新聞科研進展
近日，中國科學院水生生物研究所在國際環(huán)境科學與生態(tài)學領(lǐng)域期刊《Environmental Science & Technology》上在線發(fā)表了一項題為“Quantifying critical thresholds of submerged macrophyte coverage to buffer climate-amplified ammonium pulses and stabilize clear-water states”的研究成果。該研究首次明確了沉水植物蓋度對銨脈沖的緩沖閾值：39%-51%，揭示了氣候變化導致營養(yǎng)脈沖頻發(fā)背景下高蓋度沉水植物在抑制藻華、維持清水穩(wěn)態(tài)中的決定性作用，為預測與調(diào)控淺水湖泊在極端氣候背景下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換提供了直接依據(jù)。
全球氣候變化導致極端降雨事件頻發(fā)，將促使大量營養(yǎng)物質(zhì)以短期脈沖形式隨雨水或徑流匯入水體，引發(fā)包括藻類暴發(fā)在內(nèi)的系列生態(tài)問題。盡管脈沖式和持續(xù)式的營養(yǎng)輸入均可促進藻類暴發(fā)，使得水質(zhì)惡化，但在脈沖式輸入情景下，生物與非生物指標的穩(wěn)定性普遍更差，且高濃度的銨氮對水生動植物具有毒性脅迫作用，故銨氮脈沖式的輸入可能會進一步加劇淺水湖泊穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的風險。而沉水植物作為重要初級生產(chǎn)者，可以通過一系列反饋機制調(diào)控生態(tài)平衡，明確多大覆蓋度的沉水植物可以有效緩解此類干擾，對于維持淺水湖泊的清水穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。
圖1 實驗設(shè)計示意圖
該研究在云南省大理市洱海高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)試驗站的大型原位圍隔系統(tǒng)中開展，通過模擬銨氮脈沖（NH4-N：0.05mg/L→1.24 mg/L），系統(tǒng)探究了不同蓋度（0-100%）的沉水植物如何影響系統(tǒng)的緩沖能力及生態(tài)韌性（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)：隨著蓋度的增加，系統(tǒng)的緩沖能力與彈性穩(wěn)定性顯著提升。高蓋度（≥50%）的沉水植物可以迅速降低NH4-N濃度，遏制其對藻類的促進作用，從而維持清水態(tài)的穩(wěn)定，中等蓋度（30-50%）的沉水植物雖也能顯著促進銨氮的去除，但對NH4-N的削減能力弱于高蓋度處理，剩余的NH4-N依然對藻類的生長有顯著的促進作用，而低蓋度（≤30%）的沉水植物未能及時去除大量的銨氮，一方面促進了藻類的生長，另一方面持續(xù)的高銨氮還加劇了沉水植物衰退的風險（圖2）。
圖2 沉水植物蓋度對NH4-N去除率、葉綠素a以及光衰減系數(shù)的影響
值得注意的是，NH4-N脅迫顯著抑制了沉水植物的生長，但高蓋度（≥50%）的沉水植物通過稀釋單位面積NH4-N負荷有效緩解了毒性脅迫，將生物量損失壓至接近零（圖3）。
圖3 沉水植物相對生長率（RGR）與其蓋度及銨脅迫之間的關(guān)系
在此基礎(chǔ)上，該研究進一步通過沉水植物-浮游植物生物量比值的變化，量化了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換（沉水/浮游植物占優(yōu)）的過程，從而進一步確定了沉水植物緩解銨氮脈沖沖擊的關(guān)鍵蓋度閾值為39%-51%（圖4）。該研究強調(diào)了在氣候變化導致營養(yǎng)脈沖事件頻發(fā)的背景下，將淺水湖泊的沉水植物覆蓋度維持在這一區(qū)間及以上，對于清水穩(wěn)態(tài)的維持至關(guān)重要。
圖4 沉水植物蓋度對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的影響
水生所特別研究助理呂超超為論文第一作者，曹特研究員與丑慶川副研究員為論文共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金項目（32330068,32101319）的資助。