南京地理所揭示风速下降对浅水湖泊富营养化的影响

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气候变化是影响湖泊生态系统的另有另一个重要因素。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是因为 降水的改变,往往忽略了或多或少因素,相似风速的变化。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另有另一个重要型态。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-泥界面等挥发掉氧含量,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怎么能不能响应风速的长期变化。

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,通不足频原位观测、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具体情况的影响。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(图1),主要表现为中高风速(>3 m/s)出現频次显著下降。同時 ,每月日平均风速<3 m/s的最大持续天数显著上升。是因为 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,有时候太湖地区中高风速的下降将促进增加太湖水柱的稳定性。

太湖历史观测资料显示水柱中挥发掉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(图2)。型态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(尤其是挥发掉性营养盐浓度),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(图3)。

太湖属于大型浅水湖泊,通常认为水柱常年趋于稳定混合具体情况。但根据高频观测资料显示,太湖水柱在低风速期是因为 出現短暂的分层难题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(图4)。随着风速下降,太湖梅梁湾底部夏季挥发掉氧日最低值1007-2016年间呈现显著下降趋势(图5)。

基于上述分析结果时需推论:太湖地区风速下降是因为 增加水体稳定性,是因为 湖泊底部缺氧厌氧的概率增加,从而促进底泥包含机营养盐降解矿化并向水柱中释放,增加水柱中挥发掉性营养盐的比例。上述推论在室内模拟实验中得到验证。

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。同時 时需研究表明,风浪扰动引起悬浮的营养盐型态主要以颗粒态为主,而能被藻类直接利用的挥发掉态含量变化不大,有时候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,更促进浅水湖泊中底泥挥发掉性营养盐的释放,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)。

图1 太湖1997-2017年逐月平均风速变化趋势

图2 太湖1997-2017年间营养盐浓度与风速的关系

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

图4 太湖梅梁湾底部挥发掉氧浓度日最低值与风速的关系

图5 1007-2016年间太湖梅梁湾底部挥发掉氧逐月变化趋势