溶解无机碳输入对浅水沉水植物系统碳汇与温室气体通量的影响研究【科学指南针·环境检测·2025】

研究概述

本研究由中国科学院南京地理与湖泊研究所团队开展，发表于《BMC Plant Biology》（二区TOP，IF=4.3）。研究通过为期一年的户外中尺度实验，系统探究溶解无机碳（DIC）输入对轮叶黑藻（Myriophyllum spicatum）主导的浅水沉水植物生态系统碳库及温室气体排放的影响。实验设置三种碳酸氢根（HCO₃⁻）添加浓度，模拟亚热带湖泊环境，综合测量植物生物量、碳含量、CO₂和CH₄通量、沉积物碳库及微生物基因丰度。研究采用随机森林递归特征消除（RF-RFE）和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）等机器学习方法，解析关键驱动因子。科学指南针环境检测为本研究提供温室气体（CH₄、CO₂、N₂O）、溶解性有机碳（DOC）、总有机碳（TOC）、总无机碳（TIC）等关键参数检测服务，确保数据精准可靠。

​核心发现​：

• 碳酸氢根添加显著提升系统碳储量（总碳储量增加约50%），直接降低二氧化碳通量，但对甲烷通量无显著影响。

• 二氧化碳通量主要受pH、溶解氧、总磷及植物碳含量调控；甲烷通量唯一显著驱动因子为溶解有机碳（DOC）。

• 沉水植物系统在持续DIC输入下展现增强碳汇潜力，为湖泊生态修复与碳中和策略提供科学依据。

研究创新点

• 首次系统评估碳酸氢根对沉水植物系统碳汇的综合影响​：通过中尺度控温实验，量化DIC输入对碳储量（生物量碳、沉积碳）及温室气体通量的动态作用，明确HCO₃⁻通过促进初级生产提升碳封存。

• ​多模型集成驱动因子识别​：结合广义加性模型（GAM）、随机森林递归特征消除（RF-RFE）与偏最小二乘路径分析（PLS-PM），精准筛选水温、DOC、pH等关键环境变量，揭示非线性关系。

• ​提出“持续DIC输入+沉水植物”碳汇增强机制​：验证长期碳酸氢根添加可加速DIC向DOC转化，形成稳定难分解碳库，扩展水体碳汇容量（WCS）。

研究结果详解

图1：温室气体通量对碳添加的年际响应

碳酸氢根输入显著降低二氧化碳通量，但甲烷通量未呈现明显变化。实验表明，DIC通过提升沉水植物光合效率间接抑制CO₂排放，而CH₄通量受产甲烷菌与甲烷氧化菌平衡作用保持稳定。

Fig. 1：甲烷通量(a)与二氧化碳通量(b)对碳添加的年际响应

图2：甲烷通量的环境驱动因子分析

溶解有机碳（DOC）是甲烷通量的最显著直接影响因子，其浓度与CH₄排放呈近线性正相关。水温、总磷、TOC及微生物基因丰度（如mcrA）通过复杂非线性路径间接调控通量。

Fig. 2：甲烷通量的广义可加混合模型（GAMM）与广义可加模型（GAM）结果分析

图3：二氧化碳通量的关键调控变量

pH、溶解氧（DO）与水温的升高直接降低CO₂通量；植物碳含量与总磷通过光合作用路径间接影响排放。多模型结果凸显环境因子协同作用。

Fig. 3：二氧化碳通量的广义可加混合模型（GAMM）与广义可加模型（GAM）结果

图4：机器学习识别显著预测因子

随机森林递归特征消除（RF-RFE）确认：

• ​甲烷通量​：DOC为唯一显著预测因子（P<0.05）。

• ​二氧化碳通量​：植物碳含量、DO、pH和溶解性总磷（DTP）具显著直接影响。

Fig. 4：甲烷通量（a）与二氧化碳通量（b）参数的随机森林递归特征消除（RF-RFE）重要性分析

图5：路径模型揭示作用机制

PLS-PM结构方程显示：

• ​甲烷通量​：碳酸氢根通过提升DOC间接抑制排放；DOC负载系数最高（0.82）。

• ​二氧化碳通量​：pH直接路径系数达-0.61，DO和DTP通过资源竞争间接减排。