氣候變化對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響研究

摘要：氣候變化是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因子，長(zhǎng)期環(huán)境監(jiān)測(cè)能夠揭示氣候變化與湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)聯(lián)性。以米易縣晃橋水庫為例，結(jié)合長(zhǎng)期環(huán)境監(jiān)測(cè)，運(yùn)用卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)估湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀況，并分析氣候變化對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響。研究表明，氣候變化會(huì)導(dǎo)致湖泊水溫上升，進(jìn)而影響湖泊中生物的生存環(huán)境及其多樣性，并威脅湖泊水質(zhì)和生態(tài)平衡。

關(guān)鍵詞：氣候變化；湖泊生態(tài)系統(tǒng)；影響；長(zhǎng)期環(huán)境監(jiān)測(cè)；卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；晃橋水庫；米易縣

中圖分類號(hào)：X820.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）08-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.035

Research on the Impact of Climate Change on Lake Ecosystems

—Based on long-term environmental monitoring

CHEN Huawen

（Panzhihua Miyi Ecological Environment Monitoring Station， Panzhihua 617200， China）

Abstract： Climate change is an important influencing factor of lake ecosystems， and long-term environmental monitoring can reveal the correlation between climate change and the health of lake ecosystems. Taking the Huangqiao Reservoir in Miyi county as an example， combined with long-term environmental monitoring， the Carlson trophic state index is used to evaluate the nutritional status of the lake and analyze the impact of climate change on the lake ecosystem. Research has shown that climate change can lead to an increase in lake water temperature， which in turn affects the living environment and diversity of organisms in lakes， and threatens lake water quality and ecological balance.

Keywords： climate change; lake ecosystem; influence; long-term environmental monitoring; Carlson trophic state index; Huangqiao Reservoir; Miyi county

湖泊是地球上重要的淡水資源，其生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)直接影響生物多樣性、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)以及人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。近年來，氣候變化對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響日益顯著，引起全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注。長(zhǎng)期環(huán)境監(jiān)測(cè)是理解這些復(fù)雜相互作用的關(guān)鍵，它能夠揭示氣候變化與湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)聯(lián)性。隨著全球平均溫度的升高，冰蓋融化、降水模式的改變和極端天氣事件的增加等因素都可能直接或間接地影響湖泊水溫、水質(zhì)和生物群落結(jié)構(gòu)。例如，水溫的上升可能導(dǎo)致湖泊中溶解氧濃度下降，進(jìn)而影響水生生物的存活?？柹瓲I(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)是一個(gè)廣泛用于評(píng)估湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水平的指標(biāo)[4]，其結(jié)合水體的透明度（Secchi Depth，SD）、總磷（Total Phosphorus，TP）、總氮（Total Nitrgen，TN）和高錳酸鹽指數(shù)（Chemical Oxygen Demand，CODMn）等參數(shù)，為研究者提供一個(gè)量化湖泊營(yíng)養(yǎng)狀況的工具。以四川省米易縣晃橋水庫為例，采用卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)作為主要方法，分析長(zhǎng)期環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探究氣候變化對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響。

1 研究區(qū)概況

晃橋水庫位于四川省米易縣境內(nèi)，地處安寧河下游右岸一級(jí)支流草場(chǎng)河中段涼水井峽谷[5]，距米易縣城16 km，是以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有城鎮(zhèn)供水的中型水利工程。晃橋水庫是四川省安寧河農(nóng)業(yè)開發(fā)項(xiàng)目及四川省攀西資源開發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目，其主體工程有黏土心墻堆石壩、溢洪道、放空隧洞和引水隧洞等。黏土心墻堆石壩壩頂高程為1 563.3 m，最大壩高為69.2 m，庫容為1 894萬m3，壩頂寬為8 m，長(zhǎng)為319.04 m，壩底最大寬度為267 m。

近年來，隨著全球平均溫度的上升，晃橋水庫的氣候正經(jīng)歷顯著變動(dòng)。該區(qū)域面臨平均氣溫上升、不規(guī)則的降水模式以及冬季縮短等現(xiàn)象。這些變化對(duì)晃橋水庫的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隨著氣溫升高，水體的溫度也相應(yīng)增加，從而改變水生生物的代謝速率、繁殖周期和種群動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步影響食物鏈和能量流動(dòng)。此外，氣候變化可能有懸浮物和營(yíng)養(yǎng)鹽輸入水庫的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而可能引起藻類繁殖加速和水體富營(yíng)養(yǎng)化。這些因素都可能對(duì)晃橋水庫的水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，并威脅其生物多樣性。

2 研究方法

對(duì)晃橋水庫生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以評(píng)估氣候變化對(duì)湖泊的影響。卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)是通過多個(gè)水質(zhì)參數(shù)來估算湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水平，主要參數(shù)包括總磷、總氮、CODMn和透明度等。這些參數(shù)反映湖泊生產(chǎn)力和藻類生長(zhǎng)的潛在能力，是評(píng)價(jià)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀況的重要因子。采用修正的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（T）來評(píng)價(jià)研究區(qū)的營(yíng)養(yǎng)化類型[6-8]，修正的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)能對(duì)水體的富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理進(jìn)行定量研究[9]，因此得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)修正的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，可以對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)。若0≤T＜30，則湖泊處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；若30≤T＜50，則湖泊處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；若50≤T＜60，則湖泊處于輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；若60≤T＜70，則湖泊處于中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；若70≤T≤100，則湖泊處于重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。該指數(shù)越高，湖泊營(yíng)養(yǎng)程度越重。針對(duì)各單項(xiàng)指標(biāo)，分別根據(jù)式（1）至式（4）計(jì)算其修正的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，然后根據(jù)式（5）計(jì)算綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

式中：T1為透明度的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；S為透明度，m；T2為總磷的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；P為總磷濃度，mg/L；T3為總氮的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；N為總氮濃度，mg/L；T4為CODMn的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；C為CODMn濃度，mg/L；Ttotal為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重，j=1，2，…，m；Tj為第j種參數(shù)的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

權(quán)重設(shè)置的基本步驟是根據(jù)若干因素對(duì)同一目標(biāo)的影響程度確定它們?cè)谀繕?biāo)中所占的比例，在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，應(yīng)用此方法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重是合適與可行的。對(duì)于修正的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，各單項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)重要性排序?yàn)椋和该鞫龋究偭祝究偟綜ODMn。經(jīng)計(jì)算，4個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重依次為0.470、0.253、0.147和0.081。

2021—2023年，在不同季節(jié)對(duì)晃橋水庫的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不僅包括卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)參數(shù)，還有水溫、溶解氧和糞大腸菌群等。采樣工作遵循標(biāo)準(zhǔn)化的水樣采集程序，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)理化指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定?？偭装础端|(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》（GB/T 11893—1989）測(cè)定，硝酸鹽氮按《水質(zhì) 無機(jī)陰離子（F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、PO43-、SO32-、SO42-）的測(cè)定 離子色譜法》（HJ 84—2016）測(cè)定，氨氮按《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009）測(cè)定，糞大腸菌群按《水質(zhì) 糞大腸菌群的測(cè)定 多管發(fā)酵法》（HJ 347.2—2018）測(cè)定，總氮按《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）測(cè)定，CODMn按《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定》（GB/T 11892—1989）測(cè)定。水溫采用溫度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，透明度采用塞氏盤現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

2021—2023年，不同季節(jié)晃橋水庫的水體理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表1所示，歷年水體理化指標(biāo)平均值如表2所示。下面結(jié)合各單項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果，計(jì)算晃橋水庫2021—2023年修正的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

應(yīng)用卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對(duì)2021—2023年晃橋水庫水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，各單項(xiàng)指標(biāo)的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化如圖1所示。2021年，透明度、總磷、總氮和CODMn的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別為43.84、155.60、73.54和50.48。2022年，透明度、總磷、總氮和CODMn的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別為46.01、152.80、73.98和50.63。2023年，透明度、總磷、總氮和CODMn的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別為49.02、152.80、75.61和51.52。

2021—2023年，晃橋水庫的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化如圖2所示。數(shù)據(jù)顯示，2021—2023年，晃橋水庫的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別為74.87、75.25和76.99。

晃橋水庫處于重度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)呈持續(xù)上升趨勢(shì)。

2021—2023年，晃橋水庫水體各項(xiàng)理化指標(biāo)平均值的變化如圖3所示。數(shù)據(jù)顯示，2021—2023年，晃橋水庫的水體透明度持續(xù)降低，而總磷濃度、總氮濃度、CODMn濃度、硫酸鹽濃度和硝酸鹽濃度逐步上升。隨著全球變暖，水體溫度也逐步上升。氣溫升高會(huì)對(duì)湖泊的總磷濃度、總氮濃度、硝酸鹽濃度、硫酸鹽濃度、透明度和CODMn濃度產(chǎn)生多方面的影響。首先，總氮和總磷濃度持續(xù)上升，原因可能是氣溫升高導(dǎo)致湖泊中微生物活動(dòng)增加，這可能會(huì)加速有機(jī)物質(zhì)的分解，從而釋放更多的磷和氮進(jìn)入水體。氮磷比升高，這種變化可能會(huì)導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華。其次，氣溫升高可能會(huì)改變湖泊水體分層現(xiàn)象，影響硝酸鹽和硫酸鹽在水體中的分布。例如，湖泊混合層的活躍狀態(tài)可能會(huì)影響硝酸鹽的吸收和硫酸鹽的循環(huán)。除此之外，氣溫升高可能會(huì)導(dǎo)致湖泊中藻類和其他懸浮物的增多，從而降低水體的透明度。這與湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度有關(guān)，通常，富營(yíng)養(yǎng)化程度越高，水體透明度越低。最后，CODMn通常用來表示水中有機(jī)物和部分無機(jī)物的氧化程度。氣溫升高可能會(huì)促進(jìn)湖泊中有機(jī)物的氧化，從而影響CODMn濃度。因此，氣溫升高可能會(huì)通過促進(jìn)微生物活動(dòng)、改變水體分層和混合狀態(tài)、干擾營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放和循環(huán)等途徑，影響湖泊的總磷濃度、總氮濃度、硝酸鹽濃度、硫酸鹽濃度、透明度和CODMn濃度。這些變化可能會(huì)進(jìn)一步影響湖泊的生態(tài)平衡和水質(zhì)狀況。

4 結(jié)論

結(jié)合晃橋水庫的長(zhǎng)期環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用改進(jìn)的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)估湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，并分析氣候變化對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，水體溫度趨于上升，進(jìn)而影響湖泊中生物的生存環(huán)境。這不僅會(huì)影響水生生物的棲息地，還可能影響周邊社區(qū)的水資源供應(yīng)。這些因素都可能對(duì)晃橋水庫的水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，并威脅其生物多樣性。氣候變化對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響是復(fù)雜且深遠(yuǎn)的。要繼續(xù)進(jìn)行長(zhǎng)期環(huán)境監(jiān)測(cè)與研究，以更好地認(rèn)識(shí)這些影響，并采取有效的措施來保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)。

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