大气氮沉降对滇池表层藻类生物量的急性和慢性影响机制

Increased atmospheric nitrogen (N) deposition has to some extent influenced the phytoplankton biomass, community structure and function of global estuary, coastal, open ocean waters and lakes. However, the effects of atmospheric N deposition on eutrophic shallow lakes are not well documented. The latest researches have indicated that atmospheric N deposition could acutely increase in the surface algae biomass and chronically postpone the process of water-quality improvement for eutrophic shallow lakes. Therefore, it is essential to uncover the mechanism of acute and chronic impacts of atmospheric N deposition and to quantitatively evaluate its contribution. China is one of the countries facing the most serious atmospheric N deposition as well as lake eutrophication. This project chooses Lake Dianchi as the study site to evaluate the acute and chronic impacts of atmospheric N deposition in Chinese lakes. There are three main tasks: (i) A two-year enhanced observation with spatiotemporal variations analysis will be launched for dry and wet depositions of different N species; (ii) An uncertainty-explicit nonlinear approximate response equation, based on 3-D hydrodynamic and water-quality simulation model, will be derived to quantify the acute and chronic impacts of atmospheric N deposition through Taylor series expansions. This equation can directly reflect the uncertainties of both input variables and model parameters; (iii) Based on the derived equation, the acute impact of wet deposition events on nutrient uptake associated with algal growth in rainy seasons will be quantitatively discriminated, while the chronic effects of both dry and wet depositions on N flux at the water-sediment interface and primary and export productions will be examined. This project can help improve our knowledge on the aquatic ecological effects of atmospheric N deposition, which is of great use to update the nitrogen cycle model of shallow lakes in China and worldwide.

逐渐增加的大气氮沉降一定程度上影响了全球海洋、河口、湖泊等水生态系统的藻类生物量及其群落结构和功能，而对富营养化浅水湖泊的影响研究非常少；但最近的研究表明，大气氮沉降对此类湖泊的藻类生物量很可能存在急性刺激和慢性影响效应。那么，这种现象背后的机制是什么？又如何定量区分大气氮沉降的贡献呢？中国是全球氮沉降和浅水湖泊富营养化最为严重的区域之一。本项目拟选择滇池为对象，开展不同形态氮的干湿沉降观测和时空变化分析，基于三维水质水动力模拟模型，利用二阶泰勒展开式，确定表层藻类生物量对大气氮沉降的不确定性非线性近似响应方程；在综合考虑输入变量和模型参数的不确定性下，基于响应方程初步阐明雨季时滇池表层藻类对大气氮沉降的急性摄取过程，以及大气氮沉降对滇池的水-沉积物界面氮释放、初级生产力和输出生产力的慢性影响机制。本项目的开展有利于提高对大气氮沉降的水生态影响机理的认识，从而推动发展浅水湖泊氮循环模式。

逐渐增加的大气氮沉降一定程度上影响了全球海洋、河口、湖泊等水生态系统的藻类生物量及其群落结构和功能，而对富营养化浅水湖泊的影响研究非常少；但最近的研究表明，大气氮沉降对此类湖泊的藻类生物量可能存在急性刺激和慢性影响效应。那么，这种现象背后的机制是什么？又如何定量区分大气氮沉降的贡献呢？中国是全球氮沉降和浅水湖泊富营养化最为严重的地区之一。本项目选择了滇池为研究对象，开展3年不同形态氮、磷的干湿沉降、水-泥界面、流域水文水质等加强观测。观测表明水动力不仅影响表层藻类生物量的对流和扩散过程，还会影响藻类生长和扑食速率，因此，基于Fortran重新开发了滇池水动力和水生态模拟模型（PKU-Hydra、PKU-Algae）；为了剥离降雨过程中陆源入湖影响，因此基于C++开发了滇池水文和氮磷入湖通量模拟模型（PKU-Hydro）；为了定量区分大气氮沉降对富营养化浅水湖泊藻类生物量的急性和慢性影响及不确定性水平，开发了第二代贝叶斯递归回归树模型（BRRT v2）。模型校准之后，通过情景模拟，发现：(1) 大气湿沉降是滇池表层藻类生物量急剧增加的主要驱动因素，而不是暴雨期陆源入湖负荷和底泥再悬浮，主要因为大气沉降以无机盐为主，且在春末和夏初贡献比例达到1/4以上；(2) 为了实现滇池III类水质要求，总氮(TN)削减比例需要从69%提高到81%，由于大气干湿沉降干扰水-泥界面平衡，使得滇池TN、总磷(TP)和叶绿素a(Chl-a)三者都达到稳定状态可能至少需要推迟17年；(3) 本研究将此分析拓展全球尺度，基于全球化学-气溶胶-气候模型和海洋生物地球化学模型，发现大气沉降削弱了海洋表层NPP对气候变暖的敏感性。对于全球而言，NPP对表层温度（SST）的敏感性从15.2 ± 1.8下降到13.3 ± 1.6 Pg C yr-1 °C-1。因此，不管是海洋还是湖泊，在分析藻类生物量短期还是长期变化，大气沉降的“育肥效应”都不容忽视。本项目发表标注资助项目且内容相关的SCI论文9篇（其中影响因子为2.0以上的论文6篇），7篇中文核心期刊论文，10次学术会议报告/墙报，1个发明专利，2个软件著作权，负责人获得学术奖励1次。