中国黄土高原作为世界上面积最大的黄土地区，由于其丰富的碳酸盐矿物的快速溶解动力学，使中国黄土高原地表水体与中国南方喀斯特地区地表水体一样，具有高pH值、高浓度的Ca2+和溶解无机碳（DIC）特征。中国黄土高原地表水生生态系统的独特水化学特性可能具有较大的生物碳泵（BCP）潜力，这种机制可以改变水体C、N和P的可利用性，影响浮游植物的结构或组成，进而改变富营养化状况和浮游植物丰度，以提高初级生产力（GPP）。因此，了解C-N-P 驱动的中国黄土高原上河流-水库生态系统浮游植物结构和GPP的变化对于改善流域管理、缓解富营养化和优化碳储存是至关重要的。
针对以上科学问题，中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室刘再华研究员领导的喀斯特(岩溶)水-碳循环研究小组，以位于中国西安的黄土高原五里河-东风水库和红河-侯家河水库作为研究对象，在2020年至2021年的完整水文年期间，开展了大规模野外试验，研究了C-N-P驱动下浮游植物结构和初级生产力的变化。研究结果表明:
（1） 浮游植物光合作用是驱动DIC向有机碳转化的主要机制，通过缩短水力停留时间(HRT)可增强水动力效应，导致流速增加，水体扰动增加，水体养分负荷减少，光合作用和藻类生长减弱;
（2） 东风水库的HCO3-浓度高，但CO2浓度低（<10 μM），总氮/总磷（TN/TP）比值低（<4），蓝藻和绿藻占主导地位，GPP受到氮的限制（图1 a-c）; 而侯家河水库的HCO3-浓度低，但CO2浓度高（>10μM），TN/TP比值高（>100），硅藻占主导地位，GPP受到C的限制（图1 d-f）;
（3） 水中CO2的可利用性调节浮游植物群落结构，随着溶解CO2的增加，浮游植物优势种由蓝藻转为硅藻（图2）。
上述结果综合表明，通过改变土地利用方式或调整水库的HRT，维持中国黄土高原水库BCP的CO2施肥所需的C-N-P营养元素比例，可能有助于增加碳固存，并通过将浮游植物优势种从蓝藻转变为硅藻，进而缓解富营养化。
图1 东风水库GPP与CO2（aq）/TN（a）、CO2（aq）/TP（b）或TN/TP（c）以及侯家河水库GPP与CO2（aq）/TN（d）、CO2（aq）/TP（e）或TN/TP（f）之间的关系
图2 水库（δ13CDIC或δ13CPOC）与（浮游植物丰度或CO2（aq）浓度）关系
上述相关研究成果发表在国际水文学期刊Journal of Hydrology上。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(XDB40020000)和国家自然科学基金(42130501, 42141008, U1612441 and 41921004)的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128781
(刘再华课题组/供稿)