氣候變化與人類活動雙重驅動的冷水湖泊富營養化

呂笑天,呂永龍,*,宋 帥,王鐵宇

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

氣候變化與人類活動雙重驅動的冷水湖泊富營養化

呂笑天1,2,呂永龍1,2,*,宋 帥1,王鐵宇1

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

富營養化對水生生態系統造成的負面影響已在世界范圍內廣泛發生,尤其對淡水水源地湖泊的水環境質量影響深遠,進而引起當地居民的飲用水安全與健康隱患。在人類活動和氣候變化的雙重驅動下,富營養化輻射的范圍不斷擴大,從過去主要集中于溫帶大型淺水湖泊已經擴展到寒冷地區的冷水湖泊。分析了近年來世界范圍內高寒地區冷水湖泊富營養化的趨勢特征與研究進展,探討了氣候變化、人類干擾(農業活動、畜牧業生產、管理措施不當等)在不同地區冷水湖泊富營養化進程中的作用。在未來的研究中,應進一步加強對冷水湖泊富營養化機制的探討,并對已有富營養化癥狀的湖泊進行生態修復,以確保冷水湖泊生態系統健康并改善飲用水源地的環境質量。

冷水湖泊；富營養化；氣候變化；營養鹽

富營養化已經成為影響世界各地水資源環境的重大問題,對水體質量安全和水生生態系統健康有深刻影響[1-2]。湖泊富營養化問題是湖泊水體在自然環境因子和人類活動的雙重影響下,大量營養鹽輸入湖泊使水體逐步由生產力水平較低的貧營養狀態向生產力水平較高的富營養狀態變化的一種現象。隨著自然環境的變遷,湖泊經歷發生、發展、衰老直至消亡的必然過程,由湖泊形成初始階段的貧營養逐漸向富營養過渡,直至最后消亡。在自然條件下,湖泊的這種演變過程是極為緩慢的,但在人類活動的影響下,這種演化過程大大加快,人為的富營養化(Cultural Eutrophication)引起的環境問題日益嚴重[3-4]。近幾十年來,工業化、城市化的快速推進伴隨著污水排放量日益增大,湖泊水環境富營養化趨勢明顯,引起了世界范圍的關注。已有大量研究報道富營養化污染來源、發生機制、浮游藻類與營養鹽負荷相互作用與關系等,但研究多集中于低緯度、人口密集的溫暖流域,而隨著氣候變化作用的逐漸凸顯[5-8],富營養化影響區域不斷擴大,較高緯度地區或人類活動影響相對較少的高山冷水湖泊也開始逐步表現出富營養化的癥狀。本文將圍繞氣候變化和人類活動對冷水湖泊富營養化的驅動作用,對近年來寒冷地區冷水湖泊富營養化的特征與研究進展進行綜述。

1 冷水湖泊生態系統的脆弱性

冷水湖泊一般屬于高海拔的高山湖泊,或位于高緯度地區,由于氣候原因,導致全年水溫偏低[9]。這些湖泊大部分發育時間較長,地處偏遠,以前極少受到人類活動干擾,在世界很多地區是飲用水的發源地。通常這些地區的大氣層更為稀薄,溶解性有機碳濃度也較低,使得冷水湖泊常處于高紫外線暴露水平[10]。同時年均氣溫一般低于0℃,水溫大部分時間低于4℃,一年中有5—9個月的冰期[11]。紫外線和低溫條件的聯合作用使得這類湖泊生態系統的垂直結構與平原湖泊截然不同,嚴酷的自然條件對生物體的生存較為不利。

因為氣候較為寒冷,冷水湖泊的解凍期和適宜浮游植物生長期較短,營養鹽含量偏低,周圍陸生植物覆蓋較少,冷水湖泊生境更易因周邊環境的改變和污染而遭到破壞,成為環境變化的敏感區和指示器[10, 12-13]。有證據表明,高海拔地區氣候變暖的幅度有明顯的海拔依賴性,氣候變化在高山區域存在放大效應,氣候變暖在冰雪反照率反饋效應、水汽-云-輻射反饋效應、水汽與輻射通量反饋和氣溶膠等作用下,速率正在加快。而高海拔地區快速變暖會加劇山區生態環境、冰凍圈、水文循環和生物多樣性的變化,由此可能帶來一系列環境問題,造成冷水湖泊的萎縮退化,深刻改變冷水湖泊的生態系統結構特征與功能服務[14-16]。

冷水湖泊一般為靜水生態系統,水量的補給主要來自流域的冰川和積雪融水,以及降雨帶來的徑流,而水量的減少則是由于蒸發和滲流效應[17-18]。在冷水湖泊生態系統中,硅藻占據浮游藻類的優勢地位,湖泊細菌類群則以放線菌為主。經過全球變化背景下多環境過程的相互作用,藻類群落結構與冷水湖泊環境顯示出同步變化的特征,原有的優勢種群大多被星桿藻和巴豆葉脆桿藻等取代[19-22]。由于冷水湖泊會從大氣中吸收大量的營養鹽成分,因此對大氣沉降量及化學組成變化都非常敏感[23]。而人為活動已經顯著改變了大氣化學組成和關鍵營養元素的全球流動性[24]。同時,冷水湖泊對外界干擾尤其外來魚種引入的抵抗性較差[25]。有研究發現,亞洲高山湖泊生態系統在人類活動和全球氣候持續變暖的影響下,生態系統將進一步退化,可能會產生嚴重的富營養化問題,該區域淡水供應形勢將更為嚴峻[26]。但是目前全球針對冷水湖泊研究仍主要集中于有毒化學品在高海拔地區的“蒸餾效應”[12],對其富營養化進程的關注嚴重不足。水體富營養化問題在氣候變化和人類活動的雙重驅動下,向冷水湖泊地區的快速蔓延,已成為冷水湖泊生態系統研究的新熱點和新挑戰。

2 氣候變化對冷水湖泊富營養化的驅動作用

從統計學意義上看,氣候變化是指氣候平均狀態在較長的時間尺度上(以年或若干年為尺度)產生重要改變的氣候變動,而人類活動被認為是近百年來全球氣候變化的主要原因。工業革命以來,化石燃料大量燃燒、土地利用變化等人類活動加劇,大氣溫室氣體濃度大幅增加,擾動了全球的能量平衡從而引起全球氣候變暖[27-29]。目前研究已觀察到的氣候變化癥狀主要表現在3個方面：全球地表溫度升高、海平面上升及北半球積雪面積的下降[30]。

2.1 湖泊生態系統對全球氣候變化的響應

湖泊生態系統作為水生態系統的重要組成,為居民供水和經濟發展提供飲用水源,擔負和提供了多重生態系統服務功能。大量研究表明,湖泊生態系統對氣候變化敏感,湖泊與流域環境的變化密切相關,整個流域對氣候變化的響應都可由湖泊生態系統綜合反映,因而湖泊被看作氣候變化的信號指示器和累積調節器[31-38]。

氣候變化對湖泊生態系統的影響及湖泊對氣候變化響應的關鍵參數主要包括3個方面：湖泊的物理、化學及生物特性,這些響應參數能夠通過氣候變化對流域的作用而直接或間接地反映出氣候對湖泊的影響(表1)。

表1 湖泊生態系統參數對氣候變化的響應

(1) 物理特性參數包括表層及上層水溫的升高[48-49],水位的波動[50-52],冰期與間冰期的變化[53-54]：在很多湖泊已經觀察到溫水層的變暖趨勢,湖泊的表水層溫度被認為是大氣層變暖的良好指標,全球湖泊夏季表層水溫的年均增溫率為0.034℃[55],而下層滯水帶溫度的響應行為更為復雜,與湖泊的形態和季節因素等相關[56-57]。通過影響水柱的密度梯度、水溫垂直的非均勻變化會導致湖泊的垂直分層、熱穩定性和溫躍層深度的長期變化,而這種長期變化又將改變湖泊的混合和循環模式[58]；

(2)化學特性參數包括營養鹽濃度與比例、溶解性有機碳和溶解氧濃度[59-62]：湖泊的許多化學特性可以反映地表變化過程。氣候因素會影響到風化速率、降水、徑流、火災頻率、陸生植物初級生產力等,進而影響到陸源營養鹽的負荷,改變湖泊的營養鹽濃度和比例[63-66]。溶解性有機碳(DOC)濃度是湖泊多維響應的綜合結果,包括水體透明度、熱吸收、湖泊自身代謝、流域徑流的增加、永久凍土的消融、植被覆蓋和濕地的變化等,從而可以很好地反映陸地環境的變遷[59, 62, 67-68]。由于氧氣水平與氣溫和熱力學結構密切相關,湖泊的溶解氧濃度也能指示氣候的變遷[69]；

(3) 生物參數包括浮游動植物生長發育模式的改變與種類組成[70-73]、外來入侵種的優勢擴張等[74]：浮游生物已廣泛應用于生態系統變化的指示,由于它們能對微小的熱力學改變進行快速響應,可以通過物候學的改變反映氣候變化。對于魚類和橈足類等壽命較長的有機體來說,氣候變暖可以加速其發育過程[75-76]。增溫通常會加快個體生物的生長和發育速度[77],物種組成的變化也可在較長的地質時間尺度上指示氣候的改變,比如在較高溫度下,水華藻類——藍藻細菌較其他浮游植物種類更具競爭優勢[78]。

2.2 氣候變化與湖泊富營養化

對淡水湖泊系統來說,氣候變化正通過改變降雨模式、土壤升溫、冰川融化等增加營養鹽負荷的面源,從而驅動富營養化加速發展[79-80]。氣候變化作用的機理如圖1所示：

圖1 氣候變化對湖泊富營養化的驅動作用 (在[5]基礎上改進)Fig.1 Lake eutrophication driven by climate change (modified from Ref.[5])

(1)氣候變暖的直接作用：增暖效應會促進藍藻細菌更適應較高溫度環境的有害藻類生長,增加浮游植物的初級生產力,加快藻型湖泊形成；(2)氣候變暖的間接作用：由于雜食性魚類更偏愛溫暖水體,它們的快速繁殖會取代浮游動物成為優勢種群,從而減少了湖泊生態系統自身對藻類的控制能力,間接促進藻類的過度增殖；(3)降水模式轉變：改變湖泊營養物質的入湖通量及水體的水力停留時間,最終導致水體富養化的發生[5]。

為了評估湖泊生態系統對氣候變化和流域內環境因子變化所產生的響應,可以進行水質采樣測定、浮游植物群落現場調查和氣候數據分析,而由于湖泊長期監測數據的缺乏,時間序列的演化過程分析往往非常困難,古湖沼學發展了多種利用湖泊沉積物的多代用記錄來重現湖泊生態系統變化情況的方法[81]。同時,很多考慮氣候因子變化的研究湖泊富營養化的模型方法也在不斷探索和發展。如對氣候因子和湖泊環境因子進行相關分析的數理統計與分析模型、將氣候因子作為變量加入或進行耦合的生態動力學模型、模擬不同氣候情景下湖泊富營養化影響的系統生態學模型、浮游植物生態機理性模型、智能算法等[82]。

2.3 氣候變化對冷水湖泊富營養化的觸發作用

以往研究的富營養化水體多分布于溫帶地區,野外觀測結果也發現“水華”多在夏季溫度最高時發生。從生態位的角度看,不同的浮游藻類最適生長的溫度范圍不同,硅藻適應的溫度較廣,在 15—35℃之間均可生長良好,但以20—30℃時為最佳,綠藻為20—25℃,藍藻為20—30℃,夏季藍藻數量的增加可能是水溫升高的直接結果[8]。一般認為水溫在17℃以下時,不會大量發生水華,而當溫度上升到28℃左右時,由于其它藻類的生長受到抑制,藍藻很容易形成優勢種群而大量暴發[83]。如典型平原淡水淺水湖泊——太湖(30°55′—31°33′N,119°52′—120°36′E)微囊藻水華頻繁發生,水華爆發時水溫波動范圍25—30℃,室內實驗表明太湖微囊藻的最適生長溫度為30—35℃[84]。對于冷水湖泊來說,在營養鹽加富作用誘導下,也可能引起水體富營養化。冷水湖泊年均氣溫較低,夏季最高水溫約15—20℃,但是由于上文所述的氣候變暖在高海拔地區的放大效應,在過去20年間,冷水湖泊年均水溫已經上升了2℃,預計至2100年會上升7℃[85]。而溫度會直接影響植物的光合作用和呼吸作用,增溫會提高光能自養的生產者的光飽和效率,從而增加植物生長速率和生物量的累積[86]。因此,全球氣候變化,尤其是夏季水溫的上升將大大促進藻類的生長,從而觸發有害藻華和富營養化的發生發展進程。

內蒙古呼倫湖(48°31′—49°20′N,116°58′—117°48′E)是我國地理位置最北的大湖,由于水體中營養鹽濃度上升,自1980s以來呼倫湖開始出現富營養化的趨勢,2009年起夏季有藍藻水華爆發,水體中總氮TN和總磷TP濃度達3.346mg/L和0.435mg/L[87]。有研究認為呼倫湖位于呼倫貝爾草原,其營養物質主要來源于草場,近些年來氣候的暖干使入湖流量大大減少[87-88],入湖河流中TN和TP濃度也比1980s大幅增加,而水量的減少又使水體中氮磷濃度因濃縮效應急劇上升,最終引起銅綠微囊藻的過度增殖。此外,冰蓋效應、低出水量以及沉積物對營養鹽的釋放作用會進一步惡化水質狀況[89]。將呼倫湖藍藻爆發情況與太湖進行比較后發現,盡管呼倫湖營養鹽濃度高于太湖,其藍藻爆發強度和時長均低于太湖,可能與呼倫湖夏季氣溫較低有關。由于該流域人類活動的干擾較小,呼倫湖的富營養化狀況更多的受自然的氣候因素影響和控制[89-90]。新疆的博斯騰湖(41°46′—42°08′N,86°19′—87°28′E)位于天山山脈中段南麓,是中國最大的內陸淡水湖泊,也是干旱地區代表性湖泊。李紅等對博斯騰湖的浮游植物群落結構特征進行調查后發現,該湖泊全年浮游植物硅藻為主,在夏-秋季形成硅藻-綠藻型以富營養型的浮游藻類為優勢類群,年平均水溫16.14℃,最高水溫不超過26.5℃,適合喜低溫的硅藻生長繁殖,基于Canoco的多變量分析也表明環境變量共解釋了浮游植物群落總變異的 54.5%,水溫是影響浮游植物分布最重要的環境因子[91]。烏倫古湖(46°52′—47°28′N,87°00′—87°30′E)在新疆準格爾盆地北部,該湖區氣候寒冷干燥,降水稀少。劉宇等于2006年11月—2008年7月按季度對烏倫古湖浮游植物的群落結構組成及時空分布規律進行為期兩年的調查,得到的結果為湖泊種類組成以綠藻門和硅藻門為主,群落結構組成時空變化明顯,水溫、總磷、高錳酸鹽指數、透明度是影響浮游植物現存量時空變化的主要環境因子。其中,水溫對現存量的季節分布影響極為顯著,總磷對現存量的水平分布和垂直分布有極為顯著的影響,水質評價為中營養-富營養水平,處于輕度污染狀態。該研究認為烏倫古湖是內陸封閉型湖泊,水體換水周期長,本地年蒸發量是降水量的近16倍,而全球氣候變暖、降雨減少,烏倫古河及額爾齊斯河由于人為徑流調節,致使入湖淡水補給減少,因此導致烏倫古湖水位下降,鹽堿化進程加速。周圍農業開發,面源污染加劇,則加速了該湖向富營養化發展[92]。

在對氣候和外界干擾的響應中,湖泊的區域性自然地理等特征會影響水體狀況。Jeppesen等人認為,在北歐的溫帶地區(如丹麥),流域內極端氣候事件以及地表徑流的增加使得更多的營養負荷進入湖泊,然而這并不意味著水體中更高的年均營養鹽濃度,與此相反,進水中的營養鹽濃度可能由于水量增加的稀釋作用而降低。而在溫暖的南歐地區,降水稀發蒸發強烈,在未來會更加明顯,地中海地區的地表徑流預估會減少高達30%—40%,西班牙和土耳其可能是受害最深的地區。磷負荷會隨著徑流的減少而減少,但是濃度可能會由于水量的減少反而上升[29]。Sickman等人以Emerald湖(36°35′49″N,118°40′29″W,海拔2800m)作為美國加州內達華山脈地區高海拔小型湖泊的代表,對該區域的高山湖泊在1980—20世紀末營養狀態的變遷進行了評價。他們監測到整個區域湖泊水體中P含量都有明顯上升趨勢,因而排除了地域性P污染源(如城市和農村的地表徑流)的作用。Emerald湖的總磷濃度在1983—1999年中增長了1倍,有富營養化趨勢出現。在分析Emerald湖的磷來源時,用一級近似法對流域的磷源和磷匯通量做了評估,結果表明湖泊沉積物(3000 kg)和流域的土壤(2100 kg)是Emerald湖最大的磷儲存庫,大氣沉降作用和氣候變化作用引起的P在水體中的循環過程被認為是內達華山區高山湖泊磷負荷增加的主要來源[93]。Saros等人對洛基山脈中段位于美國黃石國家公園東北部的熊牙山脈高山湖泊(大部分海拔超過2500m)進行了調研,主要研究了Beartooth湖沉積物記錄的硅藻群落結構,發現截至1995年左右,該湖泊的硅藻群落表現出典型的高山湖泊特征—以小型脆桿藻屬為主,此后巴豆葉脆桿藻和廣源小環藻在總硅藻群落結構中的比例快速上升,對該區域其他3個湖泊進行對比研究后也有類似結果。在分析這種湖泊浮游植物群落結構變更的驅動力時,他們認為該區域在過去一個世紀中大型降水(主要以降雪的形式)發生率的增加,提高了該區域大氣氮沉降的速率,抬升了湖泊水體營養水平并改變了水體中營養元素的動態變化,而氣候變化導致的湖泊熱力分層特性改變也對群落結構產生了影響[94-95]。

全球氣候變化對冷水湖泊富營養化的驅動表現出區域性特征,在干旱半干旱地區,氣候的暖干效應大大減少了冷水湖泊的徑流補給,湖泊水量減少、水位下降,營養鹽富集和濃縮,在水溫上升的協同作用下觸發了富營養化的進程；而在相對濕潤地區,氣候條件的改變使降水頻率和強度大大增加,大氣沉降作用導致更多的氮磷營養鹽進入湖泊,水體營養負荷顯著增加,改變了湖泊的營養水平和浮游植物群落結構。

3 人類活動加速冷水湖泊的富營養化

冷水湖泊由于地理位置偏僻、地形地貌復雜、氣候寒冷等自身條件的特殊性,生物多樣性小,流域生態系統偏于單一、脆弱,環境承載力低,對人類干擾的緩沖和自凈能力較差,它們會更容易在流域人類活動的壓力下產生富營養化,而目前對冷水湖泊富營養化進程的研究與關注相對較少。

烏梁素海(40°36°—41°03′ N,108°43′—108°57′ E)是黃河改道形成的河跡淺水湖泊,它是全球范圍內干旱草原及荒漠地區極為少見的大型多功能湖泊,也是地球同一緯度最大的濕地。由于接收了大量農業灌溉排水及生活和工業污水烏梁素海自1990s起水體富營養化不斷加重,成為蘆葦和沉水植物大量生長的草型富營養化湖泊,水體流動性不斷下降,水體處于嚴重缺氧狀態。而植物腐敗后又構成二次污染,湖泊水質進一步惡化[96]。Yang等人分別運用水質參數法、修正卡森指數法和營養狀態綜合指數法對烏梁素海的富營養化狀況進行評價,分別得到的結果為中度富營養化、富營養化和輕度富營養狀態[97]。Bernd等人在博斯騰湖入湖開都河三角洲邊緣及湖體中分別采集了沉積物深鉆和淺鉆樣品,并用放射性碳定年法進行年代鑒定。研究發現,在所有的淺鉆短芯沉積物樣品的表層,磷酸鹽含量呈現急速增加的趨勢,可能主要與富含營養鹽的農業灌溉用水大量排入有關,而最頂層約13cm的沉積物由營養豐富的淤泥以及大量的綠藻和硅藻的殘骸。在過去的150年里博斯騰湖水質不斷趨于富營養化,這很可能是由化肥的大量使用引起[98]。Liu等人分別調查了新疆博斯騰湖和瑪納斯湖表層沉積物中8種甾醇類化合物含量與分布,研究表明,在所有的樣品中,糞甾醇的含量都顯著低于植物甾醇,β-谷甾醇是最主要的植物甾醇。高濃度的植物甾醇表明這兩個湖泊都有明顯富營養化趨勢。絕大部分人類排泄物的污染源來自鄰近居民聚集地和進水口的樣點,而只有少數沉積物沒有受到污染,說明了流域內人口密度和人類活動壓力的增加[99]。Liu等人運用沉積學、地球化學以及孢粉學數據,重建了烏倫古湖全新世以來的環境與氣候變遷歷程,以綠藻門盤星藻屬的豐度為指標,指示由于水土流失以及施用牛糞肥料和化學肥料的人類干擾所引起水體的營養水平升高。重建的古湖沼學結果表明,距今約560年左右開始,盤星藻豐度急劇上升,體現了該流域人類活動的強度大大增加引起營養鹽水平的增長[100]。

位于北阿坎德邦的庫蒙-喜馬拉雅山脈湖泊群,由于其自身獨特的自然條件,成為印度北部最主要的旅游勝地。近年來的水土流失、違章建筑施工、每年旅游旺季的汽車尾氣排放以及游輪的大量使用等,使得湖區水體發生富營養化和水質惡化[101-102]。湖區中Nainital湖海拔最高(1938m),并擁有較高人口密度,居民約50000人[103-104],湖泊四周為地勢不穩的陡坡所圍繞,易于發生塌方和滑坡,湖體富營養化情況較為嚴重。Nainital湖的富營養化問題自1980年開始就有研究報道,Pant等人于1977年9月—1978年8月對該湖進行野外調查,結果發現,該湖泊熱力分層特性屬于暖-單循環湖,表層水中可溶性磷酸鹽濃度范圍為0.0065—0.07mg/L,全年大部分時間都遠高于富營養化閾值(0.01mg/L),浮游植物群落中的優勢種也出現了如微囊藻、魚腥藻、衣藻等富營養化的指示種類。研究認為由于流域內旅游輸入和定居人口的不斷增加,生活污水大量排放使該湖富營養化進程大大加快[105]。Ali等人于1997年對Nainital湖進行季度性采樣后發現,湖水富含硝酸鹽(0.55—1.59mg/L)和氨氮(0.025—0.329mg/L),直接造成了浮游植物與大型水生植物的過度生長,水華的發生以銅綠微囊藻為主。相對自然輸入,生活和市政污水的排放可能是該湖泊的主要污染源,附近森林枯枝落葉層以及沉積物的輸入作用也不可忽視[103]。Gupta等人于2006年按月對Nainital湖進行水樣分層采集,得到水體月均水溫為9.7—18.96℃,表層水溫最高可達17.4℃；可溶性磷酸鹽含量為0.094—0.193mg/L,全年整個湖泊平均值為(0.130±0.0557)mg/L；水體年均透明度僅1.23m,顯示水體已經處于超富營養狀態,較低的透明度會阻礙水體對太陽光照的吸收,從而對區域小氣候產生負面影響。同時該研究認為Nainital湖水體的高pH、低N/P值會對藍藻水華的發生起到促進作用[106]。Choudhary等人于2004年12月在湖水最深處采集了兩個40—45cm長度的沉積柱,以沉積物中色素含量作為生物標志物分析,結果表明近年來浮游植物群落結構逐漸轉為以藍藻為優勢種類,而沉積物C/N為10—15,認為沉積物有機質主要來源為藻源性,流域的地表徑流并沒有增加水體的陸源性有機質[107]。然而,Purushothaman等人認為湖泊沉積物中Al2O3/K2O的高值水平表明流域有較為嚴重的水土流失發生,部分磷的來源是以地表徑流的方式從流域的磷灰石礦物進入了湖體中,最終使得湖水中總磷含量達到了中等-重度富營養化水平[101]。

溫尼伯湖(52°7′N,97°15′W),是加拿大重要冰川淡水湖泊。自20世紀90年代中期以來,異形藍藻水華爆發的規模增長了近一倍,研究認為藍藻水華是磷負荷和濃度增長的結果。影響P增加的因素主要包括兩方面：牧業生產和化肥的使用,以及溫尼伯市及附近流域人類活動的作用；另一方面為氣候變化的影響,近年來流域內春季洪水頻率和強度的增加,大大加強了磷從地表進入水體的遷移過程。從營養鹽來源看,流域畜牧業不斷發展,為了滿足作物生長對N的需求,大量動物糞肥被施用于作物,使得P過量,湖水P負荷大大增加,湖水N/P比低,浮游植物群落結構以固氮類的藍藻細菌為主。從氣候變化看,1995年以來流域降水增加,春季融雪降水季徑流大大增加,使水文學的負荷增加,從而導致營養鹽可獲得性增加的放大效應,成為溫尼伯湖的“雙重災難”[108]。Zhang等人于2002—2007年運用WASP模型對溫尼伯湖水質富營養化狀況進行評估,該模型包括氮磷的營養鹽循環過程和3個浮游植物功能組(非藍藻細菌,固氮類藍藻,非固氮類藍藻),模型對浮游植物群落結構的時空特征有很好的重現性。藍藻主要在夏季季末出現于北部流域,其中非固氮類藍藻比例有增加趨勢,而非藍藻細菌會在春季出現在南部流域。通過對多種營養鹽削減的情景分析,研究認為增加氮磷的負荷比(P削減>12%,N削減<7%)對提高溫尼伯湖水質較為有效[109]。

Bennion等人運用古湖沼學技術,對英國的106個湖泊(50°—58°N)沉積物記錄進行分析后發現,富營養化已經影響了區域內所有不同類型湖泊,>50%的湖泊的群落結構發生了明顯改變[112]。外來物種的入侵會改變湖泊生態系統結構,可能會引起有害藻類的過度增殖,而Winfield對英國主要的4大淡水湖泊(羅蒙湖56°7′ N；內伊湖54°37′N；巴拉湖52°53′N；溫德米爾湖54°21′N)外來魚種生物入侵情況進行了研究,認為入侵的鯉魚科適于更富營養化、更溫暖的環境生活,而研究流域內營養鹽的不斷加富以及氣候變暖使得水溫上升,反過來又大大加速了入侵種不斷增殖,最終成為優勢種群的進程[113]。

綜上所述,人類活動的驅動作用主要包括：(1) 冷水湖泊流域人口壓力增大帶來了大量生活和市政污水的排放；(2) 在人口日趨密集的背景下,流域農業和畜牧業活動強度大大增加,肥料的使用和水土流失成為冷水湖泊營養鹽負荷的主要外源；(3) 社會經濟效益驅動下的水利工程建設、旅游開發、經濟魚類的引入等使流域水生態環境不斷惡化,加速了湖泊富營養化。

4 結論和展望

湖泊是淡水生態系統的重要單元,作為飲用水源地的載體,湖泊富營養化在全球范圍內的發生發展,正深刻影響流域的人口資源配置、生態安全格局與社會經濟發展。冷水湖泊有其自身獨特的自然條件和營養發育特征,在氣候變化和人類干擾不斷加劇的大背景下,目前世界各地已有許多冷水湖泊相繼表現出富營養化癥狀和趨勢。由于冷水湖泊生態系統的敏感性和脆弱性,在氣候變化和人類活動的雙重驅動下,其富營養化進程正不斷加速。溫度上升促進了有害藻類的過度增殖,降水模式的改變影響了營養鹽的外源性負荷,與此同時,人口壓力增加、人類活動干擾強度觸發了冷水湖泊富營養化發生發展的級聯效應,冷水湖泊流域也因此進入水質惡化的惡性循環。

氣候變化因素和外源性營養負荷的增加,對湖泊水動力學、熱力學分層、生態系統結構等影響深遠。未來的研究方向應加強對在氣候變化和人類活動雙重驅動力作用下冷水湖泊富營養化機制的研究；關注冷水湖泊富營養化的演化規律及浮游植物的生態響應,預測和調控冷水湖泊營養狀態的變遷過程,控制冷水湖泊富營養化惡化的態勢,保護高山和寒冷地區生態系統的完整性和棲息地的生物多樣性；研究富營養化湖泊的生態修復對策與措施,為冷水湖泊流域管理政策的制定實施提供科學支持。

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Eutrophicationincold-waterlakesdrivenbycombinedeffectsofclimatechangeandhumanactivities

Lü Xiaotian1,2, Lü Yonglong1,2,*, SONG Shuai1, WANG Tieyu1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Eutrophication has become one of the most serious threats to aquatic ecosystems in the world, especially to water quality of lakes as drinking water sources, and further posed negative effects on the health of local residents. With the combined drivers of climate change and human activities, eutrophication has expanded from shallow lakes in temperature zone to water lakes in cold areas (named as cold-water lakes). Trends, characteristics and research advances in eutrophication of cold-water lakes throughout the world were summarized. Besides, influences of climate change and human activities, including agricultural activities, livestock farming and misguided policies, on eutrophication processes of cold-water were also analyzed. In the future research, eutrophication mechanism of cold-water lakes should be further explored and ecological restoration is desiderated to ensure the ecosystem health of the cold-water lakes and improve the quality of drinking water.

cold-water lakes; eutrophication; climate change; nutrients

國家重點研發計劃項目(2017YFC0505704)；國家自然科學基金重點國際合作項目(41420104004)

2017- 04- 11;

2017- 08- 31

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yllu@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201704110632

呂笑天,呂永龍,宋帥,王鐵宇.氣候變化與人類活動雙重驅動的冷水湖泊富營養化.生態學報,2017,37(22):7375- 7386.

Lü X T, Lü Y L, Song S, Wang T Y.Eutrophication in cold-water lakes driven by combined effects of climate change and human activities.Acta Ecologica Sinica,2017,37(22):7375- 7386.