喀斯特地表水系統水生光合作用碳限制的發現及其意義

　　森林砍伐、農業施肥等土地利用活動強烈地影響了陸地生態系統向水生生態系統的碳(C)和氮(N)輸入，進而影響地表水生生態系統有機碳生產(OC)以及富營養化模式，因為水生生態系統C、N等元素含量與生態系統生產力密切相關。光合作用和呼吸作用控制著水體的C、N等元素循環以及OC生產，呈現出規律的晝夜和季節性變化，而這些動態過程仍需進一步的研究以探明機制，以服務于“富營養化”和“遺失碳匯”等環境問題的解決。

　　中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室劉再華研究員帶領的喀斯特作用水-碳循環研究小組以普定喀斯特生態系統觀測研究站建立的5種不同土地利用控制下的喀斯特泉-池系統為基礎，通過研究泉（地下水）-池（地表水）系統溶解無機碳(DIC)、硝酸鹽 (NO3-)、溶解氧 (DO)、pH和總有機碳 (TOC) 的晝夜和季節動態，發現水生生態系統的新陳代謝過程（即光合與呼吸作用）主導著地表水中DIC、NO3-和TOC的晝夜變化。不同季節營養元素輸入、氣溫、光照強度決定了水生生態系統對DIC、NO3-的同化以及TOC生產的季節性差異，表現為TOC在秋季達到峰值，在冬季最低。此外，裸巖地和荒地控制下的地下水低的DIC、NO3 -輸入限制了地表水水生生態系統的生產力。相比之下，耕地上作物的種植和肥料的使用增加了地下水DIC和NO3-的輸入，進而提高了地表水中TOC的生產量。植被條件最好的草地和灌叢產生的高土壤CO2促進了碳酸鹽的溶蝕，但密集的植被由于生長所需，截留了大部分的N，導致DIC和 TOC在這兩個泉-池系統中達到最大值，而NO3-輸入最小。這些結果表明，在高pH的巖溶環境中，地表水水生生態系統生產力（TOC）主要受控于DIC施肥效應。

　　由于DIC在自然界中通常遠遠高于NO3-和PO43-的量，長期以來DIC未被認為是限制生態系統生產力的主要營養元素。在本研究中發現，喀斯特水生生態系統生產力受碳限制，其原因是高pH水環境中，由輪藻和水綿組成的水生生態系統無法有效利用和轉化DIC中的HCO3-，而傾向利用溶解態CO2(ag)，但后者在pH>8.2的環境下不及總DIC的1%。因此，在偏堿性的水環境中，水生生態系統生產力將不僅受到N-P元素的限制，還受到C的限制。不同的營養元素輸入最終將會影響水生生態系統的群落組成，從而改變地表水體的富營養化模式。而現有的人類土地利用策略和未來氣候變化趨勢導致的DIC增加，將有可能緩解碳限制過程，增加陸地水生生態系統OC的形成和埋藏，后者可能是遺失碳匯的一個重要去向，有待進一步的研究。

　　該成果受到國家自然科學基金重點項目(41430753)和國家自然科學基金委員會-貴州喀斯特科學研究中心聯合基金重大項目(U1612441)資助。

　　上述研究發現和結果發表在國際權威水文學雜志《Journal of Hydrology》(v.574, p.811-821)上。原文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169419304305