《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Impacts of rainfall runoff on algal community in a humid region reservoir riverine zone
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降雨径流强度对藻类群落的影响及驱动机制研究。基于2018-2019年新安江水库高频监测数据，发现当入库流量超过300-500 m3/s时，河流区藻类生长显著抑制，效应持续6天。光热环境尤其是汛期降雨后，较营养因素更能驱动藻类群落变化。路径分析与相关性分析表明，降雨径流通过直接稀释效应和混合扰动，以及间接改变光热条件和营养浓度，共同影响藻类群落演变。量化了不同降雨径流强度下藻类群落动态与环境因子的关联，为亚热带湿润区分层水库富营养化防控提供依据。
李存利|杨淼|尤爱菊|朱光伟|张平|郑桥西|朱梦媛|涂林星|张红青|傅磊|王斌|胡金文|李翔|余发康
浙江水利与河口研究所（浙江海洋规划与设计研究院），中国浙江省杭州市，310000
摘要
由于气候变化和人类活动的影响，水库中藻类水华的扩张对供水安全构成了日益严重的威胁。尽管降雨径流模式的改变是重要的气候放大因素，但藻类群落对不同降雨径流强度的响应过程仍不甚明了，尤其是在分层水库中。为了阐明改变的水文过程如何驱动藻类群落的变化，我们于2018年至2019年期间在位于中国湿润地区的新安江水库进行了高频（每3天一次）的水文、营养物质和藻类监测，监测方法包括人工采样和自动浮标数据收集。研究结果表明，降雨径流对藻类群落的影响与其强度密切相关。当入流量超过300~500立方米/秒时，会显著抑制河流区域的藻类生长，这种抑制作用可持续长达6天。与营养因素相比，光热环境条件在驱动藻类群落变化中起着更重要的作用，尤其是在洪水季节的降雨之后。路径分析和相关性分析进一步表明，降雨径流不仅通过高流量引起的稀释和脉冲效应直接影响藻类群落的动态，还通过改变光热条件和营养浓度间接影响藻类变化。我们的研究量化了在不同降雨径流过程中的藻类群落动态及其与环境因素之间的关系，有助于我们更好地理解在未来气候变化背景下保护水库饮用水安全的藻类水华驱动机制。
引言
作为重要的淡水资源储存库，水库不仅具有保障饮用水供应、防洪和抗旱的功能，还在维护生态环境安全方面发挥着极其重要的作用[1]。然而，在可持续人类活动和全球气候变化的双重压力下，水库中的生态和环境问题日益突出，藻类水华的频率、强度和持续时间持续加剧[2]。作为河流与水库区域之间的水文连接带，河流区域是接收上游营养物质并将其输送到水库的枢纽[3]。同时，该区域也是营养浓度、水力停留时间、热分层和光合作用带等环境因素对水文气象过程最为敏感的区域[4]。河流区域的藻类群落对环境因素的变化表现出复杂而快速的响应，尤其是优势藻类的爆发性增殖[5]。这不仅使得河流区域成为主要水库区域浮游植物群落结构突然变化的来源，还为水库中大规模藻类水华的发生创造了有利条件[6][7]。河流区域的独特形态特征及其环境因素的高变异性，导致即使在整体水质良好的情况下，水库中也可能突然发生藻类水华。因此，识别水库河流区域藻类动态的关键驱动因素并制定针对性的缓解策略是保障水质安全的首要前提。
水生生态系统中的藻类生长受到多种因素的限制，如营养水平[8][9][10]、光照可用性[12]和热环境[13][14]。然而，即使在同一水库内，藻类动态的关键驱动因素也会随着水文气象条件和营养水平的季节性变化而显著变化[15][16][17]。例如，在兴林湾水库，蓝藻生物量的变化在温暖季节受降雨、气温和总磷的影响，而在凉爽季节则受日照时间的影响（Luo等人，2022年）。此外，在Chaobai河进行的五次连续监测活动显示，在降雨事件期间，控制叶绿素变化的因素从水温及硝酸盐氮转变为降雨前后的水温及总氮[18]。识别不同季节（尤其是在藻类易发期）水生生态系统（如水库）中藻类动态的驱动因素，并采取针对性措施，是预防藻类水华发生的前提。然而，迄今为止，针对藻类易发期藻类群落关键驱动因素的研究仍然较少，这阻碍了从因果角度制定有效的藻类控制策略的发展和实施。
先前的研究表明，人类活动的持续加剧放大了极端水文气象事件对水库藻类群落的影响，这是藻类水华频率和强度稳步增加的关键控制因素[19][20][21]。降雨径流是影响深水水库生态系统发展的重要水文气象现象之一[22][23]。气候变化正在改变全球降雨模式，降雨特征（包括强度、频率和持续时间）的变化不可避免地影响水库中的营养动态和垂直混合机制，从而导致浮游植物群落的变化[24][25]。低强度降雨径流可能通过提高营养物质含量促进藻类生物量的增加，但由于径流生成、汇流和河流流入带来的营养物质通量有限，这些营养物质无法维持藻类的长期生长[26]。相比之下，暴雨径流通过脉冲干扰、稀释和遮光效应抑制藻类水华的形成，而其中携带的营养物质为后续藻类生长提供了基础[3][27]。总体而言，以往的研究主要关注整个水库系统，并在月度和季节尺度上揭示了不同降雨强度对水库藻类群落的影响具有高度复杂性和多样性[5][28]。然而，由于监测频率的限制，藻类群落在易发区域对不同降雨强度的动态响应特征和驱动路径仍很大程度上不清楚。
新安江水库是中国长江三角洲地区重要的饮用水资源[29]。自20世纪90年代以来，该水库的河流区域和部分海湾已经出现水质问题和短期藻类水华[30]。最近的研究表明，降雨径流对新安江水库河流区域的氮、磷[31]和光热环境[32]有强烈的扰动作用，这可能进一步影响藻类群落的稳定性和藻类水华的发生与消亡[27]。然而，导致河流区域藻类水华高易感性的主要驱动因素仍不够清楚。至关重要的是，降雨径流事件调节藻类群落演替的途径和机制尚未完全阐明。这一知识空白严重阻碍了在这一关键水文生态过渡带制定有效抑制藻类水华策略的发展。
因此，本研究结合了高频人工监测和高频传感器观测的方法，获取新安江水库河流区域的每日水文气象和水温数据，以及每3天一次的水质和藻类群落数据。研究目标包括：（1）阐明藻类群落对不同强度降雨径流脉冲的响应特征；（2）识别藻类易发期水文条件下藻类群落的关键影响因素；（3）揭示降雨径流驱动的藻类群落变化路径并阐明其潜在机制。最后，本研究确定了控制河流区域藻类水华爆发的入流阈值和光热环境因素阈值。这些发现为亚热带湿润地区分层水库中藻类易发区的管理提供了科学参考。我们假设：（1）降雨径流对藻类群落的影响程度与其强度相关；（2）降雨径流通过直接和间接途径影响藻类群落。
研究区域
新安江水库（北纬29°11'~30°02'，东经118°34'~119°15'）位于中国东部的一个丘陵地带[33]。这是一个狭长的水库，拥有许多岛屿和小海湾，最大长度和宽度分别为150公里和50公里。新安江水库的表面积为580平方公里，平均深度为34米，最大深度为100米，设计水位为108米时的总蓄水量为178×10^8立方米。水面温度范围为9℃
降水量和入流量的时间变化
图2显示了2018年至2019年间新安江水库的日降水量和日入流量。研究期间共观测到330次轻雨、67次中雨、14次大雨和10次暴雨。最大日降水量为150.2毫米，洪水季节（4月至8月）的总降水量为1543.3毫米，占年降水总量的58%。日入流量范围为20.5-4333.3立方米/秒，平均值为226.5±289.5立方米/秒
降雨径流前后藻类变化的驱动因素
一般来说，营养浓度[44]、光照可用性[12][45]、水温[13]和水文气象因素[46][47][48]是影响水生生态系统中藻类繁殖的主要因素。然而，不同季节或不同水文条件下影响藻类变化的因素各不相同[49]。氮和磷是藻类光合作用和有机合成的物质基础，也是影响藻类演替的重要因素
结论
降雨径流对藻类生长具有一定的抑制作用，高强度的降雨径流会导致藻类群落的显著变化。此外，藻类群落在降雨径流影响下的变化主要由光照和热环境因素驱动。藻类的变化受到降雨径流的直接和间接效应的影响，直接效应包括高流量期间的总生物量稀释和混合扰动效应
未引用的参考文献
[77]
CRediT作者贡献声明
李存利：撰写原始稿件、监督、方法论设计、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了浙江省基本公共服务研究计划（LZJWZ22C030002）、国家自然科学基金（编号41830757、42077161）、浙江省科技项目（编号2022C02038）、浙江省自然科学基金（LTGS23E090003）、浙江省自然科学基金（LQ24C030005）以及浙江省科技项目（编号RC2423）的共同资助。
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