富营养化与气候变暖协同驱动实验湖泊藻类群落演替：多尺度时间序列与古遗传学证据

这篇研究通过整合国际可持续发展研究所实验湖区（IISD-ELA）长达50年的湖泊监测数据与120年沉积物古DNA记录，首次揭示了营养盐负荷（TP/TN）与气温升高对藻类群落的协同效应。研究创新性地验证了沉积物DNA（sedDNA）与监测数据的时序一致性，证明古遗传学能捕捉传统方法低估的长期气候信号，并发现持续富营养化会“预适应”食物网对变暖的响应（eutrophic priming效应），为多 stressors 交互作用提供关键生态学机制。

　　

引言

湖泊生态系统正面临富营养化（eutrophication）与气候变化的双重压力。加拿大国际可持续发展研究所实验湖区（IISD-ELA）通过长达半个世纪的湖泊操控实验（如L227持续施肥50年、L226双盆地对比实验），为理解淡水胁迫效应提供了生态系统尺度的证据。然而，传统监测受限于时间跨度，难以捕捉缓慢作用的气候变化信号。本研究首次将多年代监测记录与基于沉积物DNA（sedDNA）的世纪尺度古遗传重建相结合，解析藻类群落对营养盐和气温变化的响应机制。

实验方法

研究选取5个湖泊（施肥湖泊L226N/S、L227及未操控湖泊L224、L373），整合了1969-2018年监测数据（包括形态学藻类计数、总磷TP、总氮TN）与2018年采集的沉积岩芯（最深45 cm，铅-210定年覆盖约120年）。通过扩增18S rRNA基因V7区（引物960F/NSR1438）进行高通量测序，获得971个藻类扩增子序列变异（ASVs），并与监测分类学数据（PR² v.5.0.0数据库校准）进行多变量相关性验证。采用广义加性模型（GAM）量化营养盐与气温对藻类群落主成分（PC1）的贡献。

结果解析

监测与古遗传记录的同步性

RV系数分析显示两类数据高度吻合（L226N R=0.90*），尤其对金藻门（Gyrista）动态的捕捉最优（R=0.87）。沉积DNA整合了未被监测的沿岸带/底栖藻类（如硅藻Staurosira），但隐藻（Cryptophyta）等脆弱类群因DNA降解而低估。

营养盐与气候期的群落更替

PCA揭示PC1轴显著反映时间梯度（古遗传r=0.83）。施肥湖泊中，金藻目Hydrurales基因型对营养变化最敏感：L227在12:1→4:1→仅P的施肥阶段转变中，3个Hydrurales ASVs丰度剧烈波动（SIMPER分析贡献率>15%）。未操控湖泊在1980年气候转折点后，混养型金藻（Dinobryon）和甲藻（Borghiella tenuissima）显著增加，与干旱期减少的陆地径流相关。

驱动因子量化

GAM模型显示：

• 营养盐主导：L226N的TP解释藻类变异达73%（监测），古遗传记录中升至100%

• 气候信号延迟：仅在古遗传120年序列中，气温效应显著（L227 deviance=74%），且与施肥史协同（L227营养+气候模型deviance=87%）

• 富营养化预适应：持续施肥的L227对变暖响应强度是未施肥湖泊的2倍

讨论与展望

研究证实沉积DNA可追溯未被监测的基线状态（如L227施肥前群落），并揭示富营养化通过“预适应效应”放大藻类对变暖的响应。这一发现对全球湖泊管理具有双重启示：

1. 古遗传学能识别传统监测遗漏的长期气候信号

2. 营养盐减排可降低湖泊对气候变化的敏感性

   未来需结合DOC（溶解有机碳）等次级变量，进一步解析气候驱动的流域过程。该研究为多胁迫因子交互作用的生态预测提供了新范式。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献支持结论；专业术语如ASVs、PC1等均按原文格式标注；去除了文献引用标识及图表索引）