长江流域湖泊沉积物的关键脱氮途径及其对水生植被恢复的响应

Nitrogen (N) is one of the key elements for algae growth and thus for eutrophication of most freshwater lakes. Therefore, it is essential to examine the patterns and determinants of N removal capacity of sediments in lakes. There are many lakes in the Yangtze River basin. However, most of them have suffered from eutrophication for the past several decades. Aquatic vegetation restoration is a common strategy used to control eutrophication in shallow lakes. However, few studies have conducted on the effect of aquatic vegetation restoration on N removal processes. Moreover, the mechanisms by which aquatic vegetation restoration alters the N removal processes in sediments are still poorly understood. This proposal uses an isotope-pairing technique to study the two key processes of N removal (i.e., denitrification and anammox) in sediments. Firstly, we study the N removal capacity of sediment denitrification and anammox and its relationship with water quality, sediment properties, aquatic vegetation, and community structure of microorganisms in 40 Yangtze lakes. Secondly, we search the scientific literature in four databases to assess the effect of bioremediation on N removal effectiveness of sediments in lakes all over the world. Thirdly, this study examines the responses of sediment denitrification and anammox to the restoration of submerged and floating-leaved macrophytes in Lake Donghu and indicates their formation mechanisms. Results from this study can provide some important information for assessing the ecological benefits of aquatic vegetation restoration and for restoring the eutrophic lakes in China.

氮是藻类生长的限制性营养元素之一，也是导致湖泊富营养化的重要因子，研究湖泊沉积物的脱氮途径及其控制因素具有重要的理论和现实意义。长江流域湖泊众多，水体富营养化不断加剧，恢复水生植被是常用的生物修复措施之一，但水生植被恢复对湖泊脱氮功能的影响及其机理的研究还比较欠缺。本项目拟采用氮同位素配对技术来定量湖泊沉积物的反硝化、厌氧氨氧化这两个关键脱氮途径。通过野外调查和实验室测定，研究长江流域40个湖泊的关键脱氮过程及其与生物、环境因子的关系；通过对文献的整合分析，阐明生物修复对全球湖泊脱氮过程的影响程度、长期趋势及控制因子；通过案例研究，揭示东湖沉积物的关键脱氮过程对沉水植物和浮叶植物恢复的响应特征及机理。本项目的研究结果将为系统评估水生植被恢复的生态效应和治理富营养化湖泊提供理论支撑和实践指导。

沉积物反硝化作用是水域生态系统的关键脱氮途径。长江中下游是我国湖泊分布最为广泛的区域之一，且湖泊富营养化比例高达85.9%，研究其湖泊沉积物关键脱氮过程及其影响因子，对富营养化治理具有非常重要的意义。本文以长江中下游湖泊为研究对象，运用流域尺度野外调查、单个典型湖泊案例研究以及室内受控试验相结合的研究方法，对沉积物脱氮途径进行了研究，主要结果如下：.1. 选取长江中下游22个湖泊为研究对象，调查了沉积物反硝化能力及其功能基因丰度、水质、沉积物理化性质、沉水植被，并分析了沉积物反硝化作用的影响因素。结果表明，湖泊沉积物的反硝化作用相应的呈现出显著空间变化。方差分解显示，水质是影响沉积物反硝化作用的主要因素。路径分析的结果揭示，水质对沉积物反硝化作用同时有直接或间接影响，其直接影响强于间接影响。生物因子（相关微生物和沉水植物群落结构）并不能解释湖泊沉积物的反硝化能力。因此，长江中下游湖泊中，非生物环境因子是沉积物脱氮途径的主要影响因素。.2. 沉水植被退化是湖泊富营养化引起的严重生态问题，洪湖是长江中下游典型的浅水湖泊，其沉水植被覆盖表现出明显的水位梯度。通过对洪湖沉积物氮循环速率的时空变化研究，结果表明沉水植物覆盖与否对沉积物反硝化作用无显著影响。沉积物氮循环速率和相关功能基因丰度呈现出明显的季节性变化。沉积物脱氮途径的季节性变化主要受水质、沉积物理化性质的影响，与沉水植物的覆盖与否或者相关功能基因丰度无显著相关。因此，尽管沉水植物修复有利于提高水质，但没有显著提高沉积物的脱氮能力。.3. 选取长江中下游湖泊常见的3种沉水植物进行温室控制实验，探讨沉水植物对沉积物反硝化作用及其相关功能基因丰度的影响。结果表明，沉水植物及其物种丰富度对沉积物反硝化作用并无显著影响，且沉水植物类型对反硝化功能基因丰度也无显著影响。控制实验进一步验证，水质、沉积物理化性质是影响沉积物反硝化作用及其相关功能基因丰度的主要因子。.