摘要
近百年来，湖泊为人类社会经济发展提供了多种重要的水生态服务功能，而近几十年来在全球气候变暖的背景下，由于人类活动的影响，众多浅水湖泊生态系统服务功能发生了退化，危害了社会经济的稳定发展。大型水生植物作为湖泊生态系统的重要初级生产者，是维持湖泊生态系统健康稳定发展的重要基础与支撑，而稳定碳同位素(δ13C)技术是研究湖泊生态环境变化的重要手段，认识和理解水生植物稳定碳同位素的变化特征对于研究湖泊环境变化具有重要意义。然而，目前在利用大型水生植物的δ13C研究湖泊现代生态系统变化和古环境演化时所选用的载体不同，水生植物中何种组分的δ13C更适用于作为研究湖泊环境变化的载体需要进一步开展相应的研究。此外，大型水生植物残体作为湖泊沉积物中有机质的重要组分，其纤维素的δ13C包含了丰富的古环境信息，但是目前在我国关于湖泊沉积物中纤维素δ13C开展的研究相对较少。本文选择位于长江下游两个生境存在明显差异的浅水湖泊—太湖和升金湖作为研究区域，首先研究了两个湖泊现代大型水生植物不同组分δ13C的时空分布特征，并通过分析水生植物不同组分的δ13C与湖泊环境要素之间的关系，揭示了影响水生植物δ13C变化的主要因素和水生植物何种组分的δ13C更适用于作为研究湖泊环境变化的载体，为利用大型水生植物δ13C更加准确的研究湖泊环境变化提供了现代过程的参考和数据支持。最后，通过对两个湖泊沉积钻孔中α纤维素的δ13C和元素地球化学等多指标进行分析，重建了研究区近百年来的环境演化历程，并结合流域内的历史资料探讨了影响湖泊环境变化的驱动因素，初步揭示了沉积物中植物残体α纤维素组分的δ13C对湖泊生态环境变化的响应特征，拓宽了湖泊沉积物植物残体中α纤维素δ13C的应用空间。本文主要的研究结果和结论如下: (1)太湖和升金湖现代大型水生植物的δ13C研究结果表明不同生活型水生植物的δ13C显著不同，主要表现为挺水植物的δ13C最为偏轻，沉水植物的δ13C最为偏重，而浮叶植物的δ13C与挺水植物相近，但是较挺水植物的δ13C偏重。按植物的光合作用途径和δ13C的变化范围对两个湖泊的水生植物进行分类，结果显示挺水植物和浮叶植物主要属于C3途径，沉水植物属于CAM途径，部分沉水植物如狐尾藻则与C4和CAM植物δ13C的变化范围相重合。不同生活型水生植物的δ13C存在差异的主要原因是由于其在光合作用过程中吸收的碳源不同所导致，挺水植物和浮叶植物在光合作用过程中主要是以利用大气中的CO2为主，沉水植物不仅可以吸收溶解于湖泊水体中的CO2进行光合作用，也可以吸收部分溶解的HCO3-进行光合作用，但是由于HCO3-的δ13C偏重，而CO2的δ13C偏轻且稳定，从而使得不同种类水生植物的δ13C表现出一定的差异。 (2)在季节上，两个湖泊水生植物的δ13C不存在明显的差异，这主要受水生植物所吸收利用的不同碳源季节性变化差异较小所影响。两个湖泊年内大气中CO2的δ13C变化较小，而湖泊水体中的pH处于7～9之间，水体中溶解的无机碳形式主要以HCO3-为主，由于这两种碳源的δ13C季节性变化差异较小，从而导致水生植物的δ13C不存在明显的季节性差异。湖泊区域内水生植物的δ13C较河流处偏重，空间上差异较显著。本文研究发现河流区域水体中的营养盐含量较高，水流流速较快，使得水生植物的扩散边界层较薄，气孔导度增加，水生植物的羧化作用下降，导致湖区水生植物的δ13C较河流处偏重，因此水生植物的δ13C能够在一定程度上可以反映湖泊的生态环境变化。此外，水生植物不同组分的δ13C同样存在显著的差异，主要表现为植物全样组分的δ13C较α纤维素和综纤维素组分的δ13C偏轻。本文通过分析水生植物不同组分δ13C与水体环境要素之间的关系，发现水体的pH是影响水生植物δ13C变化的主要因素，而植物α纤维素组分的碳同位素对湖泊环境变化的响应更为敏感。同时分析发现植物中木质素、脂类和果胶等抽提物是影响水生植物不同组分δ13C存在差异以及对环境变化响应存在不同的主要原因。α纤维素由于理化性质较稳定，在沉积过程中不易发生分解和转化，同时能够较好的保存外界环境信息，因此水生植物的α纤维素组分更适用作为研究湖泊环境变化的载体。 (3)东太湖沉积物多指标（α纤维素δ13C和地球化学指标）分析揭示了近一百年来东太湖的生态环境演化过程。1960年之前，沉积物中各营养盐指标含量较低，α纤维素δ13C偏重，表明该阶段湖泊初级生产力较低，营养水平较贫化，处于原始自然演替状态下的早期阶段。在1960年至1994年，α纤维素的δ13C开始逐步偏轻，各营养盐含量也快速上升。结合流域历史资料，发现该阶段东太湖在流域升温、风速降低的自然背景下，沉水植被大量发育，湖泊沼泽化严重。此外，由于人类活动（围网养殖、围垦造田和工农业以及城市污染）的影响，入湖污染物迅速增加，加剧了东太湖的营养化程度。1994年以来，部分营养盐指标（TN和TOC）含量降低，α纤维素的δ13C也较中期阶段偏重，表明东太湖的富营养化程度在周边各级政府的保护和治理下发生了一定程度的改善，但是由于该时期外源污染输入仍大于湖泊的自净能力，导致沉积物α纤维素的δ13C依然偏轻，各营养盐指标含量较高，说明目前东太湖的富营养化问题依然严峻。 (4)升金湖沉积物多指标（α纤维素δ13C和地球化学指标）分析揭示了近两百年来升金湖的生态环境演化过程可大致划分为两个阶段，在1970年之前，沉积物中α纤维素的δ13C偏重，各营养盐指标含量较低，表明该时期升金湖初级生产力较低，生态环境良好，受人类活动影响较小，同样处于早期自然状态下的演替阶段。在1970年之后，由于建闸修坝的影响，改变了升金湖与长江的连通状态，导致水体交换速率下降，同时围网养殖业的兴起和流域周边工农业污染的输入促进了湖泊营养化水平迅速升高，沉积物中α纤维素的δ13C迅速偏轻，各营养盐指标含量升高，升金湖生态环境压力增大。 (5)湖泊水生植物现代过程研究证实α纤维素的δ13C对湖泊环境的变化响应较其他组分更敏感，并且不同营养环境下大型水生植物的δ13C存在一定的差异，因此大型水生植物的δ13C可以有效地指示湖泊生态环境的变化。此外，通过对东太湖和升金湖沉积物中α纤维素的δ13C和各地化指标进行分析，结果表明两个湖泊在1960～1970年以来在气候变暖的背景下，东太湖沼泽化现象严重，此外由于围网养殖和建闸修坝等人类活动的影响，湖泊的富营养化程度加剧，生态环境迅速恶化。虽然目前两个湖泊已禁止围网养殖，但是湖泊营养水平依然较高，环境问题依旧突出，未来仍需加强对外源污染输入的控制，并优化草型结构，继续加强对湖泊环境的管理与恢复。
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