重大突破

　　人为富营养化是全球淡水生态系统面临的重大威胁，其中有害蓝藻水华是水体加速富营养化的重要表征。氮和磷是淡水湖泊中有害蓝藻水华发生的关键控制要素，为了有效控制湖泊富营养化和蓝藻水华，必须首先要确定氮磷元素的优先控制程度。湖泊中营养盐限制模式取决于营养盐的外源负荷和内源循环过程，水体内源营养循环可以改变湖内养分的可获得性，引起氮、磷的季节性变化，从而影响蓝藻水华的发生动态。 

　　自2007年无锡暴发饮用水危机之后，太湖采取了一系列措施控制富营养化和蓝藻水华。至今水危机事件已经过去10多年，水体总氮浓度出现明显下降，然而，蓝藻水华发生的程度和频度并没有明显降低，尤其是2017年，太湖发生了2007年以来最严重的蓝藻水华，水体总磷浓度出现明显反弹。尽管目前大家已经认识到内源营养盐循环对太湖富营养化和蓝藻水华具有深刻影响，但仍缺乏内源营养盐循环对蓝藻水华发生贡献的定量化研究。 

图1：2005-2018年太湖营养盐和叶绿素加权平均浓度（A：总氮；B总磷；C：叶绿素a ） 

　　近期，我院南京地理与湖泊研究所许海等研究人员利用2005-2018年太湖出入湖营养盐通量数据，结合湖内底泥与水体氮磷监测数据、水位监测数据及蓝藻打捞量、鱼类捕捞量、水厂取水量、大气沉降等长期历史数据，通过质量平衡模型估算了太湖长期的营养盐收支，并定量估算了反硝化脱氮对湖内氮自净的贡献；通过同位素示踪培养实验，定量计算了铵氮再生对蓝藻水华氮素需求的贡献；通过藻类生物量季节变化估算了生物有效磷的需求量，结合季节性氮磷收支数据，估算了季节性内源磷释放对藻类水华磷供给的贡献。相关成果发表在国际著名期刊Limnology and Oceanography上。 

　　研究表明，河流输入的总氮、总磷负荷分别占年输入总负荷的91%和83%。因此，太湖氮磷负荷主要来自河流输入。太湖外源营养盐负荷受入湖水量的显著影响，尽管流域治理做了很多工作，但入湖水量在2010年以后才显著下降，导致污染负荷从2010年才开始下降，但近年又因为极端降水而上升。营养盐从湖泊中的输出包括河流输出、饮用水消耗、藻类打捞、鱼类捕获以及反硝化作用脱除。在2005-2018年期间，通过河流输出的总氮、总磷分别占总输出的32%和70%。 

图2: 太湖氮磷收支示意图 

图3：2005-2018年入湖水量（A）、总氮负荷（B）、总磷负荷（C），总氮截留量（D）及总磷截留量（E）变化 

　　太湖氮磷负荷主要从西北湖区输入，从东南湖区输出，出水水质显著好于入湖水质，表明太湖是一个具有很强自净能力的浅水湖泊。磷由于缺少气态形式，只能通过河流流出和资源获取带走，因此在湖泊中的滞留时间相对较长。根据磷负荷的输入与输出数据和湖内赋存量的变化，利用质量平衡模型估算显示，太湖每年平均可截留63%的外源磷负荷，这些磷主要以颗粒物沉积及吸附的形式储存于底泥中。对于氮而言，湖内自净途经主要包括反硝化脱氮和颗粒物的沉积，直接估算氮的沉积比较困难。我们基于总磷净截留量和沉积物表面TN:TP的比例，估算了总氮沉积量和通过反硝化作用损失的氮量，反硝化脱氮量占湖内氮自净量的80%以上，占外源总氮负荷的43-68%（均值为54%），表明太湖具有较强的脱氮能力，这很好地解释了为什么自2007年以来太湖的总氮浓度呈显著下降趋势。研究人员进一步发现，夏秋季节，NH₄^＋-N的再生满足了38-58%以微囊藻为主的蓝藻水华潜在NH₄^＋-N需求。因此，在氮匮乏时期，铵态氮的再生对维持蓝藻水华的持续发生具有重要意义。 

图4：2005-2018季节和年氮损失和蓄积。正值表示反硝化脱氮，负值表示净蓄积 

　　2007年以来，太湖水体中总磷没有像总氮一样显著下降，反而呈现波动性上升趋势，反映总磷对外源负荷治理响应缓慢，其中内源磷释放起到重要作用。浅水湖泊中内源磷释放过程十分复杂，风浪导致的沉积物重悬在太湖频繁发生，使得底泥颗粒磷频繁的进入上覆水体，当湖面平静时重悬的颗粒磷会很快重新沉降到湖底，这些颗粒磷中很大部分不具有生物有效性，不能被蓝藻利用，以颗粒磷或总磷释放来表示内源负荷会高估内源的贡献。因此，内源磷释放应集中关注生物可利用磷。水体溶解性反应性磷（SRP）是重要的生物可利用磷形态，然而底泥释放的SRP很快就会被藻类吸收，不容易在水体中积累，通过监测水体中SRP浓度的变化来确定内源SRP释放通量比较困难。因此，在内源磷释放研究方面一直缺乏内源释放对蓝藻水华贡献的定量化研究。在本研究中，我们基于生物有效磷和水体中浮游植物生物量（Chl a）之间的定量关系，利用水体中Chl a的变化来计算支持生物量增加所需要的生物有效磷。我们通过浮游植物的磷需求和季节性磷截留量之差来估算内源磷通量。结果显示，尽管水-沉积物界面磷交换在年尺度上是一个净汇，但季节性磷释放对春夏季节蓝藻生长仍然很重要，可贡献蓝藻水华磷需求的23%-90%(均值为40%)。不同年份季节性内源磷释放量不同，主要取决于当年的藻华情况。2017春季内源磷释放达到蓝藻水华生物量磷需求的90%。主要原因是2017年春季水温提前升高，延长了高氮浓度时期蓝藻的生长时间，在氮还未来得及被反硝化作用完全脱除时被浮游植物吸收利用，导致有害蓝藻水华在春季大量繁殖，藻类生长从沉积物中泵吸了大量的磷进入藻体，导致2017年春季水柱中以藻颗粒形式存在的总磷浓度显著升高。因此，气候变化会导致内源磷负荷的强烈季节性波动，给湖内总磷浓度控制带来了严峻的挑战。 

图5：2005-2018年，磷释放和蓄积的季节以及年际变化。正值表示净释放，负值表示净蓄积 

　　本研究成果表明，尽管外源营养盐输入在减少，但内源营养盐循环过程将有助于维持太湖蓝藻水华的持续发生。由于反硝化作用的存在，湖泊中的氮相比于磷更容易从湖体脱除，因此，同步削减外源氮和磷，相对于单独控磷措施，对遏制蓝藻水华和恢复水质将起到更快的效果。 

　　上述研究成果得到了国家自然科学基金重点基金、国家自然科学基金创新研究群体等项目的资助，通讯作者为朱广伟研究员。论文链接：https://doi.org/10.1002/lno.11700。