喀斯特水库CO2(aq)限制条件下蓝藻优势加剧生态风险的研究

针对喀斯特地区水库因高pH和热分层导致CO2(aq)匮乏引发的蓝藻水华问题，中国科学院团队通过分析DIC、δ13CDIC及浮游植物群落动态，揭示CO2(aq)限制直接驱动蓝藻优势，为全球变暖背景下喀斯特水库生态脆弱性防控提供新依据。

　　

在全球变暖与富营养化加剧的背景下，蓝藻水华已成为威胁水生生态系统和人类健康的重大环境问题。尤其在水体CO₂（aq）（溶解态二氧化碳）匮乏的条件下，蓝藻凭借其独特的生理优势（如碳浓缩机制CCM）迅速占据生态位。喀斯特地区因其特殊的地质背景，水库表层水天然具有高pH和高HCO₃^?（碳酸氢根）特征，加之季节性热分层阻碍水体垂直混合，导致CO₂(aq)进一步耗竭。然而，喀斯特水库中无机碳动态变化如何影响浮游植物群落演替尚不明确。

为解决这一问题，中国科学院地球化学研究所的研究团队选取中国西南喀斯特区典型亚深水型水库——红枫湖（HFR）和百花湖（BHR）为研究对象，通过为期一年的月度表层水与季节性垂向剖面采样，结合DIC（溶解无机碳）、CO₂(aq)浓度、δ¹³C_DIC（DIC碳同位素组成）及浮游植物群落分析，揭示了CO₂(aq)限制对蓝藻优势的驱动机制。该研究发表于《Water Research》，为喀斯特水库生态风险管理提供了科学依据。

关键技术方法
研究团队采用野外监测与实验室分析相结合的方法：1）按月采集表层水样，按季节采集垂向剖面水样，测定水温、pH、TP（总磷）、TN（总氮）等理化参数；2）利用顶空平衡-气相色谱法测定CO₂(aq)浓度，通过酸解-同位素质谱法分析DIC及δ¹³C_DIC；3）显微镜计数法鉴定浮游植物群落组成；4）统计分析CO₂(aq)与浮游植物丰度的相关性。

研究结果

1. 月度表层水理化参数变化
暖季（高温期）表层水CO₂(aq)浓度显著低于冷季（HFR: 0.5–4.5 μmol L^?1 vs. 冷季5–15 μmol L^?1），而蓝藻丰度与CO₂(aq)呈强负相关（r=?0.80, p<0.01），硅藻和绿藻则无显著相关性。高pH（8.0–8.7）与低CO₂(aq)条件下，δ¹³C_DIC显著偏正，反映强烈光合作用对轻同位素¹²C的优先吸收。

2. 热分层对CO₂(aq)垂直分布的影响
热分层期底层水CO₂(aq)浓度（HFR: 20–40 μmol L^?1）为表层的10倍以上，表明分层阻碍了CO₂从底层向表层的扩散，加剧表层CO₂(aq)限制。

3. 蓝藻优势的驱动机制
当营养盐（TP>0.03 mg L^?1）不成为限制因子时，CO₂(aq)匮乏成为蓝藻替代硅藻/绿藻的关键因素。蓝藻通过CCM机制高效利用HCO₃^?，而其他藻类在CO₂(aq)<10 μmol L^?1时生长受抑制。

结论与意义
该研究首次阐明喀斯特水库中CO₂(aq)动态变化通过热分层与高pH协同作用，直接驱动浮游植物群落向蓝藻优势演替。随着全球变暖，水温上升和沉积物营养盐释放将进一步加剧蓝藻水华风险。研究成果不仅揭示了喀斯特水库的生态脆弱性，还为制定基于CO₂调控的水华防控策略提供了理论支撑，对全球类似地质背景区域的水体管理具有借鉴价值。