气候变化下湖库蓝藻水华发展趋势及防控对策.pdf
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1、 年 月水利学报 第 卷第 期文章编号:()收稿日期:;网络首发日期:网络首发地址:?作者简介:施文卿(),教授,博士,主要从事湖泊富营养化研究。:通信作者:秦伯强(),研究员,博士,主要从事湖泊生态学研究。:气候变化下湖库蓝藻水华发展趋势及防控对策施文卿,秦伯强(南京信息工程大学,江苏 南京 ;中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏 南京 )摘要:气候变化影响下,湖库蓝藻水华呈现全球性扩张。本文利用 系统梳理了 年期间相关研究的历史沿革和发展趋势,总结了气候变化下湖库蓝藻水华的变化趋势,分析了气候因子对湖库蓝藻水华的影响及其机制,提出了新形势下蓝藻水华的防控对策。随着气候变化日益加剧,湖库蓝藻
2、水华研究主题已成为了国际前沿热点之一,年发文量递增。气温升高、二氧化碳浓度增加与日照延长直接促进了蓝藻水华,而极端降雨频率升高通过增加营养盐入湖库负荷,风速下降通过促进藻类在湖库表层水体聚集,间接促进了蓝藻水华。适度严格营养盐控制标准,加强山水林田湖草综合治理,提升蓝藻水华预测预警与应急处置能力,对未来气候变化下湖库蓝藻水华防控具有重要意义。关键词:气候变化;湖泊;水库;蓝藻水华中图分类号:文献标识码:?气候变化下湖库蓝藻水华研究趋势分析 气候变化下湖库蓝藻水华近几十年来,随着经济不断发展、城镇化加速、农业化肥肆意使用,大量未经处理的工农业污水、生活污水排入湖库,加之网箱养殖、湖滨带破坏等影响
3、,导致大量氮、磷等元素输入,造成水体富营养化 。据统计,欧洲、北美洲、南美洲和非洲的湖泊发生富营养化的比例分别是 、和 ,而在亚太地区湖泊富营养化比例更是达到 。年中国环境状况公报指出,我国重点监测的 个湖库中,贫营养占 、中营养占 、轻度富营养占 、中度富营养占 、重度富营养占 。基于金相灿等提出的富营养化指数,我国长江中下游大部分湖泊已经处于中度富营养化状态 。在适宜气象条件下,蓝藻在富营养化湖库中快速繁殖,当叶绿素 浓度超过?时,形成蓝藻水华 。蓝藻水华因分泌大量毒素、耗竭水体溶解氧,破坏水生态系统平衡、威胁饮用水安全、影响公众健康,造成了严重的经济损失和社会问题 。微囊藻属、鱼腥藻属等
4、水华藻在生长过程中和细胞死亡裂解时能够释放大量微囊藻毒素 。微囊藻毒素是一种肽类生物毒素,是分布最为广泛的肝毒素 。近些年来,藻毒素引起动物及人类中毒、死亡事件时有发生。年 月发生在非洲博茨瓦纳的非洲大象大规模群体死亡,蓝藻毒素被认为是关键诱因之一 。长期暴露于藻毒素水体中,患皮肤癌、肝癌的概率大大增加。流行病学研究发现饮水中微量微囊藻毒素与人群原发性肝癌的发病率有明显相关性 。年藻毒素在巴西造成 多名急性肝功能障碍,个月内至少 人死于藻毒素急性效应。藻毒素在我国巢湖流域引起了渔民实质性肝损伤 。水华藻类分泌有机物不仅降低水处理絮凝效果,增加混凝剂用量,同时在氯化消毒工艺过程中易产生有害副产物
5、 。等 研究发现藻类有机物与自由氯反应极大地增加了含氮消毒副产物多样性。蓝藻水华发生时藻体在水面聚集,导致光照无法射入深层水体,且蓝藻死亡耗竭水体溶解氧,破坏水生生物生存环境,打破水生态系统平衡,降低生物多样性 。蓝藻水华暴发湖库中,水生生物多为耐污种,并且鱼类、底栖动物与浮游动物呈现明显小型化趋势 。图 未来不同气候变化情景下湖泊中蓝藻生物量年平均值变化情况 目前,湖库蓝藻水华已成为了全球性水生态环境问题之一,例如,北美的伊利湖、非洲的维多利亚湖、中国的太湖 。经过世界各国不懈努力,湖库水质虽然得到一定程度改善 ,但水环境状况尚未得到根本性好转,在气候变化影响下,湖库蓝藻水华具有愈演愈烈的趋
6、势 。等 利用 年的高分辨率 卫星图像,分析了全球 个大型湖泊浮游植物生物量变化趋势,研究发现,大多数湖泊在全球变暖的影响下蓝藻水华强度明显增加,并认为气候变暖可能已经抵消了管理部门为湖库蓝藻水华防控所做的努力。等 基于 模型探究了湖泊蓝藻生物量在气候变化影响下未来变化特征,研究发现,在不增加营养盐输入的前提下,气温升高 、和,湖泊蓝藻年平均浓度将从当前的?分别升高至 、和?,若考虑降雨导致氮磷负荷加强的情况下,蓝藻生物量将会进一步升高(图 )。气候变化下湖库蓝藻水样研究趋势随着气候变化日益加剧,湖库蓝藻水华相关研究主题已成为了国际前沿热点之一。本文利用 梳理了近 年气候变化下湖库蓝藻水华相关
7、研究的历史文献,以揭示该领域相关研究的演变进程和与未来趋势。是一款功能强大的可视化软件,它是基于海量历史文献数据,快速有效地梳理领域发展过程,分析前沿热点和研究趋势 。是基于 软件包,利用时间切片技术来建立时间序列的时变网络模型,并综合这些单独的网络形成概览网络 。集群的位置及其关系展示了科学制图领域的知识结构,使读者对该领域有全面的了解,从而系统地回顾相关文献 。它作为定量科学研究中常用的方法,通过动态时间序列映射来实现文献可视化,包括识别关键主题、发现研究热点与新兴趋势 ,。本文利用 核心合集数据,创建检索式 (“”“”)(“”“”)(“”“”“”“”)(“”“”“”),时间跨度设定为 年
8、 。文献检索在一天内完成,避免因数据库更新带来偏差。节点类型设置为“关键词”“机构”和“作者”,节点之间的链接表示协作、共现或共引的强度 。通过将节点类型设置为“关键词”并选择时间轴视图,可以直观认识该领域发展演变的时间跨度、研究热点和研究过程。基于“作者”这一节点类型为关键主题进行分析,以揭示该领域研究学者。为了确定该领域跨空间尺度的研究分布,通过 来识别机构或学者之间的合作网络 。本文采用是 ,具体步骤为:设置时间切片为 到 年,选择不同节点类型(机构、作者和关键词),阈值选择为 ,修剪选择为 和 。详细程序参照文献 中所述。在过去 年中,气候变化下湖库蓝藻水华相关研究年发文量总体上呈现逐
9、渐增加的趋势(图 (),说明此方向持续受到关注。合计检索到 篇文献,其中研究性论文占 ,综述性论文占 ,其他占 。关键词聚类分析表明,此研究方向具有高度概括性。如图 ()所示,排名前 位的关键词集群是“”“”“”“”“”“”和“”,表明这些主题是主导方向。发文量最大的 个国家是美国、中国、加拿大、德国和英国,分别有 、和 篇论文(图 (),总贡献率为 。不同国家或地区之间存在着普遍的合作,所有排名前 的国家都与其他国家有合作。美国、德国、英国和俄罗斯在国际合作研究中发挥了重要作用,中心度值均超过了 。中国发文量虽多,但国际合作有待加强;英国虽然发文量不是最多,但国际合作最强。以“”及“”为节点
10、,对发文机构及作者的合作网络进行可视化分析。从图 ()可以看出,国外发文数最多的机构是 ,国内发文数排名前列的机构是中国科学院、中国科学院大学领域内比较权威的科研院所与高校。从发文时间来看,国外 时间较早,国内相关研究后来居上。各研究机 构 间 合 作 网 络 较 为 密 集,表 明 各 机 构 并 非 独 立 而 存 在 较 多 合 作(图 ()。、相互间合作较多。国际上发文量较多的学者有 、,国内有秦伯强、张运林、朱广伟、施坤。作者合作网络图谱表明,、较为活跃,国际合作较多,、发文量虽然较多,但合作较弱。国内秦伯强、张运林、朱广伟、施坤团队内合作,而且与 、国际合作,具有较高影响力(图 (
11、)。各科研团队间合作较薄弱,未来各团队之间需加强合作。从节点颜色可以发现国外研究虽开始较早,但近些年发文相对不多,国内学者近些年来对该领域关注度不断提高,研究不断深入。注:图()()()中颜色越深代表时间越早图 年气候变化下湖库蓝藻水华的文献计量分析 气候变化对湖库蓝藻水华的影响 湖库蓝藻水华关键影响因子环境因子是湖库蓝藻水华发生的关键驱动力,主要包括:氮磷营养盐。氮磷过量引起的湖库富营养化直接促使蓝藻水华的形成。当氮磷浓度分别超过?和?时,湖库发生蓝藻水华的概率极大,其中,磷被认为是藻类生长的限制因子,磷浓度升高促使蓝藻获得竞争优势,显著促进蓝藻水华发生,当磷源充足时蓝藻生长也受到氮源限制。
12、氮磷对蓝藻生长的限制作用会发生季节转换。等 研究发现冬春季磷是太湖蓝藻生长的关键限制因子,而到夏秋季氮则成为了关键限制因子;当氮磷分别超过?和?时,太湖蓝藻生长不再受氮磷限制。除了氮磷绝对浓度,二者相对比例在蓝藻水华形成过程中发挥着关键作用。通过对 个湖泊研究发现,当氮磷质量比小于 时,蓝藻倾向于占优势,当氮磷质量比大于 时,蓝藻占比倾向于降低。水温。蓝藻作为一类浮游植物,其生长与温度密切相关。蓝藻最适温度范围是 ,但它对高温耐受性要强于其它藻类,温度升高提高其竞争优势。水动力。蓝藻生长与聚集需要相对平稳水环境,不易在水流大、水力停留时间短的水体中形成竞争优势,这也是湖库相比于河流易暴发蓝藻水
13、华的原因之一。据研究,水力停留时间小于两周的水体不易暴发蓝藻水华。李哲等 认为过水断面变大导致了表层流速降低是长江三峡小江回水区段水华发生的原因之一。气候变化对湖库蓝藻水华的影响 第五次全球气候变化评估报告指出,年间全球地表温度升高了 ,过去 年的气温比 年以来任何时期都要高,而且很可能是北半球过去 年来最热的阶段。温室气体人为过量排放直接导致了全球气温升高。年期间,人为向大气中排放的二氧化碳()累计高达 ,其中,约一半发生在过去的 年里,大气 浓 度 相 应 地 升 高 了 。气 候 变 化 影 响 下,极 端 降 雨 频 率 增 加,局 部 区 域 风 速 下 降。等 研究发现,在 气候模
14、式升温 和 气候模式升温 情境下,印度热天分别增加 和 ,暖夜分别增加 和 ;冷天减少 和 ,冷夜减少 和 ;在 气候模式下,印度的热带、温带和半干旱地区的年总降水量和与极端降雨指数明显增加。张运林等 研究发现,太湖地区年平均风速呈现持续下降趋势,最大风速的下降速度要明显大于平均风速,每 年分别下降了?和?,平均风速在过去 年下降了?,降幅达 。气候变化背景下,大气温度与 浓度升高、极端降雨频率增大、风速下降、日照时间延长均促进湖库蓝藻水华的发生。基于 分析可知,相关研究主要集中于气温()与大气 浓度()。各因素主要影响如下:气温升高有利于湖库蓝藻增殖。大多数浮游植物适宜生长温度是 ,而蓝藻属
15、于原核生物,最适生长温度是 ,对高温耐受力较高,气温上升有利于蓝藻形成竞争优势 ;同时,气温升高促使蓝藻水华形成所需积温的时间提前。王敏等 通过对太湖西北湖区研究发现,年期间太湖西北湖区年均水温总体呈上升趋势,蓝藻及其在浮游植物群落中所占比例与水温呈显著正相关();蓝藻水华暴发时间逐渐提前,消退时间逐渐滞后,水华持续时间相应地逐年上升。大气 浓度升高显著改变了水体 值和碳化学环境,减弱浮游植物碳浓缩机制的必要性,降低了蓝藻水华发生时的 限制 。赵旭辉等 研究发现大气 浓度加倍后,浮游植物的最大生长速率、净初级生产力、单位叶绿素 含量的初级生产力分别增加 、和 。极端降雨频率升高,增加了面源氮磷
16、通量,造成水体氮磷浓度升高,丰富了蓝藻增殖所需的营养物质 。陆海明等 认为梅雨和台风雨形成的暴雨径流是江淮丘陵区花山流域磷素负荷输出的主要驱动因子。连心桥等 研究发现,强降雨增大了面源氮磷通量荷,导致河道水体中各形态氮、磷浓度升高。风速下降减弱了湖库表层水体扰动,促进蓝藻聚集图 气候变化对湖库蓝藻水华的影响形成水华。张 运林 等 ,和 等 认 为,蓝藻水华面积和开始暴发时间与风速呈反比,即风速越低越容易形成水华。风速超过?时,浅水湖泊中蓝藻混合均匀,不发生水华;当风速低于?时,蓝藻易于漂浮聚集成水华。日照时数增多也为蓝藻生长发育提供了优良的光合条件。商兆堂等 和张民等 均认为气候变化下日照时长
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