湖泊是内陆水域甲烷（CH₄）排放的重要热点。尽管其面积仅占地球表面积的约0.5%，却贡献了内陆水体约44%的CH₄排放量，是影响全球气候变化的重要自然源。其中，浅水湖泊由于水层浅、对气候变化响应迅速、底泥厌氧环境活跃，其CH₄产生与释放强度通常显著高于深水湖泊，因此成为全球碳循环与温室气体研究的重点对象。然而，与其他类型湖泊相比，喀斯特湖泊的CH₄排放机制仍认识不足，主要体现在三个方面：首先，喀斯特水体具有高碱度、高溶解无机碳以及地下水交换活跃等独特的水文—地球化学特征，使得传统淡水湖泊的排放规律难以直接适用；其次，现有研究多依赖短期或低频观测，难以揭示CH₄通量在小时—日—季节尺度上的动态变化；此外，CH₄生成的微生物代谢路径与湖泊整体通量变化之间的耦合关系尚未明确，导致排放驱动机制解析不足，并为全球尺度的CH₄排放估算带来较大不确定性。
近日，中国科学院地球化学研究所喀斯特环境演变与生态安全实验室洪冰研究员课题组联合贵州大学和贵州省林业科学研究院，通过对我国西南喀斯特浅水湖泊（草海）水-气界面CH₄通量长期连续观测研究，并结合稳定碳同位素分析以及宏基因组测序方法，探讨了喀斯特浅水湖泊生态系统中CH₄通量的时间动态变化及其水文与生物地球化学机制。
图1 CH4通量与各环境因子变化图
基于13个月的涡度观测结果表明，该湖泊整体上是大气CH₄的源，其平均排放速率为2.07 ± 1.20 mmol CH₄ m⁻² d⁻¹。其中，秋季的排放量最高（3.63 ± 0.5 mmol m⁻² d⁻¹），约为冬季排放量的两倍以上（图1）。季节尺度上，CH₄通量的变化主要受水温、水位和电导率的驱动。较高的水温能够促进产甲烷作用；水位变化通过改变沉积物—水界面的氧化还原梯度，从而影响产甲烷菌的活性；而电导率则通过调节底物可利用性，有利于乙酸营养型产甲烷菌的生长。在日变化尺度上，夜间CH₄排放高于白天，其日变化主要受水温控制。水温升高不仅能够增强产甲烷过程，同时还会抑制甲烷氧化过程（图2）。研究表明，乙酸裂解型产甲烷是该湖泊CH₄产生的主要途径（δ¹³C-CH₄表观分馏系数（αc）为1.041 ± 0.002），Methanothrix是该富碳酸盐碱性喀斯特湖泊中的优势产甲烷菌（约占65%）（图3）。上述环境控制机制与产甲烷微生物群落结构具有一致性，并支持乙酸裂解型产甲烷作用在该湖泊中的主导地位。
图2. CH4通量与各环境因子的路径方程模型以及线性关系
图3. 草海与全球其他湖泊的产甲烷路径
本研究将高频CH₄通量观测与微生物功能解析相结合，系统揭示了喀斯特湖泊“环境调控—微生物主导—多尺度排放”的甲烷产生与释放机制。相关成果为修正全球湖泊CH₄排放模型在喀斯特区域的估算偏差提供了关键依据，也为认识气候变化背景下喀斯特湖泊碳循环过程及其生态调控提供了重要科学支撑。随着气候变暖和湖泊富营养化趋势的加剧，喀斯特浅水湖泊CH₄排放可能进一步增强，未来仍需开展长期、连续的观测研究，以提升对区域乃至全球温室气体排放评估的准确性，并为生态保护与碳中和目标实现提供基础数据支持。
该工作得到原环境地球化学国家重点实验室自主布署课题项目（SKLEG2024101）的资助。研究成果已发表在著名国际水环境研究期刊《Water Research》上。
论文信息：Fan, B.X., Peng, H.J*., Ran, J.C., Yao, H., Luo, W.J., Hong, B*. 2026. Environmental and microbial regulation of multi-temporal scale methane flux dynamics in a shallow karst lake. Water Res 294, 125511. (论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125511)
（喀斯特环境演变与生态安全实验室 洪冰课题组/供稿）