巢湖浮游生物体氮碳稳定同位素组成变化及其对湖泊营养盐循环的响应机制研究

Lake eutrophication is one of the most prominent environmental issues for surface waters in China. The increasing nitrogen and phosphorus loads are one of fundamental elements causing eutrophication. Understanding nitrogen/phosphorus and carbon sources, envrionmental processes and ecological effects in Lake ecosystem is key scientific issues. Selecting a typical eutrophic lake - Chaohu Lake, this project studies on " the compositions and variation of plankton biota in response to nutrient cycling". By adopting the methodologies as in-situ field observations, δ15N/δ13C/δ18Op stable isotope techniques, the project will focus on δ15N/δ13C/δ18Op stable isotope compositions and variations in biota systems(phytoplankton and zootoplankton) and non-biota systems(water-sediment). The results will help to reveal the sources, processes and mechanisms of nutrient cycling, transformations as well as algal uptake, and help to establish the primary production model to predict algal growth. The study will provide scientific supports for lake eutrohication prevention and control.

湖泊富营养化是我国地表水体最突出的环境问题之一， 湖泊氮磷污染负荷量的增加是引起湖泊富营养化的基本因素之一。理解湖泊氮、碳、磷等污染物来源、环境过程及生态效应是控制湖泊富营养化的关键科学问题。本项目拟采用氮、碳稳定同位素（δ15N/δ13C）和磷酸盐氧稳定同位素（δ18Op）技术，研究巢湖浮游生物体（浮游植物和浮游动物）及非生物体（水-沉积物）系统中氮、碳稳定同位素和磷酸盐氧稳定同位素的组成变化、来源特征及在生物体与非生物体中的循环过程。揭示湖泊浮游植物初级生产力对湖泊氮、磷循环的响应机制，本研究有助于更准确、更深入的认识湖泊富营养化过程与机理，为巢湖水环境保护和富营养化控制提供科学依据。

巢湖是我国的5大淡水湖之一。近几十年来受到人类活动的强烈影响，包括城市污水排放、农业面源污染以及巢湖闸坝建设对巢湖生物地球化学过程和水文过程的影响，巢湖经历了前所未有的富营养化过程，是我国“三湖三河”治理的重点湖泊之一。本项目围绕巢湖藻类生长、浮游生物体碳氮同位素组成变化以及巢湖水、沉积物介质中氮碳循环及同位素组成变化，通过采用常规野外原位观测、碳氮同位素与形态组成分析、室内同位素配对模拟与藻类生长动力学模拟的三位一体方法，结合巢湖逐月常规藻类生物量与优势种组成、叶绿素变化数据，深入研究巢湖水-沉积物-浮游生物体中-鱼类系统中氮碳稳定同位素组成，揭示了浮游生物体、鱼类食物链中氮碳同位素变化对水体氮污染、特别是城市污水氮的响应；研究了巢湖温室气体的溶存浓度、表观产量、释放通量的季节和空间变化，得到了巢湖温室气体排放的年通量（以二氧化碳当量计）以及不同温室气体的贡献份额，为湖泊温室气体排放的源汇收支提供了依据；通过氧化亚氮氮氧同位素组成特征的分析，揭示氨氮的氧化过程是巢湖氧化亚氮的形成机制；系统模拟了巢湖氮循环的关键过程，包括反硝化过程、厌氧氨氧化过程以及硝酸盐异化还原为铵的过程，发现不同季节的硝酸盐异化还原为铵的过程可能对藻类生长的氮补偿机制，揭示反硝化过程仍然是巢湖脱氮的主要机制；研究了巢湖氮转化过程的微生物功能菌多样性，运用MPN法研究巢湖水体、沉积物中总细菌、好氧反硝化、厌氧反硝化、自养硝化及异养硝化细菌的个数。评估了好氧反硝化菌在反硝化中的作用；研究了巢湖百年以来沉积物的沉积速率，分析了沉积物的有机质来源及其变化，探讨巢湖沉积物对巢湖水体富营养化过程的记录以及流域内人类活动对巢湖富营养化过程的影响。本研究对于理解湖泊氮碳生物地球化学循环过程以及湖泊富营养化的控制有重要的意义。