升溫對超富營養型淺水湖泊沉積物營養鹽動態遷移的影響

李庚辰, 劉足根, 張 敏,*, 李 娟, 皮 坤, 熊 鷹, 徐 軍

1 華中農業大學水產學院, 武漢 430070 2 江西省環境保護科學研究院, 南昌 330029 3 中國科學院水生生物研究所, 武漢 430072

升溫對超富營養型淺水湖泊沉積物營養鹽動態遷移的影響

李庚辰1, 劉足根2, 張 敏1,*, 李 娟1, 皮 坤1, 熊 鷹1, 徐 軍3

1 華中農業大學水產學院, 武漢 430070 2 江西省環境保護科學研究院, 南昌 330029 3 中國科學院水生生物研究所, 武漢 430072

升溫; 富營養化湖泊; 沉積物-水界面; 營養鹽; 動態遷移

營養鹽是湖泊生態系統中重要的化學物質，是湖泊生態系統中生物生長所必須的最重要的營養元素，也是湖泊生態系統的初級生產力和食物鏈基礎。過量的氮、磷等營養物質進入湖泊水體，會使得藻類等水生生物異常繁殖，水體透明度和溶解氧發生變化，加速水體老化，從而使水體的生態系統和生態功能受到障礙、破壞[1]。

磷是浮游生物的主要營養要素，在生物活動中有重要作用，是生產力的主要限制因素之一[7- 8]。水中的磷可分為溶解態和懸浮態兩類，目前對于自然狀態下水體沉積物吸收、釋放磷的研究已經進行了很多[9- 11]，沉積物釋放磷元素，取決于不溶性磷酸鹽(主要是鈣鹽、鋁鹽和鐵鹽)重新溶解的環境條件，大量研究表明，水體中磷釋放過程同樣受到多種環境與生物因素的影響[12]。一般認為，溶解氧能夠通過影響Fe2+—Fe3+化學反應，進而影響Fe3+與磷酸鹽的結合，使湖泊生態系統在好氧狀態下能促進磷的吸附，而厭氧狀態下則加速沉積物中磷的釋放[13]；有研究表明，沉積物磷釋放量與pH值呈“U”型線性相關，即pH值在中性范圍時釋磷量最小，在酸性和堿性條件下能夠提高磷的釋放量[14]；擾動使表層沉積物再懸浮，增加沉積物反應界面，同時也加速了沉積物間隙水中磷的釋放，但擾動的影響對磷的釋放只是短期的有限效應[15]。

環境溫度改變亦會影響水體中氮磷等營養物質的動態遷移特征。溫度可以通過改變微生物活性而抑制或加速沉積物中不同形式氮的釋放速率，許多研究表明，湖泊沉積物釋放氮的速率均呈現出夏季最大、冬季較少的特征[16]；環境溫度升高，沉積物中的微生物活性增強，使水體環境由氧化狀態向還原狀態轉化，有利于Fe3+的還原，加速沉積物中鐵結合磷的釋放[17- 18]。因此，了解全球變暖背景下溫度升高對淺水湖泊沉積物-水界面營養物質動態遷移的特征具有十分重要的意義。

聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告顯示：在過去的一個世紀，全球地表溫度升高大約0.74 ℃，并且在未來的100a升溫幅度將達到3—5 ℃[19-20]。在湖泊生態系統中，春季氣溫變暖會使湖泊冰蓋融化的時間提前[21]，水溫升高，部分湖泊垂直方向上的熱分層現象提前出現[22]，浮游植物群落數量峰值在春季提前出現，硅藻逐漸成為優勢種，同時影響到其與浮游動物之間的營養關系[23]。對湖泊中生長速度較快、生長周期較短的浮游動物(如水蚤)來說，春季氣溫變暖對它們的繁殖期產生顯著影響，從而使其生長受到限制，種群數量逐漸減少[24]。一些溯河產卵的魚類由于春季氣溫變暖水溫升高，春季洄游的時間相對提前[25]。湖泊沉積物是水體營養物質的主要宿體，是流域上物質搬運的最后歸宿地，氣候變暖會加劇沉積物中營養物質礦化的分解與釋放[26]。因此，春季物候的改變能夠更好地反映氣候變化，與此同時，一些研究表明，夏季溫度升高也會對湖泊生態系統產生多方面的影響[27]。

長江中下游地區是我國淺水湖泊比較集中的地區，且該地區亦是我國富營養化湖泊分布的主要地區[28- 29]。在工業化以前，其營養狀態就處于中營養和富營養之間，但是，上世紀中期以后，伴隨著經濟發展的加快，湖泊快速趨于富營養化，人類活動的影響導致的沉積物和水體中的營養鹽含量增加可達2—3 倍以上，沉積物中的其他指標，如氮、碳同位素含量、重金屬元素含量也都指示著同樣的變化趨勢[30]，同時，徐穎等研究發現，在只考慮溫室氣體增加的條件下，2100 年整個長江中下游地區地表溫度平均升高幅度約為4.5 ℃，高于全球平均水平[31]。因此，本實驗以重度富營養化的南湖為研究區域，于2012 年3 月24 日至5 月4 日在光照培養箱內模擬該地區春季氣候變暖趨勢，重點關注升溫情況下沉積物-水界面不同形態氮磷的變化特征，旨在揭示氣候變暖對重度富營養水平湖泊沉積物-水界面營養鹽物質動態釋放的影響，為進一步研究氣候變暖趨勢下，湖泊生態系統的響應機制奠定基礎。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究地點概況

武漢市南湖(30°30′N；121°21′E)屬長江中游淺水湖泊，面積5.5 km2，平均水深1.6 m。近十幾年來，由于城市的迅速發展和湖泊周邊的地產開發，南湖沿岸區域人口突破30 萬，仍呈增長趨勢，大量生活污水流入湖中，加速了水體的富營養化[32- 33]。邱炳文等[34]研究表明，南湖營養程度有1982 年的中營養上升至1998 年的重富營養水平，16 年間上升了3 個營養級別。近幾年有關武漢南湖的研究發現，武漢南湖水體中各營養鹽濃度都有了較大的增長，總氮的平均濃度已經達到12.66 mg/L，硝態氮的平均濃度為1.08 mg/L，氨氮的平均濃度為0.83 mg/L，亞硝態氮的平均濃度為0.24 mg/L；水體總磷和正磷酸鹽的平均濃度分別為0.24 mg/L和0.03 mg/L[35]。

1.2 實驗材料

2012 年3 月18 日在武漢市南湖敞水區水深1.5—2.0 m處，用彼得森采泥器采集表層沉積物樣品，經40 目篩網過濾，靜置后虹吸管除去上覆水，將底泥混合均勻后一小部分冷凍保存，用于營養鹽及其他指標初始值的分析，其余底泥分裝入12 個底部直徑10.2 cm，敞口直徑12.8 cm、高9.0 cm的圓柱形塑料容器，每容器裝入沉積物200 mL，沉積物高度約2.6 cm。采集南湖表層湖水，經20 mm孔徑篩絹過濾，每容器放入過濾后的湖水700 mL。

1.3 實驗設計與實驗溫度的確定

圖1 近60 年武漢市年平均氣溫的變化趨勢

根據中國地面國際交換站武漢市氣候資料年值數據，與全球氣候變暖趨勢類似，近60 年來武漢的年平均氣溫呈現顯著上升趨勢(圖1)。春季(3—5 月)的平均氣溫數據采用2000—2010 年3—5 月氣溫的平均值，近10 年武漢地區春季的平均氣溫為18 ℃，在只考慮溫室氣體作用的影響下，已有研究預測本地區氣溫在本世紀末將升高約4.5 ℃[31]。因此，本實驗設置了兩個溫度處理：18 ℃(近10 年春季平均氣溫)和22.5 ℃(預測本地區本世紀末氣溫)，每個處理6 個平行，置于光照培養箱中，光照強度3 級，白天/黑夜為12 h/12 h。

1.4 模擬實驗和分析方法

每個指標所得到的數據，在Excel中將相同時間的不同處理進行單因素方差分析，同時對一些指標進行線性回歸分析以探究其隨時間的變化趨勢。

2 實驗結果

圖2 水體中三種形態氮的濃度變化

2.2 水體o-P和TP的變化

如圖3所示，升溫對水體磷濃度的影響較大，水體o-P初始含量均為0.10 mg/L，之后22.5 ℃處理水體中o-P呈現上升趨勢，到第13天升至0.55 mg/L達到峰值，自第26天開始相對穩定在0.27 mg/L左右。18 ℃處理組最低值出現在第13天，為0.07 mg/L，從13d至22d出現緩慢上升，自第22天開始相對穩定在0.22 mg/L左右。除實驗初期兩組無顯著差異外，其余各時段22.5 ℃處理的水體中o-P的含量顯著高于18 ℃處理(P<0.01)。兩處理組水體中的TP初始含量均為0.37 mg/L，22.5 ℃處理組最高值為0.74 mg/L同樣出現在第13天，從實驗開始至第13天水體的TP明顯增加，第25天開始保持相對穩定，含量約為0.36 mg/L。18 ℃處理組最低值出現在第10天，含量為0.18 mg/L，第25天開始相對穩定在0.30 mg/L左右。單因素方差分析表明，大多數時間點，22.5 ℃處理水體的TP顯著高于18 ℃(P<0.05)。

圖3 水體中o-P和TP的濃度變化

2.3 TNs和TPs的變化

如圖4所示，兩個處理組TNs的含量，除第20天含量產生了差異(P<0.05)，其余各時間TNs含量均無顯著性差異，然而線性回歸分析顯示，兩處理組TNs均具有顯著下降的趨勢(P<0.05)，其中，18 ℃處理組的下降趨勢更加顯著(P=0.03)。同樣，系統中TPs的含量差異不大，只有實驗第40天時產生了顯著差異(P<0.01)，線性回歸顯示兩處理組的TPs含量在整個實驗階段內沒有顯著變化的趨勢，但如圖4所示18 ℃處理組呈現出了一種先上升，后下降的變化規律，而22.5 ℃處理組的含量基本維持在了原水平。

圖4 TNs與TPs含量的變化

2.4 沉積物Chl a的變化

如圖5所示，兩處理組沉積物Chl a含量在整個實驗階段沒有顯著性差異，整體呈現出先下降后上升的規律，實驗初始值為175.5 mg/g，在實驗第20天沉積物Chl a含量下降到最低，分別為77.2 mg/g(22.5 ℃)與82.3 mg/g(18 ℃)，最終第40天沉積物Chl a含量分別為125.2 mg/g與126.4 mg/g。

2.5 沉積物LOI的變化

實驗階段中期，兩處理組的燒失量(LOI)大部分時間22.5 ℃要高于18 ℃(圖6)，初始值9.6%，回歸分析顯示兩處理組的沉積物燒失量沒有顯著上升或下降的趨勢，但22.5 ℃的處理組在整個實驗階段的波動較大，最終實驗第40天依然高于18 ℃處理組。

圖5 沉積物Chl a含量的變化

圖6 沉積物LOI的變化

3 討論

3.1 升溫對系統沉積物磷動態遷移的影響

3.2 升溫對系統沉積物氮動態遷移的影響

4 結論

通過室內模擬控制實驗可以初步得到以下結論：(1)在超富營養型淺水湖泊中，底層水溫度的升高能夠顯著促進湖泊沉積物中磷元素的釋放，使水體當中的磷濃度顯著升高，從而加劇水體富營養化的風險；(2)由于反硝化作用與底棲生物利用兩個原因，造成本實驗模擬系統中氮的損失，本實驗系統中未觀察到升溫對沉積物中氮的動態遷移產生顯著影響，但溫度的升高對于超富營養型淺水湖泊沉積物中氮元素營養鹽動態遷移的影響依然有待進一步實驗論證。

[1] 李文霞, 馮海艷, 楊忠芳, 阮曉紅. 水體富營養化與水體沉積物釋放營養鹽. 地質通報, 2006, 25(5): 602- 608.

[2] 吳豐昌, 萬國江, 黃榮貴. 湖泊沉積物——水界面營養元素的生物地球化學作用和環境效應: Ⅰ.界面氮循環及其環境效應. 礦物學報, 1996, 16(4): 403- 409.

[3] 于軍亭, 張帥, 張志斌, 王立鵬, 魏壘壘, 譚曉波. 環境因子對淺水湖泊沉積物中氮釋放的影響. 山東建筑大學學報, 2000, 25(1): 58- 61.

[4] 姜愛霞. 水環境氮污染的機理和防治對策. 中國人口·資源與環境, 2000, 10(S1): 75- 76.

[5] 付春平, 鐘成華, 鄧春光. pH與三峽庫區底泥氮磷釋放關系的試驗. 重慶大學學報: 自然科學版, 2004, 27(10): 125- 127.

[6] Reddy K R, Fisher M M, Ivanoff D. Resuspension and diffusive flux of nitrogen and phosphorus in a hypereutrophic lake. Journal of Environmental Quality, 2004, 25(1): 363- 371.

[7] Gibson C E. Nutrient limitation. Journal of the Water Pollution Control Federation, 1971, 43: 2436- 2440.

[8] Dorich R A, Nelson D W, Sommers L E. Availability of phosphorus to algae from eroded soil fractions. Agriculture, Ecosystems and Environment, 1984, 11(3): 253- 264.

[9] Detenbeck N E, Brezonik P L. Phosphorus sorption by sediments from a soft-water seepage lake. 2. Effects of pH and sediment composition. Environmental Science & Technology, 1991, 25(3): 403- 409.

[10] Yao W S, Millero F J. Adsorption of phosphate on manganese dioxide in seawater. Environmental Science & Technology, 1996, 30(2): 536- 541.

[11] Zhao H S, Stanforth R. Competitive adsorption of phosphate and arsenate on goethite. Environmental Science & Technology, 2001, 35(24): 4752- 4757.

[12] 陳田耕. 關于磷自沉積物的釋放. 環境科學叢刊, 1988, 9(1): 36- 42.

[13] Gomez E, Dunllon C, Rofes G, Picot B. Phosphate adsorption and release from sediments of brackish lagoons: pH, O2and loading influence. Water Research, 1999, 33(10): 2437- 2447.

[14] 王曉蓉, 華兆哲, 徐菱, 趙闖, 吳重華. 環境條件變化對太湖沉積物磷釋放的影響. 環境化學, 1996, 15(1): 15- 19.

[15] 張路, 范成新, 秦伯強, 楊龍元. 模擬擾動條件下太湖表層沉積物磷行為的研究. 湖泊科學, 2001, 13(1): 35- 42.

[16] 范成新, 張路, 秦伯強, 胡維平, 高光, 王建軍. 太湖沉積物-水界面生源要素遷移機制及定量化——1.銨態氮釋放速率的空間差異及源-匯通量. 湖泊科學, 2004, 16(1): 10- 20.

[17] Eckert W, Nishn A, Parparova R. Factors regulating the flux of phosphate at the sediment-water interface of a subtropical calcareous lake: A simulation study with intact sediment cores. Water, Air, & Soil Pollution, 1997, 99(1/4): 401- 409.

[18] Gonsiorczyk T, Casper P, Koschel R. Variations of phosphorus release from sediments in stratified lakes. Water, Air, & Pollution, 1997, 99(1/4): 427- 434.

[19] IPCC. Climate Change 2007: the physical sciences basis // Parry M L, Canziani O F, Palutikof J P, Linden P J, Hanson C E, eds. Contribution of Working Group Ⅰ to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, UK: Cambridge University, 2007: 7- 22.

[20] Houghton J. The science of global warming. Interdisciplinary Science Reviews, 2001, 26(4): 247- 257.

[21] Wynne R H, Lillesand T M. Satellite observation of lake ice as a climate indicator: initial results from statewide monitoring in Wisconsin. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1993, 59(6): 1023- 1031.

[22] Boehrer B, Schultze M. Stratification of lakes. Reviews of Geophysics, 2008, 46(2): 745- 722.

[23] Winder M, Schindler D E. Climatic effects on the phenology of lake processes. Global Change Biology, 2004, 10(11): 1844- 1856.

[24] Seebens H, Straile D, Hoegg R. Population dynamics of a freshwater calanoid copepod: Complex responses to changes in trophic status and climate variability. Limnology & Oceanography, 2007, 52(6): 2364- 2372.

[25] Quinn T P, Adams D J. Environmental changes affecting the migratory timing of American shad and sockeye salmon. Ecology, 1996, 77(4): 1151- 1162.

[26] Jeppesen E, Kronvang B, Meerhoff M, S?ndergaard M, Hasen K M, Andersen H E, Lauridsen T L, Liboriussen L, Beklioglu M, ?zen A, Olesen J E. Climate change effects on runoff, catchment phosphorus loading and lake ecological state, and potential adaptations. Journal of Environmental Quality, 2009, 38(5): 1930- 1941.

[27] 卡爾夫. 湖沼學: 內陸水生態系統. 古濱河, 劉正文, 李寬意, 等, 譯. 北京: 高等教育出版社, 2011: 176- 178.

[28] 秦伯強. 長江中下游淺水湖泊富營養化發生機制與控制途徑初探. 湖泊科學, 2002, 14(3): 193- 202.

[29] 蔡永久, 姜加虎, 張路, 陳宇偉, 龔志軍. 長江中下游湖泊大型底棲動物群落結構及多樣性. 湖泊科學, 2010, 22(6): 811- 819.

[30] 秦伯強, 朱廣偉. 長江中下游地區湖泊水和沉積物中營養鹽的賦存、循環及其交換特征. 中國科學D輯, 2005, 35(S2): 1- 10.

[31] 徐影, 丁一匯, 趙宗慈. 長江中下游地區21世紀氣候變化情景預測. 自然災害學報, 2004, 13(1): 25- 31.

[32] 楊學芬, 熊邦喜, 楊明生. 武漢南湖水體及沉積物不同形態磷的季節變化. 應用生態學報, 2008, 19(9): 2029- 2034.

[33] 王銀東, 熊邦喜, 楊學芬. 用大型底棲動物對武漢南湖水質的生物學評價. 環境污染與防治, 2006, 28(4): 312- 314.

[34] 邱炳文, 周勇, 周敏, 李學垣. 武漢市南湖富營養化現狀、趨勢及其綜合整治對策. 華中農業大學學報, 2000, 19(4): 350- 352.

[35] 楊學芬. 武漢南湖營養鹽動態及重金屬污染的研究 [D]. 武漢: 華中農業大學, 2010: 8- 12.

[36] 金相燦. 湖泊富營養化調查規范 (第二版). 北京: 中國環境科學出版社, 1990: 55- 60.

[37] 吳以平, 劉曉收. 青島灣潮間帶沉積物中葉綠素的分析. 海洋科學, 2005, 29(11): 8- 12.

[38] 魯如坤. 土壤農業化學分析方法. 北京: 中國農業科技出版社, 2002: 166- 168.

[39] 易文利. 湖泊沉積物中有機質含量對釋放磷的影響. 科學技術與工程, 2011, 11(26): 6401- 6404.

[40] 李高金, 周杰. 環境因子對南四湖沉積物中磷釋放的影響. 農業環境科學學報, 2006, 25(S2): 653- 656.

[41] 潘成榮, 張之源, 葉琳琳, 鄭志俠, 汪家權. 環境條件變化對瓦埠湖沉積物磷釋放的影響. 水土保持學報, 2006, 20(6): 148- 152.

[42] 汪家權, 孫亞敏, 錢家忠, 巫建光, 潘天聲. 巢湖底泥磷的釋放模擬實驗研究. 環境科學學報, 2002, 22(6): 738- 743.

[43] 范成新, 張路, 秦伯強, 王蘇民, 胡維平, 張琛. 風浪作用下太湖懸浮態顆粒物中磷的動態釋放估算. 中國科學D輯, 2003, 33(8): 760- 780.

[44] 吳根福, 吳雪昌, 金承濤, 宣曉東, 李梅姿. 杭州西湖底泥釋磷的初步研究. 中國環境科學, 1998, 18(2): 107- 110.

[45] 韓沙沙, 溫琰茂. 富營養化水體沉積物中磷的釋放及其影響因素. 生態學雜志, 2004, 23(2): 98- 101.

[46] 劉子婷, 余俊清, 張保華, 蔡偉, 張立莎. 燒失量分析在湖泊沉積與環境變化研究中的應用. 鹽湖研究, 2006, 14(2): 67- 72.

[47] 張新明, 李華興, 劉遠金. 磷酸鹽在土壤中吸附于解吸研究進展. 土壤與環境, 2001, 10(1): 77- 80.

[48] Wetzel R G. Benthic algae and nutrient cycling in lentic freshwater systems // Stevenson R J, Bothwell M L, Lowe R L, eds. Algal Ecology: Freshwater Benthic Ecosystems. San Diego: Academic Press, 1996: 642- 667.

[49] 李萬會, 丁平興. 灘涂沉積物中葉綠素a濃度與沉積特性的關系. 華東師范大學學報: 自然科學版, 2007, (4): 26- 33.

[50] Hansson L A. Effects of competitive interactions on the biomass development of planktonic and periphytic algae in lakes. Limnology & Oceanography, 1988, 33(1): 121- 128.

[51] Pauer J J, Auer M T. Nitrification in the water column and sediment of a hypereutrophic lake and adjoining river system. Water Research, 2000, 34(4): 1247- 1254.

[52] 曾巾, 楊柳燕, 肖琳, 尹大強, 秦伯強. 湖泊氮素生物地球化學循環及微生物的作用. 湖泊科學, 2007, 19(4): 382- 389.

[53] 劉峰, 高云芳, 王立欣, 李秀啟, 師吉華, 客涵, 王亞楠, 冷春梅, 王芳, 董雙林. 水域沉積物氮磷賦存形態和分布的研究進展. 水生態學雜志, 2011, 32(4): 137- 144.

[54] 范成新, 相畸守弘. 好氧和厭氧條件對霞浦湖沉積物——水界面氮磷交換的影響. 湖泊科學, 1997, 9(4): 337- 342.

[55] Gu B H, Alexander V. Dissolved nitrogen uptake by a cyanobacterial bloom (Anabaenaflos-aquae) in a Subartic Lake. Applied and Environmental Microbiology, 1993, 59(2): 422- 430.

[56] Seitzinger S P. Denitrification in freshwater and coastal marine ecosystems: ecological and geochemical significance. Limnology & Oceanography, 1988, 33(4 Part 2): 702- 724.

[57] Robertson L A, Van Neil E W J, Torremans R A, Kuenen J G. Simultaneous nitrification and denitrification in aerobic chemostat cultures ofThiosphaerapantotropha. Applied and Environmental Microbiology, 1988, 54(11): 2812- 2818.

[58] Carter J P, Hsiao Y H, Spiro S, Richardson D J. Soil and sediment bacteria capable of aerobic nitrate respiration. Applied and Environmental Microbiology, 1995, 61(8): 2852- 2858.

[59] 丁愛中, 傅家謨, 盛國英. 好氧生物反硝化反應的實驗證據. 科學通報, 2000, 45(S): 2779- 2782.

[60] 呂錫武, 李鋒, 稻森悠平, 水落元之. 氨氮廢水處理過程中的好氧反硝化研究. 給水排水, 2000, 26(4): 17- 20.

[61] Mariotti A, Landreau A, Simon B.15N isotope biogeochemistry and natural denitrification process in groundwater: application to the chalk aquifer of northern France. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1988, 52(7): 1869- 1878.

[62] 楊龍元, Gardner W S. 休倫湖Saginaw灣沉積物反硝化率的測定及其時空特征. 湖泊科學, 1998, 10(3): 548- 553.

[63] 馬沛明, 況琪軍, 劉國祥, 胡征宇. 底棲藻類對氮、磷去除效果研究. 武漢植物學研究, 2005, 23(5): 465- 469.

[64] 姚曉, 山口一巖, 鄒立, 高會旺, 郭新宇. 黃河三角洲南部潮間帶沉積環境對底棲葉綠素a分布特征的影響. 生態學雜志, 2010, 29(9): 1762- 1769.

[65] 林慧, 蘇玉萍, 莊一延, 鐘厚璋, 林佳, 金華. 福建省山仔水庫和杜塘水庫沉積物葉綠素a比較研究. 亞熱帶資源與環境學報, 2011, 6(4): 42- 48.

[66] 楊明生. 武漢市南湖大型底棲動物群落結構與生態功能的研究 [D]. 武漢: 華中農業大學, 2009: 16- 18.

A preliminary study of effects of warming on the nutrients dynamic in sediment of hypereutrophic shallow lake

LI Gengchen1, LIU Zugen2, ZHANG Min1,*, LI Juan1, PI Kun1, XIONG Ying1, XU Jun3

1CollegeofFisheries,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China2JiangxiAcademyofEnvironmentalProtectionSciences,Nanchang330029,China3InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,China

It is now accepted that human-induced climate change is unavoidable. On average, global surface temperatures have increased by about 0.74 ℃ over the past 100 years with the majority of the increase (0.55 ℃) occurring over the past 30 years. Marked changes may be expected to occur in the global climate during this century. Temperature increase, although only one of several related climate changes, is the key variable of change and one that pervades almost all biological processes. All ecosystems will therefore be affected to some extent by global warming and predicting potential effects on the ecosystems is of great importance for ecology and management. Lake ecosystems are vital resources for aquatic wildlife and human needs, and any alteration of their environmental quality and water renewal rates has wide-ranging ecological and societal implications. However, lakes have always been subject to the impacts of climate change, and natural climate variations in the past have been one of the main reasons that lakes are ephemeral features of the landscape. The sediment in lakes typically has high concentrations of nutrients and organic matter, and hosts a biologically active autotrophic-heterotrophic community. Thus, knowledge of the warming effects on nutrients dynamic in sediment is in urgent need. In the present study, an indoor microcosm system was set up to explore the effects of warming on the nutrients dynamic in sediment of a hypereutrophic shallow lake, Lake Nanhu. Sieved sediment cores were incubated under laboratory conditions, the experimental temperature regimes consisted of decadal spring average of Wuhan city (18 ℃) and an elevated regime with 4.5 ℃ difference from that at baseline (22.5 ℃). The contents of orthophosphate and total phosphorus in the water under the ambient temperature of 22.5 ℃ was significantly higher than those of 18 ℃ during the middle stage of the experiment, which indicated that warming accelerated the release of phosphorus from the sediment into water and the increase of the phosphorus content in the water would further increase the eutrophication. The concentration of the nitrate nitrogen in water raise rapidly accompany with the ammonia nitrogen concentration decreasing fast in the beginning of the experiment. Nevertheless, the contents of total nitrogen in water under two different temperature conditions were not significantly different from each other. The concentrations of total nitrogen in water and sediment were continuously declining at both conditions in all the experimental phases, which may indicate the denitrification and the benthic biological absorption in this experiment system. The total phosphorus content in sediment, loss on ignition of sediment, an indicator for loss of organic matter, and the chlorophyll a in the sediments were not significantly affected by the elevated temperature in this experiment system. In conclusion, warming may profoundly affect the phosphorus dynamics, but no obvious impact on the nitrogen dynamics in sediment.

warming; eutrophic lake; sediment-water interface; nutrients; dynamics

國家自然科學基金資助項目(31200359); 國家水體污染控制與治理科技重大專項課題子課題(2012ZX07501001-06); 公益性行業(農業)科研專項(201203083)

2013- 09- 10;

2014- 07- 02

10.5846/stxb201309102244

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhm7875@mail.hzau.edu.cn

李庚辰, 劉足根, 張敏, 李娟, 皮坤, 熊鷹, 徐軍.升溫對超富營養型淺水湖泊沉積物營養鹽動態遷移的影響.生態學報,2015,35(12):4016- 4025.

Li G C, Liu Z G, Zhang M, Li J, Pi K, Xiong Y, Xu J.A preliminary study of effects of warming on the nutrients dynamic in sediment of hypereutrophic shallow lake.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4016- 4025.