水生植物代谢对碳酸盐系统的影响及湖泊局部碱化机制研究

本研究揭示了水生植物代谢通过光合与呼吸作用驱动湖泊pH值显著波动（日变幅达2.1单位），量化了碳酸盐缓冲系统（CO2-HCO3?-CO32?）对碱化的调控贡献（7%-37%），为高生产力湖泊生态修复提供理论依据。

　　

研究亮点

通过白洋淀三种生境的昼夜与季节监测，我们发现：

• 沉水植物区pH呈现高达2.1单位（7.9-10.0）的昼夜波动，由光合（photosynthesis）与呼吸（respiration）代谢驱动

• 碳酸盐缓冲能力随植物生物量增加而提升（7%→37%），但不足以抵消碱化（alkalinization）

• 溶解无机碳平衡与CaCO₃沉淀共同调节pH动态

昼夜与季节尺度pH及碳酸盐系统变化

pH呈现弱碱性规律波动，与水温、溶解氧饱和度同步于16:00达峰，电导率（EC）则呈反向趋势。开阔水域参数稳定，而沉水植物区显示强烈代谢驱动特征：光合作用白天消耗CO₂促使pH上升，呼吸作用夜间释放CO₂导致pH下降。

代谢与碳酸钙沉淀对pH及缓冲能力的影响

代谢活动通过驱动CO₂浓度变化直接扰动碳酸盐化学平衡，并引发δ¹³C-DIC的昼夜分馏。CaCO₃沉淀进一步移除了水中的碱度，但碳酸盐缓冲系统（CO₂-HCO₃^?-CO₃^2?）通过化学平衡部分抵消了pH变化。缓冲容量（β_H）计算显示，植物生物量增加会提升缓冲贡献率，但仍无法完全抑制高pH环境。

结论

针对高生产力湖泊的异常pH波动与碱化趋势，需综合理解物理-化学-生物的复杂相互作用。本研究表明白洋淀沉水植物通过代谢作用主导pH昼夜波动，碳酸盐缓冲虽增强却难以完全中和碱化，导致持续性高pH条件。