東北地理所在基于水動(dòng)力-生態(tài)模型的查干湖浮游植物競爭機(jī)制研究取得重要進(jìn)展
浮游植物是表征湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)，其過度增殖導(dǎo)致的水華現(xiàn)象成為全球水環(huán)境面臨的重要問題之一。如何量化營養(yǎng)物質(zhì)和光照等多環(huán)境因子協(xié)同作用對浮游植物生長競爭的影響是浮游植物競爭機(jī)制研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。查干湖是吉林省最大的天然湖泊和重要的漁業(yè)基地，新建鹽堿地灌區(qū)退水大量排入查干湖，導(dǎo)致湖泊水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化程度加劇，嚴(yán)重威脅湖泊水生態(tài)安全和生態(tài)產(chǎn)品可持續(xù)性。
為此，東北地理所水文與水資源學(xué)科組科研人員在揭示查干湖水循環(huán)機(jī)理及水質(zhì)演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，基于綜合模型數(shù)據(jù)庫和Delft3D平臺(tái)，將BLOOM模塊嵌套入傳統(tǒng)的生態(tài)模型（圖1），構(gòu)建了查干湖水動(dòng)力-生態(tài)模型（圖2）。相比于傳統(tǒng)的水華模型，本研究中構(gòu)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(jī)制（圖2），量化了營養(yǎng)鹽濃度（TN和TP）、總懸浮顆粒（TSS）和氮磷比（N:P）等多環(huán)境因子對浮游植物競爭機(jī)制的影響。研究結(jié)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(qū)動(dòng)優(yōu)勢種向藍(lán)藻（Anabaena, Microcystis, Aphanizomenon 和 Oscillatoria）演替，尤其在渾水階段（TSS＞60 mg/L）。當(dāng)N:P超過20時(shí)，非固氮藍(lán)藻比例（i.e., MicrocystisandOscillatoria）超過固氮藍(lán)藻的比例（i.e., AnabaenaandAphanizomenon）。在較高的TSS濃度和較弱的光照強(qiáng)度環(huán)境下，非固氮藍(lán)藻占主導(dǎo)；在清水階段(TSS≤60 mg/L)，較低的N:P比和較強(qiáng)的光照強(qiáng)度環(huán)境下，固氮藍(lán)藻占主導(dǎo)（圖3）。營養(yǎng)鹽的絕對濃度限制了浮游植物的生物量，而營養(yǎng)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(fā)生的生化反應(yīng)提供主要的能量支撐。最終，提出了維持查干湖水生態(tài)系統(tǒng)健康的營養(yǎng)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(huán)境因子協(xié)同作用下查干湖浮游植物之間的競爭機(jī)制，可為湖泊水質(zhì)改善和水生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)支撐。
圖1 多環(huán)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(dòng)力-生態(tài)模型框架圖
圖3 清水和渾水狀態(tài)情景下查干湖浮游植物最大生物量以及藍(lán)藻生物量占比隨氮磷比的動(dòng)態(tài)變化
研究成果發(fā)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(xué)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0406003）、吉林省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20200403002SF）和國家自然科學(xué)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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