太湖是中国第三大淡水湖，由于其流域内集约的农业和工业活动以及丰富的营养元素，几十年来一直饱受藻华的困扰。2007年以来，太湖为了缓解蓝藻繁殖而导致的湖泊生态系统恶化，实施了氮和磷的双重营养元素减少。与磷(P)浓度相比，湖中氮(N)浓度呈现出相对强劲的下降。然而，湖泊的中氮的去除效率与改善水质关系仍不太清楚，特别是氮浓度降低时反硝化速率(DNR)的变化很少受到关注。现有的研究已经明确了硝酸盐和水温对太湖流域中反硝化的关键作用。因此，考虑到(TN)浓度的降低和各种环境因素，该研究假设太湖的DNR和反硝化除氮量(ANR)随着水质的改善而显著降低。了解DNR的变化、氮去除效率以及湖泊氮浓度与外部负荷和内部循环过程相互作用的关系，对于有效管理氮和控制湖泊藻华至关重要。
1、描述太湖氮素浓度和组成的变化；
2、表征湖泊DNR和氮去除量的时空变化特征；
3、探讨氮浓度、外部负荷、湖泊氮去除量与未来减氮工作趋势之间的关系。
1、基于文献和实验结果的模型构建，以模拟太湖的N循环过程。
2、使用2007年至2022年的水质和气象观测数据，包括总氮（TN）、溶解总氮（DTN）、硝酸盐等参数。
3、采用Mann-Kendall检验分析时间序列趋势，以揭示N浓度和DNR的变化趋势。
Fig1 太湖不同区域不同年份总氮(TN)、溶解总氮(DTN)和硝酸盐的浓度；柱状图表示的是2007年至2022年不同区域的平均值
湖泊所有区域的TN、DTN浓度均显著下降，但下降趋势因湖泊位置而异；其中太湖DTN浓度下降趋势显著。平均DTN浓度由2.44 mgL
−1
降低到0.83 mgL
−1
，降幅为66%。ZSB区的下降率最高，为0.22 mgL
−1
yr
−1
Fig2 2007 - 2022年太湖溶解有机碳(DOC)变化
2007 - 2022年太湖溶解有机碳呈现下降趋势，年平均溶解有机碳浓度(DOC)从2007年的7.69 mgL
−1
下降到2022年的2.93 mgL
−1
，从空间上看，ZSB和MLB的DOC浓度高于其他区域；
Fig3 2007 - 2022年太湖水温(WT)变化
Fig4 2007 - 2022年太湖反硝化速率(DNR)的时空变化
Fig5 2007 - 2022年太湖反硝化除氮量(ANR)时空变化
ANR呈现明显的下降趋势。在春季最高，冬季最低与DNR一致。在整个研究期间，ANR占年总量的比例在冬季从14%上升到23%，在春季从44%下降到38%，在夏季和秋季没有显著变化。从空间上看，CL和SWB区由于各自面积大，分别去除了整个湖泊总量的28%和23%。ZSB对整个湖泊ANR的去除率为13% ~ 26%，而对湖泊面积的去除率仅为8.2%。在春季和夏季，ZSB区和MLB区ANR分别占全湖的26%和23%。
Fig6 太湖2007年至2022年的N预算。橙色、绿色、蓝色和紫色分别代表ANR、资源提取、流出负荷和湖泊保留
反硝化ANR占外负荷的比例在研究年限内呈下降趋势，2007年到2020年从23.3%下降到4.0%，表明研究期间N的去除效率有所下降。
以上六图结论：根据模型，WT、硝酸盐和DOC浓度的变化共同影响DNR和ANR的降低。预计变暖将促进湖泊和流域通过反硝化作用去除氮。由于流域DNR的增加，在变暖的情况下，下游的N负荷输出减少。2008年以来太湖水温的升高，有利于冬季和早春氮的去除，有利于夏季潜在缺氮。因此，建议春夏两季实施比冬季更严格的N管理，以限制湖中夏季浮游植物的有效N。
Fig7 基于内氮去除效率的不同氮输入浓度下太湖氮素分布格局(a) 2007;(b) 2022;(c)TN分布的理想情景
Fig8 不同湖泊和水库反硝化速率(DNR)与硝酸盐浓度的关系
结果表明，太湖DNR和N去除率随硝态氮总浓度的降低而显著降低，具有季节性特征。当湖泊呈贫营养状态时，湖泊通过反硝化去除N的效率趋于下降。也就是说，水质改善的情况下，氮的去除效率下降，这对富营养化湖泊的氮管理具有指导意义而太湖氮的进一步减少也将越来越依赖于外部负荷的减少。硝酸盐和气候变暖的共同作用导致ANR在冬季增加，这种持续的趋势可能最终导致春夏氮的限制，从而减轻蓝藻藻华的风险。
来源：
Shi Group
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