2010—2021年巢湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因素分析

高 芮,陳希子,錢 圓,錢 華

(安徽省巢湖管理局湖泊生態(tài)環(huán)境研究院,安徽合肥 238000)

藍(lán)藻是淡水湖泊中較常見的浮游植物種類,在適宜的氣象條件和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度下,就會(huì)暴發(fā)性地生長(zhǎng),形成藍(lán)藻水華[1]。藍(lán)藻水華導(dǎo)致水質(zhì)惡化,繼而破壞湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),引起水生態(tài)系統(tǒng)功能退化,造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)或直接的環(huán)境污染[2-3]。因此,掌握巢湖藍(lán)藻水華的動(dòng)態(tài)變化特征,對(duì)控制水華及建立預(yù)警機(jī)制、評(píng)價(jià)藍(lán)藻生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、研究藍(lán)藻水華暴發(fā)的原因非常重要。巢湖藍(lán)藻水華歷史悠久,可以追溯到19世紀(jì)末。據(jù)生長(zhǎng)在巢湖周邊群眾反映,當(dāng)?shù)厝搜爻埠粠磕険迫?shù)百萬(wàn)擔(dān)藍(lán)藻作為農(nóng)田肥料,稱之為“巢湖之寶,禾苗之父”[4]。隨著湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽的累積,巢湖藍(lán)藻水華自20世紀(jì)80年代逐漸加劇,至20世紀(jì)90年代初期,進(jìn)入到藍(lán)藻水華歷史上的高峰期;自2005年,大規(guī)模水華發(fā)生的頻度由原先集中在6月,發(fā)展至目前1—11月均有發(fā)生;從暴發(fā)范圍上,從原先主要集中于西半湖,發(fā)展至目前擴(kuò)延到東半湖龜山一帶的全湖性水華暴發(fā)[5]。藍(lán)藻水華的發(fā)生使得巢湖的生態(tài)服務(wù)功能和價(jià)值減弱,制約了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,因此有必要開展巢湖藍(lán)藻水華近年來(lái)的動(dòng)態(tài)變化特征研究。

藍(lán)藻水華暴發(fā)是湖泊受物理、化學(xué)、生物等因素綜合影響的結(jié)果。一方面為內(nèi)在因素,如較高的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)是藍(lán)藻水華發(fā)生的根本原因,包括藻類生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、藻類自身的生理結(jié)構(gòu)[6]。另外一方面為外在因素,如在營(yíng)養(yǎng)鹽充足的情況下,環(huán)境因素對(duì)藍(lán)藻水華的暴發(fā)和擴(kuò)散起到重要作用[6-8],如風(fēng)速、溫度、降水等氣象條件對(duì)藍(lán)藻水華暴發(fā)有不容忽視的影響[9-10]。因此,有必要開展巢湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的驅(qū)動(dòng)力因素研究,可結(jié)合風(fēng)力、降雨、溫度等環(huán)境條件,來(lái)提前預(yù)測(cè)巢湖藍(lán)藻水華暴發(fā)現(xiàn)象,便于采取相關(guān)對(duì)策。該研究對(duì)2010—2022年巢湖藍(lán)藻水華的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析,并進(jìn)一步探究巢湖藍(lán)藻水華暴發(fā)與氣象因素間的響應(yīng)關(guān)系,為巢湖藍(lán)藻水華的預(yù)測(cè)預(yù)警及控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源為保證長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)分析的科學(xué)性和代表性,藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用2010—2021年安徽省巢湖管理局環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站對(duì)巢湖湖區(qū)的藍(lán)藻應(yīng)急監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),如藻密度均值、葉綠素a濃度均值、pH、DO、CODMn、氨氮、總磷、總氮;采用生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心《巢湖水華遙感監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)》數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)2010—2021年巢湖藍(lán)藻水華暴發(fā)頻次、累積面積;累積氣溫、日降雨量及日照時(shí)數(shù)等氣象數(shù)據(jù)采用巢湖湖區(qū)航標(biāo)氣象站自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);水文數(shù)據(jù)水位采用巢湖中廟水文站自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。所有自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)人工清洗后使用。

1.2 分析方法采用 Origin 2023軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析及作圖;使用SPSS軟件進(jìn)行藻類指標(biāo)與營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)的Person相關(guān)性分析;使用Excel進(jìn)行Chla與TN的相關(guān)性作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 2010—2021年藻類密度、葉綠色a濃度的年際、月度變化特征圖1(a)顯示,2010—2021年巢湖藻密度均值在277～1 049萬(wàn)個(gè)/L,最大值出現(xiàn)在2015年,最小值出現(xiàn)在2021年。從總體趨勢(shì)來(lái)看,巢湖藍(lán)藻水華程度呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì),峰值出現(xiàn)在2015年;2017—2021年巢湖藻密度穩(wěn)中有降,水華程度有所好轉(zhuǎn)。

圖1 2010—2021年巢湖藍(lán)藻水華藻密度年際變化(a)與藻類密度、葉綠素a年際月均變化(b)Fig.1 Interannual variation of algal density in cyanobacteria bloom (a) and interannual and monthly changes in algal density and chlorophyll a (b) in Chaohu Lake from 2010 to 2021

圖1(b)統(tǒng)計(jì)2010—2021年巢湖藍(lán)藻應(yīng)急監(jiān)測(cè)期間各月的藻密度及葉綠素a均值可以發(fā)現(xiàn),藻密度和葉綠素均呈先上升后下降的變化過(guò)程,其中葉綠素在6月份相對(duì)較高,藻密度在8月份相對(duì)較高。根據(jù)藍(lán)藻生長(zhǎng)階段理論,4月、5月是藍(lán)藻開始復(fù)蘇生長(zhǎng)的季節(jié),4—8月藻類生物量不斷累積,至8月份藻類生物量達(dá)到極值,9月開始藻類進(jìn)入消亡期,藻類生物量逐漸降低[5,11],可知該研究結(jié)果是符合藍(lán)藻生長(zhǎng)階段理論的。

2.2 2010—2021年巢湖水華暴發(fā)頻次、累積面積變化特征由生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心的水華遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,巢湖藍(lán)藻水華出現(xiàn)的次數(shù)與累積面積呈較大幅度波動(dòng),其中2011、2021年出現(xiàn)的次數(shù)較少,2011、2013年累積面積較小[12]。

自2010年以來(lái),巢湖藍(lán)藻水華發(fā)生的最大面積呈逐漸增加趨勢(shì)。2018年發(fā)生近10年來(lái)最大面積水華,水華發(fā)生面積達(dá)到434 km2,其次是2015年,最大水華發(fā)生面積為322 km2(圖2)。

圖2 2010—2021年巢湖藍(lán)藻水華年際累積暴發(fā)面積、次數(shù)(a)與最大、平均暴發(fā)面積線性擬合(b)Fig.2 Interannual changes in area and frequency of accumulated outbreak of cyanobacteria blooms (a)and linear fitting of maximum and average outbreak areas (b) in Chaohu Lake from 2010 to 2021

從2010—2021年的藍(lán)藻水華規(guī)模統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,2018年是藍(lán)藻水華最嚴(yán)重的年份,藍(lán)藻水華暴發(fā)次數(shù)、最大暴發(fā)面積、累積暴發(fā)面積、平均暴發(fā)面積均出現(xiàn)在該年;2011年是藍(lán)藻水華情況較好的年份,其中水華暴發(fā)次數(shù)、累積暴發(fā)面積均最小,最大暴發(fā)面積和平均暴發(fā)面積相對(duì)較小?？傮w來(lái)看,巢湖水華發(fā)生規(guī)模呈上升趨勢(shì),分階段來(lái)看,2018年是巢湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的拐點(diǎn),近年來(lái)總體規(guī)模呈下降趨勢(shì),但暴發(fā)頻次未見減少[13]。

2.3 巢湖藍(lán)藻水華驅(qū)動(dòng)因素分析

2.3.1營(yíng)養(yǎng)鹽。從2010—2021年葉綠素a與各營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)的多年月均變化情況分析可知(圖3),氨氮和總氮從5月份開始呈下降趨勢(shì),10月份開始呈上升趨勢(shì),與葉綠素變化趨勢(shì)相反,藻類的生長(zhǎng)需要吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì),形成一種生物富集效應(yīng)[11],因而除了隨氣溫升高,水體生物脫氮和水體反硝化脫氮能力增強(qiáng)外,藻類的生長(zhǎng)同樣會(huì)影響水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的含量,藻類生長(zhǎng)導(dǎo)致水體中含氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降低[12]。與水體中總氮及氨氮含量變化趨勢(shì)不同,高錳酸鹽指數(shù)和總磷從5月份開始呈上升趨勢(shì),10月份開始呈下降趨勢(shì),與葉綠素變化趨勢(shì)相同[14]。巢湖為淺水湖泊,水體隨風(fēng)浪影響擾動(dòng)大,理化條件的改變會(huì)很容易傳導(dǎo)至巢湖底質(zhì)上覆水[13]。由于上覆水pH升高以及水體中總磷的生物富集,使得水體對(duì)底泥中的磷存在一種“泵吸作用”,即底泥中磷的釋放,導(dǎo)致水體總磷濃度上升[15]。

圖3 巢湖營(yíng)養(yǎng)鹽月均變化Fig.3 Monthly average changes in nutrients salts in Chaohu Lake

表1～3分別采用2008年至2021年6月巢湖東西半湖及全湖的區(qū)域均值、各點(diǎn)位單次監(jiān)測(cè)值、水溫25 ℃以上的單次監(jiān)測(cè)值,用Person相關(guān)性分析方法,來(lái)判別藻類生長(zhǎng)與各環(huán)境因子之間的相互關(guān)系。分析表明,水體中pH、DO與葉綠素a和藻密度呈顯著正相關(guān),說(shuō)明藻類生長(zhǎng)過(guò)程中藻類光合作用有利于水體中溶解氧的恢復(fù),pH也隨之上升[14]。葉綠素a與水體中CODMn、藻密度呈顯著相關(guān)性,說(shuō)明水體中CODMn主要來(lái)源于藻類生長(zhǎng)產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)。

表1 巢湖藻類指標(biāo)與營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)區(qū)域均值矩陣

表2 巢湖藻類指標(biāo)與營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)單次監(jiān)測(cè)結(jié)果矩陣

表3 巢湖藻類指標(biāo)與營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)單次監(jiān)測(cè)結(jié)果矩陣(水溫>25 ℃)

進(jìn)一步篩選數(shù)據(jù),選取水溫>25 ℃、藻密度>200萬(wàn)個(gè)/L時(shí)各指標(biāo)監(jiān)測(cè)值,取對(duì)數(shù)分析,結(jié)果見圖4。ln(Chla)與ln(TN)、ln(TP)的正相關(guān)性表明了氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽是誘發(fā)藻類增殖的主要原因。

圖4 ln(Chla)與ln(TN)、ln(TP)的相關(guān)性Fig.4 Positive correlation between ln (Chla),ln (TN) and ln (TP)

2.3.2氣象因素。對(duì)巢湖氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)2010—2021年水華發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的氣溫往往高于13 ℃。將氣溫超過(guò)13 ℃日均氣溫累加,作為適于巢湖藍(lán)藻水華發(fā)生的活動(dòng)積溫,可以看出巢湖年累積氣溫和高于13 ℃氣溫的年出現(xiàn)天數(shù)均呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖5),這與前文分析的藍(lán)藻水華規(guī)?？傮w趨勢(shì)一致,表明巢湖藍(lán)藻水華發(fā)生面積增大可能受全球氣候變暖的影響[16]。

圖5 2010—2021年巢湖站高于13 ℃的累積氣溫及高于13 ℃出現(xiàn)天數(shù)Fig.5 The cumulative temperature above 13 ℃ and the number of days above 13 ℃ in Chaohu Station from 2010 to 2021

將2010年以來(lái)巢湖每年最大面積水華發(fā)生時(shí)間的前半個(gè)月的日降雨量及日照時(shí)數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),最大面積水華發(fā)生前半個(gè)月基本均有集中降雨或暴雨事件(圖6),推測(cè)可能是集中降雨造成的污染物集中入湖導(dǎo)致藻類的大量繁殖從而形成水華;另外還存在大面積水華發(fā)生前半個(gè)月無(wú)集中降雨或暴雨情況,但由圖6可知,該種情況下水華發(fā)生前半個(gè)月基本都對(duì)應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的日照,適宜的光照條件加上適宜的溫度也非常有利于藍(lán)藻水華的形成[17]。

2.3.3水文。除氣象、水質(zhì)因素外,影響藍(lán)藻水華發(fā)生強(qiáng)度及空間分布的還包括水位過(guò)程、湖泊換水周期等[18]。2010—2021年,巢湖最高水位為13.43 m,發(fā)生在2020年7月22日,最低水位為8.13 m,發(fā)生在2017年2月21日,二者相差5.30 m,水位變幅較大(圖7)。對(duì)比歷年藍(lán)藻水華面積可以發(fā)現(xiàn),每年水位峰值過(guò)后,都會(huì)出現(xiàn)較為密集的藍(lán)藻水華現(xiàn)象。這主要是因?yàn)樗环逯狄话愠霈F(xiàn)在汛期,持續(xù)降雨導(dǎo)致大量外源污染物匯入,加之持續(xù)高溫,在靜風(fēng)條件下藍(lán)藻水華極易暴發(fā)[19]。

圖7 巢湖水位變化情況Fig.7 Variation of water level in the upper reaches of Chaohu Sluice

3 結(jié)論與展望

(1)2010—2018年,巢湖藍(lán)藻水華發(fā)生規(guī)?？傮w呈上升趨勢(shì)。但是,2018年是巢湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的拐點(diǎn),2018年巢湖水華發(fā)生面積達(dá)到434 km2,此后水華面積下降。2017—2021年巢湖藻密度穩(wěn)中有降,水華面積呈下降趨勢(shì),但水華暴發(fā)頻次未見減少。巢湖藍(lán)藻在每年4—9月增殖較快。

(2)Person分析表明葉綠素a、藻密度與巢湖高錳酸鹽指數(shù)、總磷、氨氮、總氮濃度顯著相關(guān)。在水溫>25 ℃、藻密度>200萬(wàn)個(gè)/L條件下,2010—2021年Chl a濃度對(duì)數(shù)值與TN、TP濃度對(duì)數(shù)值呈正相關(guān)性,表明氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽是誘發(fā)巢湖藻類增殖的主要原因。

(3)2010—2021年巢湖水華發(fā)生時(shí),大氣氣溫在13 ℃以上。巢湖年累積氣溫、氣溫高于13 ℃的年天數(shù)、水華發(fā)生前半個(gè)月的降雨量、年日照時(shí)數(shù)、水位變化趨勢(shì)與巢湖藍(lán)藻水華面積動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致,表明氣溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)、水位均與巢湖藍(lán)藻水華暴發(fā)有關(guān)。

結(jié)合巢湖水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,溫度、降雨、水位等條件,可提前對(duì)巢湖局部水體區(qū)域的水華暴發(fā)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),便于巢湖環(huán)境管理部門采取相關(guān)對(duì)策與應(yīng)急措施,減輕水華危害,這對(duì)巢湖水污染防治及周邊生態(tài)平衡保護(hù)具有積極作用。