不同营养水平湖泊浮游藻类群落对全球CO2水平升高的响应及其生态意义

大气CO2水平升高是全球目前所关注的焦点问题，湖泊作为与人类生存和社会发展息息相关的水生生态系统，其对全球CO2水平升高的响应机制和趋势是我们迫切需要关注的科学问题。浮游藻类是水生生态系统中的初级生产者，对CO2水平升高有最直接和敏感的响应。浮游藻类的群落结构和组分生态化学计量学随CO2水平的升高而变化，最终会对湖泊初级生产力和生物地球化学循环产生重要的影响。N、P作为淡水浮游藻类生长的主要限制因子，其浓度必然影响了藻类对CO2水平升高的响应程度，因此不同营养水平湖泊可能对CO2水平升高的响应是不同的。本研究结合野外调查和室内模拟实验，通过分析CO2水平升高对浮游藻类群落结构、初级生产力和生态化学计量学的影响，揭示我国东部长江中下游湖区富营养水平的太湖和较低营养水平的梁子湖对CO2水平升高的响应趋势，并预测这种变化趋势对湖泊生态的影响。

CO2水平升高是全球目前关注的焦点问题，目前关于大气CO2水平的升高对浮游植物影响的研究多集中于海洋浮游植物，而对淡水浮游植物的相关研究则较少。本研究通过太湖原位试验，模拟代表工业前、现在、本世纪末的不同CO2浓度环境（270 ppm，380 ppm，750 ppm），研究春、夏、秋、冬四季太湖梅梁湾浮游植物对大气CO2水平升高的生理和生态响应。大气CO2浓度的升高首先会增加湖水中溶解性CO2的浓度，当CO2浓度从工业前水平上升到本世纪末所预测的水平时，湖水的pH会下降0.2-0.9个单位。湖水的酸化将会提高湖水中总无机碳的浓度，同时增加太湖水体中总有机碳的浓度。大气CO2浓度对太湖浮游植物生理特性的影响首先会体现在对浮游植物生长速率和光合作用上。研究证明未来大气CO2浓度的加倍可以显著增加太湖春、夏季浮游植物的生长速率，且会增加前一年冬季保存的浮游植物生物量，这可能会加快下一年春季浮游植物的复苏生长；但CO2浓度的升高却使太湖浮游植物以更快的速度在夏末、秋季衰退和死亡。未来太湖水体中碳源的增加不会改变蓝藻在春季最大光合作用效率极低的现状，也不会对夏、秋季节蓝藻的最大光合作用效率有显著影响；而春季绿藻和硅藻最大光合作用效率却会显著增加，且对硅藻最大光合作用效率的促进作用强于绿藻。其次，大气CO2浓度的增加会改变太湖浮游植物对主要元素C、N、P的吸收。太湖浮游植物会在春、夏、秋三个季节里增加对C的吸收、N次之，同时减少对P的吸收。大气CO2浓度的升高对太湖浮游植物个体生理特性的影响会传递到太湖浮游植物的生态水平上。未来大气CO2浓度的提高可能会提高太湖整年的净初级生产力，在春季、夏季、秋季、冬季的最大增幅比现在分别可达69.6%、52.5%、52.2%、25.7%，并且会显著增加春、夏季节浮游植物的同化作用能力。其次，未来太湖浮游植物中超微型浮游藻类在春、夏、秋三季的竞争优势将增强，超微型真核藻类数量在夏、秋两季随CO2浓度的升高而增加，大气CO2浓度的升高会降低太湖蓝藻门在春、夏、秋三个季节的竞争优势，而绿藻门、硅藻门、隐藻门的竞争优势将得到加强。最后，从工业前至今，大气CO2浓度的升高可能显著降低了太湖浮游植物的生物多样性，但未来浮游植物的生物多样性不会因此持续降低。