太湖藍(lán)藻的影響因素范文

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《湖泊科學(xué)雜志》2016年第4期

摘要:

利用20052014年每日的衛(wèi)星數(shù)據(jù)、氣象站和浮標(biāo)站觀測資料研究復(fù)蘇期和休眠期的平均氣溫、穩(wěn)定通過界限溫度初終日、周有效積溫與太湖藍(lán)藻休眠和復(fù)蘇時(shí)間的關(guān)系，探討氣溫是否是影響藍(lán)藻休眠和復(fù)蘇時(shí)間進(jìn)程的關(guān)鍵因子．分析結(jié)果顯示:太湖藍(lán)藻復(fù)蘇早晚與春季(35月)氣溫密切相關(guān)，春季氣溫越高，藍(lán)藻復(fù)蘇時(shí)間越早;太湖藍(lán)藻休眠時(shí)間與秋、冬季(11次年1月)氣溫密切相關(guān)，秋、冬季氣溫越高，藍(lán)藻休眠時(shí)間越晚．此外根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，太湖首次出現(xiàn)藍(lán)藻水華的時(shí)間一般是氣溫穩(wěn)定通過9℃初日之后的1個(gè)月左右，但上一周期的休眠與下一周期的復(fù)蘇之間氣溫異常偏高會導(dǎo)致藍(lán)藻水華首次出現(xiàn)時(shí)間早于穩(wěn)定通過9℃初日;最后一次藍(lán)藻水華出現(xiàn)時(shí)間與氣溫穩(wěn)定通過4℃的終日相近;在復(fù)蘇期，湖水中的葉綠素a濃度隨周有效積溫變化而變化，二者相關(guān)系數(shù)為0．9．

關(guān)鍵詞:

氣溫;穩(wěn)定通過界限溫度;積溫;復(fù)蘇;休眠;藍(lán)藻;太湖

藍(lán)藻是淡水湖泊中比較常見的一種浮游植物種類，在適宜的氣象條件和營養(yǎng)鹽濃度下，就會暴發(fā)性地生長，形成藍(lán)藻水華［1］．藍(lán)藻水華已經(jīng)成為當(dāng)前最嚴(yán)重的水環(huán)境問題之一．一般情況下，營養(yǎng)鹽是水華發(fā)生的主要影響因子，但太湖中的平均氮、磷含量近年來一直居高不下，藍(lán)藻水華發(fā)生已經(jīng)成為常態(tài)．孔繁翔等［2-3］研究發(fā)現(xiàn)太湖底泥中的內(nèi)源營養(yǎng)鹽足以支撐水華藍(lán)藻的生長，營養(yǎng)鹽條件已不是太湖藍(lán)藻生長的限制因子，其它環(huán)境因素可能成為藍(lán)藻生長與水華暴發(fā)的限制因子．Zhang等［4］的研究表明，在藍(lán)藻生長需要的營養(yǎng)物質(zhì)充足的情況下，氣象條件就成為預(yù)測藍(lán)藻水華形成的關(guān)鍵因子．孔繁翔等［2］將藍(lán)藻水華的形成分為相互區(qū)別而又連續(xù)的4個(gè)過程，即休眠、復(fù)蘇、生物量增加、上浮聚集，并認(rèn)為影響每個(gè)階段的主導(dǎo)環(huán)境影響因子不同．目前藍(lán)藻復(fù)蘇的概念是指在環(huán)境條件適合生長后，底泥表面存活的藍(lán)藻恢復(fù)生長并向水柱遷移返回浮游狀態(tài)的過程．通常研究藍(lán)藻復(fù)蘇的方法是測定底泥和水體中藻類的生物量及其生長速度，采用熒光法［5］、顯微計(jì)數(shù)法［6］、同位素法［7］等方法通過野外原位實(shí)驗(yàn)或室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)開展研究．Cao等［8］在野外利用自行設(shè)計(jì)的藻類捕捉器，測定藍(lán)藻復(fù)蘇期間的色素含量，并比較水柱和底泥中色素含量的變化，結(jié)果表明，藻類的復(fù)蘇與底泥環(huán)境中的溫度密切相關(guān);在實(shí)驗(yàn)室中，當(dāng)水體溫度達(dá)到14℃時(shí)藍(lán)藻開始少量進(jìn)入水柱中;在太湖實(shí)地觀測中，藍(lán)藻的復(fù)蘇和進(jìn)入水體都是在9℃．譚嘯等［9］采用逐步升溫的方法培養(yǎng)梅梁灣冬季泥樣，發(fā)現(xiàn)泥樣中藍(lán)藻的復(fù)蘇溫度略高于綠藻和硅藻的復(fù)蘇溫度，但是復(fù)蘇后藍(lán)藻具有較高的比生長速率，有利于藍(lán)藻確立優(yōu)勢而形成水華．2007年太湖發(fā)生的水危機(jī)事件是太湖富營養(yǎng)化的結(jié)果，但當(dāng)年冬、春季氣溫異常偏高是關(guān)鍵誘因［10］．因此，溫度可能是影響太湖藍(lán)藻復(fù)蘇進(jìn)程的關(guān)鍵因子．藍(lán)藻下沉休眠即微囊藻下沉，是胞內(nèi)碳水化合物在低溫下積累的結(jié)果．不同水體中微囊藻的下沉臨界溫度不同．Visser等［11］確定了NieuweMeer湖泊中的臨界溫度是14℃;Abbots池塘中微囊藻的臨界溫度是8～12℃［12］;Rostherne湖中微囊藻的臨界溫度是9～11℃［13］;Hartbeespoort水庫中微囊藻的臨界溫度＜12.8℃［14］．太湖的臨界溫度目前還沒有確定．雖然太湖藍(lán)藻有復(fù)蘇、生物量增加、上浮聚集、休眠的生長周期，但每年太湖藍(lán)藻復(fù)蘇和休眠的時(shí)間都不同．以往的研究大多是基于實(shí)驗(yàn)室模擬或是幾個(gè)月的實(shí)地觀測開展，難以做到長期監(jiān)測太湖藍(lán)藻復(fù)蘇和休眠的實(shí)際情況．衛(wèi)星遙感為獲取多年太湖藍(lán)藻復(fù)蘇和休眠信息提供有效途徑．與以往的實(shí)驗(yàn)室模擬或短期的實(shí)地觀測不同，本文根據(jù)20052014年的衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果和氣象觀測數(shù)據(jù)，引入農(nóng)業(yè)氣象學(xué)中的穩(wěn)定通過界限溫度初日和終日以及有效積溫等指標(biāo)，分析在當(dāng)前太湖水質(zhì)富營養(yǎng)化的條件下氣溫對藍(lán)藻的復(fù)蘇和休眠進(jìn)程是否起關(guān)鍵作用．

1數(shù)據(jù)與方法

1．1數(shù)據(jù)介紹

衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源于風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)和江蘇省氣象服務(wù)中心存檔的20052014年每日的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)．氣象數(shù)據(jù)來源于江蘇省氣象信息中心存檔的國家基準(zhǔn)氣象站東山站(31．07°N，120．43°E)逐日的氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、氣壓和風(fēng)速．水溫?cái)?shù)據(jù)來源于蘇州氣象局提供的上山村浮標(biāo)站(31．32°N，120．28°E)2014年的觀測數(shù)據(jù)，其觀測水深為0．5m．葉綠素a濃度數(shù)據(jù)來源于江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心提供的蘭山嘴口東浮標(biāo)站(31．21°N，119．94°E)2012年35月的觀測數(shù)據(jù)，其觀測水深為0．5m．氣象站和浮標(biāo)站的位置如圖1．

1．2太湖藍(lán)藻水華的反演方法

由于覆蓋有藍(lán)藻水華的湖面與無藻湖面在可見光和近紅外波段都有較為明顯差異［15］，尤其是在近紅外波段，有藍(lán)藻水華覆蓋的水體出現(xiàn)植被的“陡坡效應(yīng)”，其反射波段和可見光波段生成的歸一化植被指數(shù)(NDVI)可以反映藍(lán)藻水華信息［16］．NDVI的計(jì)算公式為:式中，ρNIR為近紅外波段反射率，ρR為紅光波段反射率．然后設(shè)定閾值，大于閾值的區(qū)域即判定為藍(lán)藻水華覆蓋區(qū)域．閾值會根據(jù)觀測時(shí)刻的大氣狀況、衛(wèi)星天頂角結(jié)合目視識別在－0．15～0．10之間進(jìn)行調(diào)整．

1．3有效積溫和穩(wěn)定

通過界限溫度的計(jì)算方法積溫是“某一時(shí)段內(nèi)日平均氣溫對時(shí)間的積分”［17］，用于研究作物生長、發(fā)育對熱量的要求［18］．植物完成某種發(fā)育進(jìn)程需要具有一定溫度條件的時(shí)間積累，藍(lán)藻完成復(fù)蘇或休眠進(jìn)程也可能需要一定溫度條件的時(shí)間積累，因此本文引進(jìn)積溫來研究太湖藍(lán)藻的生長進(jìn)程中對熱量的要求．每種植物都有其生長的下限溫度，當(dāng)溫度高于下限溫度時(shí)，它才能生長發(fā)育，這個(gè)對植物生長發(fā)育起有效作用高出的溫度值，稱作有效積溫．根據(jù)前人的研究，銅綠微囊藻在水溫達(dá)到9℃開始從湖底復(fù)蘇進(jìn)入水柱中［8，19］，這說明藍(lán)藻也存在生長的下限溫度，因此本文引入有效積溫來研究氣溫對藍(lán)藻水華的影響．有效積溫的計(jì)算方法為:式中，P為開始時(shí)間，M為結(jié)束時(shí)間，T為每日平均氣溫，T1為下限溫度，K為有效積溫．農(nóng)業(yè)氣象上用穩(wěn)定通過界限溫度來指示作物生長和農(nóng)事活動(dòng)，例如日平均氣溫穩(wěn)定通過5℃的初日表示早春作物開始播種;日平均氣溫穩(wěn)定通過5℃的終日表示作物生長開始變得緩慢，作物葉子變化［20］．藍(lán)藻作為藻類植物，也存在生長的下限溫度和上限溫度，因此本文引進(jìn)穩(wěn)定通過界限溫度的概念研究太湖藍(lán)藻進(jìn)入復(fù)蘇和休眠階段的時(shí)間是否與穩(wěn)定通過某界限溫度相對應(yīng)．用五日滑動(dòng)平均法計(jì)算穩(wěn)定通過界限溫度的日期．在1年中，在任意連續(xù)5d的日平均溫度平均值≥某界限溫度的最長一段時(shí)期內(nèi)，在第1個(gè)5d(即上限)中，挑取最先一個(gè)日平均溫度≥某界限溫度的日期，作為初日;在最后1個(gè)5d(即下限)中，挑取最末一個(gè)日平均溫度≥某界限溫度的日期，作為終日［21］．

2結(jié)果和討論

2．1氣溫與水溫的關(guān)系

東山站的日均氣溫與上山村的日均水溫全年變化趨勢一致(圖2)，統(tǒng)計(jì)得出二者的Pearson相關(guān)系數(shù)為0．98，通過0．01顯著性檢驗(yàn)，這是因?yàn)樘且粋€(gè)典型的淺水湖泊，其水溫通常會根據(jù)氣溫的變化快速響應(yīng)［22］．二者差值情況:有86%的(315d)日平均氣溫與水溫的差值在3℃以內(nèi)，其余14%(50d)出現(xiàn)差值大于3℃的日數(shù)是出現(xiàn)在氣溫突然明顯升高或突然明顯下降的情況下，這是由于水的比熱容遠(yuǎn)大于空氣，湖水的升溫和降溫會滯后于氣溫．有77%(282d)的日數(shù)是氣溫高于水溫，其余23%(283d)的日數(shù)水溫高于氣溫是出現(xiàn)在冷空氣來臨、氣溫突然下降的情況下．全年日均氣溫和日均水溫的差值平均值為1．2℃．從上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來看，東山站的氣溫可以代表水溫的變化趨勢;除了氣溫驟升和驟降的情況，大部分情況下日均氣溫和日均水溫?cái)?shù)值相差不大;除了冷空氣來臨情況，通常氣溫略高于水溫．由于缺少長時(shí)間序列的水溫?cái)?shù)據(jù)，而太湖的水溫對氣溫能夠快速響應(yīng)，因此在下面的研究中用氣溫來分析藍(lán)藻的復(fù)蘇和休眠的關(guān)系．

2．2藍(lán)藻復(fù)蘇和休眠與平均氣溫的關(guān)系

根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果，20052014年太湖藍(lán)藻水華首次出現(xiàn)時(shí)間分布在35月，其中出現(xiàn)在4月的有7年，出現(xiàn)在3月的有1年，出現(xiàn)在5月的有2年．2007年藍(lán)藻水華首次出現(xiàn)時(shí)間為近10年來最早，出現(xiàn)在3月9日，當(dāng)年的春季偏暖，平均氣溫為近10年來最高，為16．7℃．2010年藍(lán)藻水華首次出現(xiàn)時(shí)間為近10年來最晚，出現(xiàn)在5月31日，當(dāng)年春季偏冷，平均氣溫也為近10年來最低，為13．9℃．春季(35月)平均氣溫與藍(lán)藻水華首次出現(xiàn)時(shí)間存在顯著的負(fù)相關(guān)(圖3a)，二者的線性相關(guān)系數(shù)為－0．85，通過0．01顯著性檢驗(yàn)，這說明近10年來由于營養(yǎng)鹽的供應(yīng)充足，氣溫已成為影響太湖藍(lán)藻復(fù)蘇進(jìn)程的關(guān)鍵因素．春季氣溫越高，藍(lán)藻從底泥復(fù)蘇進(jìn)入水柱并上浮到水面的時(shí)間就越早．根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果，20052014年太湖藍(lán)藻水華末次出現(xiàn)時(shí)間分布在11月次年1月，其中有1年在11月，有5年在12月，有4年在次年1月．2009年藍(lán)藻水華末次出現(xiàn)時(shí)間最早，為11月24日，當(dāng)年11月次年1月的平均氣溫是6．5℃，為近10年來最低．2009年11月13日有明顯的降溫，日平均氣溫從前一天的12．2℃下降至5．1℃，至11月18日達(dá)到最低2．1℃，此外，2009年11月中旬的日平均氣溫為5．9℃，不及常年(19812010年)同期平均氣溫(12．3℃)的一半，且后期(11月下旬12月下旬)也沒有明顯升溫，平均氣溫較低．111月平均氣溫與藍(lán)藻休眠時(shí)間存在顯著正相關(guān)(圖3b)，二者的線性相關(guān)系數(shù)為0．85，通過0．01顯著性檢驗(yàn)，這說明氣溫越低，藍(lán)藻休眠時(shí)間越早;秋、冬季的氣溫是影響藍(lán)藻休眠進(jìn)程的主要因素．

2．3藍(lán)藻復(fù)蘇和休眠與穩(wěn)定通過界限溫度的關(guān)系

近10年來太湖藍(lán)藻復(fù)蘇時(shí)間基本晚于穩(wěn)定通過9℃的初日(圖4a)，這與實(shí)地觀測研究結(jié)果相符［8］，即太湖藍(lán)藻從9℃開始進(jìn)入水體．太湖水溫達(dá)到9℃后，藍(lán)藻開始復(fù)蘇生長，達(dá)到一定數(shù)量后在氣象和水文條件合適的情況下，在水面聚集形成水華．僅2007年因2月氣溫異常偏高，3月上旬又有一個(gè)小幅降溫導(dǎo)致穩(wěn)定通過9℃初日晚于藍(lán)藻水華首次出現(xiàn)日期．一般情況下，太湖藍(lán)藻水華在氣溫穩(wěn)定通過9℃初日后1個(gè)月左右首次出現(xiàn)．計(jì)算穩(wěn)定通過0～15℃的初日和終日，并與太湖藍(lán)藻休眠和復(fù)蘇時(shí)間對比，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定通過4℃的終日與藍(lán)藻水華結(jié)束日數(shù)的變化趨勢一致(圖4b)，二者的相關(guān)系數(shù)為0．87，通過0．01顯著性檢驗(yàn);另外，穩(wěn)定通過4℃終日與藍(lán)藻水華結(jié)束日期相近，二者相隔時(shí)間在0～21d之間，平均相隔天數(shù)為10．4d，其中2012年穩(wěn)定通過4℃終日與藍(lán)藻水華結(jié)束是同一天．20072010年二者相隔天數(shù)都在10d以內(nèi)，因此可推斷當(dāng)太湖氣溫下降到4℃及以下，藍(lán)藻基本休眠．近10年來，僅2007年藍(lán)藻水華出現(xiàn)的時(shí)間早于穩(wěn)定通過9℃初日，為此下面單獨(dú)分析2007年的氣溫與藍(lán)藻水華的關(guān)系．根據(jù)2007年13月每日日平均氣溫與相應(yīng)的藍(lán)藻水華面積(圖5)，可以看到2007年13月衛(wèi)星監(jiān)測到4次藍(lán)藻水華，其中1月17日是上一輪藍(lán)藻生長周期中還未休眠的藍(lán)藻．1月17日之后的1月日平均氣溫基本在5℃上下略有波動(dòng)，藍(lán)藻逐漸進(jìn)入休眠越冬狀態(tài)．但進(jìn)入2月氣溫開始急劇升高，2月16日一直處于氣溫不斷上升狀態(tài)，2月6日日平均氣溫達(dá)到14．1℃，此后除3月58日氣溫下降到7℃以下，其它時(shí)段氣溫大部分都保持在9℃以上．由于溫度達(dá)到9℃以上，藍(lán)藻會從底泥復(fù)蘇遷移到水柱中，太湖藍(lán)藻在1月下旬有短暫地休眠期之后進(jìn)入2月就開始從底泥中遷移進(jìn)入水柱中，整個(gè)2月的溫度條件都適宜藍(lán)藻復(fù)蘇遷移．3月氣溫繼續(xù)升高，藍(lán)藻遷移到水柱中的量也增加．2007年2月的平均氣溫為9．4℃，3月下旬的平均氣溫為16．5℃，都為歷年(1960年以來)氣溫最高的一年，因此導(dǎo)致在3月9日有藍(lán)藻水華出現(xiàn)，面積為6km2，3月25日和28日有較大面積藍(lán)藻水華出現(xiàn)，面積分別為40和44km2．因此，2007年藍(lán)藻水華出現(xiàn)時(shí)間明顯早于其它年份是因?yàn)榍耙荒甑乃{(lán)藻還未完全下沉到底泥，遇到2月份和3月下旬氣溫異常偏高，激發(fā)藍(lán)藻活躍生長，導(dǎo)致在3月下旬就有較大面積的藍(lán)藻水華出現(xiàn)．由于風(fēng)速大于3m/s，就會將藍(lán)藻垂向混勻，在水表面難以見到成片的水華，因此將太湖區(qū)域的大風(fēng)日(風(fēng)速＞3m/s)的時(shí)間分布繪制在圖5的橫坐標(biāo)軸上．每個(gè)月都有大風(fēng)日，大風(fēng)日分布較分散，其中2月大風(fēng)日較少，為9d(圖5)．2月藍(lán)藻處于從底泥向水柱復(fù)蘇階段，水柱中的藍(lán)藻數(shù)量在逐漸增多但還未達(dá)到形成藍(lán)藻水華的量，因此整個(gè)2月未監(jiān)測到藍(lán)藻水華．3月大風(fēng)日較多，有16d，尤其是3月下旬，衛(wèi)星監(jiān)測到成片藍(lán)藻水華的3月25日和28日的日平均風(fēng)速分別為2．0和2．3m/s，正好是在大風(fēng)日的空檔，說明該時(shí)期水柱中藍(lán)藻數(shù)量已足夠形成藍(lán)藻水華，只需適宜的風(fēng)力條件湖面就會形成藍(lán)藻水華．

2．4有效積溫與藍(lán)藻復(fù)蘇的關(guān)系

通常在衛(wèi)星監(jiān)測到湖面有藍(lán)藻水華聚集現(xiàn)象之前藍(lán)藻復(fù)蘇過程就已開始，當(dāng)水溫達(dá)到一定閾值，藍(lán)藻就進(jìn)入水柱中．復(fù)蘇期的溫度是否影響藍(lán)藻從底泥向水柱的遷移速度．以2012年為例分析積溫與藍(lán)藻復(fù)蘇的關(guān)系，2012年初次監(jiān)測到藍(lán)藻水華的時(shí)間為4月26日．根據(jù)2012年3月1日5月9日太湖藍(lán)藻水華衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果顯示，藍(lán)藻水華主要分布在西部沿岸區(qū)，尤其是蘭山嘴口東浮標(biāo)所在區(qū)域附近出現(xiàn)藍(lán)藻水華頻次較多，因此統(tǒng)計(jì)2012年3月1日5月9日期間的周有效積溫與蘭山嘴口東浮標(biāo)站葉綠素a周平均濃度之間的關(guān)系．統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)9℃以上的有效積溫與葉綠素a濃度關(guān)系密切(圖6)，二者呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．9，通過0．01顯著性檢驗(yàn)．這說明在復(fù)蘇期，水中的葉綠素a濃度隨周有效積溫變化而變化，有效積溫越高，藍(lán)藻從底泥向水柱中轉(zhuǎn)移量越大．

3結(jié)論

在太湖藍(lán)藻復(fù)蘇期，氣溫越高，藍(lán)藻水華首次出現(xiàn)的時(shí)間就越早．藍(lán)藻在湖水達(dá)到9℃時(shí)開始從底泥復(fù)蘇進(jìn)入水柱中，太湖湖面一般在氣溫穩(wěn)定通過9℃后1個(gè)月左右首次出現(xiàn)藍(lán)藻水華，但2007年藍(lán)藻水華首次出現(xiàn)時(shí)間早于穩(wěn)定通過9℃初日，其原因是23月的異常高溫導(dǎo)致上一周期的藻細(xì)胞沒有完全下沉休眠又進(jìn)入下一周期的復(fù)蘇上升．在藍(lán)藻復(fù)蘇期，湖水中的葉綠素a濃度會隨著有效積溫升高而增加．雖然有大風(fēng)會暫緩藍(lán)藻水華形成的時(shí)間，但從長期來看風(fēng)力不是影響藍(lán)藻復(fù)蘇的主要因子．在太湖藍(lán)藻休眠期，氣溫越低，藍(lán)藻休眠時(shí)間越早．秋、冬季太湖氣溫逐漸降低，藍(lán)藻下沉到湖底，導(dǎo)致湖水中的藍(lán)藻數(shù)量減少．當(dāng)?shù)陀?℃以后，湖水中的藍(lán)藻數(shù)量降低到湖面不再能形成藍(lán)藻水華，藍(lán)藻基本休眠．目前，太湖水體中的營養(yǎng)鹽供應(yīng)量足夠支持藍(lán)藻生長，易形成較嚴(yán)重的藍(lán)藻水華，因此深入研究氣溫對太湖藍(lán)藻復(fù)蘇和休眠的影響，對預(yù)測藍(lán)藻水華并及時(shí)采取措施，減緩藍(lán)藻水華帶來的危害具有理論和實(shí)際應(yīng)用意義．致謝:感謝蘇州市氣象局和江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心提供浮標(biāo)觀測資料．

作者：謝小萍 李亞春 杭鑫 黃珊 單位：江蘇省氣象服務(wù)中心