氮同化。 絮凝-覆蓋處理后，所有柱中沉積物樣品的δ15N富集度為18.47‰。該值在實(shí)驗(yàn)過程中持續(xù)下降，在無植被-8°C、有植被-8°C、無植被-25°C和有植被-25°C組中分別達(dá)到約14.9‰、12.9‰、8.1‰和7.3‰。通常，在兩種培養(yǎng)溫度下，從第10天開始，有植被組沉積物中的δ15N顯著低于無植被組。此外，從第10天到第45天，有植被組和無植被組在25°C下的δ15N均顯著低于8°C下的值（P<0.05）。

絮凝前，每個(gè)柱中填充了1.38 μmol 15N/g標(biāo)記藻類。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)每個(gè)系統(tǒng)中過量15N的質(zhì)量平衡進(jìn)行了計(jì)算。在25°C下收集的蓖齒眼子菜中的過量15N（0.48 μmol 15N/g）比在8°C下（0.045 μmol 15N/g）高10倍。在8°C下培養(yǎng)的系統(tǒng)中，約有20%的過量15N未被計(jì)入。然而，在25°C下培養(yǎng)的柱中，約有55-75%的過量15N未被計(jì)入。

此外，在實(shí)驗(yàn)期間，25°C下蓖齒眼子菜中δ15N的增加速率是8°C下的五倍。15N富集度的增加與蓖齒眼子菜生物量的增加顯著相關(guān)（r=0.915, P<0.05），其中在25°C下生長(zhǎng)的蓖齒眼子菜生物量是在8°C下生長(zhǎng)的兩倍。

討論

使用改性粘土/土壤沉降有害藻華。在沉水植物重新出現(xiàn)之前，去除和管理水華（尤其是藍(lán)藻水華）的生長(zhǎng)是恢復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的重要步驟。在本研究中，選擇改性土壤來加速藻華的沉降。土壤顆粒為藻生物量提供了足夠的壓載物，以抵消水柱中銅綠微囊藻細(xì)胞的浮力。藻絮體沉降到柱底部，而銅綠微囊藻主要懸浮在對(duì)照組水柱中。盡管在施用改性土壤后，F(xiàn)-no capping和F-capping處理組在每個(gè)溫度下的葉綠素a濃度顯示出相似的下降趨勢(shì)，但F-no capping組每個(gè)采樣點(diǎn)的葉綠素a濃度略高于F-capping組。這歸因于在F-no capping柱中存活的銅綠微囊藻細(xì)胞比在F-capping柱中更多。存活的藻生物量可能返回到水柱中，特別是在淺水區(qū)，那里會(huì)發(fā)生風(fēng)和波浪引起的湍流。

改性土壤絮凝和天然土壤覆蓋對(duì)銅綠微囊藻細(xì)胞造成的損害很小，這反映在第0天完整的細(xì)胞形態(tài)和正常的光合作用及呼吸作用上。這有助于目視觀察，在絮體周圍沒有出現(xiàn)均勻的綠色或黃色，這表明在此類實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了細(xì)胞裂解。然而，在進(jìn)一步的研究中應(yīng)進(jìn)行其他分析，如溶解性葉綠素a、毒素和核酸，以證明目視觀察的結(jié)果。絮凝-覆蓋處理后觀察到的完整藻細(xì)胞對(duì)于防止細(xì)胞內(nèi)藍(lán)藻毒素或過量養(yǎng)分在實(shí)踐中間環(huán)境突然釋放可能很重要。然而，本研究中用于改性天然土壤的殼聚糖可能對(duì)某些細(xì)菌（包括藍(lán)藻物種）具有抗菌活性。在實(shí)踐中應(yīng)認(rèn)真考慮絮凝劑的劑量。據(jù)報(bào)道，較高劑量的殼聚糖（例如>8 mg/L）可能導(dǎo)致銅綠微囊藻細(xì)胞裂解。本實(shí)驗(yàn)中較低的殼聚糖劑量（3 mg/L）與Miranda等人（2017）報(bào)道的相似，他們發(fā)現(xiàn)對(duì)微囊藻沒有不利影響。此外，在我們之前的研究中，殼聚糖結(jié)合天然土壤可以進(jìn)一步降低單獨(dú)使用殼聚糖對(duì)水生生物產(chǎn)生的毒性風(fēng)險(xiǎn)。

沉降后銅綠微囊藻的活力變化。

用土壤覆蓋可以使沉降的銅綠微囊藻細(xì)胞處于黑暗環(huán)境中，這是影響光合速率的關(guān)鍵因素。在本研究中，銅綠微囊藻細(xì)胞的光合作用和呼吸速率在絮凝和覆蓋處理后受到嚴(yán)重阻礙，這可能引發(fā)藻細(xì)胞分解。銅綠微囊藻細(xì)胞的光合作用和呼吸作用在F-no capping組中受到抑制，這反映在O2呼吸變化率顯著低于對(duì)照組。然而，在F-capping組中觀察到顯著較低的光合作用和呼吸速率，這表明通過F-capping處理產(chǎn)生了更高的光抑制效應(yīng)。上述結(jié)果證實(shí)了絮凝-覆蓋處理可以加速藻華消亡的假設(shè)。應(yīng)當(dāng)指出，其他細(xì)菌（如異養(yǎng)細(xì)菌）對(duì)藻細(xì)胞呼吸的干擾應(yīng)在進(jìn)一步研究中加以探討。

在我們的實(shí)驗(yàn)中，處理方式和溫度之間的交互作用可能顯著影響沉積的銅綠微囊藻細(xì)胞的光合作用和呼吸速率（P<0.05）。溫度是自然水體中藍(lán)藻生命活動(dòng)的關(guān)鍵因素。在本研究中，設(shè)定了三個(gè)溫度（8°C、25°C和35°C）來模擬中國(guó)太湖春季、初夏和仲夏的實(shí)際溫度。優(yōu)勢(shì)藍(lán)藻在春季快速生長(zhǎng)，水華每年夏季在太湖發(fā)生。目前的結(jié)果表明，沉積的藻生物量在較低溫度下傾向于耐受弱光，這反映在對(duì)照組的正常形態(tài)、光合作用和呼吸作用上。類似地，Ma等人（2016）發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)藍(lán)藻在低于12.5°C時(shí)沉入沉積層并保持休眠狀態(tài)（靜止細(xì)胞）。這些沉積的藻細(xì)胞在溫度升高時(shí)可能返回水柱，成為水華形成的潛在來源。較高的溫度刺激了銅綠微囊藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，這反映在35°C下對(duì)照組葉綠素a在15天前的增加速率比25°C下更快更高。F-capping系統(tǒng)中的O2消耗也隨著溫度升高而增加，并且在培養(yǎng)60天后，在25°C，特別是在35°C下，O2呼吸變?yōu)樨?fù)值，表明較高的溫度加速了覆蓋層下掩埋藻華的呼吸速率。

水下植被對(duì)藻類氮的同化作用。

湖泊中營(yíng)養(yǎng)循環(huán)主要發(fā)生在沉積物中，藻類沉降對(duì)生物地球化學(xué)過程具有顯著影響。藻華分解會(huì)直接釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可能導(dǎo)致沉積物和水體中營(yíng)養(yǎng)成分循環(huán)的變化。39-41本研究發(fā)現(xiàn)，沉積的銅綠微囊藻會(huì)向沉積物釋放氮元素，隨后被脆皮藻吸收（圖4和圖5）。未被計(jì)算在內(nèi)的15N可能源于底棲擾動(dòng)和礦化作用。42含15N的有機(jī)氮可能通過硝化和反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)，最終以氣態(tài)形式凈流失。43未被計(jì)算的15N另一部分可能源自上覆水域釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（圖5）。此外，溫度升高會(huì)促進(jìn)沉積物中微囊藻釋放更多氮元素，這與已有研究發(fā)現(xiàn)相吻合——營(yíng)養(yǎng)循環(huán)速率會(huì)隨著藻華增加和溫度升高而加快。39大型水生植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收在緩解湖泊植被沉積物內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷方面起著關(guān)鍵作用。5本研究中檢測(cè)到脆皮藻生物量中存在過量15N，表明絮凝封蓋處理可將藻華釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移至沉水大型水生植物的生長(zhǎng)環(huán)境中。因此，可以有效減少藻類釋放到水體中的過量氮（圖4-6）。這種方法在先前研究中已被廣泛采用28,44，用于恢復(fù)淺水區(qū)以沉水植物為主的健康生態(tài)系統(tǒng)。本研究發(fā)現(xiàn)，在8℃和25℃條件下，δ15N的快速吸收主要發(fā)生在實(shí)驗(yàn)開始的前10天（圖4），這與普通蘆葦對(duì)標(biāo)記銨和硝酸鹽的快速吸收現(xiàn)象一致45。此外，沉水植物對(duì)氮的同化作用可通過直接從水體中吸收氮來實(shí)現(xiàn)46，這可能是植被組中未檢測(cè)到的標(biāo)記氮含量出現(xiàn)部分下降的原因（圖5）。較高溫度可能促進(jìn)微囊藻來源的氮被脆皮藻同化（圖6）。這種現(xiàn)象的發(fā)生可能

部分原因在于沉積藻類生物質(zhì)的分解和沉積物中有機(jī)氮的礦化過程，這些過程在較高溫度下會(huì)加速，從而為脆皮藻（P.crispus）提供更豐富的營(yíng)養(yǎng)來源。此外，溫帶湖泊中的水生植物大多在春季至仲夏期間生長(zhǎng)，這與我們的研究結(jié)果一致——脆皮藻在25°C時(shí)的生長(zhǎng)速率是8°C時(shí)的兩倍（圖6）。生長(zhǎng)速率顯著影響脆皮藻對(duì)δ15N的吸收，正如25°C條件下測(cè)得的δ15N‰值比8°C時(shí)高出五倍所反映的那樣。后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注脆皮藻生長(zhǎng)后，與之相關(guān)的沉積藻華礦化速率。

湖泊修復(fù)的啟示。

通常情況下，在受人為富營(yíng)養(yǎng)化影響的湖泊中，藻類向沉水植物的主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)變，由于藻類生物量持續(xù)過度生長(zhǎng)，自然條件下往往難以實(shí)現(xiàn)。即便在減少外部營(yíng)養(yǎng)輸入后，要將這類湖泊從已形成的藻華狀態(tài)恢復(fù)到以沉水植物為主導(dǎo)的理想狀態(tài)，仍需大量人工干預(yù)。因此，許多湖內(nèi)地球工程方法被廣泛采用，作為環(huán)保、高效且經(jīng)濟(jì)的加速清除水體藻華的手段。19,20,28底水透明度和溶解氧濃度的改善得益于改良黏土/土壤技術(shù)的應(yīng)用，19,28這種技術(shù)能促進(jìn)（例如為植物發(fā)芽和生長(zhǎng)創(chuàng)造特定周期）沉水植物的重建。本研究展示的絮凝封蓋法不僅能消除藻類生物量，還能加速其降解。隨后，腐爛藻類生物量釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可被沉水植被利用。高溫環(huán)境加速了藻類分解和融入植物生物量的過程，這表明在藻華期采用這種地球工程方法并結(jié)合播種大型水生植物，能夠通過藻類與沉水植被的生長(zhǎng)季重疊（尤其在溫帶湖泊中），有效促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的這種轉(zhuǎn)變。不過，仍需通過試點(diǎn)田間實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這種湖內(nèi)地球工程方法的潛在效果——既能控制藻華現(xiàn)象，又能推動(dòng)湖泊生態(tài)系統(tǒng)從藻類主導(dǎo)狀態(tài)向大型水生植物主導(dǎo)狀態(tài)的生態(tài)轉(zhuǎn)型。