淺水湖泊更易富營(yíng)養化，并非偶然
Highlights
·水深特征與流域人類(lèi)活動(dòng)強度和湖泊富營(yíng)養化之間存在內在聯(lián)系
·揭示了不同水深特征湖泊所面臨的富營(yíng)養化風(fēng)險不同
·詮釋了淺水湖泊易富營(yíng)養化且難于治理的原因
·澄清了富營(yíng)養化淺水湖泊的治理往往比我們預想的要困難
圖1 湖泊水深特征與富營(yíng)養化之間的關(guān)系示意圖。從湖泊外源氮磷負荷來(lái)看，淺水湖泊（特別是大型淺水湖泊）一般分布于平原和低地地區，這些區域土壤肥沃、農業(yè)發(fā)達、人口眾多和城市環(huán)繞，一定程度上決定了該區域湖泊外源氮磷負荷高；相反，深水湖泊主要分布于高原和山地地區，這些地區土壤貧瘠、人口稀少，流域土地主要以自然狀態(tài)為主，導致深水湖泊氮磷外源負荷往往較低，不易富營(yíng)養化。同時(shí)，與深水湖泊相比，淺水湖泊的容積（蓄水量）較小，環(huán)境容量較小且對外源輸入營(yíng)養鹽的稀釋能力較弱，導致對人為活動(dòng)更為敏感。此外，在淺水湖泊中，水-沉積物相互作用更為普遍，沉積物中營(yíng)養鹽和生物可以懸浮和釋放，從而有助于提高湖泊生產(chǎn)力?？傮w而言，淺水湖泊易富營(yíng)養化且難治理不是偶然，富營(yíng)養化淺水湖泊的治理往往比我們預想的要困難。
富營(yíng)養化和有害藻類(lèi)水華是現在和未來(lái)一段時(shí)間全球湖庫面臨的主要環(huán)境問(wèn)題。盡管已投入了大量資源用于控制湖庫富營(yíng)養化和水華，但許多大型湖庫藻類(lèi)水華并沒(méi)有得到有效控制，如太湖、巢湖和美國的奧基喬比湖和伊利湖；甚至一些已修復的湖泊又重新出現藻類(lèi)水華。值得深思，為什么富營(yíng)養化基本發(fā)生在淺水湖泊或湖灣且難于治理？目前國際湖沼學(xué)主要是基于深水湖泊的認知，而關(guān)于淺水湖泊湖沼學(xué)的發(fā)展較之仍然有限。湖泊水深特征作為湖泊重要的基礎條件對湖泊流域氮磷負荷（土地利用類(lèi)型、人口、經(jīng)濟等）和湖泊內氮磷循環(huán)過(guò)程具有關(guān)鍵影響。盡管關(guān)于湖泊富營(yíng)養化已有大量的研究，而大部分研究主要集中在人類(lèi)活動(dòng)、內源和水文氣象條件等單獨對湖泊富營(yíng)養化和水華的影響，忽視了湖泊地理特征與上述因子之間的內在聯(lián)系及其分異機制，使得對湖泊富營(yíng)養化缺乏科學(xué)全面的認知。
圖2 美國（a）和歐洲（b）1151個(gè)湖泊的分布圖
在國家自然科學(xué)基金創(chuàng )新研究群體項目和重大項目等的聯(lián)合資助下，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所科研團隊收集整理了美國和歐洲1151個(gè)湖泊（圖2）的地理形態(tài)特征、營(yíng)養狀態(tài)、流域土地利用類(lèi)型和生態(tài)區等相關(guān)數據，研究發(fā)現湖泊水深特征與人類(lèi)活動(dòng)強度和富營(yíng)養化之間存在內在關(guān)系（表1和圖3）。根據湖泊起源和流域地形，淺水湖泊往往位于受人類(lèi)活動(dòng)影響強烈（農業(yè)和城市）的平原和低地地區，大量的氮磷等污染物排放，使得湖泊外源負荷高，易富營(yíng)養化和暴發(fā)藻類(lèi)水華（圖1）。然而，深水湖泊一般位于以自然土地利用類(lèi)型（如森林和草地等）為主的山地和高原，人類(lèi)活動(dòng)影響較弱，湖泊外源氮磷輸入較少（圖1）。同時(shí)，與淺水湖泊相比，深水湖泊通常容積更大，其環(huán)境容量更大，能更好的緩沖、稀釋和沉降輸入的氮磷營(yíng)養鹽（圖1）。此外，淺水湖泊的內源營(yíng)養鹽（特別是磷）可以在水動(dòng)力作用下懸浮和釋放到水柱中，而在深水湖泊中氮磷很難被再次利用，往往沉積在湖底（圖1）。
表1 湖泊水深、生態(tài)區、流域土地利用類(lèi)型和營(yíng)養狀態(tài)之間的 Pearson 卡方檢驗和 Cramer’s V系數（*** P < 0.001）
圖3 湖泊水深、生態(tài)區、流域土地利用類(lèi)型和營(yíng)養狀態(tài)之間的關(guān)系。a，基于湖泊最大水深、生態(tài)區、流域土地利用類(lèi)型、營(yíng)養狀態(tài)運用決策樹(shù)熱圖分析不同營(yíng)養水平湖泊的水深閾值。b，淺水湖泊（≤13.8 m）和深水湖泊（> 13.8 m）在不同生態(tài)區、流域土地利用類(lèi)型和營(yíng)養狀態(tài)的分布情況。
湖泊作為人類(lèi)經(jīng)濟社會(huì )活動(dòng)的組成部分，它們是一個(gè)有機整體。不同水深特征湖泊所面臨的富營(yíng)養化風(fēng)險不同，淺水湖泊的地理特征一定程度上決定了其面臨更高的外在和內在的富營(yíng)養化風(fēng)險。因此，淺水湖泊易富營(yíng)養化且難治理不是偶然，富營(yíng)養化治理和保護應該重點(diǎn)關(guān)注淺水湖泊，且富營(yíng)養化淺水湖泊的治理往往比我們預想的要困難。
本研究有助于澄清為什么富營(yíng)養化湖泊治理成功案例大部分都發(fā)生在深水湖泊（Schindler et al., EST, 2016）?為什么投入了大量的資源用于一些重點(diǎn)大型淺水富營(yíng)養化湖泊（如太湖、巢湖、奧基喬比湖和伊利湖等）的治理卻并未取得預期的效果，甚至一些湖泊的水質(zhì)反而有所下降。本研究有助于調整大家對于淺水富營(yíng)養化湖泊治理和保護的預期，認識到盡管富營(yíng)養化淺水湖泊的恢復速度較慢，但持續的投入和治理是其恢復的基本保障。
引用：Jian Zhou, Peter R. Leavitt, Yibo Zhang, Boqiang Qin. Anthropogenic eutrophication of shallow lakes: Is it occasional? Water Research, 2022, 118728, https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118728.
全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135422006819