气候变化是人类社会实现可持续发展面临的重大挑战之一。在基于传统产业的“碳减排”方案遭遇瓶颈时,基于自然的解决方案或将成为应对气候变化的有利补充。“蓝碳”指水生态环境系统所固定的碳,其内涵正在从海洋不断向内陆水域延伸。湿地生态系统如湖泊、水库、池塘等,仅占全球面积的5%至8%,但对区域碳循环的影响却不容忽视。当前,有关内陆水域尤其是湖泊“蓝碳”研究却较为滞后。“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”重大研究计划2020年度项目指南提出:未来需要在典型湖泊和湿地生境下,明晰湖泊群落与环境的相互作用机制,并利用计算与仿真等概念对其开展相关研究。本研究核心目的是评估湖泊固碳潜力、明晰影响湖泊浮游植物固碳的水陆环境因素、厘清湖泊固碳的跨尺度关联机制并提出湖泊保护与“蓝碳”利用的政策建议。本研究分别从“现状分析:湖泊浮游植物初级生产力及其固碳量估算”、“因果判别:影响湖泊浮游植物固碳的水陆环境因素识别”、“管理探讨:浮游植物固碳的多主体仿真”三部分展开,研究内容与结果如下:首先,研究进行了湖泊浮游植物初级生产力估算及其固碳量研究。基于中国中部内陆城市武汉市63个湖泊的物理、化学和生物指标监测数据,采用初级生产力垂向归纳模型（Vertically generalized production model,VGPM）,结合文献调研获取计算浮游植物初级生产力所需的相关参数,计算出单位面积的湖泊初级生产力并换算出湖泊固碳量。研究主要发现:1)武汉市63个湖泊2018年总固碳量0.56×10~6t C·a-1,初级生产力870178.25 mg C·m-2·a-1。虽然研究区域湖泊总固碳量远远低于中国近岸海域(8.62×10~6t C·a-1至416.64×10~6t C·a-1),但单位面积固碳却略高于中国近岸海域(112000 mg C·m-2·a-1至408000 mg C·m-2·a-1)。2)各湖泊单位面积固碳量处于14.91mg C·m-2·a-1至29305.08 mg C·m-2·a-1之间,湖泊间存在较大的差异。固碳量较大的湖泊集中分布于武汉市的东南部。湖泊固碳量与浮游植物初级生产力、湖泊水域面积及固碳时间均呈现正相关。63个被研究湖泊中,道士湖年固碳量最低,其年固碳量为19.70 t C·a-1,其初级生产力为98495.25 mg C·m-2·a-1。梁子湖年固碳量最高,其年固碳量为69191.96 t C·a-1,其初级生产力为247114.13 mg C·m-2·a-1。其次,研究利用“嵌套式”的数据结构来抽象跨尺度的水陆环境因素间关系,并将多层线性模型引入到识别影响湖泊浮游植物固碳的水陆环境因素研究中。研究分层提出:1)水体透明度、水温、浮游植物生物量直接影响浮游植物固碳的微观假设子框架;2)水温、总氮、总磷、氮磷比、轮虫生物量、枝角类生物量、桡足类生物量通过影响浮游植物生物量,间接影响浮游植物固碳的微观假设子框架;3)湖泊周边土地利用类型面积占比变化影响水环境状况,间接影响浮游植物固碳的宏观假设子框架。并分别建立以初级生产力作为输出变量、以浮游植物生物量作为输出变量的多层线性模型,以及以土地利用类型面积占比作为输出变量的多元线性模型。通过整合理论假设和数学模型拟合结果,研究发现:1)微观层面,总磷对浮游植物生物量影响最强、其次是总氮、轮虫生物量和温度。2)宏观的土地利用面积变化与微观的水环境变化会对浮游植物群落产生协同影响,进而影响着浮游植物固碳能力。这可被解释为:（1）耕地面积增加伴随着水体透明度与水体温度的增加,协同提升了浮游植物的初级生产力,促进了浮游植物固碳。（2）林地面积增加伴随着水体温度的增加,协同提升了浮游植物的生物量,进而促进了浮游植物固碳。（3）草地面积的增加伴随着水体透明度与水体温度的降低,协同降低了浮游植物的初级生产力和生物量,削弱了浮游植物固碳。（4）水体透明度和水体中总氮浓度随着水域面积的增加而增加,协同提升了浮游植物生物量和初级生产力,进而促进了浮游植物固碳。最终,本研究从基于主体建模的思路上提出:湖泊社会生态管理系统是一个含有多目标层次的、存在涌现性的复杂适应性系统,即微观的物化因子、浮游植物与浮游动物通过个体行为和交互行为变化在宏观系统层面涌现并影响湖泊固碳量和水环境质量。研究定义了“浮游植物行为子系统”、“浮游动物行为子系统”、“物化因子环境子系统”和“管理者决策子系统”四个子系统。前三个子系统是核心系统,研究量化了浮游植物与浮游动物子系统中浮游生物的消耗、生长、繁殖、移动、死亡、捕食与被捕食行为,物化因子环境子系统中氮、磷营养盐的扩散、被消耗、释放等现象,及各子系统之间的生物碳、氮、磷等物质的交换规则。管理者决策子系统作为边界系统,通过制定相应的湖泊管理政策调节核心系统的状态。研究将数学函数转换为计算机仿真语言,并利用Net Logo计算机仿真工具实现了模型的构建与调整,并在不同水质情景、温度情景、污染物排放情景和鱼群投放情景下,模拟湖泊固碳、浮游植物固碳、浮游动物固碳、生物碎屑固碳的时空动态变化。研究主要发现:1)在水质情景下,水体温度设定为20℃,且光照条件充足的前提下,（1）水体中氮、磷营养盐浓度变化对湖泊固碳将产生非线性的影响,表现为:随着水体中氮、磷浓度的升高,氮、磷对湖泊固碳的促进作用将逐渐减弱;（2）磷对固碳的影响要强于氮,表现为:氮浓度从Ⅲ类水体标准限值（总氮:1.0 mg/L）降至Ⅴ类水体标准限值（总氮:2.0 mg/L）,固碳量增加共计34000个单位量,而磷浓度从Ⅲ类水体限值（总磷:0.05 mg/L）降至Ⅴ类水体限值（总磷:0.2 mg/L）,固碳量增加197000个单位量。（3）氮、磷营养盐的浓度不仅影响固碳量,还影响水环境中浮游植物和浮游动物的生物量累积量的相对大小:低浓度氮、低浓度磷的水环境中（如SNⅢPⅢ,总氮:1.0mg/L,总磷:0.05mg/L）,浮游植物的生物量高于浮游动物;高浓度氮高磷的水环境中（如SNⅤPV,总氮:2.0mg/L,总磷:0.2mg/L）,浮游动物生物量高于浮游植物。2)在温度情景下,水体中氮、磷浓度设定为Ⅳ类水体标准限值（总氮:1.5 mg/L,总磷:0.10 mg/L）的前提下,温度对湖泊固碳、浮游植物与浮游动物生物量均有促进作用,且对浮游植物生物量促进作用强于浮游动物。温度的改变,将改变湖泊生态系统固碳的驱动力机制,例如在低温（如0℃和10℃）下,固碳量主要依靠浮游动物和浮游植物提供。在中高温（如20℃和30℃）下,碎屑对固碳贡献逐渐增大。3)在污染物排放情境下,水体温度设定为20℃,水体中氮、磷浓度设定为Ⅳ类水体标准限值的前提下,（1）与一级A排放情景（总氮:15 mg/L,总磷:0.5 mg/L）相比,一级B排放情景（总氮:20 mg/L,总磷:1.0 mg/L）固碳量增加293000个单位量;（2）与一级A排放情景相比,虽然一级B排放情景下系统中的氮、磷的总量得到了增加,但并这部分增加量进入到了浮游植物和浮游动物,对水质并未产生显著影响。4)在鱼群投放情景下,水体温度设定在20℃,水体氮、磷的初始浓度设定为Ⅳ类水体标准限值,氮磷排放浓度设定为一级A的前提下。与仅投放以浮游植物为食、或仅投放杂食鱼群的策略相比,仅投放以浮游动物为食鱼群的策略最为可取。在此情景下,固碳量得到了极大提升地同时,水环境质量也得到了一定地改善。综上所述,湖泊存在着一定的固碳能力与潜力。湖泊固碳能力既受到来自微观层面的水体温度、氮、磷以及浮游动物生物量的影响,也受到来自宏观层面的土地利用覆盖和变化的影响。研究提出了“湖泊社会生态管理系统”概念,结合“水环境质量只能向好发展”的约束性管理目标,进一步提出“固碳量”弹性指标与“水环境质量”约束性指标相结合的系统管理决策框架。