地化所揭示流域岩性和人类活动对欧洲三条河流限制性营养盐和浮游植物群落组成的影响

由于农业化肥使用和城市-工业污水排放的增加，人类向水生生态系统排了过量的氮（N）和磷（P），导致水生生态系统生产力增加，增强了碳封存的同时也导致有害藻类（如蓝藻）的爆发，水体出现富营养化现象，因此降低氮磷负荷是以往缓解水体富营养化的主要方法，但是目前最新研究表明高DIC输入形成的碳限制缓解或可成为另外一种富营养化缓解的有效策略。以往内陆水体关于营养盐限制和富营养化的研究主要集中在湖泊和水库上，然而像河流和溪流这样的流动淡水系统也受到富营养化的极大影响，但是流动淡水生态系统生产力的主要限制性营养盐分析，DIC输入升高对河流富营养化影响的评价，都滞后于湖泊和水库。准确了解可能导致河流中碳、氮或磷限制的环境条件，以及DIC输入增加对流动水体中浮游植物群落以及富营养化的影响，是目前的研究空白。因此，为了更好地管理流动水体的碳封存和预防其富营养化，需要综合研究不同环境条件下河流初级生产力和限制性营养盐之间的关系，探索怎样的营养盐限制在河流系统中可以改变浮游植物群落组成。

针对以上科学问题，中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室刘再华研究员领导的喀斯特水-碳循环研究小组联合西南大学，与德国卡尔斯鲁厄理工大学Nico Goldscheider教授领导的研究团队开展了国际合作研究，对欧洲三条主要河流——莱茵河、多瑙河和塞纳河的生物地球化学变化进行了比较研究，揭示了不同碳酸盐出露面积和人类影响（农业活动和污水输入）对流动水系统限制性营养盐和浮游植物群落组成变化的影响。研究发现，莱茵河和多瑙河由于上个世纪以来进行了流域的水质管理，其硝酸盐负荷（4.04–6.45 mg/L）较低，因此表现为氮限制。塞纳河流域的碳酸盐岩分布最为广泛，占流域面积的78.2%，因此其HCO₃^-的浓度最高（~4.68 mmol/L）。但由于塞纳河流域内密集的农业活动和城市污水输入，其硝酸盐浓度在三个流域中最高（~19.38 mg/L）。此时，流域无机碳的输入反而满足不了高氮浓度引起的初级生产力增加导致的碳需求，因此表现为C限制。结果表明，塞纳河的初级生产力（叶绿素-a浓度）与溶解无机碳（DIC）浓度呈现显著相关（R²=0.68，P<0.05）。此外，研究结果进一步表明流域的水体DIC含量变化还可以显著改变水体浮游植物的优势种类。在塞纳河，DIC和CO₂(aq)的浓度高，导致其硅藻含量高于莱茵河和多瑙河（雨季高3.96–8.81%，旱季高19.87–22.56%）。这是浮游植物种间碳浓缩机制（CCMs）效率的差异决定的，硅藻的CCM机制效率低，在DIC和CO₂(aq)浓度高的水体更易占据竞争优势。我们的研究结果表明，为了缓解河流富营养化和改善水生环境质量，在未来流动水系统的水碳管理上应考虑碳限制的影响，以减少有害藻类的潜在影响。

该研究得到了国家自然科学基金项目(42130501,42141008,41921004，41977298)的资助，相关研究结果发表在国际水文学期刊Journal of Hydrology上。

论文信息： Sibo Zeng^#,Hailong Sun^#,Zaihua Liu*,Nico Goldscheider,Simon Frank,Nadine Goeppert,Min Zhao,Haitao Zeng,Cuihong Han,2024. Changes in the limiting nutrients and dominant phytoplankton communities of three major European rivers: response to catchment lithologies and human activities. Journal Hydrology

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169424007571

流域岩性和人类活动对欧洲三条主要河流限制性营养盐和浮游植物群落组成的影响

（刘再华课题组 孙海龙/供稿）