一、研究背景 

　　湖泊代謝(metabolism)指湖泊生物不斷進行的光合和呼吸作用，可通過湖泊總初級生產力（GPP）和湖泊總呼吸（RE）量化。水體二氧化碳分壓（pCO₂)指溶解在水中的二氧化碳（CO₂）分子產生的壓力，可用來量化量溶解在水中的二氧化碳的量。pCO₂與其他參數，如 pH 值、溶解性無機碳和堿度一樣，都用來描述水體的無機碳系統（CO₂ (aq)、HCO₃^-、CO₃^2-）的濃度和形態。湖泊pCO₂不僅受水溫，鹽度，pH等物理因素的影響，還直接受湖泊代謝的調控。 

　　我們使用¹⁸O technology計算湖泊代謝。該方法成立的基礎理論是湖泊生物進行光合作用和呼吸作用時，即產生GPP和RE時，會將水分子轉化為DO，且生物總是傾向于優先利用較輕的δ¹⁶O ，從而使剩余水體中富集δ¹⁸O。該方法假設大氣中O₂的同位素組成為常數，各同位素分餾效應可以估算出。通過測定水體水分子氧同位素和DO濃度和同位素，就可以得到GPP和R的通量。 

　　二、主要結果 

　　我們在鄱陽湖的低水位時期（2020年11月），中水位時期（2021年4月），和高水位（2022年7月）均進行了采樣，計算了各水位時期湖泊代謝。鄱陽湖整體呈現弱的凈異養狀態。鄱陽湖GPP和R存在顯著的線性相關關系（p<0.01）。 

　　無論是在高水位時期還是低水位時期，碟型湖的GPP顯著高于主航道。高水位時期東部湖區碟型湖之間的個體差異較大，且距主航道越遠，GPP越高（圖3a）。低水位時期東部湖區的GPP顯著高于西部湖區（p<0.05）。NEP的波動范圍（-26.3至23.3 g O² m^-2 d^-1）在高水位時期顯著大于低水位時期（-5.9至4.4 g O² m^-2 d^-1），特別是在碟型湖區。在高水位時期，鄱陽湖大部區域NEP分均為負值，僅有東部碟型湖區部分點和入長江口部分出現正值。 

　　鄱陽湖水體pCO2的范圍為85.5 至1701.5 μatm，均值為586.0 μatm。大部分處于高于大氣pCO₂（413 μatm）的狀態。碟型湖湖區pCO₂顯著高于主航道區域，中水位時期pCO₂（均值918.8 μatm）顯著高于高水位時期和低水位時期（均值339.1 μatm），且中水位時期波動范圍更廣。當NEP屬于-30至6 g O² m^-2 d^-1范圍內時，湖泊代謝凈消耗的CO₂越多，pCO₂越高。 

　　為了更清晰地解析水情—生源要素—GPP—pCO₂相關關系，我們構建了結構方程模型。吞吐型湖泊水位通過影響生源要素（包括陰陽離子，pH， CO₂和O2分子）的濃度，進而作用于湖泊代謝，最終影響到pCO₂。水位升高時，陰陽離子，和溶解態的CO₂和O₂分子濃度降低，水溫升高，pH升高（圖6），受到生源要素的影響，湖泊代謝增加，光合作用和呼吸作用都升高，NEP的空間差異增加。NEP和pCO₂之間存在以6 g O² m^-2 d^-1為界限的正負調節機制。 

　　對于吞吐型湖泊來說，相較于高水位和低水位時期，中水位時期是水體更新更快速，湖水與周邊水系交流更廣泛的時期。此時pCO₂最大，湖泊的整體水-氣界面排放的碳量最多。此時，湖泊NEP最接近于0，湖泊內部有機質的供給和消耗達到平衡，大量流域輸入的DIC被排放至大氣中，是鄱陽湖泊碳排放的主要時期。在高水位時期，部分湖區NEP過高（大于6 g O² m^-2 d^-1），導致CO₂被大量消耗，pCO₂急劇降低，該部分湖區pCO₂小于大氣pCO₂, 呈現凈碳吸收狀態。 

　　三、論文信息 

　　研究成果以“Water Conveyance-Type Lake Systems Shift toward Carbon Sources under Regulatory Balanced Water Level Metabolic Processes”為題，于2022年發表在美國化學學會國際期刊《ACS earth and space chemistry》，高揚研究員為通訊作者，博士生陸瑤為第一作者。本研究得到國家自然科學基金碳中和項目（No. 42141015）的支持。 

　　四、引用信息 

　　Yao Lu, Yang Gao,* Junjie Jia, Shuoyue Wang, Kun Sun, Xianrui Ha, and Zhaoxi Li (2022) Water Conveyance-Type Lake Systems Shift toward Carbon Sources under Regulatory Balanced Water Level Metabolic Processes. ACS earth and space chemistry. 

　　doi: 10.1021/acsearthspacechem.2c00141 

　　（圖1： pCO₂與湖泊代謝關系） 

　　（圖2 ：¹⁸O technology估算湖泊生產力流程圖） 

　　（圖3：主航道—碟型湖不同水位時期代謝關系） 

　　（圖4：鄱陽湖GPP和NEP的空間分布） 

　　（圖5：pCO₂隨NEP的增大而增大） 

　　（圖6：GPP,NEP與pCO₂與DC的相關關系） 

　　（圖7：水位—生源要素—湖泊代謝—pCO₂關系機理）