喀斯特筑坝河流中生物碳泵效应的碳施肥及对水化学时空变化的影响——以贵州平寨水库及红枫湖为例*

韩翠红,孙海龙,魏 榆,鲍 乾,晏 浩

(1:中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550081) (2:中国科学院大学，北京 100049)

全球大气CO2的收支不平衡是全球变化研究中的重要问题[1]. IPCC报告中指出，陆地生态系统中，约存在1～1.5 Pg C/a的“遗失碳汇”，成为近年全球碳循环研究关注的重点[2-5]. 随着研究的逐渐深入和系统化，内陆水体(河流、湖泊和水库等)在全球碳循环中的作用得到越来越多的关注，其在全球碳循环中的碳源汇作用显著[6-9]，尤其是刘再华等[4,10-11]发现在喀斯特地表水生生态系统中，水生光合生物通过光合作用产生的生物碳泵效应可以将部分碳酸盐风化碳汇固定下来，形成稳定碳汇，并由此提出了耦联水生光合作用的碳酸盐风化碳汇学说. 研究中还发现，高溶解性无机碳(DIC)浓度和高pH值的喀斯特环境中，生物碳泵效应存在显著的碳限制和“DIC施肥效应”[12-16]. 因此研究生物碳泵效应的机制、效率及控制因素对于研究和评估耦联水生光合作用的碳酸盐风化碳汇强度，揭示喀斯特水体生物碳泵效应的碳增汇机制具有重要的意义.

筑坝河流不仅会改变河流的流量及连续性，使水体出现“陈化现象”，而且还会使得河流营养盐循环过程发生改变，由于营养元素碳(C)、氮(N)和磷(P)在生物过程中的行为不同，导致水库中C、N和P的循环效率不同，进而改变筑坝河流中营养元素的化学计量比，改变藻类生长的营养限制，甚至使得浮游植物的群落结构发生改变[35-38]，最终影响水体中生物碳泵效应的效率，使得河流和水库呈现出不同的水化学变化.目前针对生物碳泵效应的研究主要集中于河流和喀斯特模拟试验场[15,39]，对于筑坝后，筑坝河流尤其是喀斯特筑坝河流中生物碳泵效应的变化、控制因素以及对筑坝河流水化学变化的影响则研究较少. 同时，已有研究表明[40-41]，不同库龄的水库中，由于营养盐循环的差异，浮游植物的营养盐限制和生物群落的结构都有一定的差异，而这些变化最终都会影响到生物碳泵效应的效率. 为了研究长期筑坝后生物碳泵效应的变化及控制因素，本研究选取了具有不同库龄的平寨水库及红枫湖，通过野外现场的监测及室内的实验分析，研究喀斯特河流筑坝后生物碳泵效应的变化、控制因素及对水体水化学的影响.

1 研究区概况

平寨水库位于三岔河的上游，于2015年建库. 平寨水库的正常蓄水位1331 m，总库容10.89亿m3，调节库容4.48亿m3，为大一型I等工程. 水库坝址以上水域面积15.17 km2[42-43]. 三岔河流域(26°10′～27°0′N，104°18′～106°18′E)地处云贵高原[44]，属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温为12～16℃，年降水量为1300 mm，5-10月为丰水期，11月-次年4月为枯水期，流域内主要分布有二叠系、三叠系碳酸盐岩，含煤岩组及玄武岩[45].

红枫湖于1960年竣工蓄水，位于乌江一级支流猫跳河的上中游，属于峡谷断陷盆地的河流性水库[46].水面面积57.2 km2，最大水深45 m，平均水深10.52 m，总库容6亿m3，滞留时间为0.325年[47]，流域面积1596 km2，坝高52.5 m，设计正常高水位1240.00 m[48]，红枫湖由北湖、南湖、后湖和中湖组成，主要由羊昌河、麻线河、后六河和桃花源河汇流而成，红枫湖流域同样属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温为14.06℃,年降水量为1176 mm,地层出露以二叠系、三叠系为主，主要岩性为灰岩和白云岩，岩溶地貌发育[46-48].

平寨水库及红枫湖的采样点如图1所示. 在平寨水库的入库河流三岔河上选取了SCH、YCZ 2个采样点，其中SCH采样点位于三岔河，主要是为了了解入库河流水化学等参数的背景值，YCZ采样点位于阳场镇，该采样点位于水库的回水区上游. 为了更好地了解水库水化学的空间变化，在平寨水库中，从上游到下游大坝处依次选取了位于平寨水库上游的PZA采样点、中游的BXZ采样点和位于大坝处的PZ采样点. 在红枫湖南湖的入库河流羊昌河下游靠近红枫湖处设置了HQQ采样点，在红枫湖南湖和北湖分别设置了HN、HYD、HB采样点，在红枫湖大坝处设置了采样点HF.

图1 平寨水库和红枫湖采样点位置(据文献[46]修改)Fig.1 Sampling locations in Pingzhai Reservoir and Lake Hongfeng (modified from reference [46])

2 研究方法

溶解CO2浓度(CO2(aq))和pCO2用PHREEQC软件计算[50]. 计算时，向PHREEQC软件中输入野外实测的各采样点的pH、水温(T)和碱度以及实验室测定的主要阴阳离子浓度即可算出结果.

3 结果

3.1 平寨水库及红枫湖水化学的时空变化特征

3.2 平寨水库及红枫湖氮磷、叶绿素a浓度和DO饱和度的时空变化特征

图2 平寨水库和红枫湖水化学的时空变化 (灰色部分表明是水库中的采样点，虚线表明大气CO2分压值)Fig.2 Spatial and seasonal hydrochemical variations at each sampling point of Pingzhai Reservoir and Lake Hongfeng (Grey shadows indicate the sampling sites in reservoir; Dotted line indicates the atmospheric CO2)

根据耦联碳酸盐风化碳汇的模型[4]：

(1)

生物碳泵效应利用DIC形成有机质和氧气，因此可以通过水中Chl.a浓度和DO指示生物碳泵效应的强度. 从图3中可以看出，平寨水库河库系统的Chl.a浓度具有明显的时空动态变化特征. 季节变化上，平寨水库河库系统的Chl.a浓度都表现出夏季高，冬季低的季节变化特征，但是入库河流Chl.a浓度的季节变化幅度明显小于水库，入库河流Chl.a浓度的最高值出现在夏季，为3.67 mg/m3，最低值出现在秋季，为0.06 mg/m3; 水库Chl.a浓度的最高值出现在夏季，为15.74 mg/m3，最低值出现在冬季，为1.44 mg/m3. 空间上，冬季入库河流和水库的Chl.a浓度无明显的空间变化，其他时间段，水库中的Chl.a浓度明显高于入库河流，表明水库存在强烈的生物碳泵效应. 平寨水库河库系统的DO变化与Chl.a浓度变化类似，溶解氧饱和度呈现出春夏季高、秋冬季低的特征. 红枫湖入库河流的Chl.a浓度无明显的季节变化特征，水库中Chl.a浓度的季节变化特征与平寨水库类似，都是夏季高、冬季低; DO饱和度的变化与Chl.a浓度的变化类似，表明红枫湖中的生物碳泵效应也是夏季最高、秋冬季最低.

图3 平寨水库和红枫湖采样点叶绿素a浓度和溶解氧饱和度的时空变化 (灰色部分表明是水库中的采样点)Fig.3 Spatial and seasonal variations of and percent saturation of DO at each sampling point of Pingzhai Reservoir and Lake Hongfeng(Grey shadows indicate the sampling sites in reservoir)

4 分析与讨论

4.1 生物碳泵效应对水化学时空变化的影响

从图2中还可以看出，由于强烈的生物碳泵效应的存在，2个水库夏季水体的pCO2都低于大气的CO2分压; 而秋冬季，尤其是冬季，2个水库的pCO2均高于大气CO2分压. 这可能与秋冬季，温度低光照弱，生物碳泵效应弱有关，同时此时水库处于从分层期向混合期转化或是处于混合期，底部的有机质上涌并且耗氧分解：

C6H12O6+6O2→6H2O+6CO2

(2)

从而导致秋冬季水库的pH值和DO降低，pCO2升高.

4.2 平寨水库和红枫湖生物碳泵效应的碳施肥

4.3 生物碳泵效应的碳施肥对富营养化湖泊治理的启示

长期以来，富营养化湖泊的治理一直把重点放在控磷[55]、控氮[56]，还是氮磷同时控制[57]上. 但目前越来越多的研究表明，无论是在高生产力的富营养化湖泊或是低生产力的湖泊，水中浮游植物的光合作用确实受到碳限制的影响[25-29]. 此前，Zeng等[16]在贵州普定沙湾喀斯特水-碳循环土地利用调控模拟实验场的研究已经发现，在偏碱性的水环境中，水生生态系统生产力将不仅受到N、P元素的控制，还受到C的控制[16]. 但是相关研究是在模拟实验场进行的，并不能完全代表野外的实际情况. 而我们在平寨水库和红枫湖的野外研究进一步证实，在喀斯特水体高pH值和高DIC浓度环境下，水生光合作用(生物碳泵效应)确实不仅受到N、P元素的限制，还受到C的限制，表现为碳施肥现象. 未来，在治理喀斯特地区湖泊的富营养化时，不仅要考虑氮磷的控制作用，还应该考虑碳的控制作用.

本研究虽然揭示了平寨水库和红枫湖中生物碳泵效应的碳施肥现象，但并未对藻类组成进行相关研究，以确定浮游植物中究竟哪种藻类对碳元素敏感，哪种藻类对氮磷限制敏感. 在下一步的研究中，应重点研究浮游植物种群与碳施肥的关系，为富营养化湖泊的治理，控制蓝藻藻华的爆发提供坚实的科学依据.

5 结论