河流梯级筑坝深刻地改变了内陆水体碳循环，但喀斯特水库深水层和下泄水在高二氧化碳分压（pCO₂）、低pH条件下的碳酸盐岩缓冲机制尚不明确。本研究阐明了乌江梯级水库中溶解无机碳（DIC）的迁移转化机制，揭示了碳酸盐岩缓冲作用对CO₂通量时空分布及溶解无机碳稳定碳同位素（d¹³C_DIC）的调控效应。水化学与双碳同位素（d¹³C_DIC和D¹⁴C_DIC）分析表明，在富含碳酸盐岩的水库中，碳酸盐岩溶解和生物碳泵驱动的自源颗粒无机碳形成双重缓冲体系，使水库CO₂产生与排放量降低57% ~ 80%。量化的碳酸盐岩缓冲模型显示，与无碳酸盐岩缓冲情景相比，强缓冲作用将pCO₂和d¹³C_DIC的平衡时间尺度延长了2-100倍。在长期时间尺度下，乌江梯级水库中水-碳酸盐岩矿物相互作用赋予的缓冲能力，不仅抑制CO₂的产生和排放，还影响同位素分馏过程。据此估算，喀斯特水库深水层CO₂产生量减少0.01-135.10 Gg CO₂ year⁻¹，下泄水CO₂排放通量远低于非喀斯特水库，其排放量减少了5.40-93.28 Gg CO₂ year⁻¹。随着全球水库数量持续增加，将碳酸盐岩缓冲作用纳入碳收支评估，对改进水库CO₂排放估算具有关键意义，尤其适用于占地球大陆表面10%~15%的喀斯特地区。

本研究整合水化学分析、双碳同位素示踪（d¹³C_DIC和D¹⁴C_DIC）及碳酸盐岩缓冲模型，揭示了碳酸盐岩缓冲作用对喀斯特梯级水库CO₂动态的调控机制。在水库真光层，生物碳泵作用（BCP）降低了DIC浓度，促进“年轻”自源CaCO₃沉淀，进而维持水库碳酸盐岩缓冲能力。深水层（pH = 7.6 ± 0.1，SIc < 0）为CaCO₃溶解提供了更有利的条件，可将代谢产生的57-80%CO₂转化为非挥发性HCO₃⁻。与非喀斯特水库相比，该过程显著减少了CO₂逃逸，这一现象在水库下泄水的CO₂通量（F_CO2 = 102.3 ± 56.7 mmol m⁻² d⁻¹, n = 28）中得到体现。相较于非碳酸盐岩缓冲系统，碳酸盐岩缓冲作用将pCO₂ (~60 vs. ~30 unitless)和d¹³C_DIC (~1,000 vs. ~10 unitless) 的平衡时间尺度延长了2-100倍。季节变化与水库调节策略共同影响深水层及下泄水中的碳酸盐岩缓冲效应。在丰水期，由于碳酸盐缓冲作用，年调节、月调节、日调节水库深水层CO₂的生成量分别减少了135.10 Gg CO₂year⁻¹、0.30 Gg CO₂year⁻¹、0.01 Gg CO₂year⁻¹；下泄水CO₂排放量减少幅度为7.68-67.52 Gg CO₂year⁻¹。枯水期，碳酸盐岩缓冲作用依然显著，深水层CO₂产生量减少高达125.28 Gg CO₂ year⁻¹，下泄水CO₂排放量减少幅度为5.40-93.28 Gg CO₂ year⁻¹。本研究整合了地质过程（碳酸盐岩缓冲作用）和生物过程（BCP效应）的驱动机制进一步完善了综合性的碳循环研究范式。研究揭示了喀斯特地质过程在全球碳循环中的隐性调控作用，为占地球大陆表面 10%-15%喀斯特地区的水库管理提供了新的思路。该成果深化了对喀斯特水库CO₂产排的水文与生物地球化学机制的认知，为降低水库运行过程中的CO₂排放提供了坚实的理论支撑，兼具重要的科学价值与现实意义。

图1 全球喀斯特流域分布、乌江梯级水库及采样点分布图。图中标注了乌江流域的岩性分类特征，洪家渡、东风、索风营、乌江渡水库地处乌江干流上游至中游流域，思林、彭水、银盘水库则分布于下游流域。

图2 丰水期和枯水期乌江梯级河流-水库系统（入库、库区、下泄）地表水化学参数的变化，包括pH、DIC、Alk、pCO₂、F_CO2、d¹³C_DIC。X轴表示采样点（W1-W31，具体位置详见图1），灰色阴影区域表示水库库区。在图（d）中，虚线表示大气pCO₂值（380 μatm）；在图（e）中，其表示F_CO2 = 0 mmol m⁻² d⁻¹。

图3 丰水期和枯水期乌江梯级水库中库区剖面参数的变化，包括pH、DIC、Alk、pCO₂。

图4  存在与不存在碳酸盐岩缓冲作用的条件下，pCO₂和d¹³C_DIC随无量纲时间的变化特征。图（a–c）展示了pCO₂动态变化，（d–f）图展示了d¹³C_DIC动态变化。X轴表示无量纲时间，计算公式为模拟时间乘以反应速率。

图5 碳的迁移转化机制。（a）DAlk与DDIC的对比关系，（b）Alk与DIC的对比关系，（c）Dd¹³C_DIC与DDIC的对比关系，以及（d）D¹⁴C_DIC与Dd¹³C_DIC的对比关系。OC（CO₂脱气）、AC（CO₂吸收）、PP（初级生产）、R（呼吸作用）、CP（碳酸盐沉淀）、CD（碳酸盐溶解）和 OMD（有机质降解）。红色虚线表示Alk：DIC比为1：1。在图（b）中，灰色虚线表示理论pH等值线，紫色虚线表示理论pCO₂等值线。两个箭头分别表示质子添加（垂直向下）和碳酸钙溶解（斜率为2：1）的向量。

图6 碳酸盐岩缓冲作用下，丰水期与枯水期年调节、季调节及日调节水库深水层及下泄水区CO₂生成与排放的示意图。图（a）年调节水库；（b）季调节水库；（c）日调节水库。