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創(chuàng)新模型助力我國湖庫藻華精準(zhǔn)管控
來源：中國科學(xué)報 作者：袁一雪
湖庫藻類水華（以下簡稱藻華）是淡水水體中藻類大量繁殖，并在水面形成一層藍(lán)綠色或有惡臭的浮沫的現(xiàn)象。藻華暴發(fā)會引發(fā)水質(zhì)惡化與生態(tài)系統(tǒng)退化，甚至威脅飲用水安全。
藻華主要因為水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)過剩而引發(fā)，同時受氣候因素影響。因此，氮磷削減是藻華防控的關(guān)鍵，但氣候變化可能削弱其效果。為了分區(qū)域明晰氮磷削減與氣候變化對藻華的協(xié)同影響，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所研究員黃佳聰、高俊峰與國內(nèi)外多個團(tuán)隊合作，對我國四大湖區(qū)97個重要湖庫展開研究，揭示了藻華對氣候變化與氮磷削減的區(qū)域差異化響應(yīng)規(guī)律，并預(yù)測了氮磷削減的藻華緩解效果。研究成果于近日發(fā)表在國際知名期刊（Water Research）上，碩士研究生張帥為論文第一作者。
創(chuàng)新算法解決大尺度模型參數(shù)本地化難題
“藻華是在特定氣溫與氮磷條件下產(chǎn)生的環(huán)境問題，而陸域氮磷削減可降低湖泊氮磷濃度，抑制藻類過度繁殖，從而控制藻華。”論文通訊作者黃佳聰在接受《中國科學(xué)報》采訪時解釋說，“然而，氣候變暖會加速藻類生長，如溫度每升高10℃，藻類繁殖速率增長近1.8倍，進(jìn)而削弱甚至抵消氮磷削減的藻華控制效果。不僅是溫度，極端降雨會增加陸域輸入湖泊的氮磷量，而極端干旱導(dǎo)致湖泊水量不足，也不利于藻華控制。”
一直以來，受限于湖庫模型大尺度應(yīng)用的困難，全國尺度湖庫藻華的響應(yīng)關(guān)系解析與未來趨勢預(yù)測研究較為薄弱。此次，研究人員自主研發(fā)適用于全國湖庫的藻華風(fēng)險預(yù)測模型，跨區(qū)域選擇我國五大湖區(qū)中藻華問題較為突出的東部平原湖區(qū)、云貴高原湖區(qū)、蒙新湖區(qū)和東北平原山地湖區(qū)開展研究工作。“我們開發(fā)了模型智能聯(lián)合調(diào)參算法，即聯(lián)合層次貝葉斯優(yōu)化算法。該算法可智能配置模型在不同區(qū)域推廣應(yīng)用的參數(shù)，解決了大尺度模型的參數(shù)本地化難題，實現(xiàn)了從‘適用單一湖泊’到‘全國湖泊可用’的突破。”黃佳聰表示。
揭示湖庫氮磷與氣候變化對藻華的影響
氮磷削減與氣候變化對藻華的協(xié)同影響。 受訪者供圖
研究發(fā)現(xiàn)，2005~2022年間，湖庫水體磷與藻類生物量呈相反變化趨勢，80.5%湖庫出現(xiàn)總磷含量下降的現(xiàn)象，但其中61.8%湖庫中的藻類生物量卻在增加。這一現(xiàn)象在低緯地區(qū)尤為明顯。
數(shù)據(jù)顯示，盡管營養(yǎng)削減未能完全抵消氣候變化對我國湖庫藻華的加劇效應(yīng)，但也顯著降低了湖庫藻華風(fēng)險。其中，蒙新湖區(qū)藻華風(fēng)險降幅最大，高達(dá)52.5%。據(jù)介紹，之所以蒙新湖區(qū)的顯著風(fēng)險降幅最大，是源于其獨(dú)特的“低溫—低營養(yǎng)鹽”本底條件。“一方面，該區(qū)域湖泊磷本底濃度相對較低，削減后更容易達(dá)到抑制藻類生長的閾值；另一方面，高緯度低溫環(huán)境可抑制藻類生長，在未來升溫條件下，其絕對溫度仍低于藻華暴發(fā)的臨界閾值。”
同時，此次研究還顯示，氣候變化大幅減少了東部與云貴湖區(qū)的中高風(fēng)險藻華的湖庫數(shù)量。“未來，四大湖區(qū)熱力環(huán)境及藻華發(fā)展趨勢也明顯不同。高緯度的蒙新湖區(qū)與東北湖區(qū)水溫較低，氣候變暖也無法很好滿足藻類生長需求，藻華增幅相對較小。而低緯度的云貴高原與東部平原湖區(qū)水溫較高，藻華增幅則更大。”黃佳聰介紹道。
為保護(hù)湖泊提供科學(xué)依據(jù)
“湖泊在安全供水、防洪抗旱、維系區(qū)域生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著不可替代的作用，是區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐，同時也是保障國家水安全的重要戰(zhàn)略資源。”黃佳聰說，“此次研究從全國尺度評估了氣候變化與氮磷削減共同作用下的湖泊藻華風(fēng)險，為優(yōu)先保護(hù)湖泊確定與未來水質(zhì)目標(biāo)制定提供科學(xué)依據(jù)，助力實現(xiàn)‘精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污’目標(biāo)。”
黃佳聰指出，未來氣候變暖與氮磷削減共同決定藻華趨勢，氣候變暖將導(dǎo)致湖庫藻華風(fēng)險進(jìn)一步升高，東部和云貴湖區(qū)尤為明顯，需更嚴(yán)格營養(yǎng)閾值（總磷<20μg/L）應(yīng)對氣候變化，高緯地區(qū)湖庫在營養(yǎng)閾值（總磷<50μg/L）下能有效防止藻華風(fēng)險升高。
此次研究得到國家自然科學(xué)基金優(yōu)青項目與面上項目、江蘇省碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新專項、NIGLAS自主部署項目等聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123307
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