近日，中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊遥感与智慧流域研究团队以“The magnitude and drivers of harmful algal blooms in China’s lakes and reservoirs: A national-scale characterization” 为题在 Water Research 上发表研究成果。
研究概述
藻类水华对水生动植物和人类健康产生严重影响，甚至可能威胁饮用水安全，但从大空间尺度揭示藻类水华的难度较大。在此背景下，本研究采用机器学习(ML)算法，以及中国湖库的14年(2005-2018)水质和气象条件数据集，阐明了藻类水华的规模和驱动因素。通过建立一般回归神经网络(GRNN)模型，预测两个研究期间(2005-2010年和2011-2018年)的湖库叶绿素a浓度，分析模型的拟合度，确定藻类水华面积和相关驱动因素。
评估结果表明：中国湖库藻类水华从2006年(1363.3km2)至2013年(665.2km2)呈下降趋势，2013-2018年(775.4km2)略有上升。在研究的142个湖库中，最严重的是太湖、滇池和巢湖，它们对藻类水华大小的贡献从89.2%（2013年）到62.6%（2018年）不等。太湖和巢湖的藻类水华与总磷和总氮浓度密切相关，但滇池藻类水华对氮磷浓度并不敏感。
上述研究结果表明：有效缓解藻类水华可能需要减少氮和磷以及更长的恢复时间；特别是在气候条件变化的条件下。ML代表了一种可以阐明湖泊的水质模式的策略，其中可用的信息足以训练所构建的算法。本文对藻类水华规模和相关的环境、气象驱动因素的研究可以帮助管理者在全国范围内划定热点地区，并设计缓解中国湖库富营养化严重程度的最佳管理实践。
研究结论
(1) GRNN模型性能：在训练阶段，2005-2010年和2011-2018年期间的所有19和57个GRNN模型与测量数据取得了良好的拟合(p<0.001)，平均R2值高于0.95(图1a和c)。另一方面，在2005-2010年开发的19个GRNN模型中，只有16个模型在测试期间获得了令人满意的拟合(p<0.05)，平均R2值为0.46(图1b)。模型未能预测博斯滕湖、千岛湖和昆明湖的Chla变化，显示出不可接受的模型拟合度(p>0.1)。同样，在2011-2018年开发的57个GRNN模型中，有45个模型拟合度较好(p<0.1)，平均R2值为0.45(图1d)。值得一提的是，7个具有大数据集（>1000采样记录）的关键湖泊，Chla浓度的预测效果均很好(p<0.05)。
图1在训练 (a和c)和测试(b和d)期间，中国湖库Chla浓度的GRNN模型的确定系数值(R²)
(2) 中国湖库的藻类水华规模：在2005年和2018年期间，中国湖库藻类水华量级的年比变化（图2）主要由三个湖泊（太湖、滇池和巢湖）的贡献决定。分析结果表明，藻类水华量级呈非单调模式，2006年的峰值为1363.3km2,2013年下降到671.5km2，此后略有上升趋势。
值得注意的是，湖库数量对这一结果的影响有限，因为2012年和2016年较高的样本数量并没有导致藻类水华规模增加。太湖、滇池和巢湖在总体藻类水华规模中占据了很大的比例，从89.2%(2013年)下降到62.6%(2018年)。2018年，中国的湖库仍受到高达775.4km2的藻类水华威胁，其中37.4% (或289.8km2)发生在太湖、滇池和巢湖以外的湖泊。文中的藻类水华规模结果与生态环境部全国中国湖泊富营养化评估(2019)报告的结果总体一致，该评估突出了太湖、滇池和巢湖的富营养化状态。本文得到的藻类水华规模时间趋势与Huang等人(2019)提出的水质模式类似，两者都表明了在21世纪的前十年的水质治理成效，随后进入瓶颈期(或略有恶化)。
藻类水华规模分布与人口密度的空间分布总体一致，2018年，藻类水华湖泊(规模>10km2)大多位于中国东部（图3）。滇池和太湖的幅度估计最高，值分别为208.6和196.4km2，分别对应其表面积的67.5%和8.4%。9个湖泊（巢湖、骆马湖、龙感湖、松花湖、高邮湖、梁子湖、鄱阳湖、瓦埠湖、白洋淀）的值为10-100km2，14个湖泊的藻类水华规模较低，藻类水华规模值均<10km2。
为了进一步了解中国7个关键湖泊的藻类水华动态，图3提供了其藻类水华风险和规模的年际变化。与上述全国模式一致，太湖和巢湖在2006年达到峰值，2006-2013年显著下降，2014年至2018年达到了200-70km2的平衡。巢湖的时间模式预测与段洪涛 (2017)研究得出的遥感影像结果一致，2008年藻类水华严重暴发后，根据当时的水质条件建立了一个稳定的状态。相比之下，研究估计2017年太湖藻类水华(323.7 km2)低于秦伯强等(2019)基于遥感研究估算的结果（460.0km2），但这是合理的，因为低风速条件下，遥感影像往往高估实际的藻类水华规模(Huang et al.，2012)。
2018年太湖和巢湖的每日预测藻类水华风险值中，有近25%大于10 (图3c和e)。在2005-2017年期间，滇池的藻类水华极其严重，藻类水华规模达到250km2，而接近95%的藻类水华风险值>10(图3f)。洱海藻类水华规模呈下降趋势(图3g)，但2018年鄱阳湖和洪泽湖呈上升趋势，值相对较高 (图3a和d)。除了2007年和2010年预测的藻类水华风险较高和规模较大外，洞庭湖在全国7个研究湖泊中水质条件最令人满意 (图3b)。
图2 太湖、滇池、巢湖等湖库中藻类水华规模的逐年变化。灰线表示2005-2018年期间研究的湖库数量。
图3 2018年中国湖库藻类水华强度的空间分布。(a)-(g)描述了藻类水华风险的年际变化和鄱阳湖(a)、洞庭湖(b)、太湖(c)、洪泽湖(d)、巢湖(e)、滇池(f)和洱海(g)的藻类水华规模指数。
(3) 全球变暖、总磷缓解方案和藻类水华规模：预计20、50和80年的藻类水华规模估算结果表明：全球变暖可能会抵消流域的总磷缓解措施带来的成效（图4）。在没有任何降低总磷的策略的情况下，温室气体浓度高(SSP5-8.5)的情景表明，藻类水华规模指数从2018年的775.4km2 增加到2098年的870.9km2，增幅达12.3% (图4c)。
图4全球变暖情景SSP1-2.6(a)、SSP2-4.5(b)、SSP5-8.5(c)下，全国湖库总磷降低20%后藻类水华规模指数未来（20、50、80年）变化。与2018年的估计值相比，正/负百分比代表了藻类水华幅度指数的增加/下降。
总结与讨论
(1)中国一直面临严重的水污染问题，藻类水华的暴发率在过去20年中居高不下，人们普遍认为营养盐是主要控制因素，但多要素协同作用下的藻类水华变化仍存在很大的不确定性。
(2)21世纪的前十年，中国湖库的藻类水华面积呈下降趋势，随后进入波动状态。目前水质条件尚未达到可接受范围，大多数湖泊的藻类水华风险较大，总规模高达775.4km2。这一规模面积的60%以上是由太湖、滇池和巢湖贡献，“三湖”的藻类水华防控工作应进一步加强。同时考虑到当前的气候变化情景，缓解藻类水华暴发形势不仅需要氮磷双重削减，还需要一定的恢复时间。
原文链接 :
https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.115902
本文来源：湖泊遥感与智慧流域
本文转载自中国海洋湖泽学会网http://csol.qdio.ac.cn/xhdtDetail.aspx?id=3257
