東北地理所在基于水動力-生態模型的查干湖浮游植物競爭機制研究取得重要進展
浮游植物是表征湖泊生態系統健康的重要指標，其過度增殖導致的水華現象成為全球水環境面臨的重要問題之一。如何量化營養物質和光照等多環境因子協同作用對浮游植物生長競爭的影響是浮游植物競爭機制研究的關鍵科學問題。查干湖是吉林省最大的天然湖泊和重要的漁業基地，新建鹽堿地灌區退水大量排入查干湖，導致湖泊水質惡化和富營養化程度加劇，嚴重威脅湖泊水生態安全和生態產品可持續性。
為此，東北地理所水文與水資源學科組科研人員在揭示查干湖水循環機理及水質演變規律的基礎上，基于綜合模型數據庫和Delft3D平臺，將BLOOM模塊嵌套入傳統的生態模型（圖1），構建了查干湖水動力-生態模型（圖2）。相比于傳統的水華模型，本研究中構建的綜合模型刻畫了功能群和表征型水平上浮游植物的競爭機制（圖2），量化了營養鹽濃度（TN和TP）、總懸浮顆粒（TSS）和氮磷比（N:P）等多環境因子對浮游植物競爭機制的影響。研究結果表明：TSS是限制查干湖浮游植物生物量的主控因子，有利于驅動優勢種向藍藻（Anabaena, Microcystis, Aphanizomenon 和 Oscillatoria）演替，尤其在渾水階段（TSS＞60 mg/L）。當N:P超過20時，非固氮藍藻比例（i.e., MicrocystisandOscillatoria）超過固氮藍藻的比例（i.e., AnabaenaandAphanizomenon）。在較高的TSS濃度和較弱的光照強度環境下，非固氮藍藻占主導；在清水階段(TSS≤60 mg/L)，較低的N:P比和較強的光照強度環境下，固氮藍藻占主導（圖3）。營養鹽的絕對濃度限制了浮游植物的生物量，而營養鹽的相對濃度決定了浮游植物的演替，其中光能為植物生長和演替過程中發生的生化反應提供主要的能量支撐。最終，提出了維持查干湖水生態系統健康的營養鹽和TSS濃度閾值范圍（TN ≤ 1.5 mg/L; TP ≤ 0.1 mg/L; 15 ≤ N:P ≤20; and TSS ≤ 60 mg/L）。該研究揭示了多環境因子協同作用下查干湖浮游植物之間的競爭機制，可為湖泊水質改善和水生態修復提供科學支撐。
圖1 多環境因子影響下的浮游植物生長模型概念圖
圖2 查干湖水動力-生態模型框架圖
圖3 清水和渾水狀態情景下查干湖浮游植物最大生物量以及藍藻生物量占比隨氮磷比的動態變化
研究成果發表在Water Research（Nature Index期刊，IF：9.13）。本研究由東北地理所博士研究生劉雪梅（第一作者）、章光新研究員（通訊作者）和新加坡國立大學張敬杰教授（共同通訊作者）等共同完成。該研究得到了國家重點研發計劃項目（2017YFC0406003）、吉林省重點研發計劃項目（20200403002SF）和國家自然科學基金（41877160和42077356）的共同資助。
論文信息如下：
Liu Xuemei, Chen Liwen, Zhang Guangxin*, Zhang Jingjie*, Wu Yao, Ju Hanyu. Spatiotemporal Dynamics of Succession and Growth Limitation of Phytoplankton for Nutrients and Light in a Large Shallow Lake. Water Research, 2021, 116910.
鏈接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.116910
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吉公網安備22017302000214號
