城市環(huán)境研究所在亞熱帶深水水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的成因取得研究進(jìn)展

　　在當(dāng)前氣候變化背景下，預(yù)計(jì)全球熱帶和亞熱帶地區(qū)臺(tái)風(fēng)事件(也稱為熱帶氣旋或颶風(fēng))的強(qiáng)度將持續(xù)增加，由此帶來(lái)的強(qiáng)風(fēng)和暴雨災(zāi)害事件將造成當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)功能的損失。深水型水庫(kù)和湖泊具有重要的科學(xué)和社會(huì)服務(wù)價(jià)值，這些水體的一個(gè)典型特征是水體上下分層，例如表層水體(湖上層)藻類較多和底層水體(湖下層)營(yíng)養(yǎng)豐富。強(qiáng)風(fēng)引起的混合擾動(dòng)可以將深層水體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶到光照充足的表層水體，而強(qiáng)降雨還可能會(huì)增加水體的陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入。這些營(yíng)養(yǎng)鹽的波動(dòng)性增加通常伴隨著藻類生物量的增加或浮游生物群落組成的變化。然而，在一個(gè)不斷變化的環(huán)境中，采用新方法結(jié)合較高頻率觀測(cè)會(huì)促進(jìn)我們對(duì)突發(fā)性干擾事件后，深水水體生物地球化學(xué)過(guò)程的理解。

 

　　水體中顆粒有機(jī)物的化學(xué)計(jì)量和穩(wěn)定同位素是了解浮游生物動(dòng)態(tài)和富營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)的生物地球化學(xué)過(guò)程的重要工具。捕食者浮游動(dòng)物和初級(jí)生產(chǎn)者藻類的化學(xué)計(jì)量變化會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)釋放的速率，進(jìn)而可能改變淡水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。顆粒有機(jī)物的穩(wěn)定同位素已被廣泛用于研究元素循環(huán)和識(shí)別元素來(lái)源。事實(shí)上，水體顆粒有機(jī)物的尺寸大小是重要的功能性狀，它可以影響水生態(tài)系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)的生物利用和生物地球化學(xué)循環(huán)。大多數(shù)自由生細(xì)菌的大小通常小于3 μm，淡水浮游藻類個(gè)體多數(shù)在3–20 μm范圍內(nèi)，大多數(shù)原生動(dòng)物和后生動(dòng)物分別大于20 μm和64 μm。已有研究通過(guò)人為擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與底層水體相比，表層水體的微生物群落表現(xiàn)出更高的干擾恢復(fù)能力。因此，將來(lái)的研究不僅應(yīng)關(guān)注表層水體的浮游生物群落，還應(yīng)考慮強(qiáng)風(fēng)(例如臺(tái)風(fēng))影響下深水層微生物介導(dǎo)的生物地球化學(xué)過(guò)程的潛在持久響應(yīng)。然而，臺(tái)風(fēng)對(duì)深水型湖庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)的生物地球化學(xué)過(guò)程的影響尚不清楚。
 

　　中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所水生態(tài)健康研究組(楊軍團(tuán)隊(duì))選擇亞熱帶深水型水庫(kù)為研究對(duì)象，進(jìn)行了為期三年的研究，以闡明環(huán)境變化、顆粒有機(jī)物的穩(wěn)定同位素和化學(xué)計(jì)量、以及營(yíng)養(yǎng)循環(huán)對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)及其內(nèi)在相互關(guān)系。結(jié)果顯示，臺(tái)風(fēng)顯著的改變了深層水體的營(yíng)養(yǎng)水平以及溫躍層深度。臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致水庫(kù)表層水溫降低、底層水溫升高。臺(tái)風(fēng)后短期(如臺(tái)風(fēng)后的前10天)內(nèi)，中層水體顆粒有機(jī)物濃度大于底層水體，而隨后底層水體顆粒有機(jī)物濃度快速升高，并逐漸超過(guò)中層水體；而且，中層水體顆粒有機(jī)物的濃度在臺(tái)風(fēng)后短期內(nèi)顯著增加，但隨后又迅速下降恢復(fù)至臺(tái)風(fēng)前的濃度水平，這伴隨了底層顆粒有機(jī)物(藻類和死亡有機(jī)物)的積累和濃度的持續(xù)增加，表明臺(tái)風(fēng)后有機(jī)物(包括藻類)沉降是底層有機(jī)物的主要來(lái)源。隨機(jī)森林和路徑分析結(jié)果同樣表明，葉綠素a與中層和底層水體的顆粒有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)顯著相關(guān)，因此臺(tái)風(fēng)事件驅(qū)動(dòng)的陸源有機(jī)物輸入增加、藻類沉降和細(xì)菌異養(yǎng)分解共同作用，導(dǎo)致水庫(kù)底層水體中總氮、銨態(tài)氮和總磷急劇增加且長(zhǎng)期維持高濃度，進(jìn)而增加水庫(kù)和下游水體富營(yíng)養(yǎng)化的威脅。

 

　　臺(tái)風(fēng)后，底層水體的微微型顆粒有機(jī)物(即0.2–3 μm)顯著增加，該粒徑的顆粒有機(jī)物對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)比其他粒徑的顆粒有機(jī)物(即3–20、20–64、64–200 μm)更加的強(qiáng)烈，并且臺(tái)風(fēng)后第一個(gè)月內(nèi)微微型顆粒有機(jī)物一直保持較高的水平。進(jìn)一步分析表明，微微型顆粒有機(jī)物的濃度和計(jì)量學(xué)比值(如碳氮比和氮磷比)是底層水體營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的重要指標(biāo)，顆粒有機(jī)物的氮同位素與氨氮濃度顯著相關(guān)，說(shuō)明臺(tái)風(fēng)促進(jìn)了底層水體的氮循環(huán)過(guò)程，造成氨氮的持續(xù)積累。臺(tái)風(fēng)后底層水體微微型顆粒有機(jī)物的C:N比值的增加可以降低營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的能量傳遞，有利于底層水體中的異養(yǎng)分解過(guò)程，而且顆粒有機(jī)物的穩(wěn)定同位素和濃度對(duì)底層營(yíng)養(yǎng)循環(huán)具有直接效應(yīng)，這些證據(jù)表明，臺(tái)風(fēng)主要通過(guò)微微型的顆粒有機(jī)物(含細(xì)菌)促進(jìn)深層水體的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)。因此，臺(tái)風(fēng)后，底層水體有機(jī)物輸入的增加和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的加速增加了深水水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化和有害藻類水華發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。
 

　　該研究綜合應(yīng)用穩(wěn)定同位素、化學(xué)計(jì)量學(xué)和多營(yíng)養(yǎng)循環(huán)指數(shù)方法，揭示了臺(tái)風(fēng)事件對(duì)亞熱帶深水水庫(kù)的生態(tài)影響。發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)后底層水體顆粒有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽的持續(xù)增加，其中，微微型顆粒有機(jī)物(0.2-3 μm)在促進(jìn)深層水體的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)中發(fā)揮了更為關(guān)鍵的作用。臺(tái)風(fēng)驅(qū)動(dòng)的深層水體營(yíng)養(yǎng)循環(huán)加速和濃度積累將增加水庫(kù)及下游水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。因此，在未來(lái)研究臺(tái)風(fēng)事件對(duì)深水生態(tài)系統(tǒng)影響時(shí)，應(yīng)采取更高分辨率的長(zhǎng)期采樣，對(duì)不同水層和不同粒徑顆粒有機(jī)物進(jìn)行研究。
 

　　原標(biāo)題：城市環(huán)境研究所在亞熱帶深水水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的成因取得研究進(jìn)展