喀斯特地表水生态系统中，水生光合生物通过光合作用产生强烈的生物碳泵(biological carbon pump-BCP)效应，可将部分碳酸盐风化碳汇固定下来形成稳定碳汇。水体富营养化作为BCP效应表现形式之一，有利于碳汇的形成，但不利于水质的改善。富营养化研究中普遍认为氮（N），磷（P）是主要控制元素，而忽略了碳（C）的限制作用。然而，水体CO2浓度会对水生植物生长以及生物群落结构造成影响，有害藻类蓝藻相对于其他藻类更能适应较低的CO2环境。喀斯特水体由于具有高pH, 低溶解态CO2的特性，在浮游与沉水植物共存的浅水湖泊中，C/N/P对水生植物生物初级生产力的限制以及生物结构的影响机制有待进一步研究。
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，以典型喀斯特浅水湖泊贵州威宁草海为研究对象，利用C/N/P元素绝对浓度与比值、物理化学参数，同时结合沉水植物与浮游植物生物量与群落结构指标，研究了在CO2施肥效应驱动下C/N/P对水生植物生长的限制以及生物群落结构的调控作用。研究结果表明：
（1）由于喀斯特水体独特的水化学特性，溶解无机碳在提高浮游植物和沉水植物的初级生产力方面发挥了重要作用，这表明水体初级生产力不仅受到P和/或N限制，还会受到C限制的影响；
（2）沉水植物具有抑制浮游植物生长的作用（图1）；
（3）在该研究区域，当溶解二氧化碳/总氮（CO2/TN）>0.2和溶解二氧化碳/总磷（CO2/TP）>10时，蓝藻与绿藻和硅藻的比例有所降低。同位素证据进一步表明，当水体中CO2 > 30μmol/L时，蓝藻的丰度降低（图2）。
上述结果综合表明，在喀斯特地表水生态系统中，当水体中的氮、磷含量得以控制时，CO2施肥效应可能会显著影响浮游植物和沉水植物的生长以及群落结构组成。其揭示了通过向低pCO2水生生态系统充入CO2以缓解蓝藻型富营养化的新“范式”。
图1 草海休眠（冬季）和生长（夏季）季沉水植物干重与叶绿素a的时空变化
（C1-C12:采样点；条形图: 沉水植物干重;点线图：叶绿素a）
图2 草海浮游植物丰度比值（蓝藻丰度/（绿藻丰度+硅藻丰度））与营养物质摩尔比（CO2/TN（a）、CO2/TP（b）和TN/TP（c））之间的关系
该研究得到了国家自然科学基金项目(42141008、42130501、42072278、41921004、41977298)、中国科学院战略先导专项(XDB40020000)等项目的资助。相关研究结果发表在国际水文学期刊JOURNAL OF HYDROLOGY上。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022169423000537
(刘再华课题组/供稿)