基于沉积物中生物标志物稳定碳同位素组成的抚仙湖富营养化历史重建

Eutrophication has become a main environmental problem of Chinese lakes. Reconstruction of the eutrophication history is essential for setting up the goal and strategy of lake conservation and restoration. The stable carbon isotopic compositions of sedimentary organic matter are generally used as an important proxy for reconstructing the history of lake eutrophication, but its use is limited in some lakes due to the effect of the terrestrial and aquatic higher plants influx. For solving this problem, based on "the present is the key to the past", choosing Fuxian Lake as a study site, in situ incubation experiments will be carried out with a gradient of nutrients (N, P). The phytoplankton biomass and species compositions will be measured, and the stable carbon isotope compositions of biomarkers derived from phytoplankton will be also analyzed, which will be used to establish the relationships between species, stable carbon isotope compositions of phytoplankton derived biomarkers and the eutrophic states. And then the biomarkers are extracted from sediment cores (about 30 cm long) of Fuxian Lake which deposited since about 100 years ago, and the stable carbon isotopic compositions of phytoplankton derived biomarkers in these sediments are determined, which, coupled with other proxy, such as the changes in assembles of phytoplankton derived biomarkers, will be used to reconstruct the history of lake water trophic states in Fuxian Lake since a century ago, and hence also to reveal the eutrophication process. The study has some important implications for combating eutrophication in Fuxian Lake.

富营养化已成为我国湖泊的主要环境问题，重建湖泊富营养化历史对制定湖泊保护对策、湖泊修复目标和措施有重要意义。沉积有机质的稳定碳同位素组成是重建湖泊富营养化历史的重要指标，但由于陆生和水生高等植物有机碳的影响，存在一定的局限性。本项目针对这一问题，以抚仙湖为对象，按照将今论古的原则，首先进行原位培养实验，设置不同营养盐(N，P)浓度培养浮游植物，测定浮游植物生物量及其生物标志物稳定碳同位素组成，从而建立浮游植物生物标志物碳同位素组成与水体营养水平的关系；在此基础上，提取抚仙湖近百年柱状沉积物中的浮游植物来源的生物标志物，并测定其碳同位素组成，根据已获得的浮游植物生物标志物碳同位素组成与营养水平的关系，结合浮游植物生物标志物组合等指标分析，重建百年来抚仙湖营养状态（水平）的变化历史，揭示富营养化历史过程与变化特征，为抚仙湖富营养化防治提供依据。

本项目在三年的执行过程中遵循古今结合的思想，既进行了抚仙湖现代水体的原位营养盐添加实验，也对抚仙湖沉积物进行了以生物标志物为主的古湖沼学分析。此外，我们还对泸沽湖和哈巴黑海沉积物中的生物标志物指标进行了研究，作为抚仙湖已有工作的补充和拓展。研究结果表明，在原位培养实验中，水体藻类生物标志物的丰度、组成和碳同位素值随TP浓度的增加发生了显著的变化。其中，Δ7/Δ5甾醇比值在整个TP范围内(0.012–0.130 mg/L)随TP浓度增加而增加，这可能与TP浓度升高时栅藻的勃发有关。相反，生物标志物的碳同位素值并不随TP浓度的增加表现出恒定的变化。将培养实验中得到的生物标志物指标对水体TP变化的响应规律应用于古湖沼研究。抚仙湖沉积物柱中的Δ7/Δ5甾醇比值表现为两阶段增加的特征，包括1951–1986期间相对较小幅度的增加以及1986–2012期间较大程度的增加。由于Δ7和Δ5甾醇具有相似的分子结构，该比值的变化不是有机物降解的结果，而是反映了历史时期水体营养状态的改变。因此，Δ7/Δ5甾醇比的变化指示了抚仙湖水体在过去百年中发生了两阶段的营养水平增加。其中1986年后水体营养水平的增加得到了1980年开始的水体环境监测数据的证实。抚仙湖沉积物中的其他生物标志物，如甾醇类的丰度和比值变化，长链正构烷烃的丰度变化等表明，抚仙湖1951年开始的水体营养水平小幅增加与该时期农业活动增加引起的营养盐，特别是Si的输入有关。营养盐的变化引起水体中的藻类，如绿藻、硅藻和甲藻的高生产力，以及硅藻在浮游植物比例中的增加。而抚仙湖1986年开始的水体营养水平大幅增加与该时期流域内的工业化和城镇化有关。该类活动导致大量工业和生活废水，尤其是含P废水向湖泊排放。水体中P含量的大幅增加刺激了藻类，特别是绿藻和甲藻的生产力，导致这一时期这两种藻类在浮游植物中的比例大幅增加。泸沽湖和哈巴黑海沉积物中的生物标志物指标同样表明，湖泊水体环境和生态系统的演变与流域内环境在气候变化和人类活动影响下的变化密切相关。