《The Innovation》：Experimental evidence of the role of nitrogen for eutrophication in shallow lakes: A long-term climate effect mesocosm study
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这篇研究通过为期 5 年的中型生态模拟实验，研究了外部氮（N）负荷对浅水湖泊的影响。发现 N 负荷变化显著影响水体 N 浓度、N:P 比、藻类生物量及生态系统代谢，为浅水湖泊生态系统中 N 的关键作用提供实验支持，对湖泊治理意义重大。
### 研究背景
氮（N）和磷（P）是陆地和水生生态系统中初级生产者重要的营养物质。在湖泊生态系统中，氮的作用存在争议。有人认为磷是湖泊中的关键限制营养元素，因为大气氮
2固定可以补偿氮的不足；但也有研究表明，蓝藻的氮
2固定无法弥补氮缺乏，且反硝化作用导致的氮损失通常超过氮
2固定速率。在浅水湖泊中，由于较高的反硝化速率、营养物质在生物量中的固定以及沉水植物生长等因素，氮的作用可能更为重要。同时，全球变暖可能影响浅水湖泊的生物地球化学循环，改变氮磷平衡，但目前对升温与氮浓度之间的相互作用了解不足。以往关于氮作用的研究多基于调查，缺乏长期、对照的实验，因此本研究利用丹麦的长期中型生态模拟实验，填补这一知识空白。
实验设计
本研究是丹麦奥胡斯大学湖泊中型生态系统升温实验（LMWE）的一部分，实验自 2003 年开始持续进行，是世界上运行时间最长的淡水中型生态模拟实验。实验设施包含 24 个户外淡水圆柱形不锈钢水箱，持续接受地下水，水停留时间约 2.5 个月。实验设置了两种营养处理（高营养 HN 和低营养 LN）和三种温度情景（环境温度 AMB、升温情景 W（IPCC A2 情景）和极端升温情景 EW（A2+50%）），采用析因设计，每个处理组合有四个重复。
在 2016 年 6 月 13 日至 2021 年 6 月 14 日的 5 年时间里，HN 处理组（12 个水箱，分布在三种温度情景下）在 2018 年 6 月 13 日停止额外的氮供应（除地下水输入的氮），并于 2019 年 6 月 14 日恢复供应，而磷的额外供应保持不变；LN 处理组（12 个水箱，分布在三种温度情景下）仅接受地下水供应。
样本采集与测量
每月采集水样用于分析营养物质和叶绿素 a（Chl-a）浓度。水样采集后，一部分用 1.2-μm GFC 过滤器过滤，用于测定 Chl-a 浓度；另一部分用于测定营养物质浓度，总氮（TN）和总磷（TP）在未过滤水样中测量，亚硝酸盐和硝酸盐（NOx）、正磷酸盐（o-PO43?）在过滤后的水样中测量。
生态系统的总初级生产力（GPP）和生态系统呼吸（ER）通过对溶解氧（DO）浓度、光照强度和水温的 30 分钟间隔记录进行估算。净生态系统生产（NEP）则通过 NEP = GPP - ER 计算得出。每月评估沉水植物和丝状藻类的数量，以植物占据水柱体积的百分比（PVI %）来量化。
数据分析
将时间序列数据分为三个时期：“之前”（2016 年 6 月 13 日至 2018 年 6 月 13 日，氮和磷均富集）、“期间”（2018 年 6 月 14 日至 2019 年 6 月 13 日，仅磷富集）和 “之后”（2019 年 6 月 14 日至 2021 年 6 月 14 日，氮和磷均富集）。为减少短期变化的影响，计算每个水箱在每个研究时期的每日平均值。
使用广义线性混合模型（GLMMs）进行前后对照影响分析（BACI），探究变量在不同时期的差异。分析中考虑营养物质（HN-LN）、温度（AMB-W-EW）和时期（之前 - 期间 - 之后）的交互作用，将中型生态系统的身份作为随机截距。由于发现的三向交互作用较少，主要关注每个温度情景下营养物质与时期的双向交互作用。
实验结果
- 营养物质和浮游植物 Chl-a：停止氮富集（除地下水输入的氮）对测量的氮浓度有显著影响。在所有温度情景下，TN 和 NOx浓度在停止氮富集后下降，恢复氮富集后上升。在 “期间”，HN 中 NOx浓度与 LN 无差异，在 EW 处理中，HN 的 TN 与 LN 无差异。
对于 TP，在 AMB 处理中，停止或恢复氮富集对 TP 浓度无影响；在 EW 情景中，恢复氮富集使 TP 浓度增加，在 W 处理中，这种影响微弱显著。在 HN 中，o-PO43?浓度在所有温度情景下从 “之前” 到 “期间”、“期间” 到 “之后” 均稳步增加。
在 EW 情景下，停止氮富集降低了 Chl-a 浓度，恢复氮富集对其无影响；在 AMB 和 W 情景下，停止或恢复氮富集对 Chl-a 浓度无影响，但在 HN 中，低氮负荷时期 Chl-a 浓度最低，但未达到 LN 中的水平。
TN:TP 和 NOx:PO4的交互项表明，停止和恢复氮富集分别对这些比率产生负向和正向影响。在 HN 中，“期间” TN:TP 平均重量比为 6.2，夏季 NOx:PO4接近零（平均 0.14）。
2. 代谢率：GPP 和 ER 在 “期间” 均低于 “之前” 和 “之后”，NEP 结果不太明确。不同温度情景下，GPP 和 ER 对停止和恢复氮富集的响应不同，但 NEP 不受影响。在 “期间”，HN 和 LN 的 GPP 和 ER 无差异，但在 “之前” 和 “之后”，HN 的 GPP 和 ER 显著高于 LN。
3. 沉水植物和丝状藻类：在 AMB 温度下，恢复氮富集与丝状藻类 PVI 下降相关；在 EW 情景下，恢复氮富集与沉水植物 PVI 增加相关。在 3 年观察期内，其他情况下沉水植物和丝状藻类无明显差异。
讨论
- 氮浓度变化：在 HN 中，1 年的氮负荷减少导致所有温度情景下氮浓度大幅下降。这种快速响应不能仅用稀释来解释，与其他长期研究结果一致，表明氮保留对外部 TN 负荷的大幅减少不敏感。
- 磷浓度变化：氮负荷变化对 TP 浓度影响较小，但恢复氮富集后，AMB 和 W 温度下 TP 浓度有上升趋势。低氮负荷期间，o-PO43?浓度升高可能是由于藻类吸收减少，恢复氮富集后，高 o-PO43?浓度可能与沉积物氧化还原条件变化有关。
- 氮磷比变化：由于氮负荷减少对磷的影响较小，HN 中 TN:TP 和 NOx:PO4比率在负荷减少期间下降，表明氮缺乏可能抑制浮游植物生长。这些比率在 EW 与 AMB 相比，对氮负荷变化更敏感，可能是由于高温下反硝化速率增加和沉积物磷释放增加。
- 浮游植物生长：低氮负荷期间，浮游植物生长未得到氮2固定的补偿。虽然蓝藻和绿藻在氮负荷减少期间和之后占主导地位，但氮2固定对浮游植物生物量的影响似乎较弱，因为 Chl-a 在低氮负荷期间下降，恢复氮富集后上升。
- 生态系统代谢：与之前研究一致，HN 的 GPP 和 ER 高于 LN。在 HN 中，低氮负荷期间 GPP 和 ER 下降，表明生态系统过程对氮负荷变化响应迅速。有趣的是，GPP 和 ER 对氮负荷减少的响应在不同温度情景下无差异，且 NEP 不受氮负荷减少的影响。
- 沉水植物和丝状藻类：沉水植物和丝状藻类对氮负荷减少或恢复无明显响应。丝状藻类 PVI 在 AMB 温度下低氮负荷时较高，可能是由于浮游植物生物量减少改善了光照条件。但 1 年的低氮负荷期可能太短，沉水植物无法充分利用改善的光照条件。
结论
本研究发现，水体氮浓度对外部氮负荷减少响应迅速，生态系统受到影响，表现为浮游植物生物量（Chl-a）、GPP 和 ER 降低，但 NEP 不受影响。在三种温度情景下，响应差异不大。研究结果为浅水湖泊生态系统中氮的关键作用提供了有力的实验支持，表明减少外部氮负荷有助于浅水湖泊从富营养化中恢复，对湖泊管理具有重要意义。
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