西湖水质提升和生态系统稳态转换项目,两种情景下的湖泊生态系统都发生了突变

2020-05-08 作者:精选专题   |   浏览(147)

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我国是一个多湖泊的国家,全国共有1平方公里以上的湖泊2759个,总面积达91019平方公里,占国土面积的0.95%。其中约1/3为淡水湖泊,主要分布在东部与长江中下游地区。我国湖泊富营养化局势严重的主要是东部平原湖区、长江中下游湖区、云贵高原湖区的湖泊和城市湖泊。富营养化是湖泊生态系统受损的关键阶段。富营养化导致的蓝藻水华暴发,使我国成为世界上蓝藻水华最严重、水华蓝藻种类最多、分布最广泛的国家之一。防治湖泊富营养化和藻类水华是当代资源、环境、生态领域重大的科学和技术问题与热点之一。

新华社杭州10月17日电记者17日从杭州西湖风景名胜区管委会获悉,经过4年努力,“西湖水质提升和生态系统稳态转换项目”生态效益显着,2015年西湖主湖区年均透明度达到了84.2厘米,创历史新高。

什么是稳态转换(Regime Shifts)?顾名思义,一个稳态向另外一个稳态的转换,常见于社会现象、金融市场、精神状态、生态系统。在生态系统中常见的稳态转换有荒漠与草地之间、林地与灌丛之间等。

湖泊富营养化的趋势

“西湖水质提升和生态系统稳态转换项目”是国家“十二五”水专项“湖荡湿地重建与生态修复技术及工程示范课题”子课题之一。自2012年启动项目后,西湖管委会针对制约西湖水质和生态环境进一步提升的难点进行技术攻关和集成,并相应实施了两项示范工程:钱塘江大规模引水高效降氮示范工程和西湖水生态稳态转换和流场优化示范工程。从项目申报、启动建设到建成运行至今,已实现预期目标,生态效益显着。

为什么稳态转换值得关注?想想金融风暴、抑郁症、生态系统崩溃的发生就明白了。这些事件往往发生于不经意间,而后系统再难以恢复之前的状态。

据统计,2007年我国富营养化水域面积已超过8000平方公里,另有1.4万平方公里湖泊的富营养化程度在加重。在我国东部地区,已经很难发现水质清澈的天然湖泊。

一方面,针对钱塘江大规模引水存在的高氮问题,采用高效脱氮工艺,年削减入西湖总氮量18吨,为西湖水质全面提升创造有利条件;另一方面,优化示范区内沉水植物群落、恢复沉水植物面积30%以上,同时稳定出水量、改善流速,将死水区面积控制在15%以下。

是不是发生了突变就叫稳态转换?好像没那么简单。下面以浅水湖泊生态系统为例,介绍两者差别。情景A,一场大水经过,湖泊变得浑浊,水草(沉水植物)可能被淹死;大水过后,湖泊很快恢复清澈,水草在来年继续生长。情景B,湖泊持续接受了大量的氮磷营养物输入,藻类快速生长,透明度下降,水草突然大范围消失;之后,外源的氮磷营养物输入完全停止,但湖泊将长期继续浑浊,水草也难以恢复根据丹麦的经验,若不采取其他的人工干预,这个过程将是10年以上。两种情景下的湖泊生态系统都发生了突变,但在情景A中外界胁迫因素去除后系统状态很快恢复(只是突变),在情景B中外界胁迫因素去除后系统将长期维持在突变后的状态(发生了稳态转换)。

湖泊富营养化是一个自然和人为因素叠加的过程,其主导进程是生源要素(生物体所需的元素,如氮、碳等)在集水区内的运动。长江流域在占全国不足18%的国土面积上,集中了约占全国40%的人口和国内生产总值,在我国国民经济发展中具有举足轻重的地位。然而,在流域大规模开发及经济快速发展的同时,人类活动的干扰大大超过自然调节能力,出现了流域环境的生态调节和自我恢复功能大幅降低,引起日趋严重的水生态系统退化与富营养化问题。由于洪泛平原的特点,长江中下游地区的湖泊营养本底均比较高。20世纪50年代的大量围垦和人工建闸,80年代以来的大量工农业和城市生活污水入湖,破坏了生源元素生物地球化学循环的平衡,导致湖泊富营养化,引发水华暴发和水质性缺水。目前由于流域的超强度开发和湖泊资源的超强度利用,造成了水环境恶化、水资源短缺、水灾害频发等一系列问题。在可以预见的相当长一段时间内,湖泊污染及其富营养化仍然是我国浅水湖泊所面临的最主要的生态环境问题。

经实地踏勘、专业评审,评估专家组对西湖课题的钱塘江大规模引水高效降氮、稳态转换、流场优化三项示范工程分别给出了88分、85分、90分的高分,是“十二五”水专项湖泊主题项目第三方评估进展至今,专家组打出的最高分。

为什么要费这么多口舌来介绍稳态转换?因为这个概念很让人纠结,有相当部分的研究者把突变等同于稳态转换。在某个重量级的国际会议中关于稳态转换的专题讨论会上,浅水湖泊稳态转换理论提出者之一某某教授指出,有一半报告研究的只是突变,不是稳态转换。

蓝藻水华暴发特点与原因

通过西湖水专项示范工程的实施,西湖已逐步建立起趋向稳定健康的湖泊生态系统,自我维持、自我修复的能力逐渐强大。2015年西湖主湖区年均透明度达到了84.2厘米,创历史新高。

这么多复杂的稳态转换事件之间有内在联系吗?根据Biggs等(2018)整理的数据库,文献记载的社会生态系统稳态转换也已多达30多种。随着人类活动压力的加强,稳态转换事件可能还会增加。过去的相关研究都是局限于特定的系统或特定的稳态转换事件。Rocha等(2018)发表在本期《科学》杂志上的这项研究把30多种逾300多例的稳态转换事件进行了矩阵耦合,发现这些稳态转换事件不都是孤立的。稳态转换事件之间可能会有多米诺效应(Domino effects),即一个稳态转换事件可能会触发另一个稳态转换的发生(图1)。他们的研究还发现,不同的稳态转换事件之间还可能通过隐蔽反馈(hidden feedbacks)暗中勾结。两个稳态转换事件还可能共享驱动因子(driver sharing),尽管他们不一定会相互影响。

水华一词并没有严格的定义,通常指微型生物或大型生物的微小阶段在水体表层形成悬浮的、泡沫状的聚集层;微型藻类形成的水华即称为藻华。我们通常所指的水华仅指狭义的表层水华。我国学者一般将天然水体的Chla含量高于30mg/m3时,看作发生水华。

Rocha等(2018)提出的这三种稳态转换事件关系还并不是独立存在的(图2)。驱动因子共享、多米诺效应和隐蔽反馈独立存在的情形仅占36%,5%和2%,两种或三种关系共同起作用的高达45%。各个孤立的稳态转换事件本身就够复杂,这篇文章又告诉我们稳态转换事件之间还会发生作用,作用方式和强度还很多样化(具体如何还请各位自行攻略)。这简直就是添乱。

蓝藻水华的形成必须存在3个基本要素:一是水体中蓝藻能在种间竞争中形成优势;二是蓝藻能够形成较大的生物量,这要求水体环境具有满足水华蓝藻快速生长繁衍的条件,如适宜的光、温度、营养盐等;三是具备合适的水力及水文气候条件,蓝藻能通过浮力调节在水体表层聚集。形成表层蓝藻水华的藻类主要是具有伪空胞的种类,它们跨越数属,群体的形态和大小相差很大。在我国长江流域富营养化程度较高的湖泊中,单细胞群体的微囊藻是发生蓝藻水华的主要物种。由于湖泊各自的差异性,水华蓝藻各自的生物学习性,每个湖泊发生蓝藻水华的特征是不一样的。

稳态转换这么复杂,我们该怎么去理解?试着找正反馈!其实稳态转换在我们的日常生活中随处可见,说是复杂其实也很简单。我们可以先来看我小时候经历的一件事情。那天,我和一位小伙伴走在路上。我那同伴觉得迎面走来的一个男孩的走路动作很有意思,就学起人家的动作,那哥们就瞪了我同伴一眼,我同伴就学得更欢,那哥们受了进一步刺激就开始动口了。接下来的场景可想而知,这两个本来互不相干的人居然就在路上干起架来了。这么个故事听上去如此草根,怎么能扯上高大上的稳态转换呢?稳态转换可是研究复杂系统的重要理论,与之相干的也都是些一等一复杂的概念,如alternative states (equilibrium), bifurcation, catastrophic change, critical transition, early warning signal, ergodicity, resilience, stability (按字母顺序排,有兴趣的可以自行攻略)。其实,用上面我的同伴(A)和对面男孩(B)这个故事来做分析,虽然不很严格,但有助于我们掌握其基本内涵。A和B本不相干(系统初始状态),两人的关系因相互刺激(正反馈)而变得水火不容(系统状态1)。我们还可以让故事进一步发展,n年后的某个时刻,B在很困难的时候得到了A的帮助,A对B很感激并给予回报(正反馈),两人一来一往又变成了亲密朋友(系统状态2)。这个故事及其续集反映了稳态转换的两个本质特征:正反馈在起作用,维持着系统的状态1或2;系统从状态1转换至状态2的时间明显短于两种状态维持的时间。让总结再简单粗暴点,稳态转换两个重要的特征:突变+正反馈。

湖泊中蓝藻水华暴发的重要特点是其突现性和持续性。区域尺度的生态系统稳态转换,为解释水华的突现性和持续性提供了一种较好方法。即任何水华的发生都是系统状态表征的改变,其驱动力在于环境因素对系统内部结构的影响。目前在浅水湖泊中已发现草型清水稳态和藻型稳态,其中藻型稳态可分蓝藻型亚稳态和非蓝藻型(绿藻和硅藻)亚稳态,在此基础上我国科学家提出了几种常见稳态之间转换的概念性模式,通过生物操纵实现湖泊生态系统稳态转换,即由藻型稳态向健康稳态的转换。研究证明驱动清水草型稳态与浊水藻型稳态转化的营养阈值具有多变性,其大小取决于湖泊的物理、化学和生物以及气候、水利水文等诸多因素。

那么,具备多种稳态的生态系统怎么管理?试着构建良性循环!在生态系统管理中,生态灾变的防控或生态健康的维持的关键也在于找到并努力尝试构建良性的正反馈。例如,在浅水湖泊生态系统中,沉水植被与水体透明度之间的正反馈就是健康生态系统得以稳定的内在机制,湖泊管理的关键就在于维持足够的植被和透明度(具体可参见中科院水生所微信公众号文章《湖泊污染容易治理难?其实藻型湖泊抗拒治理,草型湖泊抵御污染》)。其实生活中还不乏类似的例子,如父子关系、夫妻关系、师生关系和男女朋友关系等。处理好两人关系的诀窍在于找到良性的正反馈。

新近的研究证明,频繁而剧烈的沉积物颗粒再悬浮是物理扰动的结果。它与化学因素的耦联使得内源负荷能为浮游植物在夏季的生长提供更多的营养。但同时,又可作为营养胁迫的周期性缓解因子,如蓝藻门的拟柱胞藻能有效利用从大量再悬浮颗粒上解吸附的磷营养而形成水华。营养总量对蓝藻水华的暴发具有关键作用。太湖五里湖区进行环保疏浚生态治理后,蓝藻水华曾一度重新出现,说明内源营养负荷的变化与蓝藻水华的暴发密切相关。而且,营养的供应速率与各形态营养的比例与藻类水华的发生密切相关,调节磷营养的供应速率可使优势种由微囊藻向束丝藻转化,束丝藻可能会在有机磷浓度较高的水体中占优势。长江中下游浅水湖泊生态系统在特定的营养水平上,水草、蓝藻、绿藻和硅藻均有可能占优势。太湖、巢湖和滇池所处地域不同,气候环境不同,并且各自富营养化状况也不同,导致水华的种类,发生频率与密度也不尽相同。

河湖关系对生源要素输移影响

河湖关系的类型包括常年入流进湖泊河道、常年湖泊出流河道和入流与出流交换的双向流河道3种。河湖关系主要通过水动力特性、闸坝控制及河口特性影响营养物质的输移。

ds足球即时比分 ,首先,通过水动力特性影响。河湖关系中的常年入流型水体,直接将营养物质输送入湖泊,直接加速湖泊富营养化过程;常年出流河道则将湖泊水体中的营养物质逐渐向流域河道输出,改善湖泊营养状态;而入流和出流交换的双向流河道则在流域丰水期向湖泊输入,当湖泊水位高而河道水位较低时,营养物质向外输出。

其次,通过闸坝控制对营养物质输移影响。在汛期闸坝打开状态时,营养物质通过河道输移进入湖泊,对湖泊富营养化影响表现与洪汛关联的规律性。但在非汛期闸坝关闭后,营养物质被截留在河道中,暂时停止向湖泊输入。当重新开闸后,形成较大的污水团,对湖泊造成较大的负荷冲击。

第三,通过河口结构特性对营养物质输移影响。入湖河口包括自然入湖河口、人工闸控河口。水动力条件活跃的河口,营养物质在河口发生迁移转化的过程非常复杂,易于转化的物质容易得到净化,而在水流较缓慢的河口,容易发生淤积,易于沉降的物质,如颗粒态磷较易沉淀而从水体中去除。

平原湖泊富营养化演化过程

长江中下游地区的系列大型浅水湖泊是在洪泛平原上发育起来的,同江河演化与洪水泛滥有着紧密联系。从地球表层系统科学的角度和流域的尺度看,长江中下游水体富营养化的问题,是在长江中下游洪泛平原的营养本底的背景下,各种自然和人文因素共同作用下发展演化的结果,其中在江湖复合生态体系中,水循环过程是纽带和载体,人类活动是叠加在自然演化背景上的干扰和驱动因子,导致湖泊营养过剩、生态系统结构和功能改变、内源负荷增加及富营养化加速的严重局面。

长江中下游湖泊的营养演化过程研究同时表明,历史时期干旱的气候与人口的快速增加同样可以引起湖泊的富营养化。干旱气候和人类活动增强时期可以引起湖水可溶性营养物质的富集,但每一次的洪水事件由于江湖连通顺畅可以达到去富营养化效果,湖泊的短暂富营养化能够在短时间内自行恢复到本底营养水平,不产生湖泊营养态的转换。与最近50年来富营养化程度的持续上升明显不同,最近几十年来湖泊的富营养化,一方面与流域持续强烈人类活动引起的湖泊营养盐的不断富集有关;另一方面与江湖关系阻断有关,湖泊的围垦和建闸削弱了湖泊的通江能力,增长了湖泊的换水周期,延长了溶解性营养盐在湖泊中的滞留时间,而且,由于湖泊泄洪能力的降低,洪涝事件对湖泊营养盐的富集反而起到了助长作用。

人类活动导致湖泊富营养化

从自然状态到建国初期,到现代阶段,流域营养物质输移演化经历了3个阶段变化。第一个阶段是自然状态到建国初期,人类活动的参与极大地改变了流域营养盐输移的浓度,但这种改变引起的流域营养盐输移变化仍处于一个可控阶段,湖泊水质状况没有发生恶化。第二个阶段是建国初期至20世纪80年代,流域营养物质产出与输移受到自然与人类两方面的共同作用,两者的作用基本持平。第三个阶段是20世纪80年代至今,人类活动的作用已经远远超过自然的作用,人类活动推动了流域营养盐输移的快速发展。在这个阶段之后,湖泊的富营养化问题凸现。

长江中下游湖泊历史时期营养演化的机制分析表明,人类活动导致的入湖营养盐增加是湖泊富营养化的主要原因。控制湖泊富营养化,首先是大幅度地削减外源输入。以上3个阶段的划分也说明,入湖营养盐浓度和总量控制在一定的变化范围内,不会引发湖泊富营养化问题,这个范围的界定也代表了入湖营养物质浓度的临界值,从而可以指导更加合理地确定流域污染物的目标排放量以及湖泊环境恢复工作的目标。

作者单位:中国科学院水生生物研究所,本文源自国家重点基础研究发展计划(973)项目总结报告,作者刘永定为主要执笔人

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