土地利用调控的喀斯特地表水初级生产力和浮游藻种组成的研究取得新进展

人类活动改变了土地利用方式，从而改变了流域的水化学特征（例如CO_2（aq），NO₃^-和PO₄^3-浓度），也影响了陆地水生生态系统的碳循环和其水质（例如富营养化）。 然而，这些变化的水化学特征对水体初级生产力和浮游藻类藻种组成动态的影响机制仍不清楚，尤其是在具有高pH，高浓度Ca²⁺和溶解无机碳（DIC）的喀斯特水域中。  

针对以上科学问题，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刘再华研究员指导的的岩溶水-碳循环研究小组，采用普定沙湾水碳通量模拟试验场（该试验场由土地利用样池和地表水体样池两个模块组成，土地利用样池是由水文地质条件相同，不同土地覆被的5种模拟土地利用方式组成；地表水体样池由5个长x宽x高为3mx0.5mx0.5m，接放5种模拟土地利用方式泉水的小池组成）作为研究对象，通过2018年一个水文年的数据，研究了了氮，磷和碳对不同土地利用方式下地表水（地表水体样池）中浮游藻类初级生产力和群落组成动态的影响，结果如下：  

1）农业耕作增加了从泉水到池塘（地表水）的NO₃^-，PO₄^3-和CO_2（aq）的输入； 同时，灌木和草地则减少了NO₃^-，PO₄^3-的输入（种植灌木和草地的样池中泉水NO₃^-，PO₄^3-浓度比裸岩和裸地泉水都低），但显着增加了水中的CO_2（aq）的输入。  

2）处于1月份（即休眠期）的浮游藻类生物量主要与碳或磷有关，而处于7月份（即生长期）的浮游藻类生物量则主要与氮和磷有关; 这可能是由于对不同营养元素敏感性不同的浮游藻类藻种的季节演替造成的。  

3）在休眠期，研究系统主要由对CO_2（aq）敏感的浮游藻种组成，特别是在草丛和灌木连接的地表水样池中，其占比达到了30%-60%。然而，在生长期，该系统主要由对NO₃^-和PO₄^3-敏感的浮游藻种组成。但是，在草丛和灌木连接的地表水样池中，对NO₃^-和PO₄^3-敏感的浮游藻种的组成比列远远小于其他样池。  

因此，我们推测，相对较高的CO_2（aq）以及较低的NO₃^-和PO₄^3-浓度（由于喀斯特地区的自然造林而造成）的地下水可能有助于缓解富营养化并增加相应地表水中的碳固存，这说明了土地利用的调整在水质和碳循环管理中具有重要意义。  

该研究得到了中国科学院战略重点研究计划（XDB40020000）和国家自然科学基金（U1612441，41673136和41921004）资助，相关研究结果发表在了水文学期刊《JOURNAL OF HYDROLOGY》上，文章链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169420307551  

图1  普定沙湾岩溶试验场的位置（a）。 5个水池模拟了5种不同土地利用下的地表水体：裸岩地、裸土地，耕地（玉米），草地（紫花苜蓿）和灌丛地（刺梨）（b）以及相应的水池（1S-1P至 5S-5P）（c）。  

图2 冬季和夏季（1月休眠期和7月生长期）不同土地利用下泉水中DIC，CO_2（aq），NO₃^-和PO₄^3-浓度（a，b）以及池水中元素敏感浮游藻类细胞数占总细胞数的比例（c，d）。 

　　（刘再华课题组/供稿）