1.科学问题
工业革命以来，土地利用变化、水资源过度利用以及工农业废水排放等人类活动导致湿地富营养化问题日益加剧。联合国环境规划署(UNEP)的富营养化调查结果显示：全球30-40%的湖泊和水库正在遭受不同程度的富营养化影响。氮和磷是植物生长的重要限制因子，也是导致水体富营养化的主要原因。人类活动加速水体从寡营养到富营养的演变过程(Liu et al., 2020)，养分富集能够极大地影响生态系统初级生产力、微生物活性和养分循环过程，使生态系统结构和功能发生改变，进而调控湿地生态系统碳汇能力。
全球湿地面积占陆地面积的5-8%，但其储存的有机碳占全球碳库的20-25% (Strassburg et al., 2020; Gu et al., 2021)，湿地生态系统在调控全球碳循环方面扮演着重要角色(Evans et al., 2021)。白洋淀是华北平原最大的浅水湖泊湿地生态系统，在洪涝调蓄、水源涵养和维持区域生态平衡等方面发挥着关键作用。白洋淀湿地经历了广泛的水体富营养化、水质恶化、生物多样性减少等问题。水体富营养化如何影响白洋淀湿地植物生长和生态系统碳循环过程仍不清楚。阐明水体氮、磷输入及其交互作用对该区域湿地生态系统碳、氮、磷循环的影响，将有助于降低预测陆地生态系统响应和反馈水体富营养化的不确定性。为探究以上问题，全球变化生态学实验室于2021年在“河北雄安白洋淀湿地野外科学观测研究站”内设置氮磷富营养化实验，该实验通过人工模拟水体氮、磷输入，全面评估水体氮、磷富营养化及其交互作用对白洋淀湿地生态系统芦苇为主的水生植物群落多样性、生产力和碳循环过程的影响及潜在机制。
2. 研究站点
实验设置在“河北雄安白洋淀湿地野外科学观测研究站”，该站地处河北省雄安新区安新县白洋淀湿地保护区“白洋淀荷花大观园”内(38º56´N, 115º59´E, 海拔6 m)。白洋淀属海河流域大清河南支水系天然湖泊，位于北纬38º44´-38º59´、东经115º45´-116º07´之间，是华北平原上为数不多的淡水湖泊湿地之一。白洋淀主要由被3700多条沟壕分割形成的143个大小不等的淀泊组成，其中万亩以上的淀泊七个，包括白洋淀、烧车淀、马棚淀、羊角淀、池鱼淀、石塘和小北淀。白洋淀区域内的主要景观类型为水体，其它类型包括芦苇沼泽、台地以及浅滩湖滨带等，气候特征为温带大陆性季风气候。该区域典型挺水植物包括芦苇、荷花、泽泻、茨菇、荆三棱等，浮水植物包括泉生眼子菜、竹叶眼子菜、睡莲、萍蓬草、荇菜、菱角、芡实、王莲等，沉水植物包括轮叶黑藻、小茨藻、大茨藻、刚毛藻、轮藻、马来眼子菜、细叶眼子菜、篦齿眼子菜、水绵、狸藻等。
白洋淀地区长期(1955-2019)年均降水量525 mm，其中春季(3-5月)、夏季(6-8月)和秋季(9-11月)降水量分别占总降水量的11.6%、70.4%和16.0%。年均气温12.8ºC，最高温和最低温分别出现在7月(43.3ºC)和1月(-22.0ºC;中国气象局数据共享系统)。白洋淀所在区域1955-2019年间气象记录显示该地区年降水量呈现波动下降趋势(图1A)，而年均气温呈现快速上升趋势(图1B)。
图1. 1955-2019 年间年降水量(A)、年均气温(B)。
3. 实验设计和控制方式
本实验采用随机区组设计(randomized complete block design)控制水体氮、磷输入两项因素，设置四项处理：对照(control, C)、水体氮输入(nitrogen input, N)、水体磷输入(phosphorus input, P)以及水体氮输入+水体磷输入(nitrogen plus phosphorus input, NP)。每项处理四次重复。在17.5 m × 13.5 m的区域内，建有16座内部尺寸为4 m × 3 m的混凝土样池，采用4排 × 4列布局(图2，图3)。相邻样池间池壁厚0.3 m，池壁高度1.7 m，嵌入底泥1.1 m，池内水深0.3 m (使用自动补水装置保持水位)。
图2. 实验设计图。C: control (对照), N: nitrogen input (氮输入), P: phosphorus input (磷输入), NP: nitrogen plus phosphorus input (氮磷输入).
图3. 氮磷富营养化实验俯瞰图。
2021年4月12日，在每座4 m×3 m样池中种植42簇芦苇(7行×6列)，为保证种植芦苇成活率，保留每簇芦苇根和30 cm根状茎，其余部分全部切除。5月初，由根系新生的芦苇高度达到97.21 cm，平均每簇3.04株。每年3月中旬至11月中旬期间实施氮磷添加处理，添加频次为4-10月每月3次(每月2、12、22日)，3月、11月每月2次(每月12、22日)。每座样池单次氮添加量为10.8 g N (3 mg L-1)，每座样池单次磷添加量为0.72 g P (0.2 mg L-1)。每次氮磷添加处理时，1) 氮输入样池施加23.18 g尿素(CH4N2O)，2) 磷输入样池施加3.16 g磷酸二氢钾(KH2PO4)，3) 氮磷输入样池施加23.18g CH4N2O和3.16 g KH2PO4，4) 对照和氮输入样池同时施加1.73 g氯化钾(KCL)，以消除磷输入过程中K+的影响。所有处理所施药品均溶于200 ml纯净水中(用量杯取水，容器为润洗过的小花洒)，不断搅拌直至药品固体完全溶解，最后将其均匀喷入待处理样池。每年11月中旬，使用镰刀紧贴水面收割芦苇及其它挺水植物。
4. 实验测定
4.1. 空气、水体和底泥温度。使用LI-COR 7810测定空气和底泥10 cm处温度，使用EXO2水质仪测定15 cm深度的水体温度。测定频度：3-11月每月3次常规测定(每月3、13、23日)。
4.2. 水质。使用EXO2水质仪测定水质相关参数，包括水体电导率、氧化还原电位、浊度、溶解性总固体、pH值、盐度、水体叶绿素含量、溶解氧。测定频度：3-11月每月3次(每月3、13、23日)；每次施氮后第一天、第三天、第五天、第七天各测定一次。
4.3. 元素含量分析。使用MACRO cube元素分析仪测定水体总碳、溶解有机碳，底泥总碳、有机碳及挺水植物叶片碳含量。LH-3BA水质仪测定底Fe2+、Fe3+、Mn2+、Mn4+含量。测定频度：4-10月每月测定水体元素含量一次。底泥元素含量10月初取0-90 cm样品测定一次。植物叶片9月初(生长峰值期)和11月末(叶片枯黄期)各取样测定一次。
4.4. 养分。使用LH-3BA水质仪测定水体总氮、无机氮、总磷、化学需氧量，测定土壤总氮、无机氮、总磷，挺水植物叶片氮、磷含量。4-10月每月测定水体养分一次，10月初取0-90 cm底泥样品测定一次，植物叶片9月初(生长峰值期)和11月末(叶片枯黄期)各取样测定一次。
4.5. 芦苇物候、功能性状及挺水植物密度
4.5.1. 物候。物候自芦苇萌芽开始，记录样池内芦苇萌芽及展叶株数。所有样池展叶株数均超过300株后，每块样池内选取14株具有代表性的芦苇记录物候。测定频度：芦苇萌芽开始，每周测定一次。
4.5.2. 功能性状。每块样池内选取50株具有代表性的芦苇，记录高度、基径。测定频度：4-10月每2周测定一次。在标记中的芦苇中选取10株，记录叶片数、叶长、叶宽、叶面积、比叶面积。使用LI-COR 6800测定芦苇CO2响应曲线。测定频度：4-10月每月中旬测定一次。
4.5.3. 挺水植物密度。芦苇萌芽至完全展叶期间记录整个样池挺水植物数量，芦苇冠层完全封闭后采用多个大样方调查。测定频度：4-10月每月测定一次。
4.6. 生物量
4.6.1. 植物地上生物量(沉水、浮水和挺水植物)。每年10月初，在每块样池内从水面位置剪取1 m × 0.4 m样方内所有挺水植物，11月中旬样池放水以后，剪取水下部分芦苇茎秆；在样池水体内放置0.4 m × 0.4 m × 0.4 m样方框剪取内部所有沉水和浮水植物；植物样品取样后立即带回实验室杀青、65°C烘干至恒重，称重获取生物量数据。测定频度：10月初取样测定一次。
4.6.2. 根生物量。在地上生物量取样样方内，使用7 cm直径土钻取0-70 cm底泥样品，采用冲洗法除去底泥，保留根系，带回实验室65°C烘干至恒重，称重获取根生物量数据。测定频度：10月初取样测定一次。
4.6.3. 植物地下净初级生产力。3月初在底泥内放置网袋(90 cm深)、11月中旬取出，采用冲洗法除去底泥，保留根系，带回实验室65°C烘干至恒重，称重获取地下净初级生产力数据。测定频度：11月中旬测定一次。
4.6.4. 浮游植物湿生物量、浮游动物密度。4、7、10每月取水样镜检测定浮游植物湿生物量以及浮游动物密度。
4.7. 多样性调查及微生物碳氮
4.7.1. 浮游、沉水、浮水和挺水植物多样性。在样池内不同位置取1L水样、混匀，1%鲁哥氏液固定，显微镜观察记录浮游植物多样性。同时，观测并记录样池内沉水、浮水和挺水植物多样性。测定频度：4-10月每月测定一次。
4.7.2. 微生物碳氮含量及产甲烷菌、甲烷氧化菌高通量测序分析。取0-90 cm底泥样品(0-10、10-30、30-50、50-70、70-90 cm)测定微生物碳氮含量及产甲烷菌、甲烷氧化菌丰度。测定频度：10月底取样测定一次。
4.8. 碳通量
4.8.1. 叶片光合速率。使用LI-COR 6800测定芦苇及其它优势挺水植物叶片净光合速率和呼吸速率。测定频度：4-10月每月3次常规测定(3、13、23日)。
4.8.2. 水体-大气界面CO2、CH4交换速率。使用LI-COR 7810测定水体-大气界面CO2、CH4交换速率((直径20 cm透明环放入水体内固定在底泥表面)。为区分水体中沉水植物以及底泥中植物根系和微生物组分对水体-大气间温室气体交换速率的贡献，安装另外两个测定环：：1) 直径20 cm PVC环放入水体内固定在底泥表面；2) 直径20 cm PVC环放入水体内固定在底泥表面。测定频度：3-11月每月3次日动态(3、13、23日)。
4.8.3. 生态系统CO2、CH4交换速率。使用LI-COR 7810测定生态系统水平CO2、CH4交换速率，其中CO2交换速率包括总生态系统生产力(gross ecosystem productivity, GEP)、生态系统呼吸(ecosystem respiration, ER)以及净生态系统生产(net ecosystem productivity, NEP)。测定频度：3-11月每月3次常规测定(3、13、23日)。
实验人员：王鸿鹏、张进华、王晓盼、韩煦、冯佳胤、宋健、郭云鹏
参考文献
Gu, X., D. Chen, F. Wu, L. Tang, S. He, and W. Zhou. 2021. Function of aquatic plants on nitrogen removal and greenhouse gas emission in enhanced denitrification constructed wetlands: Iris pseudacorus for example. Journal of Cleaner Production 330: 129842, doi: 10.1016/j.jclepro.2021.129842.
Evans, C. D., M. Peacock, A. J. Baird, R. Artz, A. Burden, N. Callaghan, P. J. Chapman, H. M. Cooper, M. Coyle, E. Craig, A. Cumming, S. Dixon, V. Gauci, R. P. Grayson, C. Helfter, C. M. Heppell, J. Holden, D. L Jones, J. Kaduk, P. Levy, R. Matthews, N. P. McNamara, T. Misselbrook, S. Oakley, S. E. Page, M. Rayment, L. M. Ridley, K. M. Stanley, J. L. Williamson, F. Worrall, and R. Morrison. 2021. Overriding water table control on managed peatland greenhouse gas emissions. Nature 593: 548-552.
Liu, D., Y. Du, S. Yu, J. Luo, and H. Duan. 2019. Human activities determine quantity and composition of dissolved organic matter in lakes along the Yangtze River. Water Research 168: 115132, doi: 10.1016/j.watres.2019.115132.