文献分享 | Sci. Total Environ：短期降雨限制了温暖季节轻富营养化亚热带城市水库蓝藻水华的形成
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文献分享
2022.12.29
短期降雨限制了温暖季节轻富营养化亚热带城市水库蓝藻水华的形成
题目：Short-term rainfall limits cyanobacterial bloom formation in a shallow eutrophic subtropical urban reservoir in warm season
杂志：Science of the Total Environment
文章简介
数十年来，全球蓝藻有毒水华的主导地位不断上升，严重影响了水生生态系统，威胁到人类健康。尽管已经表明，高水平的降雨可能会抑制水华形成蓝藻的生长，但目前仍不清楚蓝藻如何对短期降雨事件做出反应。基于来自中国亚热带浅层富营养化城市水库的五年（2016-2020年）高频（半周）采样数据，我们通过分别在温暖（4月至9月）和凉爽（12月和1月）的雨季构建蓝藻生物量（CBB）的广义加性模型，探讨了降雨事件对蓝藻生物数量的短期影响。我们发现证据支持以下假设，即短期降雨事件在温暖月份显著减少CBB，但在寒冷月份观察到相反的反应。我们还强调了解释暖月份CBB减少的因素（降水、气温、相对湿度、溶解氧和总磷）与解释冷月份CBB反应的因素（日照时数、pH和总碳）之间的差异。特别是，气象因素（降水、风速和阳光）可能会导致水库水温和水动力学的变化，从而导致温暖月份降雨事件后CBB迅速减少。随着气候变化的影响越来越强，预计在温带或凉爽湖泊中，蓝藻对轻富营养亚热带水库中短期降雨事件的响应也会有所不同。
主要图表
图1：后溪河流域地图，显示了中国东南部杏林湾水库的采样点（a）以及T1至T6期间降雨和非降雨期间蓝藻叶绿素a的季节差异（b）。G站和L站是两个采样点。统计是非参数Mann-Whitney U检验。T1、2月和3月；T2、4月和5月；T3、6月和7月；T4、8月和9月；T5、10月和11月；T6、12月和1月
图2：蓝藻生物量对1-7天/天降雨事件的响应（a），以及从T1到T6的气象条件（b，c）。
（a）中彩色方块表示降雨事件前后蓝藻生物量的显著差异。颜色的暗度或亮度代表蓝藻的显著差异水平。紫色表示降雨后蓝藻生物量的显著减少，而红色/粉红色表示降雨后蓝细菌生物量的明显增加。X天/天（X=1、2、3、4、5、6和7）表示采样日前X天的总降雨量。（b）中彩色方块表示从T1到T6的气象因子的平均值。（c）中T1-T6期间条件气象因子的出现频率。T1、2月和3月；T2、4月和5月；T3、6月和7月；T4、8月和9月；T5、10月和11月；T6、12月和1月。
表1：2016年至2020年降雨期间蓝藻生物量（CBB）的季节动态和所有解释因素。
T1：2月和3月；T2：4月和5月；T3：6月和7月；T4：8月和9月；T5：10月和11月；T6：12月和1月。CBB：基于蓝藻叶绿素a的蓝藻生物量；Pcpt：采样日前三天的降水量；AT：空气温度；RH：相对湿度；SH：每日日照时数；DO：溶解氧；TC：总碳；TP：总磷
表2：广义加性模型的R2调整值和P值（包含所有重要解释变量和每个解释变量的值）
y1是基于CBB及其解释因素的回归函数，在CBB减少期（暖月），采样日前3天降水量大于0。Pcpt，采样日前三天的降水量；AT：每日气温；RH：日相对湿度；DO：溶解氧；TP：总磷；ALL：整个y1方程。注意，所有因素解释了温暖月份蓝藻生物量33.1%的变化。
表3：包含所有重要解释变量和每个解释变量值的广义加性模型的R2调整值和P值。
y2是基于CBB及其解释因素的回归函数，在CBB增加期（冷月份），采样日前3天的降水量大于0。SH：每日日照时数；TC：总碳；ALL：整个y2方程。请注意，所有因素解释了冷月份蓝藻生物量49.3%的变化
图3：响应变量（y1）与降雨（顶部图）和非降雨（底部图）期间的每个显著解释因子之间的广义加性模型拟合图。
y1是4月至9月温暖月份（T2、T3和T4）蓝藻生物量（CBB）和相应解释变量（降水量、空气温度、相对湿度、溶解氧和总磷）的回归函数。
图4：响应变量（y2）与降雨（顶部图）和非降雨（底部图）期间的每个显著解释因子之间的广义加性模型拟合图。
y2是冷月份（T6、12月和1月）蓝藻生物量（CBB）和相应解释变量（日照时数、pH和总碳）的回归函数
图5：降雨（a）和非降雨（b）期间，4月至9月温暖月份的水动力因素和蓝藻生物量之间关系的路径分析。
红色和蓝色线分别表示正相关和负相关。该数字表示有效路径系数。实线表示有效路径，而虚线表示非有效路径。蓝色矩形表示水动力驱动因素，绿色矩形表示水环境因素。风速为采样日期前三天的平均风速；降水量为采样日期前三天的总降水量；日照，采样日期前三天的平均日照时数。WT：水温；DO：溶解氧；CBB：基于蓝藻叶绿素a的蓝藻生物量。
主要结论
研究聚焦阐明降雨事件对蓝藻生物量的短期影响，通过水库2016年至2020年的高频（半周）采样数据，并结合当地气象和环境信息，我们考虑了降雨相关事件，对蓝藻在温暖和寒冷月份对特定环境因素的3天响应情况进行研究。
1.在温暖和凉爽的月份，短期降雨事件（3天内）分别显著地解释了蓝藻生物量的减少或增加。
2.降雨事件的负面影响（尤其是降水量增加和日照不足）似乎是导致杏林湾水库短期暖月CBB下降的主要原因，因为降雨期间和非降雨期间的路径分析结果由于降雨因素的负荷而相反。
3.在凉爽的月份，降雨事件改变了CBB与环境因子之间的拟合关系，日照时数、pH值和总碳成为主要影响因素，并随着杏林湾水库CBB的增加。作为y2的一个解释因素，日照时数在3天降雨中显著减少，同时CBB对日照时数的敏感性增加。弱阳光和低温可能导致从温暖到凉爽的月份蓝藻生物量减少。
借鉴意义
1.在常年处于轻中度富营养化水平且俱备水华爆发条件的浅水湖泊和水库中，研究降雨事件对蓝藻生物量的短期影响。而在三峡等深水水库中，虽然水库调度产生的水动力波动影响要远大于将于，但在高水位运行期和低水位运行期，若水温、营养盐等条件满足，降雨事件对蓝藻生物量仍具有显著的短期影响。
2.研究仅考虑了蓝藻生物量对三天内降雨事件的响应，未考虑营养盐因素。虽然降水可通过增加地表径流引起营养物输入，但这些营养物中的大部分呈复杂形式，因此在杏林湾水库的前三天内，蓝藻无法有效利用。
在三峡地区，降雨事件对地下水通量产生的延迟影响效应尚不明确，径流可能不会对水库营养物浓度产生直接影响而导致短期内营养物对降雨引起的蓝藻水华的直接影响有限。按照这一过程，非点源污染造成的营养盐输入在水库造成富营养化，这一问题中也应考虑延迟效应。
文章信息
Luo A, Chen H, Gao X, et al. Short-term rainfall limits cyanobacterial bloom formation in a shallow eutrophic subtropical urban reservoir in warm season[J]. Science of the Total Environment, 2022, 827: 154172.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154172
分享人介绍
许焱喆，2020级硕士生
研究方向：流域非点源污染与水环境修复
邮箱：yanzhe_
许焱喆 | 供稿
张宇涵 | 编辑
陈磊 | 审核
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流域面源污染控制与水环境修复
陈磊
团队负责人
本公众号由北京师范大学面源污染团队运营，重点分享水利工程、环境科学与工程、生态工程、环境系统工程等领域的学术前沿、科普知识，特别是创建了科学家分享系列《失败集》和文献俱乐部；荣获2020年全国百强学术公众号。
团队负责人陈磊，教授，博士生导师，第五批中组部“万人计划”青年拔尖人才获得者，流域非点源污染过程学科团队负责人（2017-2020）。中国水利学会、中国环境科学学会水环境分会、国际水学会（IWA）、中国地理学会理事。主要从事流域非点源污染模拟与控制、水环境模拟与修复、海绵城市机理及设计、流域综合管理等领域研究，在非点源污染过程机理、核算模型和防控模式等方面取得多项关键突破。发表学术论文130余篇，其中在Water Research、Water Resources Research、Journal of Hydrology等权威期刊发表第一/通讯作者SCI检索论文64篇，出版学术专著3部，授权软著/专利10项，获省部级奖励3项。担任Journal of Hydrology等多个国际期刊副主编/客座主编，组织首届大江大河生态保护与修复研讨会、SWAT2016等重要会议，为30余个本领域顶级刊物提供审稿服务，取得了一定的国际影响力。
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