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拉响长江河口生态系统恶化警报

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拉响长江河口生态系统恶化警报

磷素是水体富营养化的关键限制因子,目前国内外关于气候变化以及不同土地利用方式对水体中生物可利用磷的影响报道较少。该研究主要选取西南地区的典型紫色土流域为例,分析了地下水及地表水生物可利用磷的季节性变化,次降雨与条件下生物可利用磷的过程输出及迁移通量研究,同时,针对流域管理调控非点源磷污染提出对策。

核心提示:“近20年来,长江口水体氮、磷含量增加3~5倍,使得长江口及邻近海域营养盐结构也发生改变,河口和近岸生态系统原有的生物种群结“近20年来,长江口水体氮、磷含量增加3~5倍,使得长江口及邻近海域营养盐结构也发生改变,河口和近岸生态系统原有的生物种群结构发生变化,导致赤潮发生频繁,生态系统衰退,生物多样性减少,生物资源再生产和食物安全受到严重影响。”华东师范大学河口海岸学国家重点实验室教授李道季忧心地告诉记者。为了破解其中的难题,李道季领衔“973”重大课题“高浑浊河口水域的生物地球化学过程”进行攻关。5年来,课题组在长江口和黄河口水域共组织参与以及与其他在研项目联合进行了19次大大小小的现场观测和实验研究。近日,课题组结题成果揭示了三峡工程蓄水后长江口的营养盐状况,发现长江口浮游生物群落结构已发生明显变化,并且对悬浮颗粒物浓度与营养盐浓度关系的研究修正了传统观点。揭示三峡蓄水后长江口营养盐状况课题组对长江口及邻近海域的水体营养盐和沉积物进行了深入研究,获得了长江三峡蓄水后首个夏季长江口营养盐的主要扩散方向、扩散强度和范围等资料,特别是通过对以磷为主的营养盐循环过程研究,揭示出长江口营养盐的分布变化状况。随后,为了弄清不同粒级各种形态的磷参与长江口生物地球化学循环中的作用,课题组定量研究了它们,发现在长江向河口区输送的颗粒态磷中,以难以参与生物循环利用的矿物中碎屑磷为主,其次为有机磷及非活性有机磷;长江口及毗邻海区沉积物中总磷的主要存在形态依次是碎屑磷、可交换态磷、铁结合态磷、有机磷、自生磷灰石磷及非活性有机磷。其中,可交换态磷、铁结合态磷、有机磷可以通过降解等过程被生物利用参与再循环。这丰富了人们对长江河口不同形态磷的认识。课题组在三峡截流蓄水后的第一时间,调查获得长江口及邻近海域营养盐分布状况及大量连续观测数据。“因不可重复获取而具历史性,为研究三峡工程对河口的影响评估具有重要科学价值。”李道季告诉记者。长江口浮游生物群落结构变化明显近10年来,长江口及毗邻海域浮游生物群落结构已发生明显变化。由于流域人类活动的影响,自2000年以来,该水域悬浮物和硅酸盐浓度呈显著下降趋势,无机氮的浓度在2003年以后也呈现出下降趋势,富营养化程度有所缓解,但氮磷比值高于警戒线。长期的营养盐氮、磷、硅比值的失衡导致甲藻类在浮游植物群落中所占比例大增,硅藻比例下降,甲藻类赤潮频繁发生,这是长江河口生态系统发生恶化的强烈信号。李道季认为,“全球气候变暖和人类活动导致的营养盐结构改变,是长江口及邻近海域浮游生物群落结构变化的主要原因,而维持其群落结构的稳定性,控制输入营养盐比例比控制流域营养盐输入量更为重要。”课题组还通过在长江口水域现场模拟培养实验研究,发现在磷浓度为1~2微摩尔/升之间,浮游植物的生长速度最快,其最佳氮磷比为20到30之间。在光照较强的情况下,微型和微微型浮游生物生长过程不受光照限制,对碳生物量贡献率最大,占到80%~90%以上。该研究把以往只针对大小型浮游植物的研究推向对微型和微微型浮游植物的生理生态过程研究,具有开创性。研究结果也为今后国家制定近岸河口环境磷的水质标准提供了参考。修正悬浮颗粒物与营养盐浓度关系的传统观点以往的研究认为,长江口悬浮颗粒物浓度与营养盐之间存在着显著的吸附—解吸和吸收—释放的相互作用,营养盐浓度的变化主要受悬浮颗粒物浓度变化的影响。而课题组以新的视角探讨了长江口悬浮颗粒物浓度变化及其综合影响,发现悬浮颗粒物浓度对营养盐浓度影响较小,只具有统计意义。这修正了传统观点。“过去对于长江口营养盐保守性和通量收支的认识,总是通过考察营养盐浓度与盐度的关系,或者通过箱式模型来描述,其中的问题在于缺乏对物理过程影响的详细了解以及定量的计算。”李道季介绍。课题组在长江口水域进行了12个连续观测站的定点季节性观测研究,通过应用新的研究方法,课题组得出了与传统观点不一样的结论。研究表明,悬浮颗粒物浓度对长江口营养盐影响不大。悬浮颗粒物浓度对长江口营养盐影响较小与水体在长江口较短的滞留时间以及复杂的环流状况有关。李道季表示:“长江口环流复杂是造成河口营养盐成分分布不平衡的最主要原因。”

磷既是地球生命系统所必需的重要营养元素,也是造成水体富营养化的主要因子。随着人口增长和食物结构的改变,人类对磷矿石资源的开发利用强度不断加大,进而加剧了磷资源短缺和水体富营养化形势。研究磷资源开发利用生命周期过程的流动路径,是探寻磷资源可持续利用和解决水体富营养化的重要命题。南京大学袁增伟教授课题组致力于多尺度磷循环及其资源环境效应评估研究,最近在中国磷循环格局演变过程重建及其富营养化潜势评估方面取得了重要新进展,该工作于2016年2月22日发表在PNAS上(www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1519554113)

该研究成果近期发表在国际著名水文学杂志Journal of Hydrology上发表。

基于磷流生命周期各过程质量守恒原理,袁增伟教授课题组构建了中国磷循环分析框架与核算模型,基于课题组建立的中国涉磷活动信息数据库,重建了中国1600-2012年的磷循环格局演变过程,并在此基础上绘制2012年中国人类活动磷排放的富营养化潜势图谱。结果表明,与1900年之前以自然为主导的磷循环相比,近百年尤其是最近半个世纪以来,中国磷循环受到人类活动的干预越来越强烈(见图1, A, B)。2012年,中国磷矿石开采量达到12.5 Tg P yr-1,占全球磷矿产量的40%以上,其中70%用于生产含磷化肥。农业种植系统呈现磷过量使用问题,2012年,全国单位面积农田的磷输入量达到80 kg P ha-1,是植物可利用量的2倍多,远高于发达国家平均水平。在过去四个世纪内,人均磷摄入量维持相对稳定状态,但磷矿石的消耗量不断增加,这主要是因为人类食物消费结构呈现由植物型向动物型转变所致。随着磷资源利用生命周期过程的延长,磷损失量加剧,只有约4%的磷资源最终转移至食品中。与此同时,2003年起,中国由磷净进口国转变为净出口国,主要出口磷肥、农药等磷化工产品,进口的则多是来自巴西、美国等国的转基因大豆等农产品。。土壤和地表水体中的磷累积量随之快速增加(见图1, E, F)。

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6165金沙总站,图 1. , 中国主要磷流变化;, 磷矿石生产与消费结构变化;, 主要食物磷需求变化;, 磷矿石及主要含磷产品进出口变化;, 土壤磷库存变化;, 地表水体磷输入变化

6165com澳门老金沙,对2012年中国地表水体磷排放的空间分析表明,东部沿海经济发达、人口密集省份单位面积的平均磷排放量达495 kg km2yr-1,约为西部区域的9倍。相比之,中国富营养化潜势图谱存在更加明显的空间异质性,高富营养化潜势主要集中在经济发达和人口密集的沿海地区,长江中下游流域尤其显著。该研究为制定中国磷资源可持续利用战略提供了科学依据,为开展磷循环可持续性研究提供了科学方法。

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图 2 中国2012年磷排放富营养化潜势

袁增伟教授为该成果通讯作者,其课题组博士生刘欣、助理研究员盛虎为并列第一作者,爱尔兰国立高威大学Chaosheng Zhang博士、美国亚利桑那州立大学James J. Elser教授亦对该成果发表做出重要贡献。

该工作得到国家自然科学基金和美国自然科学基金的支持。

(环境学院 科学技术处)

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