汪 旋，李致春,3，李 翔，許曉光，張思遠(yuǎn)，王慧敏，厲榮強，王國祥

(1:南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023)(2:江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點實驗室，江蘇省水土環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程實驗室，南京210023)(3:宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院，宿州 234000)

湖泊沉積物碳庫是湖泊生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的核心環(huán)節(jié)，既扮演生態(tài)系統(tǒng)碳平衡過程中的源/匯角色，又為湖泊生命活動中碳的生產(chǎn)、消費和轉(zhuǎn)換者提供場所[1]. 湖泊沉積物碳庫有機碳組分對于湖泊碳循環(huán)環(huán)境條件的改變具有高度敏感性，與有機碳的固持和釋放密切相關(guān)[2-3]. 同時，沉積物碳庫有機碳組分的化學(xué)組成和存在狀態(tài)也是影響有機碳礦化的關(guān)鍵因素[4]，而有機碳礦化作為碳循環(huán)的關(guān)鍵過程，其動態(tài)變化直接影響沉積物碳元素的釋放與溫室氣體的形成[5]. 因此，碳庫中有機碳的固定和循環(huán)機制的研究是湖泊碳循環(huán)研究的重要內(nèi)容[6]，加強湖泊沉積物碳庫及其組分的研究是精確評估沉積物碳儲量及其對不同來源有機碳遷移轉(zhuǎn)化響應(yīng)的關(guān)鍵.

沉積物有機碳庫包含了從簡單糖類到復(fù)雜腐殖質(zhì)的不同組分[7]，按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)穩(wěn)定性和密度，有機碳可分為輕組有機碳(light fraction organic carbon, LFOC)和重組有機碳(heavy fraction organic carbon, HFOC)；按組分可分為易氧化有機碳(easily oxidized organic carbon, EOC)和惰性有機碳(recalcitrant organic carbon，ROC)；有機碳庫中，易被微生物利用的有機碳組分又被稱為微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)，這些碳組分被視為表征湖泊沉積物碳庫動態(tài)的重要指標(biāo)，能夠反映湖泊沉積物碳庫的穩(wěn)定性和碳源/匯的潛在功能，對湖泊碳循環(huán)的研究具有現(xiàn)實意義[8]. LFOC對水環(huán)境變化敏感，是微生物的重要碳源，易受微生物和酶活性的影響，具有較高的周轉(zhuǎn)率，具有更高的生物可利用性[9-10]. HFOC則較為穩(wěn)定，密度高，主要為芳香族物質(zhì)，碳氮比較低，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)雜，周轉(zhuǎn)較慢，難被微生物利用，成為土壤和沉積物中碳儲存的主要匯庫[11-13]. EOC是沉積物有機碳中較活躍的部分，常作為有機碳動態(tài)變化的敏感性指標(biāo)[14]；EOC越大，說明湖泊有機碳越不穩(wěn)定[15]，湖泊沉積物環(huán)境發(fā)生變化時，沉積物有機碳更易于發(fā)生變化. ROC有效性較高，很難被微生物分解利用，為穩(wěn)定碳庫重要組分之一[16]，對沉積物的固碳作用和維持湖泊生態(tài)平衡有重要意義. MBC反映沉積物微生物活性，與有機碳的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，能夠作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的功能變化、沉積物碳庫穩(wěn)定性及有機質(zhì)變化的早期預(yù)測指標(biāo)[17-18].

越來越多的學(xué)者關(guān)注湖泊沉積物碳庫有機碳組分變化對碳循環(huán)涉及的生物地球化學(xué)循環(huán)過程的指示意義. 在對湖泊有機碳組分的研究中，往往將其與富營養(yǎng)化聯(lián)系起來[19]，湖泊沉積物各形態(tài)特征的有機碳中，重組碳的積累對總有機碳的貢獻(xiàn)，揭示了湖泊富營養(yǎng)化程度對沉積物碳庫動態(tài)變化和腐殖化程度的影響[20]. 太湖沉積物L(fēng)FOC的去除伴隨著沉積物有機氮、磷的礦化，而沉積物氮、磷礦化，進一步對上覆水體氮、磷的釋放具有較大的影響[21]. 王亞蕊等探究堆積藻屑和沉積物交互作用發(fā)現(xiàn)，藻屑或沉積物有機質(zhì)短期內(nèi)不會完全礦化，從而增強了沉積物需氧量，對沉積物中污染物的地球化學(xué)循環(huán)過程造成進一步的影響[22]. Ye等對藍(lán)藻水華爆發(fā)對高分子溶解有機物(DOM)的研究發(fā)現(xiàn)，太湖藍(lán)藻水華對DOM的定性和定量均有影響，同時溶解性有機碳既受外源輸入也受藻源性輸入影響[23]. 然而，學(xué)者對藍(lán)藻水華衰亡過程中沉積物碳庫不同有機碳組分的動態(tài)變化以及活性/惰性碳庫狀態(tài)變化的研究相對較少，沉積物碳庫的動態(tài)變化，最終影響湖泊富營養(yǎng)化程度，對太湖良性生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響.

本研究擬通過室內(nèi)模擬實驗，探究藍(lán)藻水華衰亡過程中沉積物碳庫EOC、LFOC、HFOC和MBC動態(tài)變化特征，揭示藍(lán)藻水華衰亡過程，沉積物活性/惰性碳庫對藍(lán)藻水華衰亡的影響，進而深入認(rèn)識湖泊富營養(yǎng)化過程對湖泊碳循環(huán)的影響機制.

1 材料與方法

1.1 太湖湖水及沉積物樣品采集

2018年7月15日，現(xiàn)場使用彼得森采泥器采集太湖竺山灣符瀆港附近開闊水域(31°24′38.40″N， 120°02′12.45″E)表層0～20 cm沉積物，并將符瀆港原位湖水樣品裝入采樣塑料桶中，同時原位采集新鮮藍(lán)藻裝入另一采樣塑料桶中，立即運回實驗室以建立實驗系統(tǒng).

1.2 實驗設(shè)計

1.2.1 水-沉積物系統(tǒng)的建立 在實驗室中，將采集的沉積物樣品過100目篩，去除雜質(zhì)，充分混勻，將湖水通過300目尼龍網(wǎng)布過濾. 向每根直徑6.5 cm、高30 cm的有機玻璃管中添加300 g混勻的沉積物樣品，并加入560 mL的湖水，不加蓋. 將裝好水樣+沉積物的有機玻璃管垂直放入裝有加熱棒的水箱中進行水浴，溫度始終控制在28±0.5℃，系統(tǒng)穩(wěn)定1周.

1.2.2 藍(lán)藻添加階段 實驗有機玻璃管穩(wěn)定半個月，測定各項理化指標(biāo)(pH、溶解氧等)基本穩(wěn)定后，自沉積物上部分層采集深度0～1、1～2、2～3 cm樣品，將所采沉積物樣品冷凍干燥，用來測定沉積物總有機碳(TOC)、EOC、LFOC、HFOC和MBC含量，作為未加藻之前水-沉積物的初始指標(biāo).

本研究實驗組分為加藻組(M)和對照組(KB)(圖1)，加藻組通過加入新鮮藍(lán)藻150 g模擬野外條件藍(lán)藻水華衰亡分解，而對照組不加藍(lán)藻作為空白對照. 在藍(lán)藻添加階段，用磁力攪拌器將藻漿均勻混合至所有加藻組有機玻璃管藍(lán)藻添加結(jié)束.

圖1 藍(lán)藻水華衰亡過程室內(nèi)模擬實驗系統(tǒng)設(shè)計Fig.1 Design of indoor simulation experiment system for decaying process of algae blooms

1.2.3 藍(lán)藻水華衰亡分解階段 藍(lán)藻分解階段過程中每天根據(jù)實際情況用5～10 mL高純水補充上覆水水量以保證實驗正常進行. 加入藍(lán)藻后第2、4、7、10、13、18、22、32、46、60天各采集1次樣品，實驗期間共采樣10次. 實驗進行破壞性采樣，采用平匙分層采集深度0～1、1～2、2～3 cm沉積物樣品，將所采沉積物樣品冷凍干燥. 每次采樣，分別同時采集加藻組3根有機玻璃管和對照組3根有機玻璃管中的上述樣品，保證樣品測定指標(biāo)平行性質(zhì)量控制. 實驗過程中，添加藍(lán)藻前采樣1次，觀察上覆水表層藍(lán)藻從投加開始直至腐解為無明顯團狀藍(lán)藻漂浮時實驗結(jié)束.

1.3 沉積物樣品指標(biāo)測定方法及數(shù)據(jù)處理

用碳氮元素分析儀(Multi N/C 3100；AnalytikJena，德國)測定TOC、LFOC、HFOC含量[24]. 準(zhǔn)確稱取0.05 g沉積物干樣于燃燒舟中，加入0.1 mol/L的HCl溶液完全浸潤沉積物干樣進行酸化，隨后放入烘箱烘干后進行測定. 稱取5 g冷凍干燥過60目篩的沉積物樣品于100 mL離心管中，然后加入比重為1.7 g/cm3的NaI 溶液20 mL，超聲分離1 min，離心10 min后進行抽濾，并按同樣步驟分離、離心和收集輕組有機質(zhì). 將3次取得的輕質(zhì)有機質(zhì)合并后60℃下烘干、稱重. 烘干的輕組有機質(zhì)用碳氮元素分析儀測定TOC含量，所得結(jié)果為LFOC含量. 分離后的離心管沉積物，加入0.01 mol/L CaCl2溶液和蒸餾水反復(fù)洗去NaI和Cl-1，烘干后研磨，過100目篩，酸化后用碳氮元素分析儀測定TOC含量，所得結(jié)果為HFOC含量[25]. 沉積物EOC使用高錳酸鉀進行氧化提取, 紫外分光光度法測定[26]. 將沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥、研磨處理、過篩，根據(jù)沉積物測定的有機碳含量，計算含有約15 mg有機碳的沉積物樣品量作為待測樣品的稱樣重，然后將樣品轉(zhuǎn)移至50 mL離心管中，以不加土樣作為空白[27]. 向離心管中加入25 mL濃度為333 mmol/L的高錳酸鉀(KMnO4)溶液，200 r/min離心振蕩1 h，轉(zhuǎn)速4000 r/min下離心5 min，將上清液用去離子水稀釋，分光光度計565 nm處測定吸光值. 由不加沉積物的空白與加沉積物樣品的吸光度之差，計算出KMnO4濃度的變化，進而計算出氧化的碳量[28].

沉積物易氧化有機碳(EOC)含量計算公式如下：

EOC=(ΔC×25×250×9)/(M×1000)

(1)

式中, ΔC為KMnO4濃度變化值，25和250分別為KMnO4用量(mL)和稀釋倍數(shù)，9為1 mmol KMnO4所消耗的碳量(mg/mmol)，M為沉積物干重(g). ROC含量為沉積物TOC含量減去EOC含量.

微生物量碳用改進后的氯仿熏蒸法[29]進行測定. 取15 g新鮮沉積物濕樣置于約100 mL燒杯中，將裝有沉積物樣品的燒杯放入真空干燥器中，抽真空使氯仿沸騰至少2 min，將干燥器的活塞關(guān)閉，將干燥器放入恒溫培養(yǎng)箱中，在25℃下暗室培養(yǎng)24 h. 在熏蒸的同時，另取15 g新鮮沉積物樣品放入燒杯中，作為對照. 在沉積物熏蒸同時，稱取沉積物樣品2.00 g，在105℃下烘5～6 h后稱重計算水分重量. 24 h后將燒杯中的沉積物樣品，加入0.5 mol/L K2SO4溶液50 mL，充分?jǐn)嚢?，密封后置于往?fù)式振蕩機上振蕩30 min后靜置過濾，將濾液置于錐形瓶中，稀釋后用碳氮元素分析儀測定TOC含量.

微生物量碳的計算：

(2)

沉積物不同類型碳庫指標(biāo)的時間變化和統(tǒng)計箱圖由軟件Origin 9.0和SPSS 19.0分析和繪制. 碳庫間的相關(guān)性分析由SPSS 19.0執(zhí)行，本研究以P< 0.05為顯著性水平.

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物不同深度TOC含量變化特征

實驗過程中，不同沉積物深度0～1、1～2和2～3 cm TOC含量變化特征如圖2所示. 實驗前9天，對照組和加藻組沉積物表層深度0～1 cm TOC含量同時輕微下降，差異不太明顯，表明微生物對TOC有降解作用[20]，此時對照組和加藻組有機碳動態(tài)變化都以微生物降解為主；從實驗第9～18天，加藻組沉積物TOC含量逐漸上升，達(dá)到實驗期間最大值22.79±0.62 mg/g，且整體超過對照組含量，表明藍(lán)藻水華衰亡過程中藻源性碳的沉降會導(dǎo)致沉積物中TOC的累積，且累積作用高于對照組；18天以后，加藻組沉積物TOC含量會逐漸下降，對照組沉積物TOC變化較小，且加藻組沉積物TOC含量整體高于對照組，表明藍(lán)藻沉降分解過程中，一部分有機碳在微生物作用下降解，一部分有機碳不易降解并保留在沉積物中，這與Xu等的研究結(jié)果較為一致[30]. 與表層0～1 cm沉積物相比，對照組和加藻組在沉積物深度1～2 cm和2～3 cm TOC含量隨時間變化差異較小，表明藍(lán)藻水華衰亡過程中藻源性有機碳的遷移轉(zhuǎn)化對沉積物表層有機碳的累積貢獻(xiàn)較大；在實驗18天以后，沉積物深度1～2 cm 加藻組TOC含量略高于對照組，揭示了表層沉積物累積的有機碳會有一部分向下遷移.

圖2 沉積物不同深度(0～1、1～2和2～3 cm)TOC含量變化特征Fig.2 Change characteristic of TOC contents at different depths (0-1 cm, 1-2 cm and 2-3 cm) of sediments

2.2 沉積物輕重組有機碳變化特征

實驗第1天，未加藍(lán)藻時0～1 cm表層沉積物L(fēng)FOC和HFOC的含量分別為547.7±49.9和17.43±0.22 mg/g，LFOC和HFOC占沉積物TOC的比例(LFOC/TOC和HFOC/TOC)分別為21.38%±1.16%和78.62%±1.16%(圖3). 在實驗前5天，對照組LFOC含量快速下降，而加藻組LFOC含量出現(xiàn)輕微的上升，上升到564.8±55.6 mg/g(圖3a)；在5天之后，對照組沉積物L(fēng)FOC含量沒有明顯的上升和下降，呈現(xiàn)波動狀態(tài)，而加藻組沉積物L(fēng)FOC含量從第5～13天，呈現(xiàn)快速下降，而后出現(xiàn)波動狀態(tài)至實驗結(jié)束，且其含量遠(yuǎn)低于對照組(圖3a). 實驗前期，由于藍(lán)藻的加入，部分沉降至沉積物表面，導(dǎo)致加藻組LFOC的含量輕微上升，隨后受LFOC易降解的特點，微生物作用下促使其快速降解從而5天后呈現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象. 在實驗前18天，加藻組HFOC含量快速上升，達(dá)到最大值22.1±0.01 mg/g，后期呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(圖3b)；與加藻組相比，對照組HFOC含量變化趨勢不太明顯，實驗前13天呈現(xiàn)先緩慢下降，實驗第13～31天緩慢上升，最后呈現(xiàn)緩慢下降，在實驗第5天后，其含量明顯低于加藻組(圖3b). 從實驗第1～13天，加藻組LFOC/TOC呈現(xiàn)快速下降的趨勢，LFOC/TOC降到2.86%±0.59%后又呈現(xiàn)輕微波動上升的變化趨勢(圖3c)；與加藻組相比，對照組LFOC/TOC整體下降或上升趨勢不太明顯，在實驗前31天，呈現(xiàn)輕微的波動下降趨勢，降到13.74%±1.16%，而后出現(xiàn)輕微上升，在實驗第9天之后，加藻組LFOC/TOC明顯低于對照組(圖3c). 在實驗前31天，對照組HFOC/TOC呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，而后逐漸下降(圖3d)；與對照組相比，在實驗前31天，HFOC/TOC快速上升，達(dá)到97.53%±0.21%，后期基本處于緩慢下降趨勢(圖3d). 這些結(jié)果表明藍(lán)藻的添加會對沉積物輕、重組有機碳含量及比例產(chǎn)生明顯影響，在實驗初期，部分藍(lán)藻沉降到沉積物，提升了LFOC含量，對LFOC影響較為明顯，這部分LFOC屬于易降解有機碳，會被微生物快速降解，使LFOC明顯下降，沉降至沉積物表面的藍(lán)藻碎屑真正保存的是HFOC，是不易降解有機碳，因此HFOC呈現(xiàn)整體上升的趨勢，HFOC后期輕微下降表明其較為穩(wěn)定、降解緩慢.

圖3 沉積物表層0～1 cm輕重組有機碳含量(a，b)及輕重組有機碳占沉積物TOC比例變化特征(c，d)Fig.3 Variations of LFOC and HFOC contents (a, b) and their relative proportions accounted for TOC in the surface sediments (0-1 cm) (c, d)

2.3 沉積物易氧化有機碳和惰性有機碳變化特征

沉積物不同深度0～1、1～2和2～3 cm易氧化有機碳含量變化特征如圖4所示. 實驗前9天，加藻組與對照組相比，沉積物深度0～1 cm EOC含量快速上升，達(dá)到12.52±1.26 mg/g，且明顯大于對照組EOC含量，表明藍(lán)藻分解沉降至沉積物表面增加了沉積物EOC含量(圖4a)，同時也可能因為藍(lán)藻分解過程在上覆水中的釋放DOC會遷移至沉積物間隙水中，提升了間隙水DOC含量，而DOC中會存在一定比例的EOC；由于EOC含量屬于易降解有機碳，能夠被微生物快速降解，因此9天后快速下降，達(dá)到5.36±0.38 mg/g，實驗13天后基本與對照組EOC含量變化趨勢保持一致，且在同一時間段其值比較接近(圖4a). 沉積物深度1～2 cm，加藻組EOC含量在前5天略高于對照組，說明該深度沉積物EOC含量輕微受到藍(lán)藻分解和沉降的影響，主要是因為沉積物0～1 cm中高含量的EOC會由于濃度梯度向下遷移，第13天后，加藻組和對照組EOC含量變化趨勢基本一致，與0～1 cm相似，表明藍(lán)藻沉降分解過程對其沉積物EOC含量影響減弱(圖4b). 在沉積物深度2～3 cm，加藻組和對照組EOC含量變化基本一致，說明藍(lán)藻沉降分解過程對該深度沉積物影響較小(圖4c). 整體來看，加藻組和對照組沉積物EOC含量變化趨勢差異性隨著深度增加而減弱，揭示了藍(lán)藻分解過程藻源性有機碳的遷移轉(zhuǎn)化對沉積物碳庫中表層沉積物EOC含量動態(tài)變化影響較大，隨著深度增加，有機碳能力遷移逐漸減弱，影響相對減小.

沉積物不同深度0～1、1～2和2～3 cm惰性有機碳含量變化特征如圖5所示. 在實驗前9天，表層0～1 cm沉積物ROC含量變化與EOC含量相反，呈逐漸下降的趨勢，達(dá)到表明實驗初期沉積物有機碳活性較高，沉積物碳庫處于不穩(wěn)定狀態(tài)(圖3a和圖4a)；實驗9天后，ROC含量逐漸上升趨于穩(wěn)定，且整體含量略高于對照組，表明當(dāng)EOC在微生物作用下分解后，藻源性碳的沉降分解過程會導(dǎo)致沉積物ROC含量相對增加，最終ROC會保存在表層沉積物中，這與博斯騰湖、長壽湖和鄱陽湖等的研究結(jié)果基本一致[31-33]. 與表層沉積物0～1 cm相比，沉積物深度1～2和2～3 cm隨時間變化趨勢基本一致，表明藻源性碳的沉降分解過程對表層ROC含量影響較大，隨著深度增加，影響在減弱(圖4b和圖4c)；同時遷移至沉積物深度1～2 cm的DOC易被微生物利用，該層的ROC被最大程度地保留在沉積物中，導(dǎo)致實驗部分時間段(13～31天)加藻組ROC含量大于對照組，這一結(jié)果與沉積物深度1～2 cm TOC含量特征相對應(yīng).

圖4 沉積物不同深度(0～1、1～2和2～3 cm)易氧化有機碳含量變化特征Fig.4 Change characteristic of EOC contents at different depths (0-1 cm, 1-2 cm and 2-3 cm) of sediments

圖5 沉積物不同深度(0～1、1～2和2～3 cm)惰性有機碳含量變化特征Fig.5 Change characteristic of ROC contents at different depths (0-1 cm, 1-2 cm and 2-3 cm) of sediments

2.4 沉積物微生物量碳變化特征

微生物量碳是微生物生長的重要供給來源[34]. 實驗過程中不同深度(0～1、1～2和2～3 cm)沉積物微生物量碳隨時間變化特征如圖6所示. 在沉積物表層0～1 cm，盡管加藻組和對照組微生物量碳隨時間變化趨勢較為一致，但從實驗第9天開始至實驗結(jié)束，加藻組微生物量碳含量明顯高于對照組(圖5a)，表明加藻組藍(lán)藻水華衰亡過程中，藍(lán)藻腐爛降至沉積物表面，使沉積物有機質(zhì)增加，為微生物活動提供了充足的碳源，微生物活動增強，致使微生物量碳含量增加[35]；實驗18天后，對照組和加藻組微生物量碳含量逐漸下降，表明微生物活動逐漸減弱，其變化趨勢基本與TOC、LFOC、EOC含量變化較為一致，揭示了微生物利用的有機碳含量逐漸減小導(dǎo)致了這一結(jié)果. 沉積物深度1～2和2～3 cm微生物量碳隨時間變化特征與沉積物深度0～1 cm相比存在一定差異，呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(圖5b和圖5c)，表明藍(lán)藻沉降分解過程藻源性有機碳的遷移轉(zhuǎn)化隨著深度增加而減弱；加藻組沉積物深度1～2和2～3 cm微生物量碳部分值高于相同實驗時間對照組，可能是由于加藻組表層0～1 cm較高含量的TOC逐漸向下遷移導(dǎo)致1～2和2～3 cm深度其含量可供微生物提供能量有機碳的含量增加，導(dǎo)致微生物量碳含量偏高；微生物量碳后期基本呈現(xiàn)下降，可能是因為容易被微生物降解的有機碳整體含量逐漸減少，當(dāng)滿足不了微生物活動需求時，導(dǎo)致微生物活動減弱，從而造成微生物量碳的下降. 沉積物有機質(zhì)不僅來源于藍(lán)藻腐爛分解向底泥中進行梯級擴散，還包括植物腐爛帶來的有機質(zhì)輸入，但微生物對植物降解產(chǎn)生的有機質(zhì)利用程度相對較低[36]，故綜上所述，藍(lán)藻水華衰亡過程中藻源性碳的遷移轉(zhuǎn)化能夠通過沉積物有機碳的累積影響可供微生物活動使用的碳源，從而改變沉積物微生物活性，最終影響沉積物碳庫穩(wěn)定性.

圖6 沉積物不同深度(0～1、1～2和2～3 cm)微生物量碳含量變化特征Fig.6 Change characteristic of MBC contents at different depths (0-1 cm, 1-2 cm and 2-3 cm) of sediments

2.5 藍(lán)藻水華衰亡過程中湖泊沉積物碳庫動態(tài)

實驗研究表明，藍(lán)藻聚集層的存在，會促使藍(lán)藻的快速衰亡，這一過程促進了藻源性碳的遷移與轉(zhuǎn)化，并顯著影響了沉積物碳庫的組成[37]. 在藍(lán)藻衰亡過程中，分解和沉降是同時進行的. 一方面，懸浮于上覆水中的藍(lán)藻在分解初期，DOC迅速釋放，并導(dǎo)致DOC自沉積物-水界面進入間隙水中；另一方面，尚未完全分解的藍(lán)藻碎屑也沉降至沉積物表面，這兩種過程共同引起EOC和LFOC含量上升(圖2a和圖3a). 由于沉積物表面的藍(lán)藻具有較高的活性，易被微生物利用并促進其增殖，因此EOC和LFOC含量快速下降. 一方面，MBC含量的上升表明EOC和LFOC有向其轉(zhuǎn)化的趨勢(圖5a，表1)，另一方面，藍(lán)藻中的易降解組分也會被微生物礦化并生成H2S氣態(tài)碳(CO2和CH4)釋放到大氣中[38-39].

在藍(lán)藻水華衰亡中期，分解較為徹底的藻殘體逐漸沉降至沉積物表面. 由于這部分藍(lán)藻易降解的組分多被分解，僅存難以降解的部分，因此往往會隨著沉降過程穩(wěn)定保存在于沉積物中，實驗中期沉積物中HFOC和ROC含量均達(dá)到最大值都證實了這一現(xiàn)象(圖2b、圖4a)；而HFOC與ROC之間較強的相關(guān)性(表1)，表明這部分有機碳在沉積物中屬于較為穩(wěn)定的有機碳. 沉積物TOC與HFOC、ROC較強的相關(guān)性，揭示了藍(lán)藻中不易降解的組分沉降至沉積物表面，成為沉積物碳庫較為穩(wěn)定的組分，最終增加了湖泊沉積物TOC含量.

當(dāng)湖泊上覆水的藍(lán)藻完全沉降至沉積物底部，沉積物中大部分為較為穩(wěn)定的有機碳組分. 當(dāng)沉積物中僅存的少量易降解碳源滿足不了過量微生物時，湖泊沉積物中微生物量開始下降，引起MBC含量的下降(圖5a)，此時微生物作用減弱，沉積物中穩(wěn)定有機碳進入一個緩慢分解并逐漸趨于穩(wěn)定的階段.

藍(lán)藻快速堆積腐解為微生物提供了大量有機碳源和相對有利的厭氧環(huán)境[40]. 藍(lán)藻衰亡初期，藍(lán)藻中易被降解的組分成為微生物碳源被其充分利用并快速增殖，大量微生物需要尋求更多的碳源以滿足自身需求，此時易降解有機碳被部分或全部吸收，藍(lán)藻不斷腐解，僅存的穩(wěn)定有機碳不易或難被微生物利用，受穩(wěn)定有機碳限制，微生物作用減弱，導(dǎo)致穩(wěn)定有機碳進入穩(wěn)定的緩慢分解階段. 藍(lán)藻在整個碳源-微生物系統(tǒng)起著重要的促進作用. 研究發(fā)現(xiàn)，水生植物作為湖泊碳源之一占據(jù)一定比例[41-42]，但水生植物在短期內(nèi)腐爛分解程度較低，相較于藍(lán)藻腐爛分解釋放的有機碳不多，而夏季太湖藍(lán)藻水華頻發(fā)，受水文氣象因子等的影響[43]，北部和西部湖區(qū)藍(lán)藻堆積嚴(yán)重，東部湖區(qū)藍(lán)藻堆積較少. 藍(lán)藻的腐爛分解過程中帶來的碳源輸入導(dǎo)致全湖碳庫處于一個動態(tài)的變化期，而碳庫動態(tài)和穩(wěn)定性的空間差異，影響到湖泊碳循環(huán)的地球生物化學(xué)過程. 藍(lán)藻水華的衰亡過程促進了沉積物中有機質(zhì)向外界的進一步釋放，可能造成湖泊腐殖化程度越來越高及溫室氣體排放的增加[44]. 因此，藍(lán)藻水華衰亡過程對沉積物碳庫的影響是湖泊生態(tài)環(huán)境保護不可忽略的一個生物地球化學(xué)過程.

表1 加藻實驗組沉積物碳庫有機碳組分間的相關(guān)性分析

*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在0.01平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

3 結(jié)論

本研究表明湖泊聚積藍(lán)藻水華衰亡過程會對沉積物碳庫有機碳組分和碳庫穩(wěn)定性造成明顯影響，主要結(jié)論如下：

1)藍(lán)藻水華衰亡前期，剛開始分解的藍(lán)藻碎屑沉降至沉積物表面，引起易氧化有機碳(EOC)和輕組有機碳(LFOC)含量上升，EOC和LFOC活性較高、易降解，會快速在沉積物中被微生物利用，導(dǎo)致EOC和LFOC快速下降，促進微生物量碳(MBC)的增長.

2)藍(lán)藻水華衰亡中期，上覆水中分解較為徹底的藍(lán)藻殘體逐漸沉降至沉積物表面，這部分藍(lán)藻殘體中易降解組分已分解，其剩余的大部分有機碳組分較為穩(wěn)定，不易降解，沉降至沉積物表面，促使沉積物TOC含量升高.

3)藍(lán)藻水華衰亡末期，當(dāng)湖泊上覆水的藍(lán)藻殘體完全沉降至沉積物表面，相對穩(wěn)定的有機碳進入從緩慢分解逐漸趨于穩(wěn)定的階段，最終周期性的藍(lán)藻暴發(fā)和湖泊穩(wěn)定性有機碳的累積造成湖泊腐殖化程度越來越高.