昼夜非对称性增温对大型浅水湖泊浮游植物及碳通量的影响

Diel asymmetric warming trends, which means nighttime temperature increased faster than daytime temperature, have been reported recently around the world. World-wide, eutrophication has significantly enhanced primary production, especially in shallow lakes. Even with smaller total area than marine ecosystem, shallow lakes play an increasing vital role in the geo-biological-chemical cycling. Our project aims to take Lake Taihu, a representative large shallow eutrophic lakes, as an example, using high frequency monitoring, bioassays and pure cultures. The project is expected to explore the effects of diel asymmetric warming trend on phytoplankton community composition, growth rates and lake ecosystems. The project is also expected to clarify the long-term changes of diel temperatures in Lake Taihu and their impact on phytoplankton community succession, as well as the uptake and release of CO2 by phytoplankton. The results will help clarify how phytoplankton community composition and lake carbon fluxes are altered in response to climatic changes (including asymmetric warming).

近年来的研究报道表明全球大部分地区夜间增温幅度大于白天增温幅度，即增温存在昼夜非对称性（asymmetric trends）。随着全球范围内的富营养化，湖泊生态系统初级生产力显著提高；因此相比于海洋生态系统，虽然湖泊生态系统面积较小，但在地球化学循环中扮演越来越重要的角色。本项目拟以大型、浅水、富营养化湖泊——太湖为例，采用野外高频监测、太湖原位模拟实验以及室内纯培养实验等技术手段相结合，以浮游植物为主要研究对象，探讨昼夜非对称性增温对浅水湖泊生态系统的影响。项目预期阐明太湖昼夜水温的长期变化规律以及对浮游植物群落演替的影响；揭示浮游植物群落结构及其吸收与释放CO2总量对昼夜非对称性增温的响应，以及背后的机制。研究结果可以深化淡水生态系统对当前气候变化响应，以及气候变化对淡水生态系统碳平衡影响的认识。

本项目针对科学问题太湖地区昼夜非对称性增温变化趋势及其对湖泊生态系统初级生产力浮游植物的影响和机理开展。研究首先基于历史气象和水温数据，搭建了太湖水温数值模拟模型；运用上述构建的水温反演模型输出了2000-2017年逐时水温数据，结果显示日最高水温大多数出现在15:00与16:00，比气温滞后约1个小时，日最低气温大都出现在凌晨6:00与7:00，即日出之前。昼夜温差最大的出现在春季4月与5月，其次是夏初，昼夜温差最小的是冬季，出现在12月。四季昼夜温差概率密度分布规律基本呈左偏的非正态分布。夏季昼夜温差变化范围较窄，秋季温差波动最宽，冬春季节介于二者之间。昼夜温差下降的主要是因为夜间增温幅度要高于白天增温幅度。昼夜温差下降最显著的季节是秋季（r2=0.44），其次是夏季和秋季，冬季昼夜温差下降趋势不显著（p>0.05）。.通过太湖历年监测数据，分析了昼夜非对称性增温对浮游植物群落结构的影响，并对比了太湖（中国）和高纬度地区皮海湖（芬兰）对非对称性增温对浮游植物影响的异同；研究结果表明无论是太湖的历史数据，还是Pyhäjärvi湖的历史数据，在众多环境因子中，日最低气温都是影响浮游植物群落结构变化的主要因素之一；而且在所有纳入分析的温度因素中（日最低气温、日最高气温和日平均气温），只有日最低气温是最显著的因素。最后通过室内培养探讨了昼夜非对称性增温对铜绿微囊藻、栅藻等不同藻类生长速率、光合作用活性、呼吸速率等的影响，实验结果显示夜间增温能显著增加微囊藻的生长速率和促进呼吸作用，但对光合作用促进不明显。本项目揭示了太湖日最高（低）水温长期变化规律；阐明受日最高（低）水温变化影响浮游植物生理活动响应以及群落结构变化的响应机制；从生理生态角度阐述了昼夜非对称性增温对藻类影响的机理；评估了昼夜温度非对称性变化对大型浅水湖泊碳通量可能的影响。