深水湖泊抚仙湖磷循环研究取得系列进展
亚热带高原深水湖泊抚仙湖是我国蓄水量最大的深水型淡水湖泊，约占全国淡水蓄水总量的10%和I类地表水资源量的50%，对我国饮用水安全保障具有重大战略意义。然而在人类活动和气候变化的双重压力下，抚仙湖的生态环境保护面临巨大压力。近日，中国科学院南京地理与湖泊研究所吴庆龙研究员团队邢鹏课题组针对抚仙湖水体的磷循环过程及其生态效应研究取得进展。
研究团队发现混合期及分层形成期，抚仙湖总磷（TP）浓度升高引发的氮限制诱导了固氮微生物群落由异养固氮菌向自养固氮菌（固氮蓝藻）演替。通过2013~2018年连续五年的季节性调查发现，当TP低于21.8 μg/L时，异养固氮微生物占优势；当TP处于21.8 ~ 28.8 μg/L时，异养固氮菌或固氮蓝藻随机占优；当TP高于28.8 μg/L时，固氮蓝藻占总固氮量的60.4%-97.7%，此时固氮微生物群落多样性显著下降。固氮蓝藻占据优势后，将进一步促进其它多种类型浮游植物的生长，巩固了氮限制条件下浮游植物与TP之间的正反馈作用（图1）。
图1 抚仙湖固氮微生物群落由异养固氮菌向自养固氮菌（固氮蓝藻）演替（Li et al. 2024）
研究团队进一步发现，分层期湖上层存在适应溶解无机磷（DIP）匮乏的有机磷循（DOP）转化途径，该机制可以维持藻类生物量。通过分析抚仙湖可溶性磷（dissolved phosphorous,DP）组分的时空分布和碱性磷酸酶活性，发现分层期DOP是湖上层主要的磷形态，易被生物利用的DIP浓度低；同时，可以将DOP转化为DIP的碱性磷酸酶（特别是磷酸单酯酶，PME）活性高。研究发现，PME活性受到DIP浓度的调控，当DIP浓度低于5.9 μg/L时，PME活性显著提高。此外，磷酸二酯酶（PDE）活性不受DIP调控，与叶绿素a具有显著的正相关关系。该研究为水体DOP转化维持初级生产策略提供了重要的原位证据。
图2 抚仙湖水体可溶性磷循环及其与藻类生产力的关系（Han et al. 2024）
DIP匮乏条件下生态系统适应DOP利用，可能触发好氧产CH4过程（OMP），其微生物代谢过程以及对抚仙湖CH4释放通量的贡献尚不清楚。研究团队采用质量平衡法估算了抚仙湖原位OMP过程贡献，分析了溶解13C-CH4同位素特征值、OMP潜在底物以及相关代谢基因（phnJ、phnD），结果发现分层期湖上层（epilimnion）CH4浓度积累达到最大值，OMP对水-气界面CH4释放通量的贡献可达86%。CH4主要来源于甲基磷（MPn）分解，参与的微生物类群主要是Alphaproteobacteria纲的Sphingomonas属和Mesorhizobium属。水温、叶绿素a和DIP是影响OMP的关键因子。通过抚仙湖及全球数据荟萃分析发现，OMP同样受到DIP浓度调控，当DIP浓度低于3.4 ~ 9.4 μg/L阈值时，触发OMP过程，增加了水-气界面CH4释放量。全球变暖情景引起的湖泊分层稳定性增加，湖上层贫营养化趋势加剧，可能会系统性地影响抚仙湖的生物地球化学循环过程及其生态系统稳定性。
图3 好氧产CH4过程对抚仙湖CH4释放通量的贡献及其变化趋势（Xun et al. 2024）
针对抚仙湖磷循环过程及其生态效应的阶段性进展，获得了多个生态系统关键阈值，可以为抚仙湖水安全保障和生态系统保育提供科学依据。上述研究工作得到国家自然科学基金NSFC-云南联合基金“全球增温背景下内源磷释放对抚仙湖生态系统的影响”资助。感谢中国科学院抚仙湖高原深水湖泊研究站对科研工作的支撑。
相关论文链接信息：
Li,B. et al. Phosphorus-driven regime shift from heterotrophic to autotrophic diazotrophs in a deep alpine lake. Water Research 248,120848,doi:10.1016/j.watres.2023.120848 (2024).
Han,X. et al. Mechanism of organic phosphorus transformation and its impact on the primary production in a deep oligotrophic plateau lake during stratification. Water Research 254,121420,doi:10.1016/j.watres.2024.121420 (2024).
Xun,F. et al. Epilimnetic oligotrophication increases contribution of oxic methane production to atmospheric methane flux from stratified lakes. Water Research,122602,doi:https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122602 (2024).