科研动态

河流筑坝发电是人类最为显著的人为扰动河流事件之一。碳循环和浮游植物群落演替均在水电水库生态系统中具有重要的地位。从地球化学角度看，浮游植物通过光合作用固定碳（包括CO₂和HCO₃^-），认为是水电站碳循环的重要驱动力。从生态学角度来看，CO₂和HCO₃^-可利用性影响了浮游植物初级生产力和群落演替。因此，究竟是碳循环控制浮游植物演替还是相反的过程存在争议。为此，以乌江梯级水电水库为研究对象，调查了其中浮游植物群落组成、溶解无机碳和颗粒有机碳稳定碳同位素组成（δ¹³C-DIC和δ¹³C-POC）及相关环境因子，来加深对上述过程的理解。结果发现水电水库浮游植物（包括7门36种）群落结构演替和水库碳循是协同变化。δ¹³C-DIC（-9.96～-3.73‰）和δ¹³C-POC（-33.44～-21.17‰）在优势种由硅藻向甲藻或蓝藻演替过程中其碳同位素组成显著增加。此外，透光层中较强的光合作用会导致了水库剖面较大的δ¹³C-DIC和CO₂分层。统计分析和碳同位素证据表明，水温的升高触发了浮游植物群落的演替，而CO₂的可利用性是驱动浮游植物演替方向的关键；反过来，当水库浮游植物以甲藻或蓝藻为主时，碳循环增强（图1）。由此可见，水电站水库碳循环与浮游植物群落演替不是一个因素控制另一个因素的过程，二是两者相互作用同步演化的过程。颗粒无机碳（PIC）是水电水库碳循环的重要组成部分，但目前对其生成和迁移转化过程还不十分清楚。本研究表明，河流中PIC受外源碳酸盐岩风化和自生碳酸盐沉淀共同控制；筑坝形成的水库中PIC则主要为浮游植物驱动产生的自生PIC，PIC浓度随浮游植物生物量的增加而增加；PIC浓度和δ¹³C_PIC在水库剖面发生了分层现象，浮游植物光合作用和呼吸作用共同控制了其在剖面的分层程度（图2）。由于各个水库演化阶段和营养水平的不同，浮游植物对PIC产生和迁移转化的影响程度也有所不同，δ¹³C变化能够很好的示踪这些过程。本研究对于系统的理解水电水库碳循环及其生态效应具有重要的理论意义。

以上研究受国家自然科学基金委联合基金项目和国家重点研发计划项目联合资助。参考如下：

Xiao, J., et al., 2021. Interaction between carbon cycling and phytoplankton community succession in hydropower reservoirs: Evidence from stable carbon isotope analysis. Science of The Total Environment 774. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969721002072

Li, Y. et al., 2021. Regulation of particulate inorganic carbon by phytoplankton in hydropower reservoirs: Evidence from stable carbon isotope analysis. Chemical Geology: 120366. https://authors.elsevier.com/sd/article/S0009-2541(21)00309-0

图1

图2