Mengzhao Jia, Yixuan Li , Yuying Li, Minghao Song, Mengyao Wu, Mingming Gao, Zhiwen Lu , B. Larry Li , Nicola Fohrer. Algal community can alter the role of a drinking water Reservoir as a CO2 source or sink at different seasons. Environmental Research , Volume 286, Part 3 , 1 December 2025, 122983
本网讯（通讯员 贾梦召） 近日，我校南水北调学院暨水资源与现代农业学院南水北调中线水源区流域生态安全国家高等学校学科创新引智基地（ 111 基地）南水北调流域生态安全团队在国际知名期刊《 Environmental Research 》（ JCR 一区，影响因子 7.7 ）发表了题为“ Algal Community Can Alter the Role of a Drinking Water Reservoir as a CO 2 Source or Sink at Different Seasons ”的研究论文，20 23 级研究生贾梦召为论文第一作者，卢志文教授和李奕璇博士为论文共同通讯作者， 南阳师范学院南水北调学院暨 水资源与现代农业学院202 4 级水质科学与技术专业本科生宋鸣浩为 论文作者之一，南阳师范学院为第一署名单位。
论文 以 丹江口水库为研究对象，系统揭示了浮游植物群落结构如何通过生态机制调控分层水体中的碳交换过程。研究发现，丹江口水库的二氧化碳通量存在明显的季节变化规律，藻类群落的功能多样性、演替和垂直分布是驱动这一变化的关键因素。不同藻类类群通过其特有的 生长 策略，在水库不同季节和水层中驱动着二氧化碳源汇状态的转变。这项研究为大型饮用水水库的碳汇评估和生态管理提供了重要科学依据，对深入理解区域和全球碳预算中的水生生物反馈机制具有重要价值。
该成果获得了国家自然科学基金项 目(42507558)、河南省自然科学基金项目(252300420867)、国家高等学校学科创新引智基地项目（D23015）、河南省中原科技创新领军人 才项目（254200510014）、国家科技支撑计划项目 (2024YFC3211100 and 2024YFD1702000)的支持。
论文网址链接 ：https://doi.org/10.1016/j.envres.2025.122983
论文引用: Mengzhao Jia, Yixuan Li , Yuying Li, Minghao Song, Mengyao Wu, Mingming Gao, Zhiwen Lu , B. Larry Li , Nicola Fohrer. Algal community can alter the role of a drinking water Reservoir as a CO2 source or sink at different seasons. Environmental Research , 2025, 286, 122983.
Highlights
• Phytoplankton α-diversity highest in summer and lowest in winter in DJR.
• Cyanobacteria and Bacillariophyta are indicators of phytoplankton α-diversity in DJR.
• CO2 flux shifts from a C source in autumn to a C sink in spring and summer.
• WT, DO and CODMn drive phytoplankton and CO2 dynamics.
• Dominant algae affect carbon sources and sinks across DJR water layers.
Abstract
In large drinking water reservoirs, changes in CO2 flux (F (CO2 )) are limited by physical processes, biological community structure and functional strategies. This study investigates the vertical response relationship between the composition and diversity structure of the phytoplankton community, CO2 concentration (C (CO2 )) and flux. The indicators included different water layers in the Danjiangkou Reservoir (DJR) across seasons from November 2023 to August 2024. The α-diversity index of phytoplankton was highest in summer and lowest in winter. The F (CO2 ) showed a seasonal rhythm. The strongest CO2 source occurred in autumn with 260.14 ± 56.81 mg·(m2 ·d)−1 and the strongest CO2 sink occurred in spring with −261 ± 113.38 mg·(m2 ·d)−1 . Concurrently, the bottom water column exhibited relatively high C (CO2 ) in spring and summer, reaching up to 1939.83 ± 159.31 ppm. Linear regression and redundancy analysis (RDA) showed that water temperature (WT), dissolved oxygen (DO), and the potassium permanganate chemical oxygen demand index (CODMn ) reflected the change of CO2 accumulation and phytoplankton community structure. Partial Least Squares Path Modeling (PLS-PM) further revealed that meteorological factors (p < 0.001), hydrochemical factors (p < 0.05), and phytoplankton diversity (p < 0.05) significantly affected C (CO2 ). The change of algae community at different water depths determines whether the reservoir is a CO2 source or a sink. For example, Microcystis sp. and Eudorina sp. were more conducive to CO2 sinks in the surface layer, but more conducive to CO2 sources in the middle and bottom layers, while Asterionella sp. contributed to CO2 sequestration in different water layers. This study has critical ecological significance for the dynamic transformation of CO2 source and sink states in large drinking water reservoirs.
亮 点：
1. 丹江口水库 浮游植物 α 多样性夏季最高，冬季最低。
2. 蓝藻门与硅藻门是 丹江口水库 浮游植物 α 多样性的关键指示类群。
3. CO 2 通量呈现季节性转变：秋季为碳源，春季和夏季转为碳汇。
4. 水温、溶解氧和高锰酸盐指数共同驱动浮游植物与 CO2 动态变化。
5. 优势藻类通过影响不同水层的光合与呼吸作用，调控 水库 碳源 /碳汇格局。
研究进展：
既往研究已深入探讨了富营养化水体、藻华生境及化学污染环境等受污染水生系统的碳循环过程。然而，关于贫营养型饮用水水库 ， 这类具有独特生态脆弱性的重要淡水资源的碳动态机制仍存在认知空白。作为全球最大的跨流域调水工程，丹江口水库兼具南水北调中线工程 “ 水源地 ” 与 “ 调节器 ” 的双重功能，其地处中国南北气候过渡带。探究藻类演替如何影响温室气体排放，对构建水生态平衡预警系统具有前瞻性意义。该水库的管理目标具有双重性：既要保障水质安全，也需应对气候变化。藻类直接威胁饮用水安全，使得藻类群落演替研究成为水质管理的核心议题。当前丹江口水库虽维持贫营养状态，但随着极端干旱频发及流域水位缓幅波动，该水库实为高度脆弱的水生生态系统。
本研究重点关注： （ 1 ）揭示浮游植物群落结构变化驱动 CO 2 源汇季节性迁移的过程；（ 2）解析关键环境因子对 CO 2 通量与浮游植物群落分布的协同调控机制；（ 3）评估不同水层优势藻类对碳源汇格局的影响。本研究的意义在于通过基础性探索，揭示藻群落动态对丹江口水库温室气体排放的潜在威胁，兼具重要学术价值与实践指导意义。
图 1. 丹江口水库五个采样点示意图。 S1-S5 为本研究设置的采样点位。
在丹江口水库共鉴定出浮游植物 7门 63 属 87 种（含变种）。表层、中层和底层浮游植物平均细胞密度分别为 3.63×10⁵ cells·L -1 、 2.52×10⁵ cells·L-1 和 2.23×10⁵ cells·L-1 。各季节浮游植物丰度垂直分布模式可分为：春季与冬季型 ： 表层＞底层＞中层，夏季型 ： 表层＞中层＞底层，秋季型 ： 中层＞表层＞底层（图 2A）。最大浮游植物细胞密度出现在春季 S2 点位表层，达 1.28×10⁶ cells·L -1 ；最小值则出现在冬季 S5点位表层，仅为 6.5×10³ cells·L -1 。
生物量变化趋势（图 2C）与丰度总体一致。表层、中层和底层浮游植物平均生物量密度分别为 1.74×10³ μg·L -1 、 1.53×10³ μg·L-1 和 1.51×10³ μg·L-1 。春、夏、冬季浮游植物生物量垂直分布与细胞丰度分布特征基本 一致 ，而秋季分布模式微调为表层＞底层＞中层（图 2C）。最大生物量出现在春季 S1 点位表层，达 9.26×10³ μg·L -1 ；最小生物量则出现在夏季 S3点位表层，为 32 μg·L -1 。冬季硅藻门在各类群中占据绝对优势，其在底层水体中的生物量占比高达 88.5%。
图 2. 丹江口水库不同 时空 浮游植物群落结构特征 。（ A ） 浮游植物丰度 （ B ） 各类群丰度百分比 （ C ） 浮游植物生物量 （ D ） 各类群生物量百分比。 S、 M 、 B 分别代表表层、中层与底层 。
浮游植物 α 多样性在时间和空间尺度上均呈现显著差异（图 3 ）。 Shannon-Wiener 多样性指数夏季最高（均值 1.86 ），冬季最低（均值 0.48 ）； Margalef 丰富度指数秋季（均值 1.69 ）显著高于冬季（均值 0.64 ）； Pielou 均匀度指数与 Shannon-Wiener 多样性指数变化趋势一致，夏季最高（均值 0.81 ），冬季最低（均值 0.15 ）。
图 3. 浮游植物 α 多样性指数。（ A ） Shannon-Wiener 多样性指数；（ B ） Margalef 丰富度指数；（ C ） Pielou 均匀度指数。
各监测点间的 CO2 通量无显著差异，但呈现明显的季节性特征（ p < 0.05）。水 - 气界面 CO 2 通量在春季和夏季表现为碳汇，而秋季所有点位均表现为碳源。冬季 S1和 S3 点位呈现 CO 2 源通量， S2、 S4 和 S5 点位则表现为 CO 2 汇通量。具体而言，秋季 CO2 通量（ 260.14 ± 56.81 mg·(m2 ·d) -1 ）显著高于春季（ -261 ± 113.38 mg·(m2 ·d) -1 ）、夏季（ -400.56 ± 234.71 mg·(m2 ·d) -1 ）（ p < 0.01）及冬季（ -36.98 ± 96.78 mg·(m 2 ·d) -1 ）（ p < 0.05）；春季与夏季、冬季之间的通量差异不显著（ p > 0.05）；冬季通量显著高于夏季（ p < 0.01）。
图 4. 丹江口水库不同季节和采样点水 -气界面 CO 2 通量分布特征。 （ A–D ） 分别为秋季 、 冬季 、 春季和夏季在不同采样点（ S1–S5）的 CO 2 通量变化； （ E ） 显示各季节整体 CO₂通量的分布情况，箱线图中不同字母表示季节间存在显著性差异（ p <0.01）。
二氧化碳浓度随季节与水层呈现显著变化。如图 5A所示，秋季整体 C (CO 2 )处于中等偏高水平，各水层间差异较小；冬季浓度最低，垂直差异进一步减小， S1 与 S3 点位不同深度 C (CO 2 )几乎一致。春季 C (CO 2 )呈现明显垂直分层现象，底层浓度达 796.77 ± 152.81 ppm ，显著高于表中层。夏季为全年 C (CO 2 )最高季节，底层与中层浓度较高，达 1714.76 ± 213.41 ppm 。图 5B 进一步展示了 C (CO 2 )的季节分布特征：夏季浓度变幅最大（ 1360.53 ± 552.23 ppm ）；冬季浓度整体偏低且分布集中（ 464.62 ± 42.32 ppm ）；春季呈现明显的双峰分布，反映了分层初期 C (CO 2 )的显著垂直差异；而秋季则显示出介于春冬之间的过渡性分布特征。
图 5. 丹江口水库分层水体在四季中 CO 2 浓度的时空分布特征。（ A ） 秋、冬、春、夏四季中各采样点（ S1–S5）在表层、中层和底层的 CO 2 浓度变化； （ B ） 各季节 CO 2 浓度的分布情况，蓝点为均值，误差线为 5%–95%置信区间，散点为原始数据。
Mantel检验结果（图 6 B-D）显示，不同浮游植物门类及水层的物种丰度与理化因子均存在显著相关性。表层水体以嗜光性蓝藻（如 Pseudanabaena sp.，优势度： 0.623 ）为主。充足的光照驱动强烈光合固碳作用，藻类将无机碳转化为有机物并释放氧气，显著降低水体二氧化碳分压（ p CO 2 ）。当 p CO 2 低于大气平衡浓度时，表层水体表现为大气 CO2 的汇。中层水体作为碳循环的关键过渡带，具有复杂的环境梯度特征。与表层相比，其生态关系发生显著转变：蓝藻与 C (CO 2 )的相关性由表层的负相关转为正相关（图 6 C），表明其生态策略从依赖光能的光合作用转向对再生碳源的潜在利用。该水层中光合固碳与呼吸排碳相互竞争制约，导致该区域 C (CO 2 )呈现不稳定状态。底层水体因光照匮乏，光合作用基本停滞。硅藻门（如 F. crotonensis 、 Cyclotella sp.）在表、中、底层均呈现较高优势度，且其优势度随水深递增，显示出显著的弱光适应和 / 或异养能力，使其能主导深水水体。总体而言，底层群落结构与总磷呈显著正相关（ p < 0.05）（图 6 D），证明该区域环境主要受环境选择（如磷可利用性）塑造，而非直接由碳释放驱动。
图 6. 浮游植物群落与环境因子的 RD A 分析 （ A） ，（ B – D ）为各层浮游植物门类与环境因子的 Mantel 相关图。
优势种丰度与 水体 CO 2 参数 及水质参数 之间的 皮尔逊 相关分析（图 7 ）结果表明，表层优势种丰度 与 CO 2 通量呈显著相关性，其中 Cryptomonas sp. 与 CO 2 通量呈显著正相关 （ p ＜ 0.01 ） ； Trachelomonas sp. （ p ＜ 0.01 ）和 Anabaena circinalis （ p ＜ 0.05) 与 CO 2 通量呈显著负相关。部分优势藻与表层 CO 2 浓度呈正相关，例如 Anabaena sp. 和 Cocconeis placentula , 呈负相关的藻有 Fragilaria sp. 和 Pseudanabaena sp., 与表层优势种丰度相关性最强的参数是 CODMn ， 依次为 Cocconeis placentula （ p ＜ 0.01 ）， Anabaena circinalis ( p ＜ 0.01) ， Eudorina sp. ( p ＜ 0.01) ， Anabaena sp. ( p ＜ 0.01) ， Trachelomonas sp. ( p ＜ 0.01) ， Crucigenia apiculata ( p ＜ 0.01) ， Scenedesmus sp. ( p ＜ 0.01) ， Microcystis sp. ( p ＜ 0.05) 都 与 CODMn 呈显著正相 关；中 层优势种丰度 与 CO 2 浓度有显著正相关性，依次是 Microcystis sp. ( p ＜ 0.01) ， Crucigenia apiculata ( p ＜ 0.05) ， Chroococcus sp. ( p ＜ 0.05) ， Scenedesmus sp. ( p ＜ 0.05) ， Cocconeis placentula ( p ＜ 0.05) ， Golenkinia radiata ( p ＜ 0.05), 部分优势藻与中层 CO 2 浓度呈负相关，例如 Dinobryon sp. 和 Pseudanabaena sp. ， 与 中 层优势种丰度相关性最大的环境因子是 ORP ， 依次为 Crucigenia apiculata ( p ＜ 0.05) ， Cocconeis placentula ( p ＜ 0.05) ， Scenedesmus sp. ( p ＜ 0.05) 与 ORP 呈显著正相 关， Asterionella sp. ( p ＜ 0.05) ， Synedra sp. ( p ＜ 0.05) ， Fragilaria crotonensis. ( p ＜ 0.05) ， Pseudanabaena sp. ( p ＜ 0.05) 与 ORP 呈显著 负 相 关；底 层优势种丰度 与 CO 2 浓度有显著正相关性，依次是 Microcystis sp. ( p ＜ 0.01) ， Oscillatoria sp. ( p ＜ 0.01) ， Cocconeis placentula ( p ＜ 0.01) ， Chroococcus sp. ( p ＜ 0.01) ，部分优势藻与底层 CO 2 浓度呈负相关，例如 Scenedesmus bijuga 和 Cyclotella sp. ， PO 4 3- -P 则是与底 层优势种丰度相关性最大的环境因子 ， 与 PO 4 3- -P 呈显著正相关的 依次为 Synedra sp. ( p ＜ 0.01) ， Asterionella sp. （ p ＜ 0.05 ） ， Fragilaria crotonensis. ( p ＜ 0.01) 。
图 7. 浮游植物优势种丰度与环境参数之间的 Pearson 相关性热图。 展示了表层（ A）、中层（ B ）、底层（ C ）不同藻类优势种与环境因子之间的相关性，颜色表示相关性强度，红色为正相关，蓝色为负相关，星号表示显著性水平（ * p <0.05， ** p <0.01）。不同颜色字体代表不同藻类门类。
偏最小二乘路径模型（ PLS-PM）结果显示（图 8 ），水化学因子（溶解氧、水温、高锰酸盐指数）是驱动 C (CO 2 )与 F (CO 2 )的关键要素，其直接作用路径系数分别为 1.18 （ p < 0.05）和 -0.83 （ p < 0.05）。浮游植物群落结构对 C (CO 2 )的直接作用路径系数为 0.55 （ p < 0.05）。水化学因子不仅直接影响 CO 2 排放，还通过改变生境条件与塑造浮游植物群落结构间接调控 CO2 的产生与释放。气象因子（气温、气压）对 C (CO 2 )的解释度最高，直接作用路径系数达 1.28 （ p < 0.001）：气温直接影响 CO 2 在水中的溶解度，而气压则调控气体交换过程。此外， C (CO 2 )对 F (CO 2 )呈现强正向直接效应，路径系数为 1.05 （ p < 0.05）。模型拟合优度为 0.70 ，表明该模型有效解释了本研究观测到的多因子相互作用复杂性。
图 8 . 偏最小二乘路径模型（ PLS-PM ）揭示了气象因子、水化学因子、营养盐及浮游植物多样性指数对水体二氧化碳浓度与通量的直接与间接影响。箭头与连线的宽度表示路径系数大小，蓝色与红色连线分别代表正负效应。 R 2 表示目标变量的解释方差。（显著性标注： * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001）
结论：
丹江口水库浮游植物群落结构在时空尺度上呈现显著演替特征，其群落结构通过调控不同水层的二氧化碳浓度与水 -气界面通量，直接影响水库碳循环过程。水温、溶解氧和高锰酸盐指数是驱动 CO 2 累积与浮游植物群落垂直分异的关键环境因子；而高锰酸盐指数、氧化还原电位和磷酸盐分别成为表、中、底层优势藻类丰度的主要限制因子。 CO2 通量呈现典型季节性规律：秋季表现为碳源，春季和夏季表现为碳汇，冬季则出现碳源 /碳汇状态转换的过渡特征。值得注意的是，春夏季水库底层 C (CO 2 )显著升高，形成强烈的垂直浓度梯度。不同浮游植物群落结构的协同效应，使得水体 CO 2 固定与释放在垂直方向上呈现明显差异。
丹江口水库 CO2 源汇动态的转变是一种持续性生态转型过程，该过程通过持续的环境反馈，根本性地重构了浮游植物群落并建立起新的水质梯度。需要强调的是，本研究未涉及藻类代谢过程及其与微生物群落的协同作用。后续研究应结合分子生态学方法与过程模型，系统解析和量化碳通量的形成路径。
《Environmental Research》 期刊
《环境研究》（Environmental Research） 是由Payam Dadvand（巴塞罗那全球健康研究所）、Grzegorz Lisak（ 南洋理工大学 ）、Johan Øvrevik（挪威公共卫生研究所）、Pierre Sicard（ACRI集团）、Aijie Wang（ 哈尔滨工业大学 ）共同主编的多学科环境科学期刊，每年出版8次，聚焦环境科学与健康领域研究。 《Environmental Research》，环境科学与生态学大类，中科院 二区，JCR一区，因子7.7，ISSN：0013-9351。
第一作者介绍
贾梦召 ，南阳师范学院硕士研究生。现就读于南阳师范学院生命科学学院，在国家南水北调中线水源区流域生态安全高等学校学科创新引智基地进行中线水源区水生态过程、生态修复等方面研究。 邮箱： 18937087758@163.com
通讯 作者介绍
卢志文 ，博士，教授，洛阳理工学院党委书记，南阳师范学院硕士生导师。 主持完成国家自然科学基金面上项目 1项，主持完成河南省科技攻关项目 4 项，在 J.Alloys Compd. 等国内外杂志发表学术论文 40 余篇，国家发明专利 3 项，以第一完成人获得河南省高等教育教学成果奖二等奖 2 项。 邮箱： lzw@lit.edu.cn
李奕璇 ，南阳师范学院南水北调学院暨水资源与现代农业学院南水北调中线水源区流域生态安全高等学校学科创新引智基地办公室主任，博士，讲师。现于南阳师范学院水资源与现代农业学院从事科研教学工作，主要从事南水北调中线水源区温室气体排放规律及机制、水域生态学及水生生物学等方面研究工作。主持国家自然科学基金青年项目、河南省青年基金、河南省高端外国专家引进计划、校级博士专项项目各 1 项，参与国家自然科学基金项目 6 项。发表学术论文 17 篇，其中以第一作者或通讯作者身份发表 SCI 论文 6 篇。 已授权发明专利共计四项。 擅长科研领域：水库水文条件对湖库生态环境的影响；专注于研究水库流域内不同程度降雨所引发的水源区径流对水库微生物，如浮游藻类及浮游微生物的代谢活动，以及碳、氮、磷等要素循环的水体生态结构变化特征，并探讨水库温室气体的时空变化机制。 邮箱： m19823340250@163.com
