题目：《Climate–nutrient–morphology interactions drive algal blooms in  Chinese lakes》

气候-营养盐-形态特征互作驱动中国湖泊藻类水华发生

摘要

1. 研究范围与数据：利用1985年至2019年多源数据，分析了中国165个湖泊的藻华时空格局与驱动机制，数据涵盖藻华发生频率、湖表水温、营养状态及湖泊形态等。

2. 藻华时空分布特征：35°N以北湖泊藻华平均发生频率为7.42%，高于以南湖泊的7.11%，表明藻华在低温环境中仍具有较高适应性。

3. 水温与藻华动态关系：在Δ1时段（2000–2010 vs. 1985–1999），72.7%的湖泊呈现湖表水温与藻华频率同步上升；Δ2时段（2011–2019 vs. 2000–2010），该比例降至52.1%，同时出现24.8%的湖泊水温下降但藻华增加的现象。

4. 形态对藻华的调节作用：大型深水湖泊（如C2类）在相似水温与营养条件下藻华频率较低，其面积、体积均显著大于高频藻华湖泊（C1类），效应值显示面积（d = -0.35）与体积（d = -0.25）是区分两类湖泊的关键形态因子。

5.藻华物候提前与驱动机制：2004–2020年间，93个湖泊中57个出现藻华季节提前，其中56.6%的提前事件伴随湖表水温升高；随机森林模型表明，农业施肥（N、P）、降水、湖表水温及湖泊形态是影响藻华的主要因子，且水温的作用在浅水湖泊中更为突出。

引言

1. 藻华危害严重性

全球大型湖泊藻华爆发频率近20年增长约50%，最大爆发面积达3.13×10⁵ km²，严重威胁水生生态系统、饮用水安全及人类健康，并引发藻毒素释放与溶解氧消耗等次生生态灾害。

2. 藻华的主要驱动因素

藻华是营养富集与气候变暖跨尺度协同作用的结果，农业与城市化导致氮、磷等营养盐过量输入，气候变暖则通过升高水温、加速藻类生长、延长生长期等多途径提高藻华风险。

3. 营养控制策略的局限性

尽管许多地区已实施以削减外源营养盐为主的管理策略，但藻华仍频发，表明气候变暖可能削弱传统营养控制措施的效果，需深入理解气候与营养的交互作用。

4. 湖泊形态的调节作用

湖泊形态特征（如平均水深、面积）通过影响水温分层、内源营养释放等过程，显著调节湖泊对气候与营养胁迫的响应，导致不同湖泊对相似胁迫的响应差异。

5. 研究核心问题

研究重点围绕三个问题展开：湖泊形态如何调节气候变化对藻华的影响；短期水温变化如何影响藻华发生时间；气候、营养与湖泊形态之间存在哪些非线性协同效应。

数据与方法

1. 数据来源与覆盖范围

研究使用全球湖泊藻华数据集，涵盖4128个湖泊（面积 > 0.1 km²）在1982–2019年间的爆发频率数据；中国湖泊藻华物候数据集包含103个湖泊，时间跨度为2003–2020年；湖表水温数据集覆盖2260个中国湖泊（1985–2022年）。

2. 营养与气象数据

使用中国湖泊营养状态指数（TSI）数据集，涵盖2693个湖泊（1984–2023年）。农业氮、磷施肥数据为全球0.5°网格数据，气象数据来自ERA5-Land再分析数据，包括太阳辐射、风速和降水。

3. 湖泊形态数据

湖泊形态特征（面积、体积、平均水深）来源于HydroLAKES全球数据库，覆盖所有面积 ≥ 0.1 km²的湖泊。

4. 湖泊样本筛选与时间窗口

通过空间一致性筛选，最终确定165个中国湖泊作为研究对象，时间窗口设定为1985–2019年，以确保藻华、水温与营养数据的时间重叠。

5. 分析方法概述

采用时空分析、层次聚类、随机森林回归等方法，研究藻华频率与水温的时空变化、湖泊分类、藻华物候提前与水温的关系，以及气候、营养与形态因子对藻华的驱动机制。

结果

藻华发生与水温的时空变化

1.南北差异：35°N以北湖泊藻华平均发生率为7.42%（平均水温19.63°C），以南为7.11%（平均水温26.44°C），表明藻华在低温湖泊中仍具高发性。

2.协同变化趋势：Δ₁时期（2000–2010 vs. 1985–1999）72.7%的湖泊呈现水温与藻华同步增加；Δ₂时期（2011–2019 vs. 2000–2010）该比例降至52.1%，同时出现24.8%湖泊水温下降但藻华增加的模式。

图1.165个湖泊的湖面温度（LSWT）与藻华发生频率空间分布（柱状图显示总体平均值，黑线表示平均值范围）。

图2. 藻华强度与湖面水温的时空分布动态。(a, b: Δ1与Δ2的差值计算结果；c, d: Δ1与Δ2不同变化模式的占比统计；e: Δ2相对于Δ1的变化统计。a、b图中的符号共变模式：“++”表示湖面水温升高/藻华增强，“+-”表示湖面水温升高/藻华减弱，“-+”表示湖面水温降低/藻华增强，“--”表示湖面水温降低/藻华减弱。)

水温与营养双重胁迫下的藻华爆发

1.总体趋势：更高水温与更高营养状态指数通常对应更高藻华频率，但在部分高水温/高营养类别中藻华频率较低，其对应湖泊面积与体积更大。

2.聚类结果：C₂类湖泊（中低藻华频率）在水温与营养水平与C₁类（高藻华频率）相似的情况下，藻华频率显著更低，形态上具有更大面积（效应值d=-0.35）和体积（d=-0.25），表明大型深水湖泊具有缓冲作用。

图3. 不同时期（T1–T3）藻华发生率随湖面水温与富营养化指数的分布特征（a: 湖面水温；b: 富营养化指数。横轴表示湖面水温/富营养化指数的平均值，误差线代表标准差。各柱状图上方的红色数值标注为藻华强度的平均值。）

图4. 基于湖面水温-藻华强度-富营养化指数的湖泊聚类结果及其形态特征分析（a：聚类结果的空间分布特征（叠加湖泊面积、容积与深度信息：不同填充样式代表C1、C2、C3类湖泊；点透明度表示湖泊容积分级；点大小反映湖泊面积分级；点颜色体现平均水深变化）。b：各类群湖面水温、富营养化指数与藻华强度的误差条形图（平均值±1倍标准差），误差线表示组内变异，实心点代表组均值。c：形态参数效应量对比（负值表示C1类湖泊低于C2类）。

湖泊变暖驱动藻华发生时间提前

1.季节性提前：在93个湖泊中，57个出现藻华季节提前，共记录454次提前事件，其中56.6%伴随同期水温升高，21.0%的湖泊提前事件与水温升高完全同步。

2.月度提前：81个湖泊出现月度提前，共700次事件，其中55.6%伴随水温升高，14.8%的湖泊完全同步。

图5. 藻华发生时间提前与湖面水温升高的同步变化关系（a：呈现藻华季节提前且伴随水温升高的湖泊比例（n = 93）。b：呈现藻华月份提前且伴随水温升高的湖泊比例（n = 93）。饼状图展示藻华提前事件中伴随湖面水温升高（↑）与未升高情况的比例构成）。

藻华爆发的驱动因子分析

1.因子重要性：农业施肥、降水、太阳辐射、风速及水温共同影响藻华，其中营养因子贡献度持续较高，且水温重要性随时间逐渐上升。

2.水深调节作用：浅水湖泊中水温的贡献度在所有时期均高于深水湖泊，表明湖泊深度调节了水温与藻华动态的关系。

3.交互作用：升温与高施肥存在协同促进作用；而湖泊平均水深与体积的增加可在一定程度上抑制藻华爆发，尤其是在高水温、高施肥条件下。

图6. 三个时期湖泊特征SHAP重要性蜂群图与特征重要性对比（a、b、c：T1、T2、T3时期的特征SHAP分布；d、g：T1时期深水湖与浅水湖的SHAP值量级分布；e、h：T2时期深水湖与浅水湖的SHAP值量级分布；f、i：T3时期深水湖与浅水湖的SHAP值量级分布，其中FV表示归一化SHAP值量级；j：特征重要性量级对比）。

讨论

藻华的环境适应性：挑战“高温驱动”范式

1. 空间格局反转：研究发现位于35°N以北的较冷湖泊藻华平均频率为7.42%，略高于南部较暖湖泊的7.11%，表明低温并非藻华发生的限制因素。

2. 生理适应机制：部分蓝藻等藻类具备在中低温条件下生长繁殖的生理适应性，可在寒冷水体中持续形成水华。

3. 管理启示：这一发现修正了传统认知，提示在冷温带湖泊的水质管理中，需同等重视藻华风险防控。

协同驱动与形态调控：揭示湖泊响应差异的关键

1. 营养与温度的协同放大：在浅水湖泊中，水温升高与营养富集形成强协同效应，升温促进底泥内源营养释放，加剧富营养化正反馈。

2. 深水湖泊的形态缓冲：大型深水湖泊通过营养稀释、稳定热分层和光限制等物理机制，缓冲外部胁迫，显著抑制藻华发生。

3. 浅水湖泊的高敏感性：浅水湖泊热缓冲能力差，水体混合充分，营养循环快，导致其对气候变暖的响应更迅速、藻华风险更高。

物候变化、生态风险与管理转型

1. 物候提前的触发机制：短期水温升高是藻华季节与月份提前的关键诱因，其作用受营养条件和水体稳定性的共同调制。

2. 潜在的生态错配风险：藻华时间提前可能使其与浮游动物摄食高峰期错位，进而扰乱湖泊食物网结构与能量流动。

3. 管理策略的范式转变：传统单一营养盐控制策略在气候变暖背景下效果受限，未来需发展耦合气候-水文-生态-人为过程的模型，实施分区、精准的适应性管理。

研究局限性与未来方向

1. 空间代表性不足：165个研究湖泊主要分布于中国东部，结论向西部干旱区与高海拔湖泊的外推需谨慎。

2. 方法与数据局限：随机森林模型对极端情景的预测存在外推不确定性；SHAP方法在解析高维非线性交互作用时存在理论限制。

3. 未来研究方向：需融合高频原位监测与过程模型，深入揭示藻华对多因子胁迫的非线性响应机制，并量化自然与人为因子的交互效应。

结论

1. 湖泊形态的关键“开关”作用

研究证实湖泊形态不仅是调节者，更起到机制“开关”的作用，能够显著抑制藻华发生。大型深水湖泊通过面积、体积与深度等特征，有效缓冲了升温与富营养化的驱动效应。

2. 挑战传统“高温高营养”范式

研究发现，低温低营养湖泊同样存在显著藻华风险（如部分TSI仅26.0的寡营养湖泊平均藻华发生率接近13.01），这揭示了当前风险评估框架中存在关键盲区，并暗示了局地未量化驱动因子的影响。

3. 多因子交互作用的系统性认知

藻华爆发是气候变暖、营养富集与湖泊形态非线性协同作用的结果。形态的缓冲能力是核心，而富营养化与升温的影响在缺乏形态缓冲（如浅水湖泊）时最为严重。这为制定差异化、分区化的湖泊管理策略提供了科学依据。

文献来源

https://doi.org/10.1016/j.envres.2025.123430  

转自 宁夏河湖水生态环境科技创新团队微信公众号