春季水华蓝藻物候特征对温度与光照"错配"的响应及机制

The timing of cyanobacterial dominance establishment has been advancing with the elevated average temperature induced by global warming. However, elevated temperature could not explain sufficiently this advancement due to the complexity of light and thermal process. In the warming world, although cyanobacteria obtain higher temperature, it also faces weaker global radiation and shorter sunlight due to sun angle, air pollution and eutrophication, which will induce a mismatch of temperature and light. Furthermore, both higher temperature and weaker light favor cyanobacterial growth and competition. Therefore, the mismatch may be the important factor affecting cyanobacterial phenology in spring. In the project, we will elucidate effect and mechanism of the mismatch on the timing of cyanobacterial dominance establishment in different time and space scale. First, we will reconstruct the timing of cyanobacterial dominance establishment according to historical data and satellite images of different lakes, and analyze the contribution of the mismatch to the timing with GAM model. Second, we will monitor the effect of the mismatch on cyanobacterial dominance establishment, and make clear the relationship between the mismatch and cyanobacterial dominance. Third, we will simulate the process of cyanobacterial dominance establishment with temperature increasing and light decreasing, and determine their physiological and photochemical mechanisms. Last, we will construct an empirical model to predict the expansion of cyanobacterial blooms under different mismatch patterns. The project will benefit the understanding of phytoplankton response to global warming, and application in predicting the initial time of cyanobacterial blooms in spring.

全球变暖趋势下，春季蓝藻优势确立时间不断提前，但是由于光热过程的复杂性，仅用温度升高并不能有效解释这种变化。温度升高导致春季特定温度节点提前，但在提前的节点上日照时间偏短、光照强度偏弱，同时空气污染和富营养化等因素进一步降低了水下可利用光，形成了日益加剧的高温与低光"错配"现象，而高温与低光均有助于蓝藻优势确立与水华形成，因此温度与光照"错配"可能是影响春季水华蓝藻物候特征变化的重要因素。本项目将在不同时空尺度上揭示春季水华蓝藻峰值出现时间和首次水华发生时间两个物候特征对这种"错配"的响应及机制：通过不同湖泊历史数据阐明这种"错配"对蓝藻物候特征的影响和贡献；运用模拟试验揭示其影响藻类演替的生理生态学机制；建立蓝藻物候特征经验模型，预测不同"错配"模式下蓝藻物候特征的变化趋势。研究结果对于认识气候变化影响湖泊浮游植物群落演替，预测蓝藻水华在时空尺度上扩张的趋势具有重要的理论意义和应用前景。

全球变暖的趋势下，春季蓝藻优势确立时间不断提前，但是由于光热过程的复杂性，仅用温度升高并不能有效解释这种变化。温度升高导致特定温度节点提前，但此时由于太阳辐射角度未达到历史（或低纬度）相同温度时的角度，所以日照时间偏短、光照强度偏弱，形成高温与低光的“错配”现象。较高的温度与较弱的光照均有助于蓝藻的优势确立与水华形成，因此温度与光照“错配”可能是影响春季水华蓝藻物候特征变化的重要因素。本项目将在不同时空尺度上揭示了温度与光照“错配”对水华蓝藻优势过程的影响及其机制：通过太湖长序列历史数据发现，太湖温度和光照的“错配”在过去近30年间呈现不断加剧的态势，而且这种加剧明显促进了太湖蓝藻水华的扩张；通过对多个湖泊的调查分析发现，温度与光照的“错配”虽然不是蓝藻生物量增加的主要驱动因素，但是其在一定程度上提升了湖泊中蓝藻的生物量，而且这种错配对于湖泊群落结构和多样性同样具有重要影响，源于海拔或纬度的温度差异以及源于富营养化的生物量增加对水下光照的反馈效应是造成湖泊间温度与光照“错配”的主要因素，这种错配是湖泊浮游植物群落结构和多样性变化的最主要驱动因素；通过室内和原位模拟实验发现，温度与光照“错配”通过影响不同藻类代谢活性和光化学活性从而实现蓝藻优势过程的放大，非水华蓝藻对于温度与光照“错配”的生理响应明显弱于水华蓝藻；这些模拟实验揭示了“错配”影响藻类演替的生理生态学机制；通过模型分析，定量模拟了不同环境因子随时间变化对太湖浮游藻类生物量扩张的贡献，结果发现过去近30年间，温度和光照对太湖浮游藻类生物量的波动具有显著贡献，光照的贡献明显高于温度。二者单独的贡献随时间变化过程非常复杂，但是结合作用的贡献相对明确，温度与光照的“错配”对于太湖蓝藻水华生物量扩张的贡献超过10%。因此，温度与光照“错配”的加剧提升湖泊蓝藻水华治理难度，在制定蓝藻水华控制与营养盐削减政策过程中要充分考虑这一影响。