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荐读
近年来，湖泊生态恢复、农源管理、流域植被恢复、含磷洗涤剂禁用、土地利用方式改变等人为干预措施，使湖泊水质得到了显著改善，很多湖泊再度变为贫营养湖泊。然而，这种再贫营养化或贫营养化却可能引发湖泊、水库和河流等淡水生态系统的不良生态效应。近日，中科院南京湖泊所邢鹏研究员团队在 Water Research上发表论文“Epilimnetic oligotrophication increases contribution of oxic methane production to atmospheric methane flux from stratified lakes”，该论文以抚仙湖为研究对象，刻画了表层混合层中氧化甲烷产生潜力的时空特征，探究了氧化甲烷生产(OMP)的影响机制，评估了贫营养化对OMP的影响，研究结果强调内陆深水生态系统未来CH4产生的模式对养分的波动，特别是对广泛的再贫营养化和DIP剥夺的强烈响应。
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简介
虽然富营养化对水体甲烷（CH4）向大气排放的影响已经引起了相当大的关注，但生态系统水平的贫营养化/再贫营养化对水体CH4产生和随后的生态响应的影响仍有待阐明。据推测，溶解无机磷（DIP）缺乏的条件驱使生态系统利用生物可利用性差的有机磷形成生物量，从而产生CH4作为副产物。为了验证这一假设，采用质量平衡方法估算了贫营养深湖抚仙湖的原位氧化甲烷产量（OMP）。分析了溶解13C-CH4的同位素特征、OMP的潜在底物以及与微生物对有机磷化合物去甲基化相关的phnJ/phnD基因。研究结果表明，在湖泊分层期间，CH4积累在表层混合层（SML，即Epilimnion）中最大，并且排放到大气的CH4总通量中约 86%是由于OMP。甲变形菌（鞘氨单胞菌属和中根菌属）对甲基膦酸盐（MPn）的分解对OMP有重要贡献。此外，水温（Temp）、叶绿素a （Chla）和DIP是水体OMP潜力的最重要预测因子。对现有全球数据的meta分析显示，OMP与DIP呈负指数分布（OMP = 2.0 e-0.71DIP, R2 = 0.57, p < 0.05）。DIP浓度低于3.40 ~ 9.35 μg P L−1的阈值会触发OMP过程，增加大气CH4排放。在未来变暖情景下，分层和流域管理引起的贫营养化或再贫营养化可能会系统地影响分层湖泊中磷的生物地球化学循环和OMP对CH4排放的贡献。
图1 (a)用于研究全球范围氧化甲烷生产的湖泊（n=47）。(b)抚仙湖采样点。(c)每个样点的测量项目和取样深度的资料。
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结果
图2 (a)2021年8月至2023年2月抚仙湖最深点（点S2） dCH4垂直剖面。从2021年8月到2023年2月，每个月连续监测S2站点，但所有其他站点仅在2022年8月和2023年2月测量两次（图1c）。图中黑色虚线为层积期金属离子上下边缘水深。(b)抚仙湖分层（2022年8月）和混合（2023年2月）期间S1 ~ S6站点dCH4垂直剖面。(c)湖泊分层与混合过程中SML中dCH4的比较。*表示方差分析的置信水平为0.05。
图3 抚仙湖分层过程中SML-CH4物质平衡。OMP （mol d−1）为SML中有氧CH4生成速率（红圈）。MOx （mol d−1）为SML中CH4的氧化速率（黑色圆圈）。FL （mol d−1）表示CH4从沿岸沉积物向浅海的侧向转运速率（红色箭头）。FZ （mol d−1）为CH4在SML中垂直向下扩散的速率（黑色箭头向下）。FS （mol d−1）为CH4在SML水气界面的扩散速率（黑色箭头向上）。红色曲线为湖泊分层过程中dCH4垂直剖面变化曲线。
图4 (a)热分层过程中CH4生成过程的表观分馏（αapp）垂向剖面图。αapp>1.06表明CH4的主要生成途径以CO2还原（H2/CO2）或含甲基溶解有机质（DOM-CH3）去甲基化为主，αapp <1.06表明CH4的主要生成途径以乙酸代谢（acetate）为主。(b)湖泊分层过程中不同水层H2/CO2、乙酸和甲基化有机物添加实验的OMPP。(c)湖泊分层和混合过程中不同水层通过MPn基质添加的OMPP。(d)湖泊分层过程中不同水层phnJ和phnD基因丰度分布图。
图5 (a)最终偏最小二乘路径模型（PLS-PM）反映了有氧CH4生产潜力（OMPP）与特定环境因子之间的关系。红色和黑色的线分别代表积极和消极的影响。模型的自由度为16。采用拟合优度（GoF）检验对模型进行评价。A的GoF为0.71。(b)湖泊分层过程中OMPP的主要预测因子。均方误差（MSE）越高，表明各OMPP指标的重要性越高。*、**分别表示逐步回归分析的置信水平为0.05、0.01。(c ~ h) Ln （OMPP）与温度、dCO2、pH、DIP、Chla和phnJ的相关性进行了分析。
表1 采用逐步回归模型确定抚仙湖分层过程中有氧CH4生产潜力（OMPP，n=31）
图6 (a)抚仙湖分层过程中有氧CH4生产潜力（OMPP）与DIP相关。红线是高斯非线性拟合线。黑色虚线为触发OMPP快速变化的DIP阈值（9.35 μg L−1）。(b)从文献荟萃分析中分析OMP与DIP的相关性（n=13个湖泊）。红线表示高斯非线性拟合（OMP=2.0 e−0.71DIP, R2=0.57, p < 0.05）。黑色虚线表示触发全球尺度OMP快速变化的DIP阈值（3.4 μg L−1）。
Xun, Fan, Muhua Feng, Cheng Zhao, Wenlei Luo, Xiaotong Han, Zhen Ci, Yifan Yin, et al. 2025. “Epilimnetic Oligotrophication Increases Contribution of Oxic Methane Production to Atmospheric Methane Flux from Stratified Lakes.” Water Research 268 (January):122602.
编辑：李宇方
— 两瓣星球 —
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