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查干湖浮游植物競爭機(jī)制研究獲進(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，對湖泊水生態(tài)安全和生態(tài)產(chǎn)品可持續(xù)性造成威脅。
為此，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所水文與水資源學(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，將BLOOM模塊嵌套入傳統(tǒng)的生態(tài)模型（圖1），構(gòu)建了查干湖水動力-生態(tài)模型（圖2）。相比于傳統(tǒng)的水華模型，該研究構(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，非固氮藍(lán)藻比例（i.e., Microcystis and Oscillatoria）超過固氮藍(lán)藻比例（i.e., Anabaena and Aphanizomenon）。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。研究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），揭示出多環(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。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Water Research上。該研究由東北地理所博士研究生劉雪梅（論文第一作者）、研究員章光新（論文通訊作者）和新加坡國立大學(xué)教授張敬杰教授（論文共同通訊作者）等共同完成。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)、吉林省重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金的共同資助。
圖1.多環(huán)境因子影響下的浮游植物生長模型概念圖
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