综述：轮藻：碳酸盐沉积、碳封存和水生生态系统健康的驱动因素

《Frontiers in Freshwater Science》：Charophytes: drivers of carbonate sedimentation, carbon sequestration and aquatic health

水生蕨类植物（charophytes）干物质生产达4.1-11.5 kg/m2，其形态结构（厚壁/分枝）与水体化学条件（pH/钙浓度）显著影响碳酸钙沉积效率，形成重要碳汇。

　　本文探讨了水生植物中的一个重要类群——石莼类植物（Charophytes）在生物量生产和碳酸钙（CaCO?）沉积方面的贡献及其对生态环境的深远影响。石莼类植物，也被称为石炭藻，是淡水生态系统中关键的组成部分，其在维持水质清澈、稳定底质、促进悬浮颗粒沉降以及为水生生物提供栖息环境等方面发挥着重要作用。此外，它们在水体中形成的碳酸钙沉积层，不仅影响水体化学成分，还对碳的长期封存具有重要意义。本文的假设是，石莼类植物在沉积过程和碳酸钙的长期沉积中扮演着重要角色，尤其是在石莼主导的湖泊中，其通过碳酸钙沉积和沉积物积累，显著促进了碳的封存。

石莼类植物的生物量生产与其结构特征密切相关。一些大型且枝状发达的物种虽然个体干重较高，但形成的群落较为稀疏，而小型、细长的石莼类植物则能形成紧密的地毯状群落，从而在单位面积上达到较高的干重。例如，在温带气候区，石莼类植物的干重通常超过1 kg DW m?2，甚至达到2 kg DW m?2。而在地中海气候区，其干重可超过4.1 kg m?2，极端情况下甚至达到11.5 kg m?2。这种差异反映了石莼类植物在不同环境条件下的适应性及其对碳循环的潜在影响。尽管石莼类植物的生物量生产效率高于被子植物（angiosperms），但其碳酸钙沉积的能力则因物种、湖泊水体特性、深度以及气候条件而异。某些石莼类植物在利用碳酸氢盐作为光合作用的碳源方面表现出极高的效率，并能形成厚重的碳酸钙沉积层，从而在湖泊底质中积累大量碳酸钙。

碳酸钙沉积是石莼类植物特有的生态功能之一，这一过程不仅影响水体的钙离子浓度，还对水体的化学平衡产生深远影响。在光合作用过程中，石莼类植物能够将水中的碳酸氢盐转化为碳酸钙沉积层，这一过程被称为“光合钙沉积”（photosynthetic calcification）。沉积的碳酸钙不仅能够稳定水体中的钙和磷含量，还能通过沉积作用将碳固定在湖泊底质中，形成长期的碳储存库。然而，不同物种在碳酸钙沉积方面的表现存在显著差异。例如，一些研究发现，大型石莼类植物（如 *Chara tomentosa*）的碳酸钙沉积比例较高，而在某些情况下，如 *Chara virgata*，其碳酸钙沉积比例则相对较低，但仍然能够达到46.1%的干重。

水体的化学特性对碳酸钙沉积具有决定性作用。高碳酸氢盐浓度的湖泊往往能支持石莼类植物更高效的碳酸钙沉积。在瑞典的湖泊研究中，研究人员发现，碳酸钙在石莼类植物干重中的比例可以达到72%。而在西班牙的拉古纳德鲁埃拉自然公园（Lagunas de Ruidera Natural Park）的湖泊中，碳酸钙沉积比例则在40%至63%之间波动。值得注意的是，某些湖泊中的碳酸钙沉积比例在不同深度之间变化不大，这表明碳酸钙沉积的分布可能与植物的生长模式和环境条件密切相关。例如，在较浅的水域，碳酸钙沉积可能更集中，而在较深水域则相对分散。

碳酸钙沉积的过程不仅影响水体化学成分，还对碳的长期封存具有重要意义。石莼类植物通过光合作用固定大气中的二氧化碳，并将其转化为碳酸钙沉积层，这一过程在某些湖泊中可以达到每平方米超过300克碳的沉积量。然而，由于碳酸钙沉积层可能在冬季经历一定程度的溶解和再循环，因此需要进一步研究其在不同季节和气候条件下的稳定性。例如，一项研究显示，石莼类植物在夏季和秋季之间能够将高达88.7%的碳酸钙沉积到湖泊底质中，而在冬季可能因水体pH值的变化导致部分碳酸钙重新溶解并进入水体循环。因此，碳酸钙沉积的最终封存效果取决于多种因素，包括物种特性、湖泊水体的化学条件以及冬季水体的环境变化。

从生态系统的角度来看，石莼类植物不仅通过其生物量生产对湖泊生态产生积极影响，还通过碳酸钙沉积对碳循环和水体化学平衡起到关键作用。它们在维持水质清澈、促进底质稳定、减少悬浮颗粒的再悬浮以及提供复杂水生栖息地方面发挥着不可替代的作用。此外，它们的碳酸钙沉积能力使得其成为一种重要的碳封存机制，特别是在钙质丰富的湖泊中。然而，由于研究主要集中在温带地区，尤其是欧洲的湖泊，因此对其他气候带（如地中海气候区）的研究仍较为有限。这一研究偏向可能影响对石莼类植物在全球范围内碳封存能力的全面评估。

石莼类植物的碳酸钙沉积不仅与水体化学条件相关，还受到植物形态结构的影响。例如，某些具有厚壁结构（corticate）的石莼类植物在夏季能够形成更厚的碳酸钙沉积层，而一些缺乏厚壁结构的物种则可能在不同季节表现出不同的沉积模式。此外，某些物种在不同湖泊中的沉积效率也存在显著差异，这可能与湖泊的营养状况、水体深度以及光照条件等因素有关。例如，在西班牙的湖泊中，研究发现某些石莼类植物的碳酸钙沉积比例在不同深度之间变化不大，而其他湖泊则表现出明显的沉积梯度。

综上所述，石莼类植物在湖泊生态系统中扮演着多重角色。它们不仅通过高效的生物量生产对水体的物理和化学特性产生影响，还通过碳酸钙沉积对碳的长期封存具有重要意义。尽管已有研究表明石莼类植物在某些湖泊中能够沉积高达数百克每平方米的碳酸钙，但其沉积效率和封存能力仍然受到多种环境因素的制约。因此，未来的研究需要进一步探讨不同气候条件下石莼类植物的沉积模式，以及其对全球碳循环的潜在贡献。此外，随着气候变化的加剧，石莼类植物的分布和生长模式可能发生变化，这可能对其在碳封存和生态系统服务中的作用产生深远影响。因此，理解石莼类植物在不同环境条件下的适应性及其对碳循环的长期影响，对于评估其在应对气候变化和维持水体生态平衡中的作用至关重要。