生物调控提升水质：亚热带富营养化湖泊能量流动与氮循环机制及其可持续管理启示

为解决富营养化湖泊有害藻华(HABs)控制难题，研究人员通过22年生态系统尺度模拟(EwE模型)，创新性提出滤食性鱼类(鲢鳙)与肉食性鱼类(鲈鳗)协同调控策略。研究发现该策略可重定向52.7%氮流向渔业生产，提升食物网连接度(0.12→0.21)，通过抑制蓝藻生物量、提高能量传递效率(17.51%)及鱼类介导的氮移除，使水质改善38%。该研究为气候变暖背景下湖泊可持续管理提供了兼顾生态效益与经济产出的解决方案。

　　

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，湖泊富营养化已成为威胁水资源安全的重大环境问题。有害藻华(HABs)的频繁爆发不仅破坏水生生态系统平衡，更通过产生毒素威胁饮用水安全和人类健康。传统治理方法如化学除藻和物理曝气往往治标不治本，而单纯减少外源营养盐输入又面临实施难度大、周期长等挑战。在此背景下，通过生物调控(biomanipulation)重构食物网的生态工程策略，逐渐成为可持续治理的新方向。

位于中国晋江市的龙湖(Lake Longhu)是典型的亚热带浅水湖泊，上世纪90年代曾因工农业快速发展遭受严重富营养化，蓝藻水华频发。为破解治理难题，当地自1999年起实施创新性生物调控：每年投放滤食性鱼类(鲢Hypophthalmichthys molitrix/鳙Aristichthys nobilis)控制藻类，搭配肉食性鱼类(日本鲈Lateolabrax japonicus/日本鳗Anguilla japonica)调节鱼类群落。经过20余年实践，该湖泊不仅消除蓝藻水华，水质更达到国家二级标准(GB 3838-2002)，成为服务60万人口的饮用水源地。这一成功案例背后，隐藏着怎样的生态机制？

为揭示生物调控改善水质的科学原理，研究人员采用生态系统模型(Ecopath with Ecosim, EwE)量化分析了1996-2018年间龙湖食物网的结构与功能变化。通过构建包含31个功能群(4类生产者、4类初级消费者、21种鱼类)的氮循环模型，结合稳定同位素分析(SIAR)确定食性关系，首次系统解析了双重生物调控策略对能量流动和氮循环的影响机制。

关键研究方法

1. 长期生态调查：基于1995-1996年(调控前)和2017-2018年(调控后)的野外采样数据，测定浮游植物(分蓝藻/微藻)、浮游动物、底栖动物和鱼类的生物量及稳定同位素(δ¹³
   C/δ¹⁵
   N)组成
2. EwE模型构建：将湿重转换为干重后计算氮通量，利用贝叶斯混合模型确定食性比例，通过蒙特卡洛模拟评估参数不确定性
3. 情景模拟：设定停止鱼类投放的对照情景，预测关键功能群(蓝藻/微藻/鱼类)的20年动态变化
4. 效率量化：计算生态营养效率(EE)、总系统通量(TST)、林德曼能流脊柱等指标，对比调控前后差异

食物网结构与氮分布
比较调控前后食物网发现，2018年连接密度显著增加(连接指数0.21 vs 0.12)，氮转移路径从"蓝藻→浮游动物→杂食鱼"转变为"蓝藻→滤食鱼→肉食鱼"的多通道模式。混合营养影响(MTI)分析显示，滤食鱼对蓝藻呈负效应(-0.32)，对微藻为正效应(+0.18)；肉食鱼则通过抑制幼鱼种群引发营养级联，使浮游动物生物量提升77%。氮分布呈现"倒金字塔"特征：初级生产者氮含量下降52.7%，而鱼类群落氮总量反增18.02%，体现能量向高营养级的高效传递。

浮游植物有机氮归宿
滤食鱼的引入使蓝藻生态营养效率(EE)从<10%提升至90%，其通过特化鳃耙过滤>20μm藻类，将9.07 g N/m²
蓝藻氮转化为鱼蛋白。虽然微藻EE从91.4%降至67.0%，但肉食鱼调控使浮游动物对微藻的捕食压力保持稳定。总初级生产需求(PPR)增长1.5倍(48.01 vs 31.82 g N/m²
)，粗效率(渔获量/初级生产)从1.65%提升至6.56%，证实生物调控强化了氮的渔业产出导向。

能量传递效率提升
林德曼脊柱分析显示，第二营养级能量传递效率从7.54%增至15.20%，第三营养级从12.70%升至16.70%。这种提升源于：1)滤食鱼绕过浮游动物直接利用蓝藻；2)肉食鱼优化鱼类群落结构；3)年度投放的幼鱼优先将能量分配给生长。总系统通量(TST)中，流向碎屑的未同化氮减少18%，而渔获氮增加2.1倍，形成"生产-消费-移除"的良性循环。

气候韧性管理启示
通过情景模拟证实，停止生物调控将导致蓝藻生物量8.5倍暴发。实际管理中，滤食鱼贡献了42%的氮移除效率(肉食鱼8%)，两者协同实现38%水质改善。该策略特别适应气候变暖：1)滤食鱼可消化温度升高的蓝藻群体；2)高价值肉食鱼(鲈/鳗)使渔业收益增长21.7倍。研究建议未来优化鱼类比例(如肉食鱼:滤食鱼=1:2)以平衡藻类控制与经济效益。

这项发表在《Resources, Environment and Sustainability》的研究，首次量化了生物调控对亚热带湖泊能量-养分耦合过程的影响。其创新性在于：1)揭示滤食鱼与肉食鱼的协同机制；2)建立氮流向量化评估框架；3)提供可推广的气候适应型管理模板。成果对全球6.5万个面临富营养化的湖泊具有重要参考价值，特别是在联合国"水行动十年"计划背景下，为兼顾生态安全与民生需求的综合治理提供了科学范式。