生态系统状态转换后系统的结构和功能会发生明显改变。水生态系统稳态转换的典型现象——湖泊富营养化是生态系统在长期的人为胁迫或短期的强扰动下由清水稳态转化为浊水稳态的过程。与湖泊富营养化过程相比，返贫营养过程（re-oligotrophication，浊水稳态向清水稳态转变的过程）中生态系统的响应趋势及其相关驱动机制的研究相对缺乏。 基于此，中国科学院南京地理与湖泊研究所陈非洲研究员团队，以浮游植物为研究对象，通过分析太湖站长时间序列监测数据发现，2007年后太湖冬春季浮游植物组成发生了根本性的改变，从以绿藻和鞭毛藻类为主转变成以硅藻为主，指示生态系统功能指标之一的资源利用效率也显著增加（图1），而夏季浮游植物组成并未发生显著变化。
图1 太湖冬春季浮游植物生物量、组成及其资源利用效率与氨氮的关系
太湖持续的富营养化治理工程，引起水中氮浓度的显著下降，特别是冬春季NH4-N浓度的显著下降导致了上述浮游植物组成和系统功能的改变。其根本原因在于硅藻细胞内特有的NO3-N转运和同化路径、细胞表面高密度的NO3-N转运体、液泡超级储NO3-N能力等特点使其更适宜于低NH4-N/NO3-N比环境（图2）。因此，与其他藻类相比，硅藻更易受到高NH4-N浓度的抑制作用，2007年后随着太湖冬春季NH4-N浓度的显著减少，当水中NH4-N浓度下降至< 0.79 mg/L，硅藻生长不再受抑制，生物量显著增加且在冬春季浮游植物组成中占据优势。此外，太湖滤食性鱼类的放养，特别是鲢鳙放养的增加，导致水中牧食硅藻的浮游动物显著减少，此营养级联效应与上行效应叠加（图3），进一步促进了春季硅藻在浮游植物群落中的优势地位，维持了生态系统对营养盐的高效利用状态。
图2 太湖春季浮游硅藻响应不同形态无机氮的机理解析
图3 上下行效应：对浮游硅藻及其生态系统功能影响的结构方程模型
该系列研究结果表明（1）外源营养负荷削减后，显著降低了太湖总氮，特别是无机氮浓度，进而对浮游植物的组成及生态系统功能产生了显著影响；（2）外源营养负荷削减后，富营养湖泊冬春季硅藻的快速回归，可作为湖泊修复治理措施成效的早期信号；（3）冬春季硅藻的增加有利于退化食物网的重建，可用于指示退化食物网的恢复。
以上研究成果发表在Water Research、Freshwater Biology（封面文章）、Ecosystems等期刊上。中国科学院南京地理与湖泊研究所刘霞博士为论文第一作者，主要合作者包括邓建明副研究员、李芸副研究员、张民副研究员、沈睿杰博士以及丹麦奥胡斯大学Erik Jeppesen教授等，陈非洲研究员为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金、中国科学院南京地理与湖泊研究所青年科学家等项目的资助，以及中国科学院太湖湖泊生态系统研究站提供数据。
相关文章链接：
1.https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118493
2.https://doi.org/10.1111/fwb.13986
3.Liu Xia, Deng Jianming, Li Yun, Jeppesen Erik, Zhang Min, Chen Feizhou, 2023. Nitrogen reduction causes shifts in winter and spring phytoplankton composition and resource use efficiency in a large subtropical lake in China. Ecosystems (in press).
