過去40年太湖劇烈的湖泊物理環(huán)境變化及其潛在生態(tài)環(huán)境意義

張運(yùn)林，秦伯強(qiáng)，朱廣偉

(中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

湖泊物理環(huán)境和過程包括水位和水量平衡、出入流等水文過程，光照和水溫等光熱過程以及波浪和湖流等水動(dòng)力過程，是湖泊地形和岸線的主要塑造者以及湖泊化學(xué)過程、生物生態(tài)過程的基石，驅(qū)動(dòng)湖泊環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)演化[1-5]. 但由于湖沼學(xué)的發(fā)展起源于生物學(xué)和生態(tài)學(xué)，被認(rèn)為是生態(tài)學(xué)中最為成功的一門分支學(xué)科，其早期研究主要集中在空間小于10 m2，時(shí)間短于1年甚至幾個(gè)月的時(shí)空尺度上進(jìn)行[6]，因此湖泊物理環(huán)境的影響范圍和程度相對(duì)較小. 加之早期的湖沼學(xué)家由于學(xué)科背景的局限性，其對(duì)湖泊物理環(huán)境的關(guān)注非常有限，研究也不夠深入，致使物理湖泊學(xué)的發(fā)展較為遲緩，其在湖沼學(xué)中的作用和地位也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如物理海洋學(xué)在海洋科學(xué)中的地位. 隨著湖沼學(xué)研究空間的拓展和時(shí)間尺度的延長(zhǎng)，湖泊物理環(huán)境的作用日漸凸顯，也吸引了大量物理學(xué)背景的科學(xué)家進(jìn)入湖沼學(xué)領(lǐng)域，拓展了湖沼學(xué)研究的內(nèi)涵和范疇，使其逐漸發(fā)展成為一個(gè)綜合性學(xué)科.

我國(guó)湖沼學(xué)研究早期主要聚焦于長(zhǎng)江中下游淺水湖泊調(diào)查和資源開發(fā)利用[7-10]，由于湖泊與河流水文交換頻繁，加之水淺、湖面開闊，湖泊水動(dòng)力擾動(dòng)頻繁且強(qiáng)烈，因此出入流、水動(dòng)力擾動(dòng)等湖泊物理過程變化特征及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)備受關(guān)注，我國(guó)老一輩的湖沼學(xué)家對(duì)此做了大量的基礎(chǔ)性工作[8-9,11]，發(fā)展了我國(guó)獨(dú)具特色的淺水湖泊湖沼學(xué). 太湖，作為一個(gè)大型淺水湖泊，水-氣、水-沉積物和水-生物界面間的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)受湖泊物理環(huán)境和過程的強(qiáng)烈擾動(dòng)和深刻影響，因此從1990s開始圍繞太湖出入流、水動(dòng)力擾動(dòng)和光熱過程等開展了大量研究[12-17]，可以說在我國(guó)湖泊物理環(huán)境研究中最系統(tǒng)和最深入. 但是，過去數(shù)十年，全球出現(xiàn)氣候變暖、輻射變暗和變亮、風(fēng)速減弱、氣候異常波動(dòng)等一系列自然環(huán)境變化，而太湖流域還受到快速城市化、筑壩建閘、岸堤硬質(zhì)化和調(diào)水引流等強(qiáng)烈人類活動(dòng)影響，這些必將深刻改變太湖湖泊物理環(huán)境和過程，直接或者間接影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和服務(wù). 特別是1980s以來太湖水環(huán)境質(zhì)量快速下降、藍(lán)藻水華暴發(fā)日益頻繁和嚴(yán)重、草型生態(tài)系統(tǒng)急劇退化等均與湖泊物理環(huán)境變化息息相關(guān)[12，16,18-20]. 但相比于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華等生態(tài)環(huán)境問題，物理湖泊學(xué)的研究和認(rèn)識(shí)仍嚴(yán)重滯后，沒有深入揭示變化環(huán)境下大型湖泊劇烈的物理環(huán)境變化過程，也導(dǎo)致湖泊化學(xué)和生物生態(tài)學(xué)的研究缺失了物理學(xué)的堅(jiān)實(shí)支撐，因此迫切需要系統(tǒng)梳理太湖湖泊物理環(huán)境長(zhǎng)期變化特征及其潛在生態(tài)環(huán)境意義. 但鑒于本人的學(xué)科背景和知識(shí)積累，該文未涉及湖泊出入流等水文過程和波浪湖流等水動(dòng)力過程，僅聚焦于湖泊氣溫、水溫、風(fēng)速、水位和透明度等物理環(huán)境(水位和風(fēng)速某種程度上也可以部分反映出入流和水動(dòng)力擾動(dòng)). 本文是在前期的研究基礎(chǔ)上[12]，補(bǔ)充更新了大量歷史數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)檔案資料以及最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，將時(shí)間序列拓展到過去40年，試圖闡明其長(zhǎng)期變化特征、相互協(xié)同作用機(jī)理及其潛在的生態(tài)環(huán)境意義，提出變化環(huán)境下湖泊生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性的管理策略.

1 數(shù)據(jù)與資料

1.1 氣象水文數(shù)據(jù)

通過中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://cdc.nmic.cn)收集、整理太湖東山氣象站1980年至今的逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要包括氣溫(日最低、日最高、日平均)、風(fēng)速風(fēng)向(平均風(fēng)速、最大風(fēng)速)和降水等. 東山氣象站位于太湖東南部的東山鎮(zhèn)吳巷山村(圖1)，遠(yuǎn)離城市影響，屬于“百年老站”，能較為全面地反映全湖氣象條件.

水溫?cái)?shù)據(jù)來自中國(guó)科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(簡(jiǎn)稱太湖站，TLLER)(圖1)逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)，從1992年開始每天8:00、14:00和20:00在太湖站棧橋水域THL2站點(diǎn)進(jìn)行3次水溫觀測(cè)，日水溫為3次觀測(cè)的平均值；1992年之前的日水溫?cái)?shù)據(jù)來自日水溫和日氣溫長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果線性擬合函數(shù)的反推計(jì)算值[12].

逐日水位數(shù)據(jù)來自太湖站和江蘇省水文水資源勘測(cè)局，觀測(cè)站點(diǎn)分別位于梅梁灣和洞庭西山. 從1992年開始在太湖站邊水域安裝水位計(jì)，進(jìn)行水位觀測(cè)，日均水位為8:00、14:00和20:00水位計(jì)記錄數(shù)據(jù)的平均值. 1992年之前的水位數(shù)據(jù)來自于江蘇省水文水資源勘測(cè)局，其洞庭西山逐日水位數(shù)據(jù)通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型校正到與太湖站梅梁灣觀測(cè)數(shù)據(jù)一致[12].

1.2 透明度數(shù)據(jù)

1992年之后逐月或者逐季節(jié)透明度數(shù)據(jù)來自太湖站布設(shè)在全湖的長(zhǎng)期定位觀測(cè)點(diǎn)(圖1). 1992年開始太湖站在太湖北部的梅梁灣和開敞水域布設(shè)9個(gè)站點(diǎn)(THL00～THL08)進(jìn)行逐月觀測(cè)；1998年開始在大浦口、小梅口、五里湖、貢湖灣以及東太湖各新增1個(gè)站點(diǎn)，觀測(cè)頻次是每季度1次，分別為2、5、8和11月，代表冬、春、夏和秋季；2005年開始在全湖新增19個(gè)站點(diǎn)，但原來的THL02站點(diǎn)由于離岸邊太近被剔除，因此全湖共32個(gè)定位觀測(cè)點(diǎn)，其中北部湖區(qū)的THL00、THL01、THL03～THL08、THL10、THL13、THL14、THL16、THL17和THL32站點(diǎn)為逐月觀測(cè)，其他站點(diǎn)為逐季節(jié)觀測(cè)，仍然是2、5、8和11月. 為對(duì)比太湖典型草、藻型湖區(qū)透明度長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，選擇東太湖的THL12站點(diǎn)和貢湖灣的THL13站點(diǎn)代表草型湖區(qū)站點(diǎn)，觀測(cè)頻次為逐季節(jié)，觀測(cè)時(shí)間段為1998-2019年；選擇梅梁灣及湖心開敞區(qū)的THL01和THL03～THL08站點(diǎn)代表藻型湖區(qū)站點(diǎn)，觀測(cè)頻次為逐月，觀測(cè)時(shí)間段為1992-2019年.

圖1 太湖1981、1987、1992和1997年歷次采樣站點(diǎn)(a)和1992-2019年長(zhǎng)期定位觀測(cè)站點(diǎn)(b)的空間分布以及氣象和水文觀測(cè)站位置Fig.1 Spatial distribution of sampling sites of four historical investigations in 1981, 1987, 1992 and 1997 (a), long term specific sites from 1992 to 2019 (b), and the location of meteorological and hydrological observation stations

為對(duì)比分析全湖透明度空間分布和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，還收集整理了1981、1987、1991和1997年4個(gè)典型年份的全湖透明度觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要來自中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所歷史檔案資料和已出版文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[21-24]，分別為1981年9月全湖45個(gè)站點(diǎn)、1987年7月全湖35個(gè)站點(diǎn)、1991年8月41個(gè)站點(diǎn)和1997年7月15個(gè)站點(diǎn)(圖1)，基本上代表太湖夏季透明度空間分布，時(shí)間間隔為4～7年. 1997年之后選擇太湖站夏季8月份長(zhǎng)期定位觀測(cè)數(shù)據(jù)以反映其空間變化并與歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，典型年份為2005、2010、2015和2019年，時(shí)間間隔為4～5年.

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括計(jì)算其平均值、線性擬合等，當(dāng)顯著性水平值低于0.05時(shí)表明顯著相關(guān)，低于0.01時(shí)表明極顯著相關(guān). 利用ArcGIS軟件進(jìn)行透明度空間分布插值圖繪制.

2 結(jié)果

2.1 氣溫、水溫和風(fēng)速長(zhǎng)期變化

受全球氣候變暖和太湖流域快速城市化引起的熱島效應(yīng)等影響，過去40年太湖的氣溫和水溫顯著上升(圖2)，最高、最低和平均氣溫增溫率分別為0.535、0.508和0.511℃/10年，最高氣溫的增溫率略高于最低和平均氣溫. 50 cm處平均水溫增溫率與平均氣溫接近，為0.514℃/10年，40年內(nèi)平均水溫增溫2.0℃，增加了11.6%. 但氣溫和水溫增溫均表現(xiàn)為明顯的季節(jié)差異，在藻類萌發(fā)和藍(lán)藻水華易發(fā)的春季(3-5月)增溫更為明顯，平均氣溫和平均水溫的增溫率分別高達(dá)0.699和0.702℃/10年，40年內(nèi)增加了2.8℃.

與此同時(shí)，受全球大氣停滯和太湖周邊城市高大樓群建設(shè)影響，太湖地區(qū)年平均風(fēng)速呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)(圖2). 相比較而言，最大風(fēng)速的下降速度要明顯大于平均風(fēng)速，各自的線性下降斜率分別為每10年0.41 m/s和每10年0.27 m/s，過去40年太湖地區(qū)年平均風(fēng)速下降了1.06 m/s，降低了29.6%. 相比于平均水溫40年內(nèi)增加11.6%，平均風(fēng)速的下降更為明顯，線性相關(guān)的決定系數(shù)也更高，表明統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)更顯著、變化趨勢(shì)更明顯(圖2).

圖2 1980-2019年太湖年最高和最低氣溫(a)、平均氣溫(b)、水溫(c)和風(fēng)速(d)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)Fig.2 Long term trend of yearly maximum and minimum air temperature (a), mean air temperature (b), water temperature (c) and wind speed (d) in Lake Taihu from 1980 to 2019

2.2 水位長(zhǎng)期變化

長(zhǎng)期逐日水位觀測(cè)顯示，過去40年太湖年平均水位呈緩慢增加趨勢(shì)(圖3)，約增加了0.25 m，增加率約為8.7%，但考慮到太湖平均水深只有1.9 m，年平均水位上升了0.25 m已是非常顯著，相當(dāng)于平均水深增加了13.2%. 同步觀測(cè)顯示流域長(zhǎng)期降水沒有顯示明顯增加趨勢(shì)，并且年降水量與年平均水位線性相關(guān)的決定系數(shù)不是非常高(r2=0.17，P<0.01)，但在流域特大洪水年，強(qiáng)降水往往對(duì)應(yīng)高水位，如1999年和2016年，而在極端干旱年并沒有出現(xiàn)極端低水位，如2003年和2013年，說明太湖的年平均水位除了受流域降水控制外，很大程度上受人工閘壩管控和調(diào)水引流的影響. 1986-2017年太湖出、入湖水量變化分析表明，由于調(diào)水引流影響，1990s后期入湖水量突變?cè)黾?，多年平均年入湖總水量突變后較突變前增加了29.66 億m3[25]. 而江蘇省水利廳2019年和2020年最新數(shù)據(jù)表明，2019年10月-2020年1月，太湖實(shí)施了跨年度調(diào)水引流，常熟樞紐累計(jì)引長(zhǎng)江水13.6億m3，望亭立交樞紐入湖6.97億m(1)江蘇省太湖水污染防治委員會(huì)第十三次全體(擴(kuò)大)會(huì)議暨太湖安全度夏應(yīng)急防控工作會(huì)議，2020年4月..

圖3 1980-2019年太湖年平均水位(a)和年降水量(b)的長(zhǎng)期變化Fig.3 Long term variations of yearly mean water level (a) and total precipitation (b) of Lake Taihu from 1980 to 2019

2.3 透明度空間分布和長(zhǎng)期變化

相比于氣溫、水溫、風(fēng)速和水位等氣象水文條件，太湖水體透明度存在非常大的空間異質(zhì)性，單個(gè)站點(diǎn)不足以反映其空間差異和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，因此我們基于已有可用的透明度觀測(cè)資料，從1980-2020年每4～10年典型年份透明度空間分布和1992年以來典型藻型和草型湖區(qū)透明度逐年長(zhǎng)期變化兩方面進(jìn)行分析.

2.3.1 典型年份透明度空間分布 過去40年多個(gè)時(shí)段典型年份透明度空間分布顯示，太湖水體透明度大體呈現(xiàn)西部及湖心開敞水域最低，北面梅梁灣、竺山灣次之，東南部貢湖灣、光福灣、胥口灣和東太湖最高；時(shí)間序列上呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，8個(gè)典型時(shí)段的夏季全湖平均值分別為0.74、0.88、0.78、0.85、0.43、0.58、0.44、0.29 m(圖4). 特別是相比于1980s、1990s，2010年后透明度已有顯著下降，并且空間上東南部湖灣與西部開敞水域和北面湖灣的差異越來越小，全湖趨于均質(zhì)化，反映不同湖區(qū)透明度下降的速率存在很大差異，貢湖灣、光福灣、胥口灣和東太湖等東南部湖灣下降最明顯，由1980s、1990s的1.2～1.5 m下降到現(xiàn)在的0.4～0.6 m，其中最開始下降的是貢湖灣，約在2000年，其次是光福灣和胥口灣，最后是東太湖.

2.3.2 典型草、藻型湖區(qū)透明度逐年長(zhǎng)期變化 由于太湖是大型富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊，風(fēng)浪擾動(dòng)頻繁而劇烈，加之藍(lán)藻頻發(fā)，因此水體渾濁、透明度低，特別是北面的梅梁灣、湖心和西南部開敞區(qū)等藻型湖區(qū)水體透明度就更低了. 即便如此，1992年以來的長(zhǎng)期定位觀測(cè)顯示，無論是草型湖區(qū)還是藻型湖區(qū)，水體透明度均呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì). 整體而言，由于梅梁灣、大太湖等藻型湖區(qū)本身水體透明度就很低，在0.4 m左右，因此其下降速度較慢，1992-2019年間的28年降低了24.6%；而相比于藻型湖區(qū)，貢湖灣和東太湖等草型湖區(qū)水體透明度降低得更為顯著，下降斜率為藻型湖區(qū)的5倍，1998-2019年間的22年降低了62.2%(圖5).

圖4 太湖歷次歷史采樣以及長(zhǎng)期定位觀測(cè)典型年份夏季透明度空間分布[21-24]：(a)1981年9月；(b)1987年7月；(c)1991年6月；(d)1997年7月；(e)2005年8月；(f)2010年8月；(g)2015年8月；(h)2019年8月Fig.4 Spatial distribution of Secchi disc depth in Lake Taihu in summer of typical years including four historical investigations from 1981 to 1997 and long term specific-site observation from 2005 to 2019[21-24]: (a) September 1981; (b) July 1987; (c) June 1991; (d) July 1997; (e) August 2005; (f) August 2010; (g) August 2015; (h) August 2019

圖5 1992-2019年太湖典型藻型(a)和草型(b)湖區(qū)透明度的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)Fig.5 Long-term trends of the yearly mean Secchi disc depth in the phytoplankton-dominated (a) and macrophyte-dominated (b) regions from 1992 to 2019

3 討論

3.1 湖泊增溫和風(fēng)速下降加劇藻華暴發(fā)

目前，全球氣候變暖已經(jīng)是無可爭(zhēng)辯的事實(shí)，只是在不同區(qū)域、不同季節(jié)氣候變暖的速率和幅度，各溫室氣體對(duì)氣候變暖的貢獻(xiàn)份額等方面存在一些不確定性. 由于氣溫升高，相伴隨的湖庫(kù)水溫也呈現(xiàn)明顯增加，基于實(shí)地觀測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的全球246個(gè)湖庫(kù)表層水溫研究結(jié)果顯示，1985-2009年夏季表層水溫呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，平均增溫率為0.34℃/10年[26]. 另外，多個(gè)湖庫(kù)長(zhǎng)期觀測(cè)顯示，過去數(shù)十年內(nèi)表層和下層水溫均存在不同程度的上升，增溫幅度從0.10℃/10年到0.84℃/10年不等[27]. 與國(guó)際上同類研究相比，過去40年太湖湖水的增溫率為0.514℃/10年，超過全球大多數(shù)湖庫(kù)，說明其深受全球氣候變暖的影響.

與氣溫和水溫上升不同，大量的地表長(zhǎng)期觀測(cè)研究顯示，自1960年以來，全球中低緯地區(qū)地表風(fēng)速持續(xù)下降，即所謂的全球靜止(global stilling)和大氣靜止(atmospheric stilling)[28-29]，太湖的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這一全球現(xiàn)象. 與已有研究相比，1980-2019年過去40年太湖地區(qū)平均風(fēng)速下降的速率是每10年降低0.27 m/s，這個(gè)值要遠(yuǎn)高于全國(guó)平均值，全國(guó)2425個(gè)氣象站1956-2014年觀測(cè)到風(fēng)速下降的平均值為每10年降低0.124 m/s[30]. 另外，最近也有研究表明，全球地表風(fēng)速?gòu)?010年開始快速反彈，并已在短短8年間恢復(fù)到1980年左右的水平. 最近的增長(zhǎng)速度是2010年以前下降速度的3倍，其中北美、歐洲和亞洲3個(gè)區(qū)域增長(zhǎng)最為顯著[31]. 但太湖的研究結(jié)果并沒有觀測(cè)到這一反彈現(xiàn)象，相反無論是最大風(fēng)速還是平均風(fēng)速仍然在持續(xù)下降中，2010-2019年平均風(fēng)速線性下降的斜率甚至明顯超過1980-2009年(每10年分別降低0.30和0.22 m/s)，2019年相比于2010年風(fēng)速下降了16%左右.

上述分析表明，影響藻類生長(zhǎng)和藍(lán)藻水華漂浮聚集的氣象條件已發(fā)生了根本性的變化. 已有的研究發(fā)現(xiàn)高溫和低風(fēng)速條件更有利于藍(lán)藻生長(zhǎng)、長(zhǎng)期維持和藻華漂浮堆積[3,18,32-34]，氣溫和水溫的顯著上升以及風(fēng)速的持續(xù)降低造成藍(lán)藻水華易發(fā)的氣象指數(shù)(氣溫高于25℃，風(fēng)速低于3.0 m/s的累積天數(shù))顯著增加[12]，由1980年的約22 d增加到了2019年的約55 d，增幅高達(dá)150%；而氣溫與風(fēng)速比值則顯著增加(圖6)，高溫靜風(fēng)環(huán)境越來越明顯和頻繁. 基于MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的晴空條件下太湖逐日藍(lán)藻水華面積顯示，在藻華形成氣象指數(shù)高值年份往往對(duì)應(yīng)非常嚴(yán)重的藍(lán)藻水華暴發(fā)，如2007和2017年，特別是2017年藻華形成氣象指數(shù)高達(dá)65 d，顯著高于其他年份，對(duì)應(yīng)于2017年太湖藍(lán)藻水華面積出現(xiàn)歷史最高值，年平均面積為284 km2，最大面積為1582 km2，幾乎覆蓋太湖除東南少數(shù)湖灣以外的所有區(qū)域[35-36].

圖6 1980-2019年太湖藻華形成氣象指數(shù)以及氣溫與風(fēng)速比值的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)Fig.6 Long-term trends of meteorological index of algal blooms and yearly mean ratio of air temperature to wind speed in Lake Taihu from 1980 to 2019

自2007年無錫太湖藍(lán)藻水華引發(fā)飲用水危機(jī)事件后，太湖已經(jīng)歷了10多年的高強(qiáng)度治理，水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，但當(dāng)前氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度仍然沒有降低到明顯限制藻類快速生長(zhǎng)的閾值以下[35,37-39]. 在較高的營(yíng)養(yǎng)鹽水平下，已有的長(zhǎng)期定位觀測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)研究均表明，太湖藻類生物量、藍(lán)藻水華面積、暴發(fā)頻率、暴發(fā)開始和結(jié)束時(shí)間等指標(biāo)與氣溫和水溫呈正比，即溫度越高藍(lán)藻水華暴發(fā)越頻繁，暴發(fā)開始時(shí)間越早，溫度的升高不僅促進(jìn)藍(lán)藻生長(zhǎng)，還提高了其與其他藻的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，改變特定種浮游植物物候過程，如微囊藻物候過程的變化導(dǎo)致在冬季也經(jīng)常觀測(cè)到較大面積的藍(lán)藻水華[32-33,36,40-42]. 與此同時(shí)，藍(lán)藻水華面積和開始暴發(fā)時(shí)間與風(fēng)速呈反比，即風(fēng)速越低越容易形成水華[32, 43]. 對(duì)于太湖這類大型淺水湖泊而言，風(fēng)速?zèng)Q定了藍(lán)藻水華的垂直分布，風(fēng)速超過6 m/s時(shí)，水柱中藍(lán)藻混合均勻，不產(chǎn)生水華，而當(dāng)風(fēng)速低于3 m/s時(shí)，藍(lán)藻開始分層，表明易于漂浮聚集大量水華[44-45]. 因此，明顯增溫和持續(xù)風(fēng)速下降引起湖泊物理環(huán)境變化的綜合效應(yīng)強(qiáng)化了有利于水華藍(lán)藻生長(zhǎng)、漂浮和聚集的藻型生境，導(dǎo)致藻類快速異常增值和藍(lán)藻水華長(zhǎng)期維持.

實(shí)際上氣候變化等引起的氣溫上升和風(fēng)速下降對(duì)浮游植物生長(zhǎng)和物候過程以及藍(lán)藻水華的顯著影響不光發(fā)生在太湖，全世界都觀測(cè)到類似現(xiàn)象. 許多研究表明，由于浮游植物對(duì)溫度的高度敏感性，在全球氣候變暖背景下，浮游植物物候提前的速度要顯著快于陸地植被，例如在北極由于氣候變暖引起的冰蓋融化造成1997-2009年浮游植物最大藻華出現(xiàn)的時(shí)間提前了50 d[46]，研究表明當(dāng)前全球湖庫(kù)藍(lán)藻水華呈現(xiàn)加劇態(tài)勢(shì)[47-48].

3.2 水位上升和透明度降低加速草型生態(tài)系統(tǒng)退化

隨著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，太湖周邊的無錫、蘇州、湖州等城市和上海市對(duì)太湖水資源需求大幅增加. 如湖州從2014年起開始從太湖取水，一期規(guī)模為20萬t/d，未來將增加到40萬t/d；上海“引湖入浦”，2016年底上海啟用以太浦河為水源的金澤水庫(kù)水源地，取水規(guī)模為351萬t/d，每年通過太浦河調(diào)引東太湖大量清水，且取水需求仍在加大. 太湖水資源供需矛盾日漸凸顯，為保證水資源特別是冬、春枯水季水資源量供應(yīng)充足，從長(zhǎng)江沿江各口門大量的調(diào)水引流使得江蘇境內(nèi)入湖水量明顯增加[25]，造成太湖水位被人為逐步抬升，1980-2019年太湖年平均水位上升了0.25 m，增幅為8.7%. 由于沉水植物一般生長(zhǎng)在水深較淺、透明度較高的水域[19,21-22]，太湖水位顯著上升(意味著水深增加)和冬、春季長(zhǎng)期高水位運(yùn)行，導(dǎo)致湖泊底部可利用光顯著下降，水生植被特別是生活在湖泊底部的沉水植被很難獲取足夠的光照進(jìn)行光合作用，從而生長(zhǎng)發(fā)育被極大地限制，適宜沉水植物生長(zhǎng)的水域范圍進(jìn)一步縮減，水生植物和草型生態(tài)系統(tǒng)退化加速[19].

太湖地區(qū)風(fēng)速呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，理論上對(duì)于大型淺水湖泊而言，風(fēng)速下降會(huì)減弱水動(dòng)力擾動(dòng)和沉積物再懸浮物，某種程度上會(huì)降低水柱中懸浮物濃度進(jìn)而提高水體透明度. 但遺憾的是無論藻型湖區(qū)還是草型湖區(qū)，太湖水體透明度不但沒有提高反而呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)(圖4，圖5). 究其原因，對(duì)于梅梁灣、竺山灣和開敞水域等藻型湖區(qū)，由于藻類生物量的明顯上升以及藍(lán)藻水華出現(xiàn)頻次和持續(xù)時(shí)間增加，藻類生長(zhǎng)與水華暴發(fā)的遮蔽效應(yīng)導(dǎo)致這些水域水體透明度顯著下降[49]. 而對(duì)于貢湖灣、胥口灣、東太湖等東南部湖灣等草型湖區(qū)，透明度降低受富營(yíng)養(yǎng)化加重、藍(lán)藻水華入侵和水生植被退化等多重因素的綜合影響. 一方面營(yíng)養(yǎng)鹽上升引起藻類生物量的增加，藍(lán)藻水華入侵本身就會(huì)降低草型湖區(qū)水體透明度；另一方面，營(yíng)養(yǎng)鹽升高和水位上升造成草型生境惡化，日益嚴(yán)重的藍(lán)藻水華加劇了藻華對(duì)草型湖區(qū)的入侵和藻型生境的擴(kuò)張，致使這些水域水生植被呈現(xiàn)快速退化趨勢(shì)，水生植被的退化降低了其對(duì)底泥的固化作用，加劇了這些水域的沉積物再懸浮，進(jìn)而造成水體透明度的顯著降低. 而透明度降低再疊加水位明顯上升，造成透明度與水位(水深)的比值顯著降低(圖7)，特別是草型湖區(qū)1998-2019年透明度與水位(水深)的比值降低了43.5%，導(dǎo)致湖泊底部可利用光顯著下降，水生植被特別是生活在湖泊底部的沉水植被很難獲取足夠光照進(jìn)行光合作用，從而導(dǎo)致其生長(zhǎng)發(fā)育被極大地限制. 之前許多研究均表明，透明度、水位及其比值是導(dǎo)致水生植被覆蓋度降低和退化的最重要環(huán)境因子[19-20,50-52]. 而水生植被的退化反過來又降低了底泥的固化，加劇了沉積物再懸浮，惡化了水下光環(huán)境，形成惡性循環(huán). 近幾年的監(jiān)測(cè)和研究表明，受營(yíng)養(yǎng)鹽鹽升高、藍(lán)藻水華入侵、底泥清淤和水草收割等人工管理、水位抬升和2016年洪水年超高水位長(zhǎng)期維持等多重因素影響，太湖東南部湖灣特別是東太湖水生植物急劇退化(2)秦伯強(qiáng)，張運(yùn)林，高光等. 太湖水生植被恢復(fù)與良性生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的對(duì)策與建議. 國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)管理辦公室成果專報(bào)，2019年9月.，湖泊生境已逐步由草型生境向藻型生境轉(zhuǎn)化，驅(qū)動(dòng)著湖泊生態(tài)系統(tǒng)從“清水草型”向“濁水藻型”演替(圖8)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能呈現(xiàn)顯著退化趨勢(shì).

圖7 1992-2019年典型藻型(a)和草型(b)湖區(qū)透明度與水位比值年均值的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)Fig.7 Long-term trends of the yearly mean ratio of Secchi disc depth to water level in the phytoplankton-dominated (a) and macrophyte-dominated (b) regions from 1992 to 2019

圖8 太湖湖泊物理環(huán)境變化驅(qū)動(dòng)草型生態(tài)系統(tǒng)退化示意圖(①氣溫升高；②風(fēng)速下降；③水位上升；④透明度下降；⑤草型生態(tài)系統(tǒng)演替為藻型生態(tài)系統(tǒng))Fig.8 Direct and indirect effects of lake physical environment changes on the degradation of macrophyte-dominated ecosystem of Lake Taihu(①Climate warming; ②Decreasing wind speed; ③Increasing water level; ④Decreasing Secchi disc depth; ⑤A shift from a clear macrophyte-dominated state to a turbid algal-dominated state)

4 結(jié)論與展望

太湖能為流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供包括水資源供應(yīng)、糧食生產(chǎn)、防洪抗旱、氣候調(diào)節(jié)和旅游休閑等多種水生態(tài)服務(wù)功能，2007年太湖飲用水危機(jī)事件敲響了流域污染治理的警鐘. 10多年來，國(guó)家和地方各級(jí)政府持續(xù)地加大太湖綜合治理力度，提出了一系列具體的治理方案和有效措施，連續(xù)12年實(shí)現(xiàn)了國(guó)務(wù)院提出的“確保飲用水安全、確保不發(fā)生大面積湖泛”治太目標(biāo). 客觀而言，目前太湖治理已經(jīng)取得了階段性的重要成果，部分水質(zhì)指標(biāo)與2007年相比已有明顯改善. 然而太湖湖泊增溫、風(fēng)速下降、水位上升和透明度降低等湖泊物理環(huán)境的顯著變化逐步形成有利于藻類生長(zhǎng)和藍(lán)藻水華暴發(fā)而不利于水生植被生長(zhǎng)發(fā)育的生境條件，逐漸拓展了藻型生境空間而壓縮了草型生境空間，驅(qū)動(dòng)藻型生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)張和草型生態(tài)系統(tǒng)退化. 而這種湖泊物理環(huán)境的變化反過來還會(huì)抵消流域營(yíng)養(yǎng)鹽削減和湖體營(yíng)養(yǎng)鹽下降對(duì)藻類生物量和藍(lán)藻水華的控制作用，增加了太湖藍(lán)藻水華防控和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理的難度. 這意味著未來流域控源截污需要更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)并要堅(jiān)持更長(zhǎng)時(shí)間，才可能在湖泊藍(lán)藻水華控制上產(chǎn)生顯著效應(yīng). 因此，未來迫切需要加強(qiáng)變化環(huán)境下氣象水文與營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)藍(lán)藻水華暴發(fā)和水生植被退化之間的協(xié)同作用機(jī)理研究，明晰各自貢獻(xiàn)，厘清湖泊生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)與適應(yīng)模式，提出在全球氣候變化背景下太湖營(yíng)養(yǎng)鹽削減和藍(lán)藻水華控制的適應(yīng)性管理對(duì)策.

位于洪泛平原的太湖由于長(zhǎng)期大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉積，湖泊營(yíng)養(yǎng)本底重建顯示太湖早在1980s之前就已處于中營(yíng)養(yǎng)-中富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，總磷濃度為0.04～0.05 mg/L[53]，1965年太湖綜合調(diào)查初步報(bào)告也顯示當(dāng)時(shí)全湖磷酸根濃度主要在0.01～0.05 mg/L之間，但極大值可達(dá)0.28 mg/L[8]；而太湖在受到強(qiáng)烈人類活動(dòng)影響之前沒有呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化態(tài)勢(shì)和嚴(yán)重的藍(lán)藻水華，主要得益于大量的濕地與水生植被的發(fā)育[22]. 為了改善和優(yōu)化太湖草型生境，促進(jìn)太湖東南部湖區(qū)(貢湖灣、胥口灣、光福灣、東太湖等)草型生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，有效遏制生態(tài)系統(tǒng)退化趨勢(shì)，除了更嚴(yán)格的流域控源截污有效削減營(yíng)養(yǎng)鹽輸入之外，必須合理調(diào)配太湖水資源供應(yīng)方案，實(shí)施精細(xì)化的年內(nèi)水位變化管理，營(yíng)造有利于水生植被生長(zhǎng)和恢復(fù)的物理環(huán)境：特別是在春季水生植被生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，通過人為手段適當(dāng)降低水位(建議保持3.10 m以下)，以滿足水生植被萌發(fā)所需的水下光照條件；同時(shí)輔以消浪措施減少風(fēng)浪擾動(dòng)，進(jìn)而提高透明度，促進(jìn)水生植被自然生長(zhǎng). 同時(shí)，選擇水深較淺、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低、藻類水華侵入較少的東部湖灣開展水生植物恢復(fù). 通過持續(xù)地對(duì)太湖水位年內(nèi)變化進(jìn)行精細(xì)化管理和調(diào)控，在保障水資源供應(yīng)量的基礎(chǔ)上促進(jìn)生境改善和草型生態(tài)系統(tǒng)重建，輔以水生植被恢復(fù)工程建設(shè)，有效遏制底泥沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放和藍(lán)藻水華暴發(fā).

致謝：劉淼、孫曉和邵晉涵幫忙繪圖，太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站提供水溫、水位和透明度等長(zhǎng)期定位觀測(cè)數(shù)據(jù)，江蘇省水文水資源勘測(cè)局提供部分水位數(shù)據(jù)，在此一并表示感謝！