【产品应用】浅水湖泊生态系统磷恢复过程中气候变迁诱发机制转变的防控研究
近日，武汉大学刘春花、于丹教授团队关于气候变化和人类活动对浅水湖泊生态系统的影响，特别是磷（P）在生态系统状态转换过程中作用机制的研究取得重要进展，研究结果以“Vigilance against climate change-induced regime shifts for phosphorusrestoration in shallow lake ecosystems”为题，在环境科学领域尤其是水研究方向的TOP期刊《Water Research》（IF = 11.4）发表。
本文研究了气候变化和人类活动对浅水湖泊生态系统磷循环的影响，特别是生态系统状态转换（从水草占主导到藻类占主导）对磷恢复的影响。研究以中国长江中下游的大通湖为对象，通过长期监测和高分辨率采样技术（如DGT），揭示了状态转换过程中磷的累积与释放机制，以及关键环境因素（如高温、低溶解氧和高pH值）对磷供应的影响。研究发现，水草恢复能有效减少内源磷负荷，而藻类暴发则会增加磷负荷。合理调控水生动物群落结构和优化食物网结构可有效改善水质并维持生态系统的稳定性。
研究方法
研究地点：中国长江中下游的大型浅水富营养化湖泊——大通湖。
数据收集：2017年至2021年期间，对湖泊生态系统水平的生物（如水草和底栖生物）和非生物变量（如温度和溶解氧）进行了实地调查。
样本分析：使用YSI便携式水质分析仪测量水体的溶解氧、电导率和pH值；采集水样分析总磷（TP）、溶解态磷（TDP）、反应性磷（DRP）和浮游植物；使用便携式水质分析仪测量总悬浮固体（TSS）；使用黑白塞氏盘测量透明度（SD）。
沉积物磷形态分析：采用Rydin方法，将沉积物中的总磷（TP）分为移动态磷（包括NH4Cl-P、Fe-P和Org-P）、Ca-P、Al-P和残余磷（Res-P）。
高分辨率采样技术：使用DGT薄膜扩散梯度技术和HR-Peeper技术，同时测量沉积物中活性磷、孔隙水中的DRP和Fe2+，空间分辨率达到毫米级。
统计分析：使用SPSS 27.0和Origin 2021进行统计分析和数据绘图；使用ArcGIS 10.8绘制磷形态和沉水植物分布图；采用Mantel检验分析孔隙水DRP和Fe2+的相关性；使用单因素方差分析和Tukey检验识别不同阶段变量的显著差异；采用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）评估环境和生物因素对磷的直接影响和间接影响。
研究结果
水质时空变化：在裸地和水草占主导阶段，水体溶解氧浓度较高（>10 mg/L），显著高于水草恢复初期和藻类占主导阶段（<6 mg/L）。水草恢复后，水体总磷（TP）、溶解态磷（TDP）和反应性磷（DRP）浓度显著下降，藻类占主导阶段时，TDP和DRP浓度反弹。
沉积物磷形态时空变化：在裸地和水草恢复初期，沉积物中磷形态以移动态磷、Ca-P和Al-P为主。水草恢复后，沉积物中各种磷形态含量显著下降，藻类占主导阶段时，磷形态含量稳定，但Al-P显著减少。
孔隙水DRP、沉积物活性磷和磷通量的变化：水草恢复后，沉积物孔隙水中的DRP浓度显著下降，藻类占主导阶段时，孔隙水DRP浓度上升。沉积物-水界面的活性磷浓度在水草恢复后降低，藻类占主导阶段时，活性磷浓度显著增加。
生态系统水平的非生物和生物变化：在生态系统水平上，极端天气事件（如暴雨、大风和极端高温）和鱼类放养引发的营养级联效应共同作用，可导致浅水湖泊从水草占主导的状态转变为藻类占主导的状态。水草恢复后，鱼类和底栖生物的结构和数量发生了显著变化。
研究结论
水草恢复可以通过生物碳泵（BCP）效应有效抑制沉积物内源磷负荷，而藻类大量繁殖（藻泵，AP）则通过铁-磷耦合机制增强沉积物磷补给能力。
生态系统状态转换引发的生物结构变化会影响磷补给途径和机制，尤其在高温、低溶解氧和高pH条件下更为显著。
合理调控水生动物群落结构和生物量，优化食物网动态关系，可以有效提升水质并维持生态系统的稳定性。
极端天气事件（暴雨、强风、极端高温）频发与鱼类放养引发的营养级联效应共同作用，可能促使亚热带浅水湖泊从草型稳态向藻型稳态转换。
Yang Li, Yuan Liu, Siqi Yu, Bin Xing, Xinwei Xu, Haihao Yu, Ligong Wang, Dihua Wang, Chunhua Liu, Dan Yu, Vigilance against climate change-induced regime shifts for phosphorus restoration in shallow lake ecosystems, Water Research, journal homepage: www.elsevier.com/locate/watres,https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123397.
文章链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135425003100
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