城市環境所亞熱帶深水水庫富營養化成因研究獲進展

　　在當前氣候變化背景下，預計全球熱帶和亞熱帶地區臺風事件（又稱熱帶氣旋或颶風）的強度將持續增加，由此帶來的強風和暴雨災害事件將造成當地經濟和生態系統功能的損失。深水型水庫和湖泊具有重要的科學和社會服務價值，這些水體的一個典型特征是水體上下分層，如表層水體（湖上層）藻類較多和底層水體（湖下層）營養豐富。強風引起的混合擾動可以將深層水體的營養物質帶到光照充足的表層水體，而強降雨還可能會增加水體的陸源營養物質輸入。這些營養鹽的波動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，在一個不斷變化的環境中，采用新方法結合較高頻率觀測將促進我們對突發性干擾事件后，深水水體生物地球化學過程的理解。

　　水體中顆粒有機物的化學計量和穩定同位素是了解浮游生物動態和富營養化相關的生物地球化學過程的重要工具。捕食者浮游動物和初級生產者藻類的化學計量變化影響營養釋放的速率，進而可能改變淡水生態系統的結構和功能。顆粒有機物的穩定同位素已被廣泛用于研究元素循環和識別元素來源。事實上，水體顆粒有機物的尺寸大小是重要的功能性狀，它可以影響水生態系統中營養的生物利用和生物地球化學循環。大多數自由生細菌的大小通常小于3 μm，淡水浮游藻類個體多數在3–20 μm范圍內，大多數原生動物和后生動物分別大于20 μm和64 μm。已有研究通過人為擾動實驗發現，與底層水體相比，表層水體的微生物群落表現出更高的干擾恢復能力。因此，未來的研究應關注表層水體的浮游生物群落，并應考慮強風（例如臺風）影響下深水層微生物介導的生物地球化學過程的潛在持久響應。然而，臺風對深水型湖庫生態系統富營養化相關的生物地球化學過程的影響尚不清楚。

　　中國科學院城市環境研究所水生態健康研究組（楊軍團隊）選擇亞熱帶深水型水庫為研究對象，開展了為期三年的研究，以期闡明環境變化、顆粒有機物的穩定同位素和化學計量以及營養循環對臺風的響應及其內在相互關系。結果顯示，臺風顯著的改變了深層水體的營養水平以及溫躍層深度。臺風導致水庫表層水溫降低、底層水溫升高。臺風后短期（如臺風后的前10天）內，中層水體顆粒有機物濃度大于底層水體，而隨后底層水體顆粒有機物濃度快速升高，并逐漸超過中層水體；中層水體顆粒有機物的濃度在臺風后短期內顯著增加，但隨后迅速下降恢復至臺風前的濃度水平，這伴隨了底層顆粒有機物（藻類和死亡有機物）的積累和濃度的持續增加，表明臺風后有機物（包括藻類）沉降是底層有機物的主要來源。隨機森林和路徑分析結果同樣表明，葉綠素a與中層和底層水體的顆粒有機物和營養循環顯著相關，因此，臺風事件驅動的陸源有機物輸入增加、藻類沉降和細菌異養分解共同作用，導致水庫底層水體中總氮、銨態氮和總磷急劇增加且長期維持高濃度，進而增加水庫和下游水體富營養化的威脅。

　　臺風后，底層水體的微微型顆粒有機物（即0.2–3 μm）顯著增加，該粒徑的顆粒有機物對臺風的響應比其他粒徑的顆粒有機物（即3–20、20–64、64–200 μm）更加的強烈，并且臺風后第一個月內微微型顆粒有機物一直保持較高的水平。進一步分析表明，微微型顆粒有機物的濃度和計量學比值（如碳氮比和氮磷比）是底層水體營養循環的重要指標，顆粒有機物的氮同位素與氨氮濃度顯著相關，說明臺風促進了底層水體的氮循環過程，造成氨氮的持續積累。臺風后底層水體微微型顆粒有機物的C:N比值的增加可以降低營養級之間的能量傳遞，有利于底層水體中的異養分解過程，而且顆粒有機物的穩定同位素和濃度對底層營養循環具有直接效應，這些證據表明，臺風主要通過微微型的顆粒有機物（含細菌）促進深層水體的營養循環。因此，臺風后，底層水體有機物輸入的增加和營養循環的加速增加了深水水庫富營養化和有害藻類水華發生的風險。

　　該研究綜合應用穩定同位素、化學計量學和多營養循環指數方法，揭示了臺風事件對亞熱帶深水水庫的生態影響。發現臺風后底層水體顆粒有機物和營養鹽的持續增加，其中，微微型顆粒有機物（0.2-3 μm）在促進深層水體的營養循環中發揮了更為關鍵的作用。臺風驅動的深層水體營養循環加速和濃度積累將增加水庫及下游水體富營養化風險。因此，在未來研究臺風事件對深水生態系統影響時，應采取更高分辨率的長期采樣，對不同水層和不同粒徑顆粒有機物進行研究。

　　相關研究成果以Particulate organic matter as causative factor to eutrophication of subtropical deep freshwater: Role of typhoon (tropical cyclone) in the nutrient cycling為題，發表在Water Research上。博士生高肖飛為論文第一作者，研究員楊軍為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金、福建省自然科學基金等的資助。

　　論文鏈接 

圖1.臺風前后水庫水體環境變化及不同粒徑顆粒有機物氮穩定同位素特征

圖2.臺風前后顆粒有機物碳氮同位素、化學計量和質量的變化

圖3.論文摘要圖