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东北地理所在查干湖浮游植物竞争机制研究中获进展

2021-03-04 东北地理与农业生态研究所
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  浮游植物是表征湖泊生态系统健康的重要指标,其过度增殖导致的水华现象成为全球水环境面临的重要问题之一。如何量化营养物质和光照等多环境因子协同作用对浮游植物生长竞争的影响是浮游植物竞争机制研究的关键问题。查干湖是吉林省最大的天然湖泊和重要的渔业基地,新建盐碱地灌区退水大量排入查干湖,导致湖泊水质恶化和富营养化程度加剧,对湖泊水生态安全和生态产品可持续性造成威胁。

  为此,中国科学院东北地理与农业生态研究所水文与水资源学科组科研人员在揭示查干湖水循环机理及水质演变规律的基础上,基于综合模型数据库和Delft3D平台,将BLOOM模块嵌套入传统的生态模型(图1),构建了查干湖水动力-生态模型(图2)。相比于传统的水华模型,该研究构建的综合模型刻画了功能群和表征型水平上浮游植物的竞争机制(图2),量化了营养盐浓度(TN和TP)、总悬浮颗粒(TSS)和氮磷比(N:P)等多环境因子对浮游植物竞争机制的影响。研究表明,TSS是限制查干湖浮游植物生物量的主控因子,有利于驱动优势种向蓝藻(Anabaena, Microcystis, AphanizomenonOscillatoria)演替,尤其在浑水阶段(TSS>60 mg/L)。当N:P超过20时,非固氮蓝藻比例(i.e., Microcystis and Oscillatoria)超过固氮蓝藻比例(i.e., Anabaena and Aphanizomenon)。在较高的TSS浓度和较弱的光照强度环境下,非固氮蓝藻占主导;在清水阶段(TSS≤60 mg/L),较低的N:P比和较强的光照强度环境下,固氮蓝藻占主导(图3)。营养盐的绝对浓度限制了浮游植物的生物量,而营养盐的相对浓度决定了浮游植物的演替,其中光能为植物生长和演替过程中发生的生化反应提供主要的能量支撑。研究提出了维持查干湖水生态系统健康的营养盐和TSS浓度阈值范围(TN ≤ 1.5 mg/L;TP ≤0.1 mg/L;15 ≤ N:P ≤20;and TSS ≤ 60 mg/L),揭示出多环境因子协同作用下查干湖浮游植物之间的竞争机制,可为湖泊水质改善和水生态修复提供科学支撑。

  相关研究成果发表在Water Research上。该研究由东北地理所博士研究生刘雪梅(论文第一作者)、研究员章光新(论文通讯作者)和新加坡国立大学教授张敬杰教授(论文共同通讯作者)等共同完成。研究工作得到国家重点研发计划项、吉林省重点研发计划项目和国家自然科学基金的共同资助。

  论文链接 

图1.多环境因子影响下的浮游植物生长模型概念图

图2.查干湖水动力-生态模型框架图

图3.清水和浑水状态情景下查干湖浮游植物最大生物量以及蓝藻生物量占比随氮磷比的动态变化

打印 责任编辑:阎芳

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