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近日，中國科學院水生生物研究所在國際環境科學與生態學領域期刊《Environmental Science & Technology》上在線發表了一項題為“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脈沖頻發背景下高蓋度沉水植物在抑制藻華、維持清水穩態中的決定性作用，為預測與調控淺水湖泊在極端氣候背景下的穩態轉換提供了直接依據。
全球氣候變化導致極端降雨事件頻發，將促使大量營養物質以短期脈沖形式隨雨水或徑流匯入水體，引發包括藻類暴發在內的系列生態問題。盡管脈沖式和持續式的營養輸入均可促進藻類暴發，使得水質惡化，但在脈沖式輸入情景下，生物與非生物指標的穩定性普遍更差，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態轉換的風險。而沉水植物作為重要初級生產者，可以通過一系列反饋機制調控生態平衡，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態至關重要。
圖1 實驗設計示意圖
該研究在云南省大理市洱海高原湖泊生態系統試驗站的大型原位圍隔系統中開展，通過模擬銨氮脈沖（NH4-N：0.05mg/L→1.24 mg/L），系統探究了不同蓋度（0-100%）的沉水植物如何影響系統的緩沖能力及生態韌性（圖1）。研究發現：隨著蓋度的增加，系統的緩沖能力與彈性穩定性顯著提升。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，從而維持清水態的穩定，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系
在此基礎上，該研究進一步通過沉水植物-浮游植物生物量比值的變化，量化了系統穩態轉換（沉水/浮游植物占優）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鍵蓋度閾值為39%-51%（圖4）。該研究強調了在氣候變化導致營養脈沖事件頻發的背景下，將淺水湖泊的沉水植物覆蓋度維持在這一區間及以上，對于清水穩態的維持至關重要。
圖4 沉水植物蓋度對系統穩態轉換的影響
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。