李庚辰, 劉足根, 張 敏,*, 李 娟, 皮 坤, 熊 鷹, 徐 軍

1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院, 武漢 430070 2 江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 南昌 330029 3 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072

升溫對(duì)超富營(yíng)養(yǎng)型淺水湖泊沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)遷移的影響

李庚辰1, 劉足根2, 張 敏1,*, 李 娟1, 皮 坤1, 熊 鷹1, 徐 軍3

1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院, 武漢 430070 2 江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 南昌 330029 3 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072

升溫; 富營(yíng)養(yǎng)化湖泊; 沉積物-水界面; 營(yíng)養(yǎng)鹽; 動(dòng)態(tài)遷移

營(yíng)養(yǎng)鹽是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中重要的化學(xué)物質(zhì)，是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中生物生長(zhǎng)所必須的最重要的營(yíng)養(yǎng)元素，也是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力和食物鏈基礎(chǔ)。過量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入湖泊水體，會(huì)使得藻類等水生生物異常繁殖，水體透明度和溶解氧發(fā)生變化，加速水體老化，從而使水體的生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)功能受到障礙、破壞[1]。

磷是浮游生物的主要營(yíng)養(yǎng)要素，在生物活動(dòng)中有重要作用，是生產(chǎn)力的主要限制因素之一[7- 8]。水中的磷可分為溶解態(tài)和懸浮態(tài)兩類，目前對(duì)于自然狀態(tài)下水體沉積物吸收、釋放磷的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多[9- 11]，沉積物釋放磷元素，取決于不溶性磷酸鹽(主要是鈣鹽、鋁鹽和鐵鹽)重新溶解的環(huán)境條件，大量研究表明，水體中磷釋放過程同樣受到多種環(huán)境與生物因素的影響[12]。一般認(rèn)為，溶解氧能夠通過影響Fe2+—Fe3+化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而影響Fe3+與磷酸鹽的結(jié)合，使湖泊生態(tài)系統(tǒng)在好氧狀態(tài)下能促進(jìn)磷的吸附，而厭氧狀態(tài)下則加速沉積物中磷的釋放[13]；有研究表明，沉積物磷釋放量與pH值呈“U”型線性相關(guān)，即pH值在中性范圍時(shí)釋磷量最小，在酸性和堿性條件下能夠提高磷的釋放量[14]；擾動(dòng)使表層沉積物再懸浮，增加沉積物反應(yīng)界面，同時(shí)也加速了沉積物間隙水中磷的釋放，但擾動(dòng)的影響對(duì)磷的釋放只是短期的有限效應(yīng)[15]。

環(huán)境溫度改變亦會(huì)影響水體中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)遷移特征。溫度可以通過改變微生物活性而抑制或加速沉積物中不同形式氮的釋放速率，許多研究表明，湖泊沉積物釋放氮的速率均呈現(xiàn)出夏季最大、冬季較少的特征[16]；環(huán)境溫度升高，沉積物中的微生物活性增強(qiáng)，使水體環(huán)境由氧化狀態(tài)向還原狀態(tài)轉(zhuǎn)化，有利于Fe3+的還原，加速沉積物中鐵結(jié)合磷的釋放[17- 18]。因此，了解全球變暖背景下溫度升高對(duì)淺水湖泊沉積物-水界面營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)動(dòng)態(tài)遷移的特征具有十分重要的意義。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第四次評(píng)估報(bào)告顯示：在過去的一個(gè)世紀(jì)，全球地表溫度升高大約0.74 ℃，并且在未來的100a升溫幅度將達(dá)到3—5 ℃[19-20]。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，春季氣溫變暖會(huì)使湖泊冰蓋融化的時(shí)間提前[21]，水溫升高，部分湖泊垂直方向上的熱分層現(xiàn)象提前出現(xiàn)[22]，浮游植物群落數(shù)量峰值在春季提前出現(xiàn)，硅藻逐漸成為優(yōu)勢(shì)種，同時(shí)影響到其與浮游動(dòng)物之間的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系[23]。對(duì)湖泊中生長(zhǎng)速度較快、生長(zhǎng)周期較短的浮游動(dòng)物(如水蚤)來說，春季氣溫變暖對(duì)它們的繁殖期產(chǎn)生顯著影響，從而使其生長(zhǎng)受到限制，種群數(shù)量逐漸減少[24]。一些溯河產(chǎn)卵的魚類由于春季氣溫變暖水溫升高，春季洄游的時(shí)間相對(duì)提前[25]。湖泊沉積物是水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要宿體，是流域上物質(zhì)搬運(yùn)的最后歸宿地，氣候變暖會(huì)加劇沉積物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)礦化的分解與釋放[26]。因此，春季物候的改變能夠更好地反映氣候變化，與此同時(shí)，一些研究表明，夏季溫度升高也會(huì)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生多方面的影響[27]。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)淺水湖泊比較集中的地區(qū)，且該地區(qū)亦是我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊分布的主要地區(qū)[28- 29]。在工業(yè)化以前，其營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)就處于中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)之間，但是，上世紀(jì)中期以后，伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加快，湖泊快速趨于富營(yíng)養(yǎng)化，人類活動(dòng)的影響導(dǎo)致的沉積物和水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽含量增加可達(dá)2—3 倍以上，沉積物中的其他指標(biāo)，如氮、碳同位素含量、重金屬元素含量也都指示著同樣的變化趨勢(shì)[30]，同時(shí)，徐穎等研究發(fā)現(xiàn)，在只考慮溫室氣體增加的條件下，2100 年整個(gè)長(zhǎng)江中下游地區(qū)地表溫度平均升高幅度約為4.5 ℃，高于全球平均水平[31]。因此，本實(shí)驗(yàn)以重度富營(yíng)養(yǎng)化的南湖為研究區(qū)域，于2012 年3 月24 日至5 月4 日在光照培養(yǎng)箱內(nèi)模擬該地區(qū)春季氣候變暖趨勢(shì)，重點(diǎn)關(guān)注升溫情況下沉積物-水界面不同形態(tài)氮磷的變化特征，旨在揭示氣候變暖對(duì)重度富營(yíng)養(yǎng)水平湖泊沉積物-水界面營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)動(dòng)態(tài)釋放的影響，為進(jìn)一步研究氣候變暖趨勢(shì)下，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究地點(diǎn)概況

武漢市南湖(30°30′N；121°21′E)屬長(zhǎng)江中游淺水湖泊，面積5.5 km2，平均水深1.6 m。近十幾年來，由于城市的迅速發(fā)展和湖泊周邊的地產(chǎn)開發(fā)，南湖沿岸區(qū)域人口突破30 萬，仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，大量生活污水流入湖中，加速了水體的富營(yíng)養(yǎng)化[32- 33]。邱炳文等[34]研究表明，南湖營(yíng)養(yǎng)程度有1982 年的中營(yíng)養(yǎng)上升至1998 年的重富營(yíng)養(yǎng)水平，16 年間上升了3 個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)別。近幾年有關(guān)武漢南湖的研究發(fā)現(xiàn)，武漢南湖水體中各營(yíng)養(yǎng)鹽濃度都有了較大的增長(zhǎng)，總氮的平均濃度已經(jīng)達(dá)到12.66 mg/L，硝態(tài)氮的平均濃度為1.08 mg/L，氨氮的平均濃度為0.83 mg/L，亞硝態(tài)氮的平均濃度為0.24 mg/L；水體總磷和正磷酸鹽的平均濃度分別為0.24 mg/L和0.03 mg/L[35]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

2012 年3 月18 日在武漢市南湖敞水區(qū)水深1.5—2.0 m處，用彼得森采泥器采集表層沉積物樣品，經(jīng)40 目篩網(wǎng)過濾，靜置后虹吸管除去上覆水，將底泥混合均勻后一小部分冷凍保存，用于營(yíng)養(yǎng)鹽及其他指標(biāo)初始值的分析，其余底泥分裝入12 個(gè)底部直徑10.2 cm，敞口直徑12.8 cm、高9.0 cm的圓柱形塑料容器，每容器裝入沉積物200 mL，沉積物高度約2.6 cm。采集南湖表層湖水，經(jīng)20 mm孔徑篩絹過濾，每容器放入過濾后的湖水700 mL。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)溫度的確定

圖1 近60 年武漢市年平均氣溫的變化趨勢(shì)

根據(jù)中國(guó)地面國(guó)際交換站武漢市氣候資料年值數(shù)據(jù)，與全球氣候變暖趨勢(shì)類似，近60 年來武漢的年平均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)(圖1)。春季(3—5 月)的平均氣溫?cái)?shù)據(jù)采用2000—2010 年3—5 月氣溫的平均值，近10 年武漢地區(qū)春季的平均氣溫為18 ℃，在只考慮溫室氣體作用的影響下，已有研究預(yù)測(cè)本地區(qū)氣溫在本世紀(jì)末將升高約4.5 ℃[31]。因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩個(gè)溫度處理：18 ℃(近10 年春季平均氣溫)和22.5 ℃(預(yù)測(cè)本地區(qū)本世紀(jì)末氣溫)，每個(gè)處理6 個(gè)平行，置于光照培養(yǎng)箱中，光照強(qiáng)度3 級(jí)，白天/黑夜為12 h/12 h。

1.4 模擬實(shí)驗(yàn)和分析方法

每個(gè)指標(biāo)所得到的數(shù)據(jù)，在Excel中將相同時(shí)間的不同處理進(jìn)行單因素方差分析，同時(shí)對(duì)一些指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析以探究其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 水體中三種形態(tài)氮的濃度變化

2.2 水體o-P和TP的變化

如圖3所示，升溫對(duì)水體磷濃度的影響較大，水體o-P初始含量均為0.10 mg/L，之后22.5 ℃處理水體中o-P呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，到第13天升至0.55 mg/L達(dá)到峰值，自第26天開始相對(duì)穩(wěn)定在0.27 mg/L左右。18 ℃處理組最低值出現(xiàn)在第13天，為0.07 mg/L，從13d至22d出現(xiàn)緩慢上升，自第22天開始相對(duì)穩(wěn)定在0.22 mg/L左右。除實(shí)驗(yàn)初期兩組無顯著差異外，其余各時(shí)段22.5 ℃處理的水體中o-P的含量顯著高于18 ℃處理(P<0.01)。兩處理組水體中的TP初始含量均為0.37 mg/L，22.5 ℃處理組最高值為0.74 mg/L同樣出現(xiàn)在第13天，從實(shí)驗(yàn)開始至第13天水體的TP明顯增加，第25天開始保持相對(duì)穩(wěn)定，含量約為0.36 mg/L。18 ℃處理組最低值出現(xiàn)在第10天，含量為0.18 mg/L，第25天開始相對(duì)穩(wěn)定在0.30 mg/L左右。單因素方差分析表明，大多數(shù)時(shí)間點(diǎn)，22.5 ℃處理水體的TP顯著高于18 ℃(P<0.05)。

圖3 水體中o-P和TP的濃度變化

2.3 TNs和TPs的變化

如圖4所示，兩個(gè)處理組TNs的含量，除第20天含量產(chǎn)生了差異(P<0.05)，其余各時(shí)間TNs含量均無顯著性差異，然而線性回歸分析顯示，兩處理組TNs均具有顯著下降的趨勢(shì)(P<0.05)，其中，18 ℃處理組的下降趨勢(shì)更加顯著(P=0.03)。同樣，系統(tǒng)中TPs的含量差異不大，只有實(shí)驗(yàn)第40天時(shí)產(chǎn)生了顯著差異(P<0.01)，線性回歸顯示兩處理組的TPs含量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段內(nèi)沒有顯著變化的趨勢(shì)，但如圖4所示18 ℃處理組呈現(xiàn)出了一種先上升，后下降的變化規(guī)律，而22.5 ℃處理組的含量基本維持在了原水平。

圖4 TNs與TPs含量的變化

2.4 沉積物Chl a的變化

如圖5所示，兩處理組沉積物Chl a含量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段沒有顯著性差異，整體呈現(xiàn)出先下降后上升的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)初始值為175.5 mg/g，在實(shí)驗(yàn)第20天沉積物Chl a含量下降到最低，分別為77.2 mg/g(22.5 ℃)與82.3 mg/g(18 ℃)，最終第40天沉積物Chl a含量分別為125.2 mg/g與126.4 mg/g。

2.5 沉積物L(fēng)OI的變化

實(shí)驗(yàn)階段中期，兩處理組的燒失量(LOI)大部分時(shí)間22.5 ℃要高于18 ℃(圖6)，初始值9.6%，回歸分析顯示兩處理組的沉積物燒失量沒有顯著上升或下降的趨勢(shì)，但22.5 ℃的處理組在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的波動(dòng)較大，最終實(shí)驗(yàn)第40天依然高于18 ℃處理組。

圖5 沉積物Chl a含量的變化

圖6 沉積物L(fēng)OI的變化

3 討論

3.1 升溫對(duì)系統(tǒng)沉積物磷動(dòng)態(tài)遷移的影響

3.2 升溫對(duì)系統(tǒng)沉積物氮?jiǎng)討B(tài)遷移的影響

4 結(jié)論

通過室內(nèi)模擬控制實(shí)驗(yàn)可以初步得到以下結(jié)論：(1)在超富營(yíng)養(yǎng)型淺水湖泊中，底層水溫度的升高能夠顯著促進(jìn)湖泊沉積物中磷元素的釋放，使水體當(dāng)中的磷濃度顯著升高，從而加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)；(2)由于反硝化作用與底棲生物利用兩個(gè)原因，造成本實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)中氮的損失，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中未觀察到升溫對(duì)沉積物中氮的動(dòng)態(tài)遷移產(chǎn)生顯著影響，但溫度的升高對(duì)于超富營(yíng)養(yǎng)型淺水湖泊沉積物中氮元素營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)遷移的影響依然有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)論證。

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A preliminary study of effects of warming on the nutrients dynamic in sediment of hypereutrophic shallow lake

LI Gengchen1, LIU Zugen2, ZHANG Min1,*, LI Juan1, PI Kun1, XIONG Ying1, XU Jun3

1CollegeofFisheries,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China2JiangxiAcademyofEnvironmentalProtectionSciences,Nanchang330029,China3InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,China

It is now accepted that human-induced climate change is unavoidable. On average, global surface temperatures have increased by about 0.74 ℃ over the past 100 years with the majority of the increase (0.55 ℃) occurring over the past 30 years. Marked changes may be expected to occur in the global climate during this century. Temperature increase, although only one of several related climate changes, is the key variable of change and one that pervades almost all biological processes. All ecosystems will therefore be affected to some extent by global warming and predicting potential effects on the ecosystems is of great importance for ecology and management. Lake ecosystems are vital resources for aquatic wildlife and human needs, and any alteration of their environmental quality and water renewal rates has wide-ranging ecological and societal implications. However, lakes have always been subject to the impacts of climate change, and natural climate variations in the past have been one of the main reasons that lakes are ephemeral features of the landscape. The sediment in lakes typically has high concentrations of nutrients and organic matter, and hosts a biologically active autotrophic-heterotrophic community. Thus, knowledge of the warming effects on nutrients dynamic in sediment is in urgent need. In the present study, an indoor microcosm system was set up to explore the effects of warming on the nutrients dynamic in sediment of a hypereutrophic shallow lake, Lake Nanhu. Sieved sediment cores were incubated under laboratory conditions, the experimental temperature regimes consisted of decadal spring average of Wuhan city (18 ℃) and an elevated regime with 4.5 ℃ difference from that at baseline (22.5 ℃). The contents of orthophosphate and total phosphorus in the water under the ambient temperature of 22.5 ℃ was significantly higher than those of 18 ℃ during the middle stage of the experiment, which indicated that warming accelerated the release of phosphorus from the sediment into water and the increase of the phosphorus content in the water would further increase the eutrophication. The concentration of the nitrate nitrogen in water raise rapidly accompany with the ammonia nitrogen concentration decreasing fast in the beginning of the experiment. Nevertheless, the contents of total nitrogen in water under two different temperature conditions were not significantly different from each other. The concentrations of total nitrogen in water and sediment were continuously declining at both conditions in all the experimental phases, which may indicate the denitrification and the benthic biological absorption in this experiment system. The total phosphorus content in sediment, loss on ignition of sediment, an indicator for loss of organic matter, and the chlorophyll a in the sediments were not significantly affected by the elevated temperature in this experiment system. In conclusion, warming may profoundly affect the phosphorus dynamics, but no obvious impact on the nitrogen dynamics in sediment.

warming; eutrophic lake; sediment-water interface; nutrients; dynamics

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31200359); 國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)課題子課題(2012ZX07501001-06); 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203083)

2013- 09- 10;

2014- 07- 02

10.5846/stxb201309102244

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhm7875@mail.hzau.edu.cn

李庚辰, 劉足根, 張敏, 李娟, 皮坤, 熊鷹, 徐軍.升溫對(duì)超富營(yíng)養(yǎng)型淺水湖泊沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)遷移的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(12):4016- 4025.

Li G C, Liu Z G, Zhang M, Li J, Pi K, Xiong Y, Xu J.A preliminary study of effects of warming on the nutrients dynamic in sediment of hypereutrophic shallow lake.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4016- 4025.