中国水库中浮游植物初级生产力的时空动态：影响因素与碳封存

《Frontiers in Environmental Science》：Spatial and temporal dynamics of phytoplankton primary productivity in Chinese reservoirs: influencing factors and carbon sequestration

浮游植物初级生产力（PP）研究揭示中国水库PP空间差异显著，以黄河、松辽河及海河-淮河流域PP较高（3.07-3.54 g O?·m?2·d?1），而珠江、西北及西南河流PP较低（0.45-1.17 g O?·m?2·d?1）。时间序列显示PP在1990年代峰值后波动下降，2020年代有所回升。季节上夏季PP最高（4.65 g O?·m?2·d?1），冬季最低（1.41 g O?·m?2·d?1）。驱动因素包括光照时长（r=0.43）、水深（r=0.17）和降雨（负相关）。全国总PP达22.08 Tg·O?·a?1，碳封存潜力6.62 Tg·C·a?1，占全球水库总量的18.4%。

　　中国水库中的浮游植物初级生产力（Phytoplankton Primary Production, PP）是维持水生生态系统可持续性的关键因素。浮游植物作为水体中主要的初级生产者，通过光合作用吸收二氧化碳，释放氧气，并将能量传递给其他生物，是水体碳循环中的核心环节。然而，尽管浮游植物对生态系统的重要性已被广泛认知，但针对中国全国范围内水库浮游植物PP的系统性研究仍较为有限，通常被纳入湖泊研究范畴，这在一定程度上阻碍了对大规模PP变化机制的深入理解。为填补这一研究空白，本研究基于全面的文献综述，构建了一个涵盖1980年至2023年中国水库浮游植物PP的数据库，仅包括采用“明暗瓶法”（light-dark bottle method）测量的数据。通过该数据库，研究团队量化了165个中国水库中浮游植物的PP及其碳汇潜力，揭示了其时空分布特征及关键影响因素。

研究结果表明，中国水库浮游植物PP的范围在0.13至10.22克氧气每平方米每天（g O?·m?2·d?1）之间，其中黄河流域（YR）、松花江与辽河流域（S/LR）以及海河与淮河流域（H/HR）的PP显著高于珠江流域（PR）、西北内陆河流域（NIR）和西南河流流域（SWR）。从时间维度来看，浮游植物PP在1990年代达到峰值，之后逐渐下降，但在2020年代出现回升趋势，其时间序列依次为1990年代 > 2020年代 > 2000年代 > 1980年代 > 2010年代。季节性变化方面，夏季的PP最高，其次是春季、秋季和冬季，夏季的PP是冬季的约3.3倍。研究还发现，阳光时长、水深和降雨量是影响浮游植物PP的主要因素。

浮游植物的PP不仅反映了水体生态系统的健康状况，也对区域碳预算和水生生态系统的动态平衡具有重要影响。在气候变化、人类活动和自然因素的共同作用下，浮游植物PP的变化可能对水体生态服务功能产生深远影响，如水质净化、氧气供应和生物多样性维持。此外，浮游植物的群落结构和多样性变化往往能够反映出水体物理和化学环境的细微波动，因此对其变化趋势的分析有助于评估水体质量及了解其对富营养化过程的影响。

中国作为全球水库数量最多的国家之一，截至2020年代已建成超过15,000个水库，水库总面积从1980年代的14,772平方公里扩展至2020年代的25,616平方公里，总蓄水量几乎翻倍。这一大规模的水库建设对河流生态系统产生了深远影响，改变了有机碳向海洋的输送路径，进而影响了全球碳循环。因此，研究中国水库的浮游植物PP不仅有助于理解区域碳汇能力，也为全球水体碳循环研究提供了重要的数据支持。

在方法上，本研究采用“明暗瓶法”作为主要手段，这是一种通过对比水样在光照和黑暗条件下的氧气变化来估算浮游植物PP的经典方法。尽管这种方法在流动水体中存在一定的局限性，例如静态培养可能影响营养物质的补充，从而导致PP的低估，但其在富营养化水体中的适用性较强，且能够提供长期变化的历史数据，为研究浮游植物PP的长期趋势提供了坚实的基础。此外，研究还结合了其他方法，如垂直通用生产力模型（VGPM）和碳同位素技术，以增强对PP的估算精度。

从研究结果来看，不同流域的浮游植物PP存在显著差异。黄河流域、松花江与辽河流域以及海河与淮河流域的PP值较高，而珠江流域、西北内陆河流域和西南河流流域的PP则相对较低。这种差异可能与流域的地理位置、水文条件、气候特征以及人类活动密切相关。例如，东部和东北部平原地区的水库因受到工业活动和农业排放的影响，氮磷等营养物质较为丰富，从而促进了浮游植物的生长和初级生产力。相比之下，西南和西北地区的水库由于水质较好，营养物质相对匮乏，导致浮游植物PP受限。

在季节变化方面，夏季的浮游植物PP显著高于其他季节，这与夏季充足的光照、较高的水温以及适宜的营养条件密切相关。春季和秋季的PP值相对接近，但均高于冬季，冬季的PP值仅为夏季的约1/3。这种季节性变化趋势表明，浮游植物的生长受到水体温度和光照强度的显著影响，尤其是在低纬度地区，由于光照时间较长，PP值较高。而在高纬度地区，由于冬季光照不足，PP值明显下降。

研究还发现，阳光时长、水深和降雨量是影响浮游植物PP的主导因素。阳光时长直接影响浮游植物的光合作用效率，而水深则决定了光穿透的深度，进而影响浮游植物的分布和生长。降雨量则通过改变水体的营养物质输入和水体透明度，间接影响PP。这些因素的综合作用使得浮游植物PP呈现出显著的时空异质性。

此外，研究通过多变量线性回归模型进一步分析了影响浮游植物PP的关键因素。结果表明，阳光时长、水深和降雨量是解释PP变化的主要变量，三者共同解释了约28.9%的变异。然而，由于研究数据的局限性，部分关键变量的影响尚未被充分量化，这可能与样本数量不足或某些区域数据缺失有关。因此，未来的研究需要更加全面的数据收集和更精细的模型构建，以提高对浮游植物PP及其驱动因素的理解。

从全国范围来看，中国水库的浮游植物PP总和为22.08太克氧气每年（Tg·O?·a?1），相当于6.62太克碳的固定能力。这一碳汇潜力占全球水库浮游植物碳汇总量的18.40%，表明中国水库在全球碳循环中占据重要地位。值得注意的是，不同流域的贡献率存在显著差异，其中长江流域（YTZ）贡献最大，占总PP的43%以上，其次是黄河流域（YR）和松花江与辽河流域（S/LR），分别贡献了21.67%和21.46%。珠江流域（PR）的贡献相对较小，仅为8.93%，而西北内陆河流域（NIR）和西南河流流域（SWR）的贡献则更为有限。

本研究的结论不仅揭示了中国水库浮游植物PP的时空格局，还强调了其在区域碳预算、水生生态系统动态以及可持续水资源管理中的重要性。然而，研究也指出了其局限性，包括数据覆盖范围的不均衡、方法的适用性限制以及某些变量的解释力不足。未来的研究需要进一步完善数据收集，特别是对西南和西北地区水库的采样，以更全面地揭示浮游植物PP的变化机制。此外，结合遥感技术和长期监测网络，有助于提高PP估算的精度和时空分辨率，从而为水生生态系统的可持续管理提供科学依据。