《Water Research》：Multi-Component Dissolved Gas Dynamics as Early Warning Indicators for Algal Bloom Development in the Three Gorges Reservoir
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本研究以三峡水库彭溪河为对象，通过连续监测溶解气体（O?、CO?、N?、Ar及TDG），揭示阿尔冈-氧（Ar-O?）相关性、光合素比（PQ）峰值及总溶解气体（TDG）过饱和度三个动态指标可有效追踪有害藻华（HABs）的阶段性进展，其中PQ峰值阶段为最佳干预窗口，为动态水库系统的HABs防控提供新方法。
魏晨宇|李典|李浩|黄雅楠|郭晓娟|张浩|邓丹莉|刘德福|杨正建
中国武汉大学水资源工程与管理国家重点实验室，武汉430072
摘要
有害藻华（HABs）对全球淡水生态系统构成威胁，但可靠的早期预警指标仍难以确定，因为传统的营养盐和温度模型往往无法捕捉到藻类从正常生长到爆发性繁殖的代谢转变。本研究探讨了多组分溶解气体动态（O?、CO?、N?、Ar和TDG）作为新型早期预警指标的可能性，这些指标直接反映了藻类的生理活动，而非静态的环境条件，从而弥合了有利条件与藻华实际发生之间的差距。我们在2023至2024年间对中国三峡水库的彭溪河进行了连续的现场监测。研究结果发现了三个序贯的气体指标，能够反映藻华的发展过程。首先，氩氧（Ar-O?）相关性从正相关转变为负相关，表明环境条件已转变为有利于藻类生长的状态，此时光合作用产生的氧气超过了温度对溶解度的控制。其次，光合商（PQ）峰值超过1.5，表明在表面生物量显著增加之前，藻类已经在水下积累。第三，总溶解气体（TDG）饱和度超过105%，标志着一个生物物理临界点，此时微气泡的形成通过浮力作用加速了藻华的加剧。与静态环境参数不同，这些气体动态直接反映了藻类的生理活动和空间分布。尤为重要的是，PQ峰值阶段定义了最佳干预窗口，使得水库管理能够在藻类表面显现之前中断其水下积累和TDG驱动的进一步扩散。将这些溶解气体模式整合到现有框架中，可以弥合环境适宜性与藻华实际发生之间的差距。我们的基于机制的框架为在全球气候压力加剧的情况下，主动管理水库中的有害藻华提供了新的途径。
引言
有害藻华（HABs）对淡水生态系统构成重大威胁，这一威胁因营养盐富集、水文变化和气候变暖而加剧（Paerl等人，2011年；Wang等人，2012年）。在水库系统中，藻华在静止条件下会大量繁殖，影响水质和生态稳定性（Visser等人，2016年）。自2003年以来，作为长江上最大的水电站的三峡水库（TGR）的支流和海湾中，有害藻华的发生频率有所增加（Stone，2008年）。季节性水位波动、农业径流和滞留时间延长等因素促进了这些藻华的发生，夏季分层期间藻华最为严重（Xiang等人，2021年）。三峡水库支流中的有害藻华会造成严重危害：蓝藻毒素如微囊藻毒素会污染饮用水，而藻华通过有机物分解产生缺氧区域，导致鱼类死亡并破坏食物网（Paerl & Huisman，2008年）。
多项研究已经确定了有害藻华的主要驱动因素，包括营养盐水平（磷和氮）、水动力、水温和分层（Rousso等人，2020年），这些因素有助于阐明藻华形成机制并制定有针对性的缓解措施。总磷含量超过0.05 mg/L和温度超过20°C等阈值表明水库处于富营养化状态（Chorus & Bartram，1999年）。在三峡水库，结合水位动态和热分层的模拟结果指出了高风险的时段（Ji等人，2017年；Yang等人，2013年）。然而，这些指标仅代表了藻华发生的必要条件，但无法准确判断从缓慢生长到爆发性繁殖的转变过程——在这一过程中，叶绿素-a浓度会在几天内从<30 μg/L急剧上升至>200 μg/L（Elliott，2012年；Glibert等人，2014年）。这种不足源于环境适宜性与实际藻类代谢活动之间的脱节，导致预测结果不一致（Rigosi等人，2014年）。
为了克服这些限制，需要能够捕捉藻类生理活动的指标。溶解气体动态提供了这一关键能力，因为它们能够实时反映藻类的代谢特征、空间分布和生理状态转变——这些信息仅通过环境参数监测是无法获得的。作为初级生产者，藻类通过光合作用驱动生态系统代谢，产生的氧气对大气中的氧气含量有重要贡献（Del Giorgio & Duarte，2002年）。高光合速率会导致溶解氧（DO）饱和度超过100%，在藻类活动剧烈时，溶解氧浓度可达到400%（Solomon等人，2013年；Staehr等人，2010年）。受亨利定律支配，这种积累会通过气泡相关的共扩散或界面逃逸加速溶解氮（N?）的释放（Emerson等人，2008年；McGinnis等人，2006年）。当溶解氧超过临界阈值时，总溶解气体（TDG）饱和度升高，可能引发生态扰动，如鱼类气泡病或微生物群落变化（Chen等人，2025年）。
现有关于溶解气体的研究主要集中在大坝泄洪道操作期间TDG饱和度以及藻华周期中的氧-二氧化碳动态（Demars & D?rsch，2023年；Wang等人，2022年；Raymond等人，2013年）。然而，不同藻华阶段多种气体成分的时间变化及其与浮游植物群落的相互作用尚未得到充分研究。溶解气体作为藻华发生早期预警指标的潜力尚未得到足够重视。在动态水库系统中，这种差距尤为明显，因为强烈的物理-生化耦合（如热分层和侵入性密度流）会改变混合和传输过程，调节营养盐的可用性，并促进优势浮游植物群落的变化（Long等人，2019年；Yang等人，2018年；Yang等人，2022年）。
本研究在不同典型时期对三峡水库一个代表性海湾中的藻华发展进行了连续的现场监测，量化了溶解气体的变化（O?、CO?、N?、Ar和TDG）。分析结果揭示了气体对藻华发生和消退的响应模式，以及其与藻类生物量（如叶绿素-a）的相互作用，为预测模型和水库管理策略提供了新的指标，以减轻有害藻华的影响。
研究区域和监测设计
现场调查在三峡水库（TGR）中游的主要支流彭溪河（PXR）进行（图1）。三峡水库的水位受到调控，在防洪期间保持在海平面以上145米，在蓄水期间保持在175米，高阳采样点的水深约为15-25米。低水位期（4月至9月）和热分层为有害藻华的发生创造了有利条件
不同藻华阶段的水质变化
不同时间段的水质变化明显区分了易发生藻华的时期和不易发生藻华的时期（图2）。2023年10月，基线条件稳定，叶绿素-a含量较低（中位数：2 μg/L，范围：1-3 μg/L），温度较低（中位数：22.7°C，范围：22.5-23.0°C），总氮中位数1.5 mg/L（范围：0.9-1.7 mg/L），总磷中位数0.024 mg/L（范围：0.022-0.027 mg/L），电导率较低（中位数：397 μS/cm，范围：390-405 μS/cm），pH值接近中性（中位数：7.84，范围：7.78-7.90）。
2024年4月是一个过渡期
溶解气体指标直接反映超过环境阈值的藻华发展过程
三峡水库支流中的有害藻华通常发生在4月至9月期间，4月以甲藻为主，5月起蓝细菌逐渐占主导。大量研究表明，营养盐可用性、光照、温度、水动力和生物相互作用是影响藻华发生的因素（Chorus & Bartram，1999年）。在彭溪河，全年营养盐水平持续处于富营养化状态（总磷 >0.05 mg/L，总氮 1.2–2.8 mg/L）。在易发生藻华的时期，环境条件满足已建立的阈值：
CRediT作者贡献声明
魏晨宇：撰写初稿、验证、软件开发、调查、数据分析。李典：数据分析、概念化。李浩：调查、数据管理。黄雅楠：资金筹集、数据分析。郭晓娟：项目管理、资金筹集。张浩：验证、资金筹集。邓丹莉：软件开发、资金筹集。刘德福：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源协调。杨正建：方法论设计、资金支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：U25A20361、52409097、52309095、52509102、32401364）的支持。
