水生所关于退化中的大型浅水湖泊氮空间分布特征与DOM关系研究取得进展

  • 张璐 (中国科学院水生生物研究所)
  • 创建于 2022-11-17
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  气候异常、城市扩张、人类活动的强烈干扰使得许多生产性或功能性湖泊的含氮营养盐在长时间内维持较高水平,氮素作为影响湖泊富营养化的关键营养元素,其在水体中的迁移转化与溶解性有机物(DOM)结构和组成密切相关。水环境中的DOM包括来自生活污水、工业废水和农业径流等人类活动的外源DOM,以及退化中湖泊大面积衰亡的水生植物提供的大量内源DOM,因而具有复杂性和异质性。DOM可作为影响微生物活性的碳源和营养物质,不同来源及其占比决定其生物可利用性强弱,但氮、DOM和微生物的相互作用关系在退化中湖泊并不明确,其中的耦合机制更是鲜少研究。 

  近期中国科学院水生生物研究所吴振斌研究员团队以长江中下游典型的大型浅水湖泊洪湖为研究对象(图1),以不同空间氮的形态组成、DOM组成和腐殖化程度、微生物之间的内在响应关系为切入点,解析它们的空间异质性和耦合对应关系,揭示长江中下游典型退化中的湖泊-洪湖生态系统微观界面氮持续积累的内在原因(图2)。

图1 洪湖采样位点分布图

图2 不同形态氮、DOM和微生物群落响应关系模式图

  研究表明,洪湖不同形态无机氮的分布随流场方向呈现出空间异质性(图3)。入湖口上覆水硝氮含量较高,而西北区域的人工养殖围垸上覆水氨氮含量较高,总氮在西南区和东北区呈现出较高的积累。洪湖沉积物中氮的主要形态为有机氮,无机氮源中氨氮含量最高。具有较强极性和高浓度营养盐吸附能力(粉砂组分比例高)的沉积物特性导致了总氮和氨氮在西南区含量较高。此外,水生植物的大面积衰退加剧了西南区沉积物中氮素的积累。沉积物中与氮循环相关细菌的丰度较低,影响氮的生物利用和转化,最终直接导致沉积物中氮含量升高。在当地水文和生物地球化学过程的作用下,沉积物有机质含量从入湖口向湖区呈上升趋势;由于外源和内源DOM污染的共同影响,DOM腐殖质组分的分布和转化表现出较大的空间差异,入湖口地形狭窄,细粘土占比高,大量外来养分和有机质,使得入湖口沉积物腐殖化程度最高(图4)。氮、DOM和微生物群落的生态关系进一步说明,沉积物中氮、DOM和物理化学性质的耦合作用直接或间接影响着细菌群落的丰度和多样性(图5)。此外,微生物的生态响应最终反馈到有机质迁移和养分积累。 

  本研究发现的退化湖泊环境中氮、DOM和微生物的内部生态响应规律阐明了退化湖泊生态系统中营养富集与生物利用度之间的关系,对于预测退化系统反馈循环机制的动态变化具有重要意义,将为制定退化湖泊水生态修复综合治理对策提供科学支撑。 

图3 洪湖上覆水(A/B/C/D)和沉积物(E/F/G/H)中TN,NH4+-N和NO3--N的空间分布特征

图4 沉积物腐殖质组成及DOM光学参数投影值变化(R-入湖口区域;S-西南区域;W-西北区域;E-东北区域;HS-腐殖质;HA-腐殖酸;FA-富里酸)

图5 细菌群落多样性环境因子的结构方程分析。箭头表示直接的因果路径,而双头箭头表示成对的协变量。不同线宽的实线表示影响显著(*P< 0.05,**P< 0.01,***P< 0.001),灰色线表示影响不显著。箭头旁边的数字表示关系的效应大小。R2表示被解释方差的比例。红线和蓝线分别表示正、负关系。(BIX\FI\HIX\SUVA254\A250/A365为DOM光谱参数;pH/ORP/Sand/Silt为沉积物理化性质;DB-细菌多样性)

  该研究得到了国家自然科学基金(31830013;32171632;32101374)和湖北省重点研发计划(2020BCA073)等项目支持,以“ Spatial characteristics of nitrogen forms in a large degenerating lake:its relationship with dissolved organic matter and microbial community”为题在《Journal of Cleaner Production》发表,(https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133617)。特别研究助理张璐博士为第一作者,刘碧云研究员为通讯作者。吴振斌研究员对研究工作给予指导。 

  近期,研究团队围绕富营养化湖泊沉水植物衰退和低等藻类异常增殖机制开展系列研究,主要成果详见以下相关链接: 

    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 of Cladophora oligoclora decomposition: 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) 

责任编辑:韩明瑞