极端降雨对富营养化浅水湖泊水体磷补给的影响及生态效应

The increase of extreme weather events will significantly affect the lake ecosystem under the climate change conditions in the future. China has been facing the big challenges on the restoration of eutrophic lakes and the control of cyanobacterial blooms in recent years. The objective of this proposal is addressing the comprehensive effects of extreme rainfall events on phosphorus supply in water of shallow lakes which influenced by south-east monsoon. Annual high-frequency observation in the entire lake, in-situ simulation experiments for the key processes, the remote sensing monitoring for water quality and algal bloom processes, and the numerical model simulation will be conducted to illuminate the comprehensive phosphorus supply effects causing by the extreme rainfall events. The key phosphorus processes will be addressed on external loading supply, internal release or exchange, and the regeneration processes within the water column. The effects of extreme rainfall on phytoplankton growth and cyanobacterial formation would also be considered during the observation and simulation processes. The change of environmental conditions due to extreme rainfall will concentrate on the external loading pulse, water color sudden change, water level increasing, water quality transfer, and diffusion fasten. The research will help understanding the resilience mechanism of ecosystem in shallow lakes, and also provide the scientific support for the management decision during the eutrophication restoration and harmful algal bloom control in lakes.

气候变化带来的极端天气事件增加可能对湖泊生态系统产生深远的影响。针对我国东南季风影响区大型浅水湖泊富营养化治理及蓝藻水华控制实践中面临的巨大挑战，本项目拟从极端降雨在浅水湖泊水体磷供给中的综合效应与机制研究入手，采用大型湖泊的全湖年度高频监测、磷补给和循环关键过程的野外原位模拟实验、水质及蓝藻水华时空变化过程的遥感反演，以及极端降雨在磷供给中综合效应的数值模拟等技术，阐明极端降雨对于浅水湖泊磷的外源负荷、内源释放、水体再生循环及其浮游植物生长和水华形成过程中的综合效应，定量揭示极端降雨引发的外源陡增、水色突变、水位暴涨、水质急转、扩散加快等综合变化导致的浅水湖泊水体磷补给和蓝藻水华时空转化过程响应，预测未来气候变化对我国浅水湖泊富营养化治理带来的挑战，科学认识浅水湖泊生态系统的自我维持机制，为我国湖泊富营养化治理、蓝藻水华灾害防控提供决策依据。

温度升高、极端气象事件增多是近百年来全球气候变化的主要趋势。气候变化对生态系统产生较大的冲击，特别是富营养化的浅水湖泊生态系统，生态系统多变、缓冲容量小，对极端气象事件带来的系统冲击缓冲能力小。为了解极端降雨等气象事件对富营养化浅水湖泊磷负荷的影响，本项目以平原河网地区大型浅水湖泊太湖为例，在连续记录气温、降雨等气象条件的基础上，对太湖2条主要污染入湖河道开展了逐日磷浓度观测，获得连续1400天的河道逐日水体总磷、溶解性总磷浓度，并开展了环太湖15条主要出入湖河道48个月的水体磷浓度，结合湖体磷浓度监测，分析了暴雨、极端降雨事件等对入湖河道水体磷浓度的影响特征，对比分析了河道与湖体磷浓度差别的季节变化和空间变化，并根据太湖站25年来水体磷浓度及同步的藻类群落结构数据，分析了太湖磷浓度变化与蓝藻水华之间的关系，探讨了近10年太湖总磷与水华变化的成因。研究结果表明，在太湖这种平原河网地区湖泊的入湖河道中，河水总磷浓度受雨强的影响相对较小，暴雨、大雨、中雨、小雨及无雨条件下，河道水体磷浓度略有差别，但基本不存在统计上的差别。表明平原河网河道对磷浓度的缓冲能力极强，也表明入湖磷负荷在很大程度上依赖于入湖水量。河、湖水体磷浓度的对比分析表明，冬、春季节河道水体磷浓度显著高于对应湖区磷浓度，但是在蓝藻水华较强的夏秋季节，湖泊水体磷浓度常常超过入湖河道，反映出富营养化浅水湖泊藻类的生物积累等生态系统反馈对水体磷浓度巨大的影响。多年的湖泊水体磷浓度与藻类群落结构变化分析表明，除了水体磷浓度对藻类生物量产生一定的影响外，温度、水位、风速等气候因子变化对富营养化浅水湖泊水体藻类群落结构的影响甚大，气候因子通过影响藻类优势属变化，反过来影响了磷-藻关系，放大了磷对蓝藻水华问题的驱动力。研究成果提升了对富营养化湖泊磷的来源及其生态效应方面的认识，对富营养化湖泊富营养化控制及生态修复管理提供支撑。