文献分享 | EST：2010 - 2021年太湖大气活性氮沉降及其对浮游植物的影响

氮沉降减少对淡水营养盐负荷的影响已得到广泛研究，但是其对生态影响的认识仍然相当有限。本文利用2010 - 2021年太湖氮沉降监测数据，对太湖氮沉降进行了重新估算。结果表明，太湖大气中活性氮（NH ₄ ⁺ 和NO ₃ ^- ）的沉降量为4.94 - 11.49 kt/a，相当于河流负荷的13.9%-27.3%。NH ₄ ⁺ 和NO ₃ ^- 的干沉降贡献占太湖总沉降量的53.1%。无论是湿沉降还是干沉降，氨氮都是主要的沉积物，这可能与太湖周边地区强烈的农业活动有关。2010 - 2021年，氮沉降对浮游植物群落演替的贡献率为24.9%，是所有环境因子中最高的。大气沉降抵消了早期外部氮减少的影响，推迟了太湖固氮蓝藻优势的出现。研究结果表明，由于化肥使用的减少，使得氮沉降减少，特别是NH ₄ ⁺ 沉积减少，可以限制硅藻及促进非固氮蓝藻优势，其次促进固氮类群优势。这一结果也适用于在过去的几十年中，化肥使用量显着减少的长江中下游的其他富营养化湖泊。

Fig. 1. Long-term trends of deposition (a-c), external loading (d), and nutrient concentrations (e) in Lake Taihu from 2010 to 2021. The contribution of TN bulk deposition and external loading to nutrient concentrations in the lake was also estimated by RF (f-g), and bulk deposition contributed more to nitrogen concentrations in the water column than did external loading.

图1 2010 - 2021年太湖沉积物（a-c）、外部负荷（d）和营养盐浓度（e）的长期趋势。通过随机森林（f）估算了TN总沉降和外部负荷对湖泊营养盐浓度的贡献，总沉降对水体氮浓度的贡献大于外部负荷

Fig. 2. Long-term trends of external loading (a) and nitrogen concentrations in the water column (b), the relative contributions of TN bulk and TN riverine loading to TN concentrations (c), and the relative contributions of NH ₄ ⁺ bulk deposition to NH ₄ ⁺ concentrations in the water column, as well as the relationships between nitrogen concentrations and depositions (e-j).

图2 外部负荷（a）和水体中氮浓度（b）的长期变化趋势，TN沉降总量和TN河流负荷对总氮浓度的相对贡献（c），NH ₄ ⁺ 沉降总量对水体中NH ₄ ⁺ 浓度的相对贡献，以及氮浓度与沉降之间的关系（e-j）

Fig. 3. Long-term variation as estimated by the redundancy analysis (RDA) of the dominant genera in Lake Taihu from 2010 to 2021 (a) and the long-term trends of the logarithm-transformed biomass ratio between non-nitrogen-fixing taxa (Microcysits spp.) and nitrogen-fixing taxa (Dolichospermum spp.) (b).

图3 根据2010 - 2021年太湖优势属的冗余度分析（RDA）估算的长期变化（a）以及非固氮类群（微囊藻属）和固氮类群（长籽木属）之间的生物量转化率的长期趋势（b）

Fig. 4. Relationships between nitrogen deposition and the logarithm-transformed biomass ratio of non-nitrogen-fixing taxa (Microcysits spp.) to nitrogen-fixing taxa (Dolichospermum spp.) in Lake Taihu from 2010 to 2021.

图4 2010年至2021年太湖氮沉降与非固氮类群（微囊藻属）和固氮类群（长籽木属）生物量转化率的关系

Fig. 5. Individual importance (%) of the environmental variables in explaining the temporal variation in the phytoplankton community from 2010 to 2021 in Lake Taihu.

图5 2010 - 2021年解释太湖浮游植物群落时间变化的环境变量个体重要性（%）

Fig. 6.  Cause-effect relationships estimated by structural equation models (SEMs).

图6 结构方程模型（SEM）估计的因果关系

1. 太湖大气沉降减少的驱动因素：大气氮沉降的减少可能主要是由于农业化肥施用量的减少。

2. 大气沉降对太湖氮输入的贡献：2010年至2021年，湖泊表面的年大气沉积量为4.94 - 11.49 kton/yr，约占河流总负荷的13.9%-27.3%。

3. 浮游植物群落演替对氮沉降减少的响应：大气氮沉降减少，可能会导致水体中的总氮减少，可能会促进浮游植物优势种从硅藻转移到非固氮蓝藻。

1. 本研究数据详实，分析层次清晰缜密，数据量覆盖11年，且对于氮沉降详细分至湿沉降、干沉降、总氮、氨氮、硝氮，其对氮循环的过程进行了清晰的表征。

2. 本研究对于氮沉降来源与氮沉降贡献揭示完整清晰，来源进行了多方面分析，包括化肥使用量、无锡市用电量、汽车保有量、GDP等与氮沉降的关系，全面明晰；贡献方面采用两种模型估算了氮沉降对太湖河流负荷的贡献率，将氮沉降贡献的重要性明确表示。

3. 本研究首次揭示了长期大气沉积的减少促进了大型浅水富营养化湖泊中浮游植物群落的演替，为后续大气沉降与生态环境中微生物及植物的关系提供了研究思路与方法。

   文章信息

Deng J, Nie W, Huang X, et al. Atmospheric Reactive Nitrogen Deposition from 2010 to 2021 in Lake Taihu and the Effects on Phytoplankton[J]. Environmental Science & Technology, 2023.

   DOI:

https://doi.org/10.1021/acs.est.2c09434

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姜佳玉 | 供稿

   林永强 | 编辑

      陈磊 | 审核