在生态学中，状态转换（regime shift）又称为稳态转换，指系统从一个稳定状态转换到另一个稳定状态。例如，浅水湖泊有草型清水稳态和藻型浊水稳态的转换。由于气候变化和人类活动的影响，导致湖泊、水库环境条件发生变化，超过特定阈值（threshold）时可造成湖库系统结构或过程发生非线性的突变，即稳态转换。在生态环境监测中，通过检测识别发生状态转换的临界点（tipping point），有利于更好地管理、保护和恢复湖库生态系统。 

　　富营养化和蓝藻水华是湖库生态系统的突出问题，严重威胁生态系统服务功能。蓝藻水华发生的前提条件是浮游植物对营养盐的利用效率大大提升。在湖库研究和管理中，迫切希望解答以下问题：浮游植物对营养盐的利用效率沿着水体营养水平是否存在跃迁式（突变式）增加现象；如果存在，发生跃迁式增加的营养状态指数阈值是多少；浮游植物对营养盐利用效率跃迁式增加是否存在纬度差异；沿着营养状态梯度，浮游动物（浮游植物的捕食者）的资源利用效率是否存在稳态转换现象。 

　　中国科学院城市环境研究所水生态健康组（杨军团队）整合亚欧大陆温带、亚热带197个湖库的时间和空间数据集，以浮游植物氮利用效率沿水体综合营养状态指数（TSIc）的变化为主线，检验浮游植物氮利用效率的状态转换，比较不同气候区（纬度）水体浮游植物氮利用效率发生状态转换的营养状态阈值，考察浮游植物氮利用效率的主要影响因子。结果显示：浮游植物氮利用效率沿TSIc梯度在时间和空间上均存在稳态转换现象，而且亚热带湖库稳态转换的营养状态临界点（TSIc=50，中营养状态）显著低于温带湖库（TSIc=60-70，富营养状态）。进一步分析优势蓝藻物种固氮性状，揭示了中营养湖库固氮蓝藻驱动水体富营养化和蓝藻水华的机制（图1），为理解中营养水体蓝藻水华发生机理提供了新视角。 

　　浮游植物氮利用效率在营养状态梯度上的稳态转换可能受营养限制和营养不平衡影响，不同气候区（纬度）浮游植物氮利用效率稳态转换临界点的差异则受光照、温度或积温的影响。研究认为，在亚热带湖库生态系统食物网中，沿着TSIc梯度，浮游动物对浮游植物的利用效率显著下降、浮游植物对氮利用效率显著上升，浮游动物的临界点（TSIc=42）低于浮游植物的临界点（TSIc=48），因此直接后果是浮游动物的捕食压力大大削弱，碳氮元素大量流向浮游植物，特别是水华蓝藻优势种；这种情境下蓝藻快速繁殖，很容易发生水华。综上所述，研究建议根据不同气候区浮游植物资源利用效率状态转换的规律，制定蓝藻水华防控策略，提早干预蓝藻水华的前提条件，在浮游植物的营养盐利用效率跃迁式增加前采取有效措施，进而实现蓝藻水华的早期防控目的。 

　　该研究明确了湖库浮游植物营养盐利用效率状态转换的阈值，揭示了亚热带湖库浮游植物状态转换阈值低于温带湖库的规律，为中营养湖库蓝藻水华早期防控提供了新思路。 

　　研究结果以Tipping points of nitrogen use efficiency in freshwater phytoplankton along trophic state gradient为题发表在环境科学与生态学领域国际期刊Water Research, 2023。博士生金磊为第一作者，杨军研究员为通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省STS等项目的资助。 

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图1 湖库水体中营养盐与水华蓝藻的关系

图2摘要图