据IPCC报道，大气CO²浓度已由工业化前的280 μL·L^-1上升到2007年的超过380 μL·L^-1[1]。大气CO²浓度升高可导致海水酸化^{[2, 3]}，影响碳酸钙、氮、磷的生物地球化学动力学，改变海水中微量元素的存在形态及生物可利用性^{[4, 5]}。近年来由于矿质能源的消耗和机动车辆增加，大气中氮氧化物、可挥发性有机物含量增加，对流层中O³浓度呈增加趋势^[6]，在我国经济发达地区尤为严重^[7]。针对近地层CO²和O³浓度协同升高的预测，国内外开展了不少有关大气CO²与O³复合效应对陆地生态系统影响的研究。邵在胜等^[8]研究了大气CO²和O³浓度升高对汕优63光合作用和稻米品质的影响，Kobayakawa等^[9]发现高浓度CO²可缓解O³对水稻叶片光合作用的不利影响。CO²和O³浓度升高通过改变植物群体组成、地下生态系统碳的分配、土壤可溶性碳水化合物最终间接改变土壤化学特征^[10]。但对淡水环境的影响，仅见孙曙光等^[11]报道的大气CO²浓度升高影响水体pH、Eh，影响砷对羊角月牙藻和大型蚤的毒性作用。CO²、O³复合升高对淡水环境的影响还未见报道。

可溶性总氮、总磷是浮游植物生长的主要限制因素，是湖泊富营养化的关键限制因子^[12]。微量金属元素，如Zn、Mg和Fe对浮游植物具有双重影响，既可以是其生长的限制性营养元素，当浓度超过一定阈值时又可能阻碍其光合作用和生长^{[13, 14]}。微量元素是水环境条件的要素，是评估大气CO²、O³浓度升高对水环境影响的重要指标。

开顶式气室（OTC，Open top chamber）是一种广泛应用于研究高浓度CO²及其他大气条件对生态系统影响的实验平台^{[15, 16]}。本文在OTC平台下构建微宇宙水环境模拟系统，考察CO²、O³升高及其复合升高条件下淡水系统中水体pH、Eh以及微量元素的变化规律以期获得未来大气条件对淡水生态系统化学环境条件的影响。

试验平台位于南京大学仙林校区，采用规格为0.603 m2×1.8 m的OTC平台，试验共设计4个气室。正常大气对照（Amb）：通入空气[CO²：（400±10）μL·L^-1，O³：（75±20）nL·L^-1]；CO²升高（CO²）：通入与高纯度CO²混合后的空气[CO²：（600±10）μL·L^-1，O³：（75±20）nL·L^-1]；O³升高（O³）：通入与高纯度O³混合后的空气[CO²：（400±10）μL·L^-1，O³：（125±20）nL·L^-1]；CO²与O³复合升高（CO²＋O³）：通入与高纯度CO²和O³混合后的空气[CO²：（600±10）μL·L^-1，O³：（125±20）nL·L^-1]。

CO²气体购自南京天泽气体有限公司，纯度为99%；O³由购自山东绿邦光电设备有限公司的NPF10/W臭氧发生器产生。CO²和O³经塑料气管在气体输出端利用循环转动的风机充分混合后通入气室，保证气室内CO²和O³浓度均匀。每月用购自基因有限公司的LI-7000 CO²/H²O分析仪检测气室内的CO²浓度，每天用购自北京宏昌信科技有限公司的美国2B Model 205臭氧检测仪检测气室内O³浓度，并通过送气管上的分压阀调节，维持气室内CO²、O³浓度稳定在相应水平。

每个气室中放入3个30 cm×30 cm×50 cm的水箱。在每个水箱中缓慢铺上10 cm厚的采自南京大学校园内天籁湖的底泥，加入27 L自来水，保持水面距箱底40 cm的高度。试验从2012年4月至2012年8月，为期5个月。

试验系统稳定运行一周，自2012年5月1日起，用Thermo Scientific Orion 5-Star台式pH/ORP/ISE/Cond/DO多参数测量仪每周两次，在每天的同一时间测量表层水pH、Eh值。自6月11日起同时监测沉积物的pH、Eh值。

每周取100 mL表层水样，过0.45 μm滤膜，将滤液分成两份，向其中一份中加入1%HNO³，置于4 ℃冰箱保存。使用ICP-MS（Optima 5300DV）测定滤液中的微量金属元素。另一份滤液分别用钼锑抗分光光度法和过硫酸钾氧化紫外分光光度法测可溶性总氮和可溶性总磷^[17]。

采用BCR分步提取法测定沉积物中金属元素的弱酸可提态、还原态、氧化态和残渣态^[18]。所有浓度均由ICP-MS（Optima 5300DV）测量获得。

采用Excel进行数据计算与作图。在SPSS 16.0中选用Ducan法检验差异显著性，显著性水平为P<0.05。

各处理组表层水和沉积物pH、Eh随时间变化情况如图 1~图 4所示，CO²升高、O³升高及复合升高对表层水及沉积物pH、Eh总体水平影响的统计结果见表 1。CO²升高，表层水pH显著下降（P<0.05）；O³升高，表层水pH无明显变化（P>0.05）；CO²+O³复合升高，表层水pH显著下降（P<0.05）。CO²和O³浓度升高对表层水的Eh以及沉积物的pH和Eh无显著影响（P>0.05）。

每个数据点表示为平均值±标准偏差，试验系统中一个水箱为一个平行，n=3 Each data point is mean±standard deviation; Each gas treatment replicates 3 times（n=3） 图 1 正常大气、CO2升高、O3升高及CO2+O3复合升高处理下水体pH随时间变化趋势 Figure 1 Changes of pH in surface water over time under ambient air,elevated CO2,elevated O3 and elevated CO2+O3 Conditions

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图 2 正常大气、CO2升高、O3升高及CO2+O3复合升高处理下水体Eh随时间变化趋势 Figure 2 Sketch diagram of composting bin

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随机选择各处理组中的一个水箱，测其沉积物pH The sediment pH was measured in one tank randomly selected from each treatment 图 3 正常大气、CO2升高、O3升高及CO2+O3复合升高处理下沉积物pH随时间变化趋势 Figure 3 Changes of pH in sediment over time under ambient,elevated CO2,elevated O3 and elevated CO2+O3 conditions

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随机选择各处理组中的一个水箱，测其沉积物Eh The sediment Eh was measured in one tank randomly selected from each gas treatment 图 4 正常大气、CO2升高、O3升高及CO2+O3复合升高处理下沉积物Eh随时间变化趋势 Figure 4 Change of Eh in sedimentover time under ambient,elevated CO2,elevated O3 and elevated CO2+O3 conditions

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表 1 正常大气、CO²升高、O³升高及CO²+O³复合升高处理下表层水及沉积物pH、Eh总体变化趋势 Table 1 pH and Eh in surface water and sediments under ambient,elevated CO²,elevated O³ and elevated CO²+O³ conditions

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由图 5可知，CO²升高、O³升高及复合升高均对可溶性元素浓度产生一定影响，但表层水中可溶性Zn、Mg、Fe、总氮、总磷的浓度随时间波动较大。可溶性元素平均含量如表 2所示：CO²升高，可溶性Zn浓度显著增加（P<0.05）；O³升高，可溶性Zn浓度无显著变化（P>0.05）；CO²+O³复合升高，可溶性Zn浓度相比于正常大气对照也没有显著差异（P>0.05）。CO²升高，可溶性Mg浓度显著增加（P<0.05）；O³升高对可溶性Mg浓度无显著影响（P>0.05）；而二者复合升高，可溶性Mg浓度显著增加（P<0.05）。CO²和O³升高对可溶性Fe和总氮含量无明显影响（P>0.05）。CO²和O³单独升高对可溶性总磷的浓度无明显影响（P>0.05），而当两者复合升高时，可溶性总磷浓度显著增加（P<0.05）。

图 5 正常大气、CO2升高、O3升高及CO2+O3复合升高处理下表层水中可溶性Zn（a）、可溶性Mg（b）、可溶性Fe（c）、可溶性总氮（d）、可溶性总磷（e）浓度随时间变化趋势 Figure 5 Concentrations of soluble Zn（a）,soluble Mg（b）,soluble Fe（c）,soluble TN（d） and soluble TP（e）in surface water under ambient,elevated CO2,elevated O3 and elevated CO2+O3 conditions

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表 2 正常大气、CO²升高、O³升高及CO²+O³复合升高处理下表层水中可溶性Zn、Mg、Fe、总氮、总磷平均浓度（mg·L^-1，n=36） Table 2 Average concentrations of soluble Zn,Mg,Fe,TN and TP in surface waterunder ambient,elevated CO²,elevated O³ and elevated CO²+O³ conditions（mg·L^-1）

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图 6表明沉积物中Zn、Mg和Fe都主要以残渣态存在。CO²升高，Zn的还原态较正常大气下增加了约46%（P<0.05）；CO²升高、O³升高及CO²+O³复合升高都能导致氧化态Zn所占比例下降（P<0.05）。CO²升高，Mg的弱酸可提取态含量增加了约2 mg·kg^-1（P<0.05）；各处理组中还原态和氧化态Mg含量均无明显变化（P>0.05）。各处理组中弱酸可提取态Fe含量无明显差异（P>0.05）；CO²升高、O³升高及CO²+O³复合升高条件下还原态Fe含量下降（P<0.05）。

图 6 正常大气、CO2升高、O3升高及CO2+O3复合升高处理5个月后沉积物中Zn（a）、Mg（b）和Fe（c）不同形态所占比例 Figure 6 Percentages of Zn（a）,Mg（b） and Fe（c） fractions in sediments exposed to ambient,elevated CO2,elevated O3 and elevated CO2+O3 conditions for 5 months

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CO²浓度升高打破水体碳酸盐化学平衡，水体中H⁺和HCO^-3浓度增加，CO²-3浓度减少，pH下降。水体质子转移的同时也伴随着电子的迁移，从而影响水体的氧化还原电位^[11]。然而在本试验中，未能检测到CO²和O³升高对水体Eh的影响。这可能是因为天然水体是一个相当复杂的体系，其氧化还原电位是多个氧化物质和还原物质发生氧化还原反应的综合结果，水体中的溶解氧、pH、硬度、碱度、硫酸盐、硅酸盐、Fe、Mn等元素以及有机质都是影响Eh的因素^{[19, 20, 21]}。未来大气条件下水体Eh会如何变化仍需进一步研究。

沉积物释放元素受pH、微生物、溶解氧、温度等多种因素的影响^{[22, 23, 24, 25]}。pH对沉积物中重金属元素的释放有很大影响，pH的下降可以使碳酸盐和氢氧化物溶解，而且H⁺的竞争吸附作用也可以增加重金属离子的释放量；同时，pH的降低能使重金属溶解度明显增加^[26]。

朱广伟^[22]在研究沉积物释放Zn的规律时发现，沉积物中pH值下降导致沉积物向上覆水释放Zn的量增加。在本研究中CO²升高条件下水体pH下降，还原态Zn所占比例增加，可能导致沉积物向水体中释放Zn的量增加，进而增加可溶态Zn浓度。CO²+O³复合升高条件下表层水pH下降，但可溶态Zn浓度无明显变化。其可能原因有： CO²+O³复合升高处理组沉积物中弱酸可提取态和还原态Zn的含量无明显变化；Fe³⁺也能够影响Zn的释放，Fe³⁺在水体中很容易形成Fe（OH）₃类聚合胶体，带大量负电荷，能够吸附水体和沉积物中的金属离子从而减少沉积物中重金属的释放，降低水体中可溶性金属的浓度^[22]。虽未检测到显著性差异，但CO²+O³处理组可溶性Fe浓度平均值要高于正常大气对照组，使得Fe（OH）₃类聚合胶体吸附Zn的量增加。

徐畅等^[27]发现，pH值降低导致土壤中可溶性Mg浓度增加，Mg的生物可利用性增大。本研究也有类似发现，CO²升高导致沉积物中弱酸可提态Mg含量增加，水体中可溶性Mg浓度增加。O³升高对沉积物中Mg的形态及水体中可溶性Mg的浓度均无明显影响。而CO²+O³作用下可溶性Mg含量显著增加，可能是因为复合效应下水体pH下降，促进了沉积物中Mg的释放。然而本文中并未检测到CO²+O³复合升高对沉积物中Mg的形态有显著影响，故对其释放机制尚不十分了解，有待进一步研究。

本试验中CO²升高和CO²+O³复合升高条件下水体pH下降，但是可溶性Fe的浓度并未显著改变。其可能原因有：尽管CO²升高及CO²+O³复合升高导致水体pH下降，但是总体各处理组水溶液均呈碱性，释放出来的Fe²⁺、Fe³⁺易与环境中的OH^-结合，生成Fe（OH）₂、Fe（OH）₃沉淀，难以向表层水扩散，可能导致各处理组释放到水体中的Fe浓度较低，且差异性不显著；Fe的释放还受到微生物、溶解氧、温度等其他因素的影响^[23]，且Fe是浮游植物生长的必需微量元素，在浮游植物氮的吸收固定、叶绿素合成、光合作用等过程中发挥着重要作用^[28]。在本试验中，观察到大量水绵周期性生长，水绵在生长过程中吸收、利用水体中的Fe元素，随着其生长周期的变化，吸收Fe元素的量也发生改变，影响水体中可溶性Fe的浓度，导致各处理组可溶性Fe的差异性进一步缩小。

本研究中，CO²及O³升高对可溶性总氮的浓度没有显著的影响。林华实^[25]的研究也发现在碱性条件下，pH的变化对氮的释放没有明显影响。

王新建等^[29]的研究发现，在碱性条件下OH^-与被束缚的磷酸盐阴离子产生竞争吸附，导致释磷量随pH的上升而增加。在本试验中CO²和O³单独升高均未能明显地影响沉积物对P的释放，而CO²和O³复合升高使磷的释放量显著增加。其可能原因是沉积物释放磷还受温度、溶解氧以及生物因素的影响^[24]，从而导致不同研究对象在不同环境条件下的释放情况不尽相同。因此，仍需要进行深入研究探索沉积物中元素释放的机制，建立模型以模拟未来大气条件下沉积物中元素的释放情况。

CO²和O³的复合效应与CO²、O³单独升高对水化学环境的影响存在显著差异，且水体理化性质的改变对浮游植物的生长产生一定影响。目前的结果尚不能说明大气CO²、O³浓度升高及其复合效应对水生生物会产生怎样的影响。未来应从水化学、水生生物等角度系统地研究复合大气环境条件变化对水生态系统的影响及其机制。

CO²单独升高导致水体pH下降，可溶态Zn、Mg浓度上升；O³单独升高对水体pH、可溶态金属及总磷浓度无显著影响；复合效应与CO²、O³单独升高对水化学环境的影响存在显著差异。复合条件下水体pH下降，可溶态Zn浓度无明显变化，可溶态Mg浓度显著增加；且复合效应增加沉积物的释磷量，导致可溶态总磷浓度显著高于CO²和O³单独升高组。CO²、O³升高及其复合效应随着对水环境化学条件的改变将可能影响到淡水环境初级生产力的变化，进而影响整个淡水生态系统。目前的模拟试验为开展复合效应对水环境影响研究的必要性提供了一些依据，然而本试验系统稳定性欠佳，不利于进行机理研究。未来应建立更加精密的模拟系统，进行更为长期和深入的试验，以研究大气条件变化对水环境影响的机制。