球盟会(中国)

近期，中国科研实验室水生生物研究所在国际环境科学与生态学领域期刊《Environmental Science & Technology》上在线发表了一项题为“Quantifying critical thresholds of submerged macrophyte coverage to buffer climate-amplified ammonium pulses and stabilize clear-water states”的研究成果。该研究首次明确了沉水植物盖度对铵脉冲的缓冲阈值：39%-51%，揭示了气候变化导致营养脉冲频发背景下高盖度沉水植物在抑制藻华、维持清水稳态中的决定性作用，为预测与调控浅水湖泊在极端气候背景下的稳态转换给予了直接依据。

全球气候变化导致极端降雨事件频发，将促使大量营养物质以短期脉冲形式随雨水或径流汇入水体，引发包括藻类暴发在内的系列生态问题。尽管脉冲式和持续式的营养输入均可促进藻类暴发，使得水质恶化，但在脉冲式输入情景下，生物与非生物指标的稳定性普遍更差，且高浓度的铵氮对水生动植物具有毒性胁迫作用，故铵氮脉冲式的输入可能会进一步加剧浅水湖泊稳态转换的风险。而沉水植物作为重要初级生产者，可以顺利获得一系列反馈机制调控生态平衡，明确多大覆盖度的沉水植物可以有效缓解此类干扰，对于维持浅水湖泊的清水稳态至关重要。

图1 实验设计示意图

该研究在云南省大理市洱海高原湖泊生态系统试验站的大型原位围隔系统中召开，顺利获得模拟铵氮脉冲（NH₄-N：0.05mg/L→1.24 mg/L），系统探究了不同盖度（0-100%）的沉水植物如何影响系统的缓冲能力及生态韧性（图1）。研究发现：随着盖度的增加，系统的缓冲能力与弹性稳定性显著提升。高盖度（≥50%）的沉水植物可以迅速降低NH₄-N浓度，遏制其对藻类的促进作用，从而维持清水态的稳定，中等盖度（30-50%）的沉水植物虽也能显著促进铵氮的去除，但对NH₄-N的削减能力弱于高盖度处理，剩余的NH₄-N依然对藻类的生长有显著的促进作用，而低盖度（≤30%）的沉水植物未能及时去除大量的铵氮，一方面促进了藻类的生长，另一方面持续的高铵氮还加剧了沉水植物衰退的风险（图2）。

图2 沉水植物盖度对NH₄-N去除率、叶绿素a以及光衰减系数的影响

值得注意的是，NH₄-N胁迫显著抑制了沉水植物的生长，但高盖度（≥50%）的沉水植物顺利获得稀释单位面积NH₄-N负荷有效缓解了毒性胁迫，将生物量损失压至接近零（图3）。

图3 沉水植物相对生长率（RGR）与其盖度及铵胁迫之间的关系

在此基础上，该研究进一步顺利获得沉水植物-浮游植物生物量比值的变化，量化了系统稳态转换（沉水/浮游植物占优）的过程，从而进一步确定了沉水植物缓解铵氮脉冲冲击的关键盖度阈值为39%-51%（图4）。该研究强调了在气候变化导致营养脉冲事件频发的背景下，将浅水湖泊的沉水植物覆盖度维持在这一区间及以上，对于清水稳态的维持至关重要。

图4 沉水植物盖度对系统稳态转换的影响

球盟会(中国)特别研究助理吕超超为论文第一作者，曹特研究员与丑庆川副研究员为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目（32330068,32101319）的资助。

论文链接：http://doi.org/10.1021/acs.est.5c04237