水生所關(guān)于退化中的大型淺水湖泊氮空間分布特征與DOM關(guān)系研究取得進(jìn)展
氣候異常、城市擴(kuò)張、人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾使得許多生產(chǎn)性或功能性湖泊的含氮營(yíng)養(yǎng)鹽在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持較高水平,氮素作為影響湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素,其在水體中的遷移轉(zhuǎn)化與溶解性有機(jī)物(DOM)結(jié)構(gòu)和組成密切相關(guān)。水環(huán)境中的 DOM 包括來(lái)自生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)徑流等人類活動(dòng)的外源 DOM,以及退化中湖泊大面積衰亡的水生植物提供的大量?jī)?nèi)源DOM,因而具有復(fù)雜性和異質(zhì)性。DOM可作為影響微生物活性的碳源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),不同來(lái)源及其占比決定其生物可利用性強(qiáng)弱,但氮、DOM和微生物的相互作用關(guān)系在退化中湖泊并不明確,其中的耦合機(jī)制更是鮮少研究。
近期中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所吳振斌研究員團(tuán)隊(duì)以長(zhǎng)江中下游典型的大型淺水湖泊洪湖為研究對(duì)象(圖1),以不同空間氮的形態(tài)組成、DOM組成和腐殖化程度、微生物之間的內(nèi)在響應(yīng)關(guān)系為切入點(diǎn),解析它們的空間異質(zhì)性和耦合對(duì)應(yīng)關(guān)系,揭示長(zhǎng)江中下游典型退化中的湖泊-洪湖生態(tài)系統(tǒng)微觀界面氮持續(xù)積累的內(nèi)在原因(圖2)。


圖2 不同形態(tài)氮、DOM和微生物群落響應(yīng)關(guān)系模式圖
研究表明,洪湖不同形態(tài)無(wú)機(jī)氮的分布隨流場(chǎng)方向呈現(xiàn)出空間異質(zhì)性(圖3)。入湖口上覆水硝氮含量較高,而西北區(qū)域的人工養(yǎng)殖圍垸上覆水氨氮含量較高,總氮在西南區(qū)和東北區(qū)呈現(xiàn)出較高的積累。洪湖沉積物中氮的主要形態(tài)為有機(jī)氮,無(wú)機(jī)氮源中氨氮含量最高。具有較強(qiáng)極性和高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽吸附能力(粉砂組分比例高)的沉積物特性導(dǎo)致了總氮和氨氮在西南區(qū)含量較高。此外,水生植物的大面積衰退加劇了西南區(qū)沉積物中氮素的積累。沉積物中與氮循環(huán)相關(guān)細(xì)菌的豐度較低,影響氮的生物利用和轉(zhuǎn)化,最終直接導(dǎo)致沉積物中氮含量升高。在當(dāng)?shù)厮暮蜕锏厍蚧瘜W(xué)過(guò)程的作用下,沉積物有機(jī)質(zhì)含量從入湖口向湖區(qū)呈上升趨勢(shì);由于外源和內(nèi)源DOM污染的共同影響,DOM腐殖質(zhì)組分的分布和轉(zhuǎn)化表現(xiàn)出較大的空間差異,入湖口地形狹窄,細(xì)粘土占比高,大量外來(lái)養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì),使得入湖口沉積物腐殖化程度最高(圖4)。氮、DOM和微生物群落的生態(tài)關(guān)系進(jìn)一步說(shuō)明,沉積物中氮、DOM和物理化學(xué)性質(zhì)的耦合作用直接或間接影響著細(xì)菌群落的豐度和多樣性(圖5)。此外,微生物的生態(tài)響應(yīng)最終反饋到有機(jī)質(zhì)遷移和養(yǎng)分積累。
本研究發(fā)現(xiàn)的退化湖泊環(huán)境中氮、DOM和微生物的內(nèi)部生態(tài)響應(yīng)規(guī)律闡明了退化湖泊生態(tài)系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)富集與生物利用度之間的關(guān)系,對(duì)于預(yù)測(cè)退化系統(tǒng)反饋循環(huán)機(jī)制的動(dòng)態(tài)變化具有重要意義,將為制定退化湖泊水生態(tài)修復(fù)綜合治理對(duì)策提供科學(xué)支撐。

圖3 洪湖上覆水(A/B/C/D)和沉積物(E/F/G/H)中TN,NH4+-N和NO3--N的空間分布特征

圖4 沉積物腐殖質(zhì)組成及DOM光學(xué)參數(shù)投影值變化(R-入湖口區(qū)域;S-西南區(qū)域;W-西北區(qū)域;E-東北區(qū)域;HS-腐殖質(zhì);HA-腐殖酸;FA-富里酸)

圖5 細(xì)菌群落多樣性環(huán)境因子的結(jié)構(gòu)方程分析。箭頭表示直接的因果路徑,而雙頭箭頭表示成對(duì)的協(xié)變量。不同線寬的實(shí)線表示影響顯著(*P< 0.05,**P< 0.01,***P< 0.001),灰色線表示影響不顯著。箭頭旁邊的數(shù)字表示關(guān)系的效應(yīng)大小。R2表示被解釋方差的比例。紅線和藍(lán)線分別表示正、負(fù)關(guān)系。(BIX\FI\HIX\SUVA254\A250/A365為DOM光譜參數(shù);pH/ORP/Sand/Silt為沉積物理化性質(zhì);DB-細(xì)菌多樣性)
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(31830013;32171632;32101374)和湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020BCA073)等項(xiàng)目支持,以“ Spatial characteristics of nitrogen forms in a large degenerating lake:its relationship with dissolved organic matter and microbial community”為題在《Journal of Cleaner Production》發(fā)表,(https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133617)。特別研究助理張璐博士為第一作者,劉碧云研究員為通訊作者。吳振斌研究員對(duì)研究工作給予指導(dǎo)。
近期,研究團(tuán)隊(duì)圍繞富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉水植物衰退和低等藻類異常增殖機(jī)制開(kāi)展系列研究,主要成果詳見(jiàn)以下相關(guān)鏈接:
Zhang, L., Huang, S.Z., Peng, X., Liu, B.Y.*, Zhang, X.Y., Ge, F.J., Zhou, Q.H., Wu, Z.B., 2021. Potential ecological implication ofCladophora oligocloradecomposition: Characteristics of nutrient migration, transformation, and response of bacterial community structure.Water Research. 190, 116741.(https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116741)
Zhang, L., Ge, F.J., Zhang, S.X., Li, X., Peng, X., Zhang, X.Y., Zhou, Q.H., Wu, Z.B., Liu, B.Y.*, 2022. Potential effects of Cladophora oligoclora decomposition: Microhabitat variation and Microcystis aeruginosa growth response. Ecotoxicology and Environmental Safety. 247, 114236. (https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.114236)
Peng, X., Zhang, L., Li, Y., Lin, Q.W., He, C., Huang, S.Z., Li, H., Zhang, X.Y., Liu, B.Y.*, Ge, F.J., Zhou, Q.H., Zhang, Y., Wu, Z.B., 2021. The changing characteristics of phytoplankton community and biomass in subtropical shallow lakes: Coupling effects of land use patterns and lake morphology. Water Research. 200, 117235. (https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117235)
Peng, X., Lin, Q.W., Liu, B.Y.*, Huang, S.Z., Yan, W.H., Zhang, L., Ge, F.J., Zhang, Y., Wu, Z.B., 2022. Effect of submerged plant coverage on phytoplankton community dynamics and photosynthetic activity in situ. Journal of Environmental Management. 301, 113822. (https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113822)
