在二氧化碳（水溶液）有限的喀斯特水库环境中，蓝藻水华会削弱通过“生物碳泵”实现污染减排和碳封存的协同效应

《Journal of Hydrology》：Cyanobacterial blooms under CO 2(aq)-limited conditions in karst reservoirs diminish the synergy of pollution reduction and carbon sequestration via the biological carbon pump

喀斯特水体中蓝藻与硅藻群落对生物碳泵（BCP）协同碳封存与磷去除的影响研究。系统监测洪峰水库水化学参数、藻类群落结构及颗粒沉降通量，发现高pH与热分层加剧表层水CO?(aq)限制，促进蓝藻优势，导致碳磷协同埋藏效率降低；而硅藻优势通过形成矿物-有机碳磷复合体提升协同效应。提出通过注入CO?缓解碳限制，调控藻类群落结构增强BCP协同功能的生态策略。

　　

薛云峰|韩翠红|孙海龙|赖朝伟|余伟|何海波

中国地质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

摘要

在喀斯特水体中，生物碳泵（BCP）通过光合作用将溶解无机碳（DIC）转化为自生有机碳（AOC）。这一过程促进了方解石和磷酸盐的共沉淀，实现了污染和碳排放的协同减少。然而，以往的研究仅关注碳封存或磷去除。很少有研究关注污染减少和碳封存的协同作用，尤其是不同浮游植物群落结构下BCP对这种协同效应的影响。为了了解浮游植物群落结构对BCP污染减少和碳封存协同作用的影响，本研究系统地研究了位于中国西南部的洪峰水库（HFR）。测量了水中CO₂(aq)和HCO₃^?的浓度、浮游植物群落的季节动态以及AOC、总磷（TP）及其各组分的沉降通量和垂直损失率。研究结果表明：

(1) 喀斯特水体固有的高pH值、热分层以及浮游植物的生长加剧了HFR表层水中的CO₂(aq)限制，从而促进了蓝藻的优势。CO₂(aq)与蓝藻丰度呈显著负相关（r = ?0.57，p < 0.05），而与硅藻丰度呈正相关（r = 0.62，p < 0.05）。

(2) 主要由蓝藻驱动的高初级生产力增加了AOC和TP的沉积。然而，在蓝藻优势的情况下，AOC和TP的垂直损失率显著增加。相比之下，硅藻的优势通过形成稳定的矿物-有机碳-磷（mineral–OC–P）复合物促进了碳（C）和磷（P）的有效埋藏。

因此，通过注入工业CO₂来缓解喀斯特湖泊/水库中的CO₂(aq)限制可能是一种可行的生态调控策略，以增强BCP带来的污染减少和碳封存的协同效应。

引言

随着人类活动的加剧——包括营养物质输入的增加和水库建设——全球内陆水体的初级生产力普遍上升，这对全球碳循环产生了复杂且有争议的影响（Tranvik等人，2009年；Stackpoole等人，2017年；Anderson等人，2020年；Anderson等人，2014年；Meng等人，2024年）。初级生产力的提高可以促进自生有机碳（AOC）的生成（Mendon?a等人，2017年；Du等人，2025年），但同时也可能刺激有机碳（OC）的矿化（Huang等人，2019年；Jiao等人，2024年）。值得注意的是，初级生产力的增加与富营养化密切相关，这导致了严重的环境问题，包括频繁发生的有害蓝藻水华，对水质安全和碳汇安全构成了严重威胁（Schindler等人，2016年；Mendon?a等人，2017年；Huisman等人，2018年；Huang等人，2019年；Liu等人，2023年；Potter和Xu，2023年；Wang等人，2024年；Xiao等人，2024年）。喀斯特地区占全球陆地面积的15.2%（Ford和Williams，2007年；Goldscheider等人，2020年），而湖泊/水库占内陆水域表面积的23%（约50%的体积），使其成为全球碳循环的关键节点（Finlay等人，2015年）。

喀斯特湖泊/水库是喀斯特地区的关键水资源和碳汇（Ni等人，2022年；Wei等人，2022年；Du等人，2025年）。这些系统中的生物碳泵（BCP）可以将碳酸盐风化产生的溶解无机碳（DIC）和Ca²⁺转化为自生有机碳（AOC）并沉淀为自生方解石（CaCO₃），从而产生协同效应（公式（1）（Liu等人，2018年）。在此过程中，方解石可以与可溶性磷酸盐共沉淀，从而从水柱中去除磷酸盐（Murphy等人，1983年；Dutton等人，2018年；Walsh等人，2019年；He等人，2025年）：