过程,为治理杞麓湖生态环境提供科学依据[18]。目前,针对杞麓湖湖水的物理参数、化学等参数已经开展了研究[19-21];亦有学者利用岩芯重建杞麓湖的环境变化历史[22-23],但湖泊系统中年际尺度的DIC变化特征仍不清楚。
孟氏螺蛳(Anularya mansuyi Dautzenberg et H. Fischer),又称光肋螺蛳,是滇中湖泊的特有种属,主要分布在杞麓湖、异龙湖、星云湖、滇池等云南中部湖泊中[24]。研究显示,孟氏螺蛳生活在离湖面3~7 m的水体底部[25],平均寿命为3~4年[26],全年均可生长[27],其壳体δ13C极具研究湖泊水体DIC特征的潜力。因此,本文基于杞麓湖现生孟氏螺蛳壳体,通过对壳体碳酸盐δ13C测试,结合区域器测资料对比,分析孟氏螺蛳记录的水体δ13CDIC变化特征,探讨了云南区域环境变化对杞麓湖及其水体DIC的影响,为认识滇中地区湖泊的碳循环过程提供了科学依据。
1 研究区概况杞麓湖为高原断陷构造湖泊,是滇中地区湖泊的典型代表。杞麓湖位于云南省玉溪市通海县(图 1),现代湖面高程为1796 m,湖泊面积约为37.26 km2,平均水深为4.0 m,最大水深约为6.8 m,蓄水量为1.676×108 m3[17, 28]。湖泊水温在垂直方向上的变化并不明显,湖体混合较为均匀[29]。
杞麓湖属于南盘江水系,主要依靠大气降水与周边地下泉水补给[30-31],没有明显出水口,主要通过湖泊东侧的落水洞泄水至南盘江,或泄洪隧洞出水至曲江库南河[20, 32]。杞麓湖流域为典型的亚热带气候,主要受到印度季风的控制,雨热同期,干湿分明,多年气象观测资料显示其年均降水量约为899 mm,主要集中在5—10月,年均气温为16.0 ℃(图 2)。流域内的植被以云南松(Pinus armandi)、华山松(Castanopsis orthacantha)等暖温性植被为主[33]。随着流域的开发,工业及生活废水排入杞麓湖[34],杞麓湖营养水平持续增高、生态环境功能持续退化[12, 35],截至2019年水质为劣Ⅴ类,处于中度富营养状态[20]。
在杞麓湖的北部湖区,于2014年4月采集到现生孟氏螺蛳壳体2个(QLH-A和QLH-B)。其中,QLH-A质量约为4.84 g (壳高约为4.5 cm,壳宽约为2.3 cm),QLH-B质量约为8.40 g (壳高约为4.8 cm,壳宽约为2.6 cm)。两个孟氏螺蛳壳体在采集时已经死亡,因其壳体内部仍有未完全腐烂的软组织,据此判断两个螺蛳应死亡不久,可将采集时间近似作为其死亡时间[36]。在实验室内对采集到的现生孟氏螺蛳壳体进行处理,先用细毛刷与清水去除壳体内外残留的泥土与有机残体,之后用超纯水超声清洗4~5次,每次20~30 min,直至没有肉眼可见的明显污染物存在,最后放入50 ℃烘箱中烘干。
以3~4 mm间距,用直径约为0.7 mm的牙钻从壳体开口处沿生长层方向(垂直于最突出的生长轴)采集壳体粉末样品,其中QLH-A自壳体开口处至壳顶采集到样品45个,QLH-B采集到样品46个。在福建师范大学稳定同位素中心,使用Thermo公司的碳酸盐制样装置Kiel-Ⅳ与MAT 253型质谱仪联机对采集到的样品开展碳氧同位素测试,每个样品取约200 μg的粉末与过饱和磷酸在70 ℃反应,之后通过液氮富集反应生成CO2气体,最后利用MAT 253的双路系统测定其同位素组成。在测试过程中,加入3种同位素标准(ETH-1 (δ13C=2.02‰)、ETH-2 (δ13C=-10.17‰)和NBS-18 (δ13C=-5.01‰))用于控制数据质量。其中,ETH-1和ETH-2用于数据校正,NBS-18用于监测仪器运行的稳定性。每组测试包括46个样品位,依次插入ETH-1、NBS-18和ETH-2碳酸盐标准物质。测试后,利用Isodat 3.0软件处理数据,测试获得的δ13C均采用VPDB标度,分析精度优于0.06‰。
3 结果测试结果显示(图 3),QLH-A的壳体δ13C测试值介于-4.84‰~-2.20‰之间,变化幅度约为2.60‰,平均值为-3.20‰;QLH-B的壳体δ13C测试值介于-6.37‰~-2.37‰之间,变化范围幅度约为4.00‰,平均值为-3.71‰。两个壳体的δ13C值和变化趋势均基本一致。总体而言(图 3),在两个壳体的壳顶部分(QLH-A为距离壳口113~146 mm,QLH-B为距壳口120~157 mm),δ13C显著偏负,且存在逐渐偏正趋势;在壳体的其他部分(QLH-A为距离壳口50~113 mm之间,QLH-B为距离壳口62~120 mm之间),δ13C总体趋于稳定;其中,在壳口附近(QLH-A为距离壳口26~50 mm之间,QLH-B为距离壳口38~62 mm之间),两个壳体δ13C均呈现出显著偏负的过程。
孟氏螺蛳在幼体时一般在母体内发育,发育成小螺后再由母体排出体外,因此壳体生长会经历母体体液和湖泊水体两个不同的生长环境[26]。基于壳体δ13C值,两个现代孟氏螺蛳壳体δ13C均呈现出壳顶部分显著偏负,后快速偏重并趋于稳定的变化模式(图 3)。基于壳体δ13C的变化特征,本文推断壳顶顶部偏负的δ13C主要记录了母体的体液环境[26],壳体其余部分的δ13C则主要记录了水体环境信息。据此对比显示,两个壳体的δ13C在生长初期阶段显著偏轻(图 3),且差异较大。此阶段QLH-A的壳体δ13C变化范围为-4.81‰~-2.74‰,平均值为-3.78‰;QLH-B的壳体δ13C变化范围为-6.37‰~-4.25‰,平均值为-5.55‰,这种差异与壳体体液更具个体性的特征一致。若不统计壳体在母体的生长时段(即去除壳顶部分数据,图 3),QLH-A在距壳口1~113 mm的δ13C变化范围为-4.01‰~-2.20‰,平均值为-2.90‰;QLH-B在距壳口1~125 mm的δ13C变化范围为-4.26‰~-2.51‰,平均值为-3.28‰。两个壳体δ13C平均值的差异仅为0.38‰,即总体呈现较为稳定的特征。两个壳体δ13C的相似性与两个壳体脱离母体后所利用的湖泊水体DIC相一致。
水生生物壳体的碳主要来源于周围水体环境DIC的碳以及自身新陈代谢产生的代谢碳[7]。在壳体生物的外壳沉淀过程中,其碳酸盐在利用水体DIC时可能会因“动力学效应”产生碳、氧同位素的不平衡分馏[7]。含有12C和16O的CO2比含有13C和18O同位素的CO2更加活跃[37],且12C和16O会朝同一方向发生偏移,继而导致壳体δ13C较水体DIC偏重。当壳体碳酸盐存在显著的“动力效应”时,其碳、氧同位素呈现一致的变化特征[7, 37]。相关性分析表明,QLH-A和QLH-B两个壳体碳、氧同位素之间的相关系数分别为0.08和0.01(图 4),即壳体碳、氧同位素之间相关性不显著,因此推断壳体碳酸盐矿物的“动力分馏”效应不显著。
生物壳体在其新陈代谢过程中需要依靠外界食物获取生长所需能量,因此水生壳体生物的碳组分在一定程度上由食物源的碳同位素组分贡献[38]。孟氏螺蛳食性较为稳定,以水草、浮游藻类为主[39]。对杞麓湖不同类型水草的系统调查显示[40],其δ13C为-17.44‰~-7.68‰,变化幅度为9.80‰。对比显示,本研究的孟氏螺蛳壳体在后期湖泊水体环境生长时段,不仅其δ13C差异较小(0.38‰),且其δ13C在同一壳体的变化幅度最大差异也较小(QLH-A为1.81‰,QLH-B为1.74‰),远小于杞麓湖水草间的δ13C差异,表明食物或不同食物间的差异难以记录到孟氏螺蛳壳体δ13C中,揭示其贡献较小。此外,考虑到食物中的碳主要被壳体生物的有机组织所吸收,难以直接影响壳体无机碳酸盐的碳组分[38],因此总体来说食物δ13C对孟氏螺蛳壳体δ13C的影响不显著。
生物代谢过程主要受外界环境影响,壳体生物呼吸作用产生的代谢碳在季节上的差异会引起壳体δ13C呈现季节性波动特征[41]。基于许丽红等利用壳体δ18O建立的杞麓湖现生孟氏螺蛳壳体生长时标[36],建立QLH-A与QLH-B壳体δ13C随时间的变化特征(图 5)。利用壳体δ18O波动峰值作为孟氏螺蛳生长季中冬、夏季节的分界点,获得在冬、夏季壳体δ18O极值点处对应的孟氏螺蛳壳体δ13C值,并计算两个孟氏螺蛳壳体在完整生长年份内(2012年与2013年)的δ13C冬、夏季差异(表 1)。QLH-A的壳体δ13C在两个生长年份的冬、夏季差异分别为0.45‰和0.03‰,QLH-B的壳体δ13C在两个生长年份的冬、夏季差异分别为0.26‰和0.67‰,在季节尺度上并未发生显著波动。因此,新陈代谢产生的代谢碳对孟氏螺蛳壳体δ13C影响不显著,或者贡献较小,可以视为恒定值。
湖泊中腹足类生物其壳体主要利用水体DIC来形成壳体中的文石碳酸盐矿物,在同位素平衡分馏作用条件下,其壳体δ13C与水体δ13CDIC之间的差异基本恒定,在1.5‰~2.0‰之间[11]。孟氏螺蛳壳体δ13C平均值约为-3.0‰,据此推断其对应的湖水δ13CDIC为-4.5‰~-5.0‰。湖泊水体DIC与湖泊中浮游植物密切相关,部分研究显示湖泊中浮游植物的δ13C一般会比水体δ13CDIC偏轻20‰左右[42-43]。据梁红等在2018年对滇东湖泊的水生植物稳定同位素研究显示,杞麓湖浮游植物的δ13C测定结果均值为-21.88‰±2.97‰[44],据此推断杞麓湖水体δ13CDIC应为-4.85‰~-1.09‰。对比显示,本文孟氏螺蛳壳体δ13C所记录的湖水δ13CDIC与基于浮游植物推断的杞麓湖δ13CDIC基本吻合。综合而言,孟氏螺蛳壳体δ13C主要记录了杞麓湖水体δ13CDIC的特征,其他因素的影响均相对不显著,即壳体δ13C可以用于指示湖泊水体δ13CDIC的变化。
4.2 杞麓湖水体δ13CDIC变化的影响因素与年际变化特征湖泊中可溶性无机碳的影响因素较多,其中湖水与大气CO2的交换、湖泊中浮游植物的光合作用和有机质分解是影响湖泊水体DIC及其δ13CDIC的最主要因素[45-46]。湖泊水体中的无机碳一般以溶解性CO2、HCO3-、CO32-等多种形式存在,其在水体中的比例与湖泊水体的pH值密切相关[47]。湖水DIC一直在与空气中的CO2不断交换,其平衡状态下的湖泊水体中δ13CDIC可基于模型计算得到[48-49]。观测资料显示,杞麓湖水体pH均值为8.48[30],其年均水温为16.5 ℃。如果采用全球CO2的碳同位素(δ13CCO2)观测值-8.1‰作为大气CO2的碳同位素组成[50],可计算出平衡条件下湖泊水体中CO2、HCO3-和CO32-与大气δ13CCO2的分馏系数分别为-1.39‰、8.45‰和6.36‰,据此估算杞麓湖水体δ13CDIC约为0.35‰。这比前文孟氏螺蛳壳体δ13C(-5.00‰~-4.50‰)和基于浮游生物估算的杞麓湖水体δ13CDIC(-4.85‰~-1.09‰)显著偏高。
湖泊中浮游植物的光合作用和有机质分解对水体δ13CDIC的影响较为复杂。通常来说,植物光合作用因优先利用偏轻的12C会导致剩余的CO2相对偏重,湖泊中有机质分解释放的CO2与植物自生的碳同位素组成较为一致[45, 51]。综合而言,湖泊中光合作用、有机质分解均显著的湖泊中δ13CDIC多为-10‰~-2‰,例如Green Lake的水体δ13CDIC年际变化范围为-8‰~-2‰[52],因此湖泊生态系统中的综合作用通常导致水体的δ13CDIC较大气CO2偏负[52-53]。研究显示,杞麓湖的水生植被类型以眼子菜属等C4沉水植物为主[40, 54],有机质分解释放的CO2与有机质δ13C相同[45],即为-19‰~-9‰,据此估算有机质分解碳同位素值应该在-5.5‰左右。对比来说,基于壳体δ13C计算的δ13CDIC值(-5‰~-4.5‰)略高于此。同时考虑到目前杞麓湖富营养化现象较为显著,湖泊系统的初级生产力较高,与湖泊水体δ13CDIC更为接近的特征说明湖泊中浮游植物的光合作用和有机质分解等过程对杞麓湖湖泊水体DIC及其δ13CDIC的影响较为显著。综合而言,杞麓湖水体的δ13CDIC揭示了大气与湖泊自生生态系统共同作用的结果。
基于壳体的δ13C(图 5)表明,两个壳体的δ13C在孟氏螺蛳的完整生长阶段均相对稳定,年内波动变化小,表明杞麓湖湖水δ13CDIC在季节尺度上变化不显著。通常来说,开放性湖泊更容易受到河流水系输入的碳通量影响,导致水体DIC混合不均匀[10],从而表现出较为明显的季节性变化特征[55]。这在大型湖泊流域中表现较为明显,如我国的鄱阳湖[55]。与开放性湖泊的水文特征相比,杞麓湖作为一个浅水、碱性封闭湖泊,湖泊水体的频繁扰动使得水中CO2充分混合,致使在季节性尺度上杞麓湖δ13CDIC呈现出变化不显著的特征。这与金彦香等[56]和Yoshimura等[41]在其他较为封闭的湖泊区域发现的湖水δ13CDIC全年均较为稳定的特征相一致。
4.3 孟氏螺蛳壳体δ13C记录的杞麓湖流域干旱事件虽然壳体δ13C显示杞麓湖水体δ13CDIC在年际尺度上较为稳定,但两个壳体的δ13C在2013年夏、秋季均出现显著的偏负谷峰。前文分析表明,大气CO2与湖水DIC交换程度主要受到水温影响,但杞麓湖水温在垂直方向变化并不显著[30],大气CO2与湖水DIC交换过程较为稳定,通常不会大幅改变壳体δ13C值。而湖泊生态系统中陆源有机质输入、有机质分解或初级生产力的综合作用会导致水体δ13CDIC偏负,因此推断壳体δ13C偏负的趋势可能主要与杞麓湖湖泊内生态系统的变化有关。
通常来说,湖泊生态系统的变化中可能有以下几个过程导致壳体δ13C发生变化。首先,生态系统变化可能导致孟氏螺蛳壳体的食物源发生改变,进而影响孟氏螺蛳的碳组分[38]。食物中的δ13C主要被记录到壳体生物的有机组织,呈现有机体与食物相似的碳同位素特征[38]。前人研究显示孟氏螺蛳主要以水草为食,食性也较为稳定[39]。同时考虑到食物中的碳难以直接进入壳体无机碳酸盐组分中,据此推断食物变化引起孟氏螺蛳壳体δ13C信号变化较弱。其次,湖泊有机质来源变化也可能引起水体DIC变化。湖泊有机质一般分为内源性与外源性,其中由陆源有机质分解的δ13C通常较湖泊内源有机质更为偏负,因此陆源有机质输入贡献的增加将导致水体δ13CDIC偏负[44]。据前人研究表明,滇东湖泊的水生植物C/N大致在10~20之间[44],指示杞麓湖有机质来源以湖泊水生植物为主,其有机质分解也以水生植物分解为主。综合上述分析显示,食物源变化、陆源有机质输入对壳体δ13C出现显著的偏负特征影响不大,壳体δ13C出现显著偏负特征更可能是由于湖泊自身生态系统变化引起水体δ13CDIC来源影响因素的改变。
气象数据和其他资料均显示,2013年云南发生大面积干旱,杞麓湖水质参数及容水量实测数据也显示2013年其水域表面积比2012年减少近12.15%[57]。水体容积缩小导致水中总氮浓度上升,加之藻类对营养盐浓度变化十分敏感,营养盐浓度的异常上升会导致藻类大量增殖,进而出现湖泊生态系统失衡或重大变化(图 6)。研究显示,2013年杞麓湖叶绿素a浓度达到最大值,水体透明度达到最低点(图 6),也表明在该时段内出现水生藻类暴发迹象,并消耗大量总磷。水生藻类现存量能表征湖泊初级生产力,湖泊初级生产力变化可直接反映水体的富营养化程度[58-59]。杞麓湖在2011年和2012年处于中度富营养化(综合营养指数均值分别为65.92和68.70),于2013年转为重度富营养化(综合营养指数均值为71.30)[20] (图 5)。在2012—2013年,杞麓湖虽表现为高初级生产力的营养化特征,但仍显示夏季较高、冬季较低的营养指数周期性变化,说明湖泊初级生产力的快速提高对水体δ13CDIC的影响不显著。两个壳体δ13C在2013年夏、秋季节出现显著偏负谷峰更可能为湖泊内有机质分解作用的影响。随着水生藻类的暴发生长,水体生态环境恶化,继而造成部分水生藻类的死亡分解与下沉。而有机质在分解时产生的12C逐渐溶于水体,造成水体δ13CDIC显著偏负[45, 60]。综合上述研究分析,揭示出两个壳体δ13C在2013年夏、秋季出现显著偏负谷峰更可能与湖泊内藻类大量快速繁殖后引起的有机质分解过程相关,即壳体δ13C可以记录湖泊生态系统的巨大变化过程,揭示出在高生产力的淡水湖泊中不能忽视有机质分解作用与湖泊生产力变化对DIC的重要贡献。
孟氏螺蛳壳体为滇中特有属,在其生长过程中记录了水体δ13CDIC特征,壳体δ13C可以用于指示湖泊水体δ13CDIC的变化。孟氏螺蛳在滇中湖泊广泛分布,在湖泊周围地层中也有大量堆积[61],因此利用壳体有助于识别地质历史时段滇中湖泊水体DIC特征及其湖泊生态系统的变化。未来可以在滇中其他地区的湖泊中继续开展孟氏螺蛳壳体δ13C与水体δ13CDIC的研究,进一步检验孟氏螺蛳壳体δ13C记录水体δ13CDIC的可靠性。
5 结论本文以杞麓湖两个现生孟氏螺蛳为研究对象,沿其生长轴进行稳定碳同位素分析,探究孟氏螺蛳壳体δ13C记录水体δ13CDIC的可行性。研究结果表明:
1) 孟氏螺蛳壳体δ13C可以用于识别其生长环境,两个现生壳体经历了母体体液与水体两种环境。其中,QLH-A在母体环境中的δ13C平均值为-3.78‰,变化幅度为2.07‰;在水体环境中的壳体δ13C平均值为-2.90‰,变化幅度为1.81‰。QLH-B在母体环境中的δ13C平均值为-5.55‰,变化幅度为3.03‰;在水体环境中的壳体δ13C平均值为-3.28‰,变化幅度为1.74‰。
2) 孟氏螺蛳壳体δ13C主要受湖泊水体DIC的控制,能够指示杞麓湖水体δ13CDIC的年际尺度变化,杞麓湖水体δ13CDIC在年际尺度上保持相对稳定。
3) 杞麓湖水体δ13CDIC主要受有机质分解与湖泊初级生产力变化的影响。在2013年前后云南大旱期间,导致杞麓湖水体δ13CDIC发生显著偏负变化的主要影响因素为湖泊水生藻类死亡引起大量湖泊内源性有机质的分解,这表明孟氏螺蛳壳体δ13C具有记录湖泊生态系统自身重大变化的潜力。同时,孟氏螺蛳古螺壳在滇中湖泊周围地层中广泛分布,利用壳体碳同位素记录有助于识别在过去地质历史时期内滇中湖泊水体DIC的变化特征及湖泊生态系统的变化。
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