湖泊作为陆地重要的淡水资源，在全球碳循环和温室气体减排中扮演着至关重要的角色，其沉积物是全球重要的碳汇之一。然而，随着人类活动和气候变化加剧，许多湖泊正在经历从“清水”到“浊水”的生态系统状态转变，即“生态突变”（regime shift）。这一过程如何影响湖泊作为“碳汇”的长期功能与稳定性？这是一个紧迫且尚未完全明确的科学问题。解答此问题，对于准确评估湖泊碳汇潜力和制定有效的生态管理策略至关重要。

    在此背景下，中国科学院南京地理与湖泊研究所张科研究员团队联合南京大学Michaels Meadows教授团队聚焦上述科学问题，选取长江中下游地区的典型浅水湖泊—梁子湖为研究对象，通过创新的多指标综合分析方法，包括沉积物碳埋藏速率、稳定同位素溯源（MixSIAR）、溶解性有机物（DOM）荧光表征（EEM-PARAFAC）以及分子水平的傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）等前沿技术，重建了该湖泊过去两百年的有机碳（OC）动态历史，进一步探讨生态系统状态转变对湖泊沉积物碳封存能力的影响机制。

图1. 梁子湖重建有机碳动态变化的相关方法、生态系统在不同阶段的演变以及关键机制

    一. 梁子湖发生两次重大生态转型

    第一次生态转型发生在20世纪60年代，受土地利用集约化和营养盐富集的影响，湖泊从贫营养状态转变为一个由大型水生植物和藻类共同主导的高生产力系统。第二次生态转型始于21世纪初，湖泊进一步向以浮游植物（藻类）占绝对优势的生态系统演变。

    图2. 梁子湖沉积物有机质多项指标的历史变化，包括总有机碳（TOC）、总有机氮（TON）、碳氮比（C/N）、碳稳定同位素（δ¹³C）、氮稳定同位素（δ¹⁵N）、碳氢比（C/H）、有机碳埋藏速率（OCBR）和沉积速率（SR）

    图3. 沉积物有机碳来源解析，藻类、大型水生植物和土壤对有机碳贡献比例的变化

    二. 富营养化削弱了湖泊碳封存能力

    研究揭示了一个看似矛盾的现象，尽管富营养化导致藻类大量繁殖，增加了湖泊的有机碳（AOM）供应，但沉积物的长期碳埋藏能力反而下降。这表明，更高的初级生产力并不必然等同于更强的碳汇功能。

    图4. 沉积物DOM的荧光分析。(a) 三个荧光组分的时间变化。(b-d) 通过EEM-PARAFAC分析识别出的三个荧光组分：(b) C1（陆源腐殖质类物质），(c) C2（微生物色氨酸类物质），以及 (d) C3（蛋白质类物质）。(e-j) 各荧光指数变化：(e) 荧光指数（FI），(f) 自生源指数（BIX），(g) 腐殖化指数（HIX），(h) 新鲜度指数（Freshness Index），(i) Fn (280) 和 (j) Fn (355)

    三. 碳封存能力减弱的内在机制

    碳封存能力减弱源于一系列连锁反应。生态系统向藻类主导的转变，导致沉积物中的有机物来源更偏向于易分解的“不稳定”类型。这加剧了微生物的矿化作用（即分解有机物并释放碳），同时，缺氧环境削弱了矿物对有机碳的保护作用。最终，更多的碳在被有效埋藏之前就已分解并释放回环境中，可能以温室气体的形式加剧气候变化。

    图5. 基于FT-ICR MS分析的Van Krevelen图，显示了不同DOM类别的分子式分布。(a-c) 分别代表来自1900年代、1980年代和2020年代沉积层的样品。编号区域代表特定的化合物类别：① 类脂质，② 类蛋白质/氨基糖，③ 类碳水化合物 (carbs)，④ 不饱和烃 (unsat_HC)，⑤ 木质素⑥ 单宁以及 ⑦ 凝聚态芳香结构 (cond_arom)。(d,e) 弦图，分别显示了 (d) 元素组的变化和 (e) 主要DOM类别间的组成变化

    结语与启示：

    该研究挑战了“更高生产力等于更强碳封存”的传统假设，揭示了浅水湖泊碳汇功能在人为干扰下的脆弱性。研究结果强调，湖泊碳汇不仅是碳的被动储存库，其稳定性与湖泊自身的生态状态和内在生物地球化学过程密切相关。基于此，研究为湖泊生态修复和碳汇功能保护提供了新的科学见解和管理启示：

1. 有效控制营养盐输入至关重要：必须实施积极且协调的行动，严格控制进入湖泊的营养盐负荷，这是维持和提升湖泊碳汇功能、避免其从“碳汇”转为“碳源”的根本措施。

2. 综合性的生态系统管理：湖泊管理策略应超越单一目标，整合水文调控、流域土地利用优化和生态系统内部反馈等多个方面，以增强湖泊沉积物作为长期碳库的稳定性。

3.为“碳中和”目标提供科学依据：在全球寻求“碳中和”路径的背景下，确保湖泊等自然生态系统碳汇功能的稳定性，是实现气候目标不可或缺的一环。

    上述研究以Ecological regime shifts weaken sedimentary carbon sequestration in shallow Lake Liangzi为题发表在国际权威期刊Water Research上，南京大学硕士研究生侯静林为论文第一作者，中国科学院南京地理与湖泊研究所张科研究员和南京大学Michael E. Meadows教授为论文通讯作者，中国科学院南京地理与湖泊研究所林琪副研究员，南京大学硕士研究生张家胜，南京大学黄世鑫博士，中国科学院南京地理与湖泊研究所博士研究生金院，南京师范大学王延华教授，中国科学院地球化学研究所贺海波副研究员，新加坡南洋理工大学PierreTaillardat教授和新加坡国立大学David Taylor教授为共同作者。

    该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、江苏省海外人才计划等项目联合资助。感谢中国科学院南京地理与湖泊研究所周永强研究员在实验中所提供的帮助。

    文章信息：

    Hou,J.,Lin,Q.,Zhang,J.,Huang,S.,Jin,Y.,Wang,Y.,He,H.,Taillardat,P.,Taylor,D.,Zhang,K.*,Meadows,M.E.* (2026). Ecological regime shifts weaken sedimentary carbon sequestration in shallow Lake liangzi. Water Research,291,125173.

    论文链接： https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.125173.