富春江库区高温热浪变化特征及对藻类水华潜在影响研究

黄群芳，国超旋，李 娜，李 渊

1.江苏第二师范学院城市与资源环境学院，江苏 南京 210013

2.中国科学院南京地理与湖泊研究所，湖泊与环境国家重点实验室，江苏 南京 210008

3.浙江工商大学旅游与城乡规划学院，浙江 杭州 310018

全球长期气候观测和大量气候模式均显示，气候变暖已成为无可争辩的事实，并且未来还可能会进一步强化[1-3].即便2020 年受新冠肺炎疫情大流行的影响，导致全球“封锁”，大气中温室气体的浓度可能有所降低，但其对气候变暖的影响基本可以忽略[4].世界气象组织(WMO)发布的《2020 年全球气候状况》临时报告指出，2020 年全球平均气温将比工业化前(1850−1900 年)水平高出约1.2 ℃，气候变化在2020年继续蔓延，是有记录以来最热的三年之一，2011−2020 年是有记录以来最热的10 年，且最热的6 年是在2015 年之后 (https://public.wmo.int/en/media/pressrelease/2020-was-one-of-three-warmest-years-record).因此，气候变化及其影响和应对已引起全球科学界、政府和普通民众越来越多地关注和重视，多国政府相继提出碳达峰和碳中和时间表及路线图以缓解全球气候变化.

气候变化除了引起平均气温上升外，往往会引起极端气候气象事件频发，如极端降水、暴雨洪涝、台风气旋和高温热浪等[5-7].高温热浪是指空气温度高并且持续时间较长，引起人、动物及植物不能适应环境的一种极端天气灾害.已有研究[6-9]发现，随着全球气候变暖，夏季高温热浪出现频次、强度和持续时间明显增加，首次发生时间明显提前，而结束时间则明显推迟.由于全球快速城市化和城市热岛的放大效应，高温热浪将造成城市与热有关的病害和死亡人数的增加以及林火频发[5]，如2003 年高温热浪袭击了欧洲许多国家，经不完全统计高温热浪直接致死人数为70 000 人[10]；与此同时，2003 年亚洲许多地区也经历异常的高温热浪，上海记录到过去50 年最炎热的夏季，高温热浪造成上海总死亡率增加12.7%[11-12].

高温热浪对陆地和水域生态系统也会产生许多不利影响，包括生物多样性降低和生态服务功能丧失等[13-16].相比于高温热浪对人体健康和海洋生态系统的影响研究，较少研究关注高温热浪对淡水生态系统的影响.尽管已有研究[17-19]表明，气候变暖会加剧有害藻华在全球湖库的扩张.国际上零星的野外观测和室内受控试验研究显示，伴随高温热浪湖库生态系统有时会暴发藻类水华[20-21]，而有时又不明显，表明高温热浪对淡水生态系统藻华形成存在较大的不确定性，内在机制不清.我国是世界上水体富营养化和藻类水华比较严重的国家，围绕营养盐富集、水文情势和气象因子等对藻类水华形成的作用机制、控制技术以及蓝藻水华死亡腐烂引发的湖泛灾害对饮用水的威胁等开展了大量研究[22-28]，近年来也有许多研究关注气候变化对藻类水华影响[29-32]，但目前尚没有研究将夏季高温热浪与藻类水华暴发和维持直接关联起来.

位于钱塘江中游的富春江水库是一座低水头河床式日调节水电站，2016 年夏季富春江水库暴发严重的藻类水华[33-34]，曾一度威胁到G20 杭州峰会的水质安全保障和城市居民饮用水安全供应；同时，已有研究[35]表明，我国东部地区2016 年夏季出现较为严重的高温热浪过程.基于长期气象观测、高频浮标水温监测、藻华过程浮游植物生物量野外监测以及卫星遥感反演，研究夏季高温热浪对富春江水库藻类水华的影响，旨在分析高温热浪长期变化趋势以及2016 年变化特征，揭示高温热浪与藻华过程的因果关系，服务于全球气候变暖背景下高温热浪对淡水生态系统影响研究.

1 数据与方法

1.1 研究区域

富春江水库坐落于钱塘江中游的桐庐县境内，位于富春江七里垅峡谷出口处，由新安江与兰江交汇在富春江段筑坝而成，为狭长型河流水库，最宽不超过2 km，从富春江大坝至梅城是水库的主库区.富春江水库始建于1958 年，于1968 年建成发电，水库正常蓄水位23 m，水库面积56 km2，库容4.4×108m3，透明度在1.0 m 左右，是华东电网的峰谷调节型电站，也是建德市、桐庐市和下游杭州市重要的集中式饮用水源地.富春江水库在2004 年、2016 年和2017 年均暴发了较严重的蓝藻水华，2016 年8 月9 日发生在兰江段的微囊藻水华，一周内扩张到包括富春江水库在内的100 km 长河段和库区，对建德市和桐庐市集中式饮用水源地和下游杭州市的G20 峰会水质安全保障构成了严重威胁[33-34,36].

1.2 气象观测和高温热浪计算

收集和整理邻近的桐庐气象站1972−2020 年长期逐日观测数据，包括最低、最高和平均气温，平均风速和降水量等，月均和年均气象观测数据通过逐日数据计算得到.为观测水温长期变化，在严陵坞(119.654° E、29.687° N)布设高频浮标观测站(见图1)，每天12:00 记录表层(50 cm)水温.

图1 富春江水库采样点、气象站和高频浮标站分布以及2016 年8 月高温热浪期间富春江水库大坝蓝藻水华Fig.1 Distribution of sampling sites,meteorological station and high frequency buoy station,and cyanobacterial bloom near the dam of Fuchunjiang Reservoir

目前国际上还没有一个统一而明确的高温热浪标准和判别阈值，大多通过固定最高气温或者百分比阈值来判别和计算高温热浪天数和事件[37].WMO 建议日最高气温>32 ℃且持续3 d 以上的天气过程为高温热浪[37-38]；荷兰皇家气象研究所认为，最高气温>25 ℃且持续5 d 以上(其间至少有3 d 最高气温>30 ℃)的天气过程为高温热浪[39].中国气象局制定了我国统一的高温热浪标准，规定日最高气温≥35 ℃为高温日，连续3 d 以上的高温天气为高温热浪事件[40].该研究参照中国气象局高温热浪标准，计算桐庐气象站1972 年以来逐年的高温天数、高温天起始时间和结束时间、高温热浪事件次数、高温热浪天数、高温热浪天起始时间和结束时间，用以全面表征高温和高温热浪长期变化特征.

1.3 藻华过程叶绿素a 连续监测

2016 年8 月14−25 日在三江口(119.527°E、29.537°N)、子胥(119.593°E、29.608°N)、冷水(119.651°E、29.655°N)、严陵坞和富春江大坝(119.665°E、29.714°N)布设5 个站点(见图1)，每天采集表层(50 cm)水样分析叶绿素a 浓度.叶绿素a 浓度采用分光光度法测定，根据水柱中藻类生物量用GF/F 滤膜(英国Whatman 公司)过滤100～500 mL 水样，滤膜冷冻48 h后用90%热乙醇提取，然后在分光光度计(UV-2 450，日本岛津公司)上进行检测，并用稀盐酸酸化，根据665、750 nm 吸光度计算叶绿素a 浓度[41].

1.4 叶绿素a 遥感估算

由于富春江水库属于狭长形水体，水面较窄，需要高空间分辨率卫星遥感数据才能提取水体叶绿素a浓度.Landsat OLI 卫星影像空间分辨率为30 m 满足研究需要，但时间分辨率16 d，8 月14−25 日期间没有Landsat 卫星影像数据，只能选择8 月28 日天气晴好条件下的Landsat OLI 卫星影像.利用富春江水库上游千岛湖构建的叶绿素a 遥感反演模型[42]，直接计算得到8 月28 日富春江水库叶绿素a 空间分布.

1.5 统计分析和图表绘制

利用SPSS 20 软件对各类数据进行统计分析，包括计算其平均值和线性拟合等，当P≤0.05 时表明呈显著相关，P≤0.01 时表明呈极显著相关.利用ArcGIS 9.2 和Origin 2018 软件作图.

2 结果与讨论

2.1 富春江水库气温长期变化趋势

通过对桐庐气象站年最低、年平均和年最高气温长期变化趋势的线性拟合分析，发现近50 年富春江水库经历了显著的增温过程，年最低、年平均和年最高气温的增温率分别为0.38、0.35 和0.37 ℃/(10 a)(见图2)，彰显气候变暖的观测事实，与国内绝大部分区域观测结果较为一致，但由于不同研究观测时段不一致，增温率稍微有些差异[29,43-45].从线性拟合的显著性水平来看，反映夜间温度的最低气温增温最显著，说明气候变暖存在一定的日变化特征，夜间增温要比白天增温明显.

图2 富春江水库桐庐气象站1972−2020 年年最低、年平均和年最高气温的长期变化趋势Fig.2 Long-term (1972-2020) trend of yearly minimum,average and maximum air temperature at Tonglu meteorological station near Fuchunjiang Reservoir

2.2 富春江水库高温热浪长期变化

桐庐气象站1972−2020 年高温和高温热浪主要参数长期变化趋势线性拟合结果如表1 所示.由表1可知，富春江水库近50 年来高温天数、高温热浪事件频次、高温热浪天数均呈现极显著增加，变化范围分别为5～54 d、1～8 次和4～50 d，线性斜率分别为3.7 d/(10 a)、0.59 次/(10 a)和3.7 d/(10 a).从起始和结束时间来看，高温天起始时间明显提前、结束时间明显推迟，但统计上不显著(见表1)；但高温热浪天起始时间则显著提前、结束时间显著推迟，反映高温天和高温热浪天持续时间在显著延长(见表1).近50 年高温热浪起始时间最早出现在2018 年5 月14日(35.7 ℃)，最迟出现1997 年7 月27 日(35.1 ℃)，而高温热浪结束时间最早出现在1972 年7 月10 日(37.2 ℃)，最迟出现在2005 年9 月21 日(37.6 ℃)，最早和最迟时间均相差2 个多月，反映高温热浪频次和强度等存在较大年际变化.观测结果与国内其他地区的研究结果比较类似[45-47]，证实了全球高温热浪事件频次和强度在普遍显著增加的观测事实.

表1 富春江水库桐庐气象站1972—2020 年高温天数及高温热浪事件长期变化趋势(n=49)Table 1 Long term trend of heat day and heat waves events at Tonglu meteorological station around Fuchunjiang Reservoir from 1972 to 2020 by linear fitting (n=49)

2.3 2016 年夏季高温热浪变化特征

2016 年共发生5 次高温热浪事件，分别是6 月21−24 日、7 月12−15 日、7 月20 日−8 月2 日、8 月6−8 日和8 月12−22 日.其中有2 次高温热浪事件持续时间非常长，均超过10 d〔见图3(a)〕，逐日最高气温最大值分别为7 月27 日的40.3 ℃和8 月19 日的39.6 ℃，平均值分别为38.9 和37.2 ℃.另外，2016 年桐庐站共观测到高温天数42 d，高温热浪天数36 d.与其他年份相比，2016 年高温热浪事件频次，高温和高温热浪天数均是近50 年较多的，但低于2003 年和2013 年，当时全国普遍遭遇罕见高温热浪天气，其中华东地区是高温热浪的重灾区[11,48].另外，2016 年年最低气温和年平均气温分别达到14.70 和18.13 ℃，均是近50 年来最高(见图2)，反映2016 年富春江水库经历了非常典型的高温热浪年.分析气温和高频浮标站水温逐日观测数据，发现二者存在极显著线性相关(R2=0.72,P<0.001,n=365)，35 ℃最高气温对应水温在27 ℃左右.逐日水温结果显示，5 次高温热浪对应3 次非常明显的连续高水温观测，6 月21−24 日高温热浪对应22−25 日高水温观测结果，最高水温达30.5 ℃，7 月12−15 日高温热浪由于气温不是非常高、持续时间短，因此并没有出现持续的高水温过程.7 月20 日−8 月2 日以及8 月6−8 日两次高温热浪造成7 月25 日−8 月14 日水温长期在27 ℃以上，而8 月12−22 日高温热浪造成8 月16−28 日水温持续在27 ℃以上，最高水温达30.5 ℃〔见图3(b)〕.

图3 2016 年桐庐气象站最高气温逐日变化和严陵坞高频浮标站12:00 水温逐日变化与高温热浪事件对应的时间Fig.3 Daily maximum air temperature at Tonglu meteorological station and water temperature at 12:00 at Yanlingwu high frequency buoy station in 2016,and the occurrence date of heat waves events

2.4 高温热浪对藻类水华影响的因果分析

由于气温与水温之间普遍存在非常好的对应关系[49]，全球变暖背景下气温上升和高温热浪事件的增加自然也造成湖库水温的上升和湖泊热浪事件的增加[50].水温直接决定了浮游植物生长和藻类水华的暴发，2016 年8 月12−22 日富春江水库经历了一次较长时间的高温热浪过程，期间最高气温和水温平均值分别为37.2 和28.9 ℃，而8 月14−25 日富春江水库开展了叶绿素a 浓度逐日观测，恰好可以分析高温热浪对浮游植物生长和藻类水华的影响.从8 月12 日高温热浪开始，最高气温从35.7 ℃升至19 日的39.6 ℃，之后开始呈现下降趋势，至8 月22 日高温热浪结束，对应的最高气温为36.5 ℃，在经历了8 月23 日最高气温为33.8 ℃后于24 日、25 日又分别升至36.6 和36.8 ℃，在这期间除了8 月15 日水温为26.4 ℃外，其他时间水温均明显高于27 ℃，最高值出现在8 月20 日，为30.5 ℃(见图4).浮游植物叶绿素a 浓度则从8 月14 日的(30.6±2.9) μg/L 升至19 日的(65.3±21.3)μg/L(最高值)，之后降至26 日的(37.0±17.3) μg/L(见图4)，叶绿素a 浓度变化过程与高温热浪发展过程高度吻合.统计分析显示，日最高气温与叶绿素a 浓度呈正相关但不显著(R2=0.19，P=0.16)，但日均水温与叶绿素a 浓度则呈显著正相关(R2=0.57，P<0.005)，由此说明高温热浪诱发了一次典型的藻类水华过程.基于8 月22 日子胥、冷水和富春江大坝3 个站点浮游植物群落结构鉴定，蓝藻占比在97.5%以上[33]，属于典型的蓝藻水华过程.

图4 2016 年8 月14−25 日高温热浪期间富春江库区叶绿素a 浓度、最高气温、12：00 水温逐日变化Fig.4 Daily variations of maximum air temperature,water temperature and chlorophyll a concentration derived from 5 sites in Fuchunjiang Reservoir during the heat waves period from August 14th to 25th,2016

为进一步验证高温热浪对藻类水华的影响，笔者分析了高温热浪后的8 月28 日Landsat OLI 影像遥感反演得到的叶绿素a 浓度空间分布(见图5).由图5可知，高温热浪后的8 月28 日主库区(梅城−大坝出口)出现明显藻类水华，从原始影像中肉眼都能判识出岸边明显的藻华漂浮堆积，遥感提取叶绿素a 浓度平均值高达14.7 μg/L，三江口等近岸水域叶绿素a浓度在20 μg/L 以上.尽管没有统一叶绿素a 浓度阈值用以判别藻类水华的形成，对于相对比较清澈的水体，当叶绿素a 浓度大于10 μg/L 时一般被认为开始出现藻类水华[51]，对于浑浊的富营养化浅水湖泊太湖，根据蓝藻水华卫星遥感监测和同步叶绿素a 浓度测定发现，当叶绿素a 浓度达到30 μg/L，从时卫星影像上能观测到明显表面水华[52].对于叶绿素a 浓度大于20 μg/L 的富春江水库近岸水域，从卫星遥感上可以观测到较为明显的藻类水华.但与8 月13−25 日实测的叶绿素a 浓度相比，遥感观测到的结果有些偏低.究其原因可能是：①由于利用上游千岛湖的叶绿素a 遥感反演算法带来低估，而28 日不属于此次藻类水华峰值，8 月26 日后气温快速回落到32.0 ℃左右，并且观测到零星降雨，日降水量为0.2 mm，而8月28 日风速也较大，日均风速为2.5 m/s，明显高于12−22 日高温热浪期间的平均风速(1.93 m/s)，风速增加会破坏藻类水华在表层水体漂浮聚集[53]；②遥感观测到的是整个库区的平均值，而实测点往往是岸边临近站点，藻类水华容易在岸边堆积，致使8 月28日Landsat OLI 影像观测到的整个库区平均叶绿素a浓度明显低于站点实测值.

图5 2016 年8 月28 日富春江水库主库区Landsat OLI 影像及其反演得到的叶绿素a 浓度空间分布Fig.5 Landsat OLI image and spatial distribution of chlorophyll a concentration in Fuchunjiang Reservoir derived from Landsat OLI image on August 28th,2016

2.5 高温热浪对藻类水华形成的潜在影响机制

尽管许多研究已表明，气候变暖会造成浮游植物物候提前，蓝藻等有害藻类水华加剧[17-19,30]，但关于高温热浪对藻类水华直接影响的证据并不多，内在的影响机制也不甚明了.2003 年欧洲高温热浪期间，荷兰小型深水湖泊Nieuwe Meer 湖(面积1.3 km2、平均水深18 m、最大水深30 m)试验和模拟结果显示，夏季8 月中旬高温热浪促进了微囊藻蓝藻水华的快速形成[20]，与我国富春江水库的观测结果高度契合，提供了高温热浪促进藻类水华形成的直接证据.我国富春江水库平均水深在8.0 m 左右，最大水深在20 m 以上，与荷兰Nieuwe Meer 湖一样是一个夏季存在热力分层的深水湖库，2016 年藻类水华也主要以微囊藻蓝藻水华为主，占比超过90%[33].

高温热浪对藻类水华的影响包括直接影响和间接影响，其作用机制主要通过影响营养盐利用，促进湖泊增温、改变热力分层结构、减少降水、增加光照利用率、降低风速等进而有利于藻类复苏、快速生长和表面水华聚集[19-21,50,54-56].海洋和淡水生态系统研究均表明，高温热浪对浮游植物生长和藻类水华的影响很大程度上取决于水体营养盐水平，对于贫营养深水水体高温热浪的影响较小甚至由于热力分层加剧不利于浮游植物形成和聚集，而对于中富营养水体高温热浪会明显加剧藻类水华的形成[20-21,54].富春江水库2015年总氮和总磷浓度年均值分别在2.0 和0.08 mg/L 以上，2016 年高温热浪期间库区总氮和总磷浓度分别为2.87 和0.125 mg/L[33]，仍处于较高水平，明显高于藻类水华发生的营养盐阈值[57]，因此高温热浪对浮游植物生长和藻华形成不受营养盐限制.8 月12−22日高温热浪期间最高气温和最高水温分别为37.2 和28.8 ℃，这非常有利于微囊藻生长并形成水华，因为在水温28 ℃左右，微囊藻最高比生长率明显高于硅藻和绿藻[20]，高温直接促进了微囊藻的生长和累积.加之高温热浪期间没有降水，风速也较低，8 月12−22 日平均风速只有1.93 m/s，低于邻近非高温热浪期间同样没有降水的8 月26 日−9 月4 日(2.16 m/s).已有研究表明，低风速也会明显促进浮游植物生长和藻类水华形成[20,53]，太湖平均风速低于2.5 m/s时容易造成蓝藻水华漂浮聚集和湖泛的形成[29].因此，低风速、无降水等气象条件都会直接或间接影响到浮游植物生长和藻类水华的形成.除此之外，夏季高温热浪会加剧深水湖库热力分层，显著促进中富营养水体浮游植物生物量累积和藻类水华的形成[17,19,54].尽管藻华暴发过程中没有在富春江水库开展水温垂直剖面测定和热力分层的计算，但富春江水库上游千岛湖2016 年逐日高频水温垂直剖面观测显示，7−8月热力分层最强，温跃层深度发生在5.0 m左右[58]，因此可以推断富春江水库也会存在明显的热力分层，热力分层阻碍了表层和下层水体的垂直交换，致使浮游植物和蓝藻水华在表层聚集[59].尽管叶绿素a 逐日观测和遥感反演数据给出了夏季高温热浪对藻类水华影响的直接证据，但该研究更多的是回顾性因果分析，缺少针对高温热浪与藻类水华关联过程的周密试验设计，叶绿素a 监测也并没有覆盖住藻华形成、发展和消退的整个周期，因此在驱动机制揭示方面仍存在欠缺.

鉴于未来全球变化背景下高温热浪出现频次、强度和持续时间都将继续增加，其不可避免对水生生态系统结构、功能和服务价值产生诸多不利影响[14,60-61]，如在富营养化较为严重的太湖，夏季高温热浪还会造成藻类水华快速分解，形成藻源性湖泛和厌氧环境，造成鱼类死亡和生态系统破坏[29,62-63].因此未来需要开展更多连续高频同步监测、受控试验和模型模拟研究，深入揭示高温热浪对藻类水华形成、水生植被退化、冷水性鱼类受损和生物多样性丧失等的驱动机制.此外，高温热浪作为是一种极端气象灾害，在我国乃至全球都积累了长时间序列气象观测和气候模式模拟数据，可以建立高温热浪与浮游植物生长、生物量累积和藻类水华形成间的关系，利用长期气象观测和气候模拟数据来探讨过去、现在和未来高温热浪对藻类水华形成和淡水生态系统演化的影响过程和机制，提出应对气候变化的适应性对策.

3 结论

a) 受全球气候变化影响，富春江水库气温呈现显著增温趋势，近50 年来平均气温增温率为0.35 ℃/(10 a)，相伴随的高温天数、高温热浪事件和高温热浪天数也显著增加，反映高温热浪频次和强度在持续增加.2016 年出现5 次高温热浪，高温和高温热浪天数分别达42 和36 d，年均气温达到近50 年最高值(18.13 ℃).

b) 8 月14 日−22 日高温热浪事件过程中观测到明显藻类水华过程，叶绿素a 浓度从(30.6±2.9)μg/L 增至(65.3±21.3) μg/L，再降至(37.0±14.3) μg/L.Landsat 卫星影像也观测到明显藻类水华，高温热浪后的8 月28 日主库区叶绿素a 浓度平均值高达14.7 μg/L.

c) 高温热浪引起的气温和水温升高、风速降低和降水缺失、热力分层强化等共同诱发和促进了浮游植物生长、生物量累积和藻类水华的形成与发展.研究结果揭示了高温热浪可以引发显著的藻类水华过程，预示全球气候变暖影响下高温热浪出现频次和强度的增加会继续加剧湖库藻类水华及其灾害.