进一步影响浅水湖泊中多种理化过程,过去25年太

过去数十年,全球环境已发生快速变化,包括全球变暖、全球变暗和变亮以及气候异常波动等。环境变化与生态系统响应、适应和反馈往往是非线性的,短期实验和观测往往很难反映生态系统的长期变化过程。因此,生态系统长期定位观测受到国内外研究的广泛关注,国际上先后建立了多个长期观测网络,如美国长期生态学研究网络、英国环境变化网络、中国生态系统研究网络和国际长期生态研究网络等。通过生态系统长期定位观测,可以阐释生态系统演化过程,厘清物理、化学和生物因素对生态过程贡献份额,揭示内在驱动机制以及预测全球变化对生态系统的影响。在我国,过去由于长期观测数据的缺失,关于全球变化对湖泊物理环境影响的研究极为匮乏,限制了人们对湖泊生态系统响应和反馈机制的深入认识。

气候变化是影响湖泊生态系统的一个重要因素。当前关于气候变化对湖泊生态系统影响的研究大都仅重点关注温度或者降水的改变,往往忽略了其他因素,例如风速的变化。多源气象资料显示近年来全球近地面风速显著下降是当前气候变化的一个重要特征。浅水湖泊,尤其是大型浅水湖泊,极易受风浪扰动影响造成水柱混合、引起底泥悬浮、改变水-泥界面等溶解氧含量,进一步影响浅水湖泊中多种理化过程。但目前还不清楚大型浅水湖泊生态系统如何响应风速的长期变化。

在中国科学院前沿科学重点项目和国家自然科学基金委创新研究群体等的联合资助下,中科院南京地理与湖泊研究所研究员张运林等基于中国生态系统研究网络太湖湖泊生态系统研究站1991年以来25年长期定位观测数据,深入揭示了太湖湖泊物理环境的变化过程和潜在的生态效应,相关研究成果发表在水资源领域期刊Water Resources Research上(2018, 54: 4319–4331)。

美高梅集团官网,在国家自然科学基金等资助下,中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊生态系统动力学研究团队秦伯强课题组以我国第三大淡水湖太湖为例,通过高频原位观测、长期定点观测以及室内实验等手段,研究了风速下降对太湖水体富营养状况的影响。气象观测资料显示:太湖地区近年来全年风速均呈现显著下降趋势,主要表现为中高风速出现频次显著下降。同时,每月日平均风速“3 m/s的最大持续天数显著上升。由于太湖污染严重的北部湖区底泥受风浪扰动的临界风速约为3-4m/s,因此太湖地区中高风速的下降将有利于增加太湖水柱的稳定性。

研究发现,过去25年太湖湖泊物理环境发生了显著变化,表现在气温、水温和水位显著上升,其中水温和水位分别增加了0.93 ℃和0.38 m,而风速和透明度则显著下降,其中平均风速和草型湖区透明度分别下降了0.68 m/s和0.40 m。由于藻华容易在高温和低风下形成,气温上升和风速降低造成藻华易发的气象指数(气温高于25℃,风速低于3.0 m/s的累积天数),气温与风速比值则显著上升,形成和强化有利于蓝藻水华生长、漂浮和聚集的藻型生境。由于沉水植物一般生长在水深较浅、透明度较高的水域,太湖水位显著上升和长期高水位运行以及草、藻型湖区透明度的显著下降,造成透明度与水位的比值显著降低,致使湖泊底部可利用光显著下降,不利于水生植被特别是生活在湖泊底部的沉水植被获取足够光照进行光合作用,限制其生长发育,造成湖泊生境逐步由草型生境向藻型生境转化,驱动湖泊生态系统从“清水草型”向“浊水藻型”生态系统演替,生态系统服务功能急剧退化。

太湖历史观测资料显示水柱中溶解性营养盐浓度及其与总营养盐浓度的比值均与年平均风速、每月日平均风速持续“ 3m/s的最大天数显著相关。结构方程模型表明太湖地区风速变化能显著影响水柱中营养盐浓度(尤其是溶解性营养盐浓度),并进一步影响水柱中藻类生物量;而其它因素如降雨、气温等对水体中营养盐及叶绿素浓度的影响较弱。

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太湖属于大型浅水湖泊,通常认为水柱常年处于混合状态。但根据高频观测资料显示,太湖水柱在低风速期可能出现短暂的分层现象并引起湖泊底部缺氧甚至厌氧,尤其是在生产力旺盛的夏秋季节。随着风速下降,太湖梅梁湾底部夏季溶解氧日最低值2007-2016年间呈现显著下降趋势。

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基于上述分析结果可以推论:太湖地区风速下降可能增加水体稳定性,导致湖泊底部缺氧厌氧的概率增加,从而有利于底泥中有机营养盐降解矿化并向水柱中释放,增加水柱中溶解性营养盐的比例。上述推论在室内模拟实验中得到验证。

图1 藻华易发的气象指数(气温高于25℃,风速低于3.0 m/s的累积天数)、气温与风速比值长期变化

传统观点认为,在浅水湖泊中风浪扰动能显著增加水柱中营养盐的含量,营养盐释放量在一定范围内与风速呈正相关。同时也有研究表明,风浪扰动引起悬浮的营养盐形态主要以颗粒态为主,而能被藻类直接利用的溶解态含量变化不大,并且水柱中营养盐含量随着风速减弱、颗粒物沉降而逐渐降低。该研究认为随着风速下降,尤其是低风速持续时间延长,湖底间歇性缺氧/厌氧的概率增加,更有利于浅水湖泊中底泥溶解性营养盐的释放,从而加重水体富营养化。上述研究成果发表在Science of the total environment上(Climatically-modulated decline in wind speed may strongly affect eutrophication in shallow lakes, 2018,645:1361-1370)。

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图2 太湖藻型和草型生态系统透明度与水位比值长期变化

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图1 太湖1997-2017年逐月平均风速变化趋势

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图2 太湖1997-2017年间营养盐浓度与风速的关系

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图3 风速、降雨、气温及营养盐浓度等与太湖水体中叶绿素的关系

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图4 太湖梅梁湾底部溶解氧浓度日最低值与风速的关系

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图5 2007-2016年间太湖梅梁湾底部溶解氧逐月变化趋势

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