溶解无机碳输入对浅水生态系统碳循环的关键影响：降低 CO2通量，提升碳储量

随着流域无机碳输入增加，溶解无机碳（DIC）对淡水生态系统碳循环影响备受关注。研究人员以狐尾藻（Myriophyllum spicatum）为模型开展实验，发现添加 HCO3-显著降低 CO2通量，对 CH4通量影响不显著，且增强了系统碳储量。该研究为理解水生生态系统碳汇能力提供依据。

　　在地球的生态系统中，湖泊就像一颗颗璀璨的明珠，不仅为众多生物提供了栖息之所，还在全球碳循环中扮演着举足轻重的角色。湖泊中的碳循环如同一个复杂而精密的机器，涉及到无机碳的固定、有机碳的转化、碳的排放以及沉积等多个环节。然而，随着人类活动的加剧，大量的无机碳从流域涌入湖泊，其中溶解无机碳（DIC）的浓度不断升高，这无疑给湖泊的碳循环带来了新的挑战和变化。

对于沉水植物来说，它们在湖泊生态系统中占据着重要地位。在进行光合作用固定碳时，CO₂本是最容易获取的无机碳形式，可在水中，CO₂的扩散速率慢得可怜，只有在空气中的万分之一，而且沉水植物还没有能有效获取 CO₂的功能性气孔。于是，碳酸氢盐（HCO₃^-）作为一种替代碳源，对沉水植物的重要性日益凸显。

可目前关于 DIC，尤其是 HCO₃^-，对沉水植物主导的生态系统中碳储量和排放的影响，科学家们了解得还十分有限。不同的研究观点相互碰撞，有的认为沉水植物对湖泊 CO₂和 CH₄排放影响不大，有的却发现其能改变这些气体的排放情况。到底谁说的对呢？为了弄清楚这些问题，来自中国科学院南京地理与湖泊研究所的研究人员挺身而出，开展了一项意义重大的研究。

研究人员在太湖生态系统研究站东山分站，搭建了室外中宇宙实验系统。他们选用了广泛分布的沉水植物狐尾藻（Myriophyllum spicatum）作为研究对象，设置了 4 种不同 HCO₃^-添加水平（0 mmol/L、0.5 mmol/L、1 mmol/L 和 2.5 mmol/L ）的处理组，每个处理组有 4 个重复。在长达一年的实验过程中，研究人员密切监测各种指标，包括植物生物量和碳含量、CO₂和 CH₄通量、沉积物重量和碳含量，还有浮游动物、浮游植物以及与产甲烷和甲烷氧化微生物相关基因的丰度等。

在研究方法上，研究人员采用了多种关键技术。通过静态箱法，精确测量水 - 气界面的 CO₂和 CH₄扩散通量；运用有机元素分析仪，准确测定沉积物和植物样本中的碳含量；借助高通量测序和定量实时聚合酶链反应（qPCR）技术，深入分析沉积物中产甲烷菌和甲烷氧化菌的基因丰度；还构建了碳储量模型，综合评估系统中的碳储量。

研究结果令人眼前一亮。在气体通量方面，添加 HCO₃^-对 CH₄扩散通量的抑制作用不明显，各处理组间差异不大。但 CO₂通量却对 HCO₃^-添加水平反应强烈，随着添加量增加，CO₂通量显著降低。例如，对照组年平均 CO₂通量为 - 3.48 ± 7.60 mol m^-2 yr^-1，而高添加组则降至 - 14.04 ± 14.39 mol m^-2 yr^-1 。

从生物和非生物变量的响应来看，高 HCO₃^-添加处理组中，总磷（TP）、溶解性总磷（DTP）、叶绿素 a（Chl-a）、总有机碳（TOC）和溶解性有机碳（DOC）浓度显著升高。HCO₃^-添加还影响了浮游动物和浮游植物的群落组成，但对其丰度影响不显著。狐尾藻的干重随着 HCO₃^-添加量增加而显著上升，不过其碳含量变化并不明显。在沉积物中，产甲烷古菌（mcrA）和甲烷氧化细菌（pmoA）基因的绝对丰度随 HCO₃^-添加量增加呈下降趋势，但差异不显著。

通过分析各种变量与 CO₂和 CH₄通量的相关性，研究人员发现，CH₄通量与水温、TP、TOC、DOC、狐尾藻干重、浮游动植物丰度以及 mcrA 基因绝对丰度等多个变量显著相关，其中 DOC 的影响最为突出。而 CO₂通量则与水温、pH、溶解氧（DO）、电导率、TN、TP、DTN、碱度、狐尾藻干重和碳含量、浮游植物数量等变量密切相关，pH、DO 和磷含量对其影响较大。

进一步的分析确定了影响 CO₂和 CH₄通量的关键预测因子。对于 CH₄通量，DOC 是唯一具有统计学意义的关键预测因子；对于 CO₂通量，狐尾藻碳含量、DO、pH 和 DTP 是显著的预测因子。

在碳储量方面，添加 HCO₃^-使水体碳库（WCS）显著增加，对植物碳库（MCS）和总碳库（TCS）有一定影响，但对沉积物碳库（SCS）影响不明显。随着 HCO₃^-添加量增加，WCS 和 MCS 在 TCS 中的占比上升，SCS 占比下降。

综合研究结论和讨论部分，该研究表明，增加 HCO₃^-添加可降低狐尾藻主导系统中的 CO₂通量，这主要是通过改变 pH、磷和 DO 等因素实现的，狐尾藻碳含量直接影响 CO₂通量。而添加 HCO₃^-对 CH₄通量影响不显著，其调节作用主要通过影响 DOC 来实现。同时，增强的 DIC 输入扩大了水体碳库和植物碳库的容量，虽然对 CH₄通量和碳沉积储量影响不大，但整体上增强了沉水植物主导系统的碳汇功能。

这项研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为我们深入理解水生生态系统的碳汇能力提供了宝贵的信息，也为在全球气候变化背景下，如何更好地保护和管理湖泊生态系统的碳循环提供了重要的理论依据，对推动相关领域的研究和实践发展具有重要意义。