基于综合湖泊-流域模型评估意大利北部普西亞諾湖（Lake Pusiano）近期的营养级退化

《Aquatic Sciences》：The recent trophic decline of Lake Pusiano (Northern Italy) assessed by integrated lake-catchment modelling

　　

气候变化正通过稳定的水体变暖以及日益频繁、持续时间更长、强度更大的干旱与热浪极端事件改变湖泊生态系统的状态（Schmidt stability index, 施密特稳定指数）。这些极端事件，尤其在同时发生时，对中等深度湖泊产生显著影响，引发严重的分层期并导致底层急性缺氧（bottom anoxia, 底层缺氧）。此类条件显著促进沉积物中磷（phosphorus, P）的释放。此外，缺氧体积（anoxic volume, 缺氧水体体积）可从中央盆地扩展至沿岸带（littoral zones, 沿岸区域），增加参与释放的沉积物面积，从而增强内源营养盐负荷（internal nutrient loading, 内源营养盐负荷）。这促进了全年持续的蓝藻水华（cyanobacterial blooms, 蓝藻水华），并受到气候变暖所致暖冬的支持。所有上述现象均在意大利北部普西亞諾湖（Lake Pusiano）被观测到，2021至2023年间的持续干旱导致该湖水质显著下降、沉积物磷释放增加以及大范围蓝藻水华。为更好地理解这些动态，研究人员采用建模方法并应用三个互补的数值模型：（1）应用土壤和水资源评估工具（Soil and Water Assessment Tool, SWAT⁺）湖泊流域生态水文模型估算外源负荷（external loading, 外源负荷）；（2）使用一维（one-dimensional, 1D）耦合生态-水文动力学WET（Water Ecosystems Tool, 水生态系统工具）湖泊模型量化内源负荷（internal loading, 内源负荷）；（3）应用三维（three-dimensional, 3D）Delft3D D-Flow湖泊水动力模型评估主要支流对混合动态的作用。模型结果证实，普西亞諾湖在2021—2023年期间经历的持续干旱和夏季热浪条件是其近期营养级退化（trophic decline, 营养级退化）的根本原因，并引发了湖泊生产力的持久性稳态转换（regime shift, 稳态转换）。

本研究聚焦于意大利北部普西亞諾湖近期营养级退化的成因解析，论文发表于《Aquatic Sciences》。

研究背景方面，气候变化正从多层面影响湖泊生态系统。气温升高直接改变湖泊自然混合模式，冷水区的浅水与深水双混合湖泊趋向单混合，而暖水区浅水单混合湖泊则转向多混合。对于意大利前阿尔卑斯湖泊等因形态和气候特征导致混合本已稀缺的深水湖泊，气候变暖加剧表底层温差，使混合模式从寡混合转向异混合，混合深度持续降低。中等深度湖泊除受气候变暖长期影响外，对热浪、干旱和风暴等极端天气事件更为敏感，这些事件随气候变化而增强。这类湖泊水量惯性低，对短期极端事件韧性较差。夏季持续热浪显著加热表层水体，快速形成强烈分层。由于中等深度湖泊底层体积相对较小，分层易导致底层溶解氧（dissolved oxygen, DO）大量消耗，引发缺氧条件，促使沉积物中磷释放，即内源负荷。若分层持续至深秋，缺氧体积向上扩展，不仅影响中央深水区，还波及沿岸带，显著增加参与释放的沉积物面积。此外，缺氧沉积物还导致铵态氮（N-NH₄）积累和硫化氢（H₂S）形成，对生物尤其是鱼类和底栖生物有毒。传统湖泊监测多在最大深度点采样，但气候变化效应迫使关注转向沿岸带沉积物，尤其当水体停滞阻碍水平混合时，沿岸沉积物释放可导致非均匀营养盐分布。持续干旱除造成人类用水短缺外，对淡水生态系统有破坏性影响。值得注意的是，仅考虑水质参数而忽略生态系统胁迫条件时，干旱期部分湖泊的定性状态甚至可能暂时改善，因降雨停止导致外源营养盐输入中断，有助于达到总磷（total phosphorus, TP）浓度限值，但这种改善是暂时的。普西亞諾湖自1980年代中期起经大量流域修复措施，外源和内源负荷显著降低，营养状态从富营养改善至中营养。然而2021年末至2023年初的 extended drought 期间，该湖营养状态再次下降，自2022年起底层磷浓度异常升高，导致频繁且持久的严重蓝藻水华，且强烈浮游植物生长不仅出现于夏季，还贯穿冬季月份。

研究人员开展的研究如下：为揭示气候变化及其效应在普西亞諾湖近期营养级退化中的作用，研究人员采用基于过程的建模方法，整合不同模型以考虑物理和生态方面。首先，为研究湖泊水质方面及外源和内源营养盐负荷的时间演变，使用一维耦合生态-水文动力学WET模型和流域生态水文模型SWAT⁺对2022—2024年研究期的普西亞諾湖及其流域进行模拟。然后，使用Delft3D D-Flow建立普西亞諾湖三维水动力模型，研究2022年夏季条件下的水体循环和分层，并评估主要支流Lambrone溪流对普西亞諾湖混合的影响。

关键技术方法（不超过250字）：研究采用集成湖泊-流域过程建模方法，结合三个互补模型：（1）SWAT⁺生态水文流域模型，基于Caslino d'Erba气象站2022—2024年逐日气象数据，估算外源营养盐负荷；（2）1D WET耦合生态-水文动力学湖泊模型，采用100层0.25 m固定层深厚，通过ParSAC自动校准模块进行四阶段校准（水动力参数、DO和C循环参数、N和P循环参数），模拟水体柱物理和生物地球化学行为，量化内源负荷；（3）3D Delft3D D-Flow水动力模型，采用非结构化三角形网格（水平分辨率20 m，100层垂向z层方案），模拟2022年6月26日至7月3日热浪期分层与环流动态，设置0.2、2、10 m³/s三种入流情景，通过被动示踪剂追踪支流路径和更新作用。

研究结果部分：

"2022—2024年气象特征分析"：研究显示2021年下半年至2023年初的 extended drought 影响意大利北部。Caslino d'Erba气象站记录显示2022年年降雨量仅897 mm，远低于2004—2024年平均1494 mm。2022年各月累计降水显著低于平均水平，仅9月及12月略高；气温则系统性高于均值，5—7月最大异常达+2.83°C，7月月均温超过25°C。2024年2月冬季偏暖，与历史平均相比存在+0.74°C异常，这促成了当月异常蓝藻水华。2023—2024年冬季的暖温条件为蓝藻冬季水华创造了有利条件。

"SWAT⁺模型结果"：SWAT⁺模型估算了进入湖泊的可变、合理外源营养盐负荷。2022年中至2023年中干旱期入湖流量极小，而2023年中至2024年末降水增加驱动入湖流量显著上升，导致月营养盐负荷从干旱到湿润期平行增加。外源负荷激增源于三重机制：干旱期土壤积累的有机和无机营养盐冲刷、增加的大气氮湿沉降、以及城市区合流制排水系统溢流（combined-sewer overflows, CSOs）的参数化模拟激活。模拟的P-PO₄外源负荷从2022年夏季不足0.1 t/月升至2024年峰值1.5 t/月。

"WET模型结果"：WET模型校准和验证期误差指标显示，所有统计指标表现优异。水温（Tw）模拟效果良好，分层期DO消耗和冬季部分补充得到准确再现。TP和P-PO₄指标良好，底层吻合更佳。模型再现了分层季节P-PO₄的持续增加及冬季低浓度，但模拟的分层期行为更为平滑，浓度多低于观测值。模拟显示P释放从2022年到2024年递增，与观测一致，可归因于沉积物中磷可用性与浮游植物生物量增加之间的正反馈循环：2022年炎热干旱夏季的相关沉积物释放启动了该循环，大部分营养库在分层结束后通过垂直混合才可供浮游植物利用。2023年特别是2024年降雨增加通过外源负荷帮助维持了该稳态转换。模拟显示P-PO₄释放扩展至10 m以浅水深处，涉及约3.1 km²沉积物面积。根据模型，内源P-PO₄负荷从2022年1.2 t增至2024年3.1 t，而同期外源负荷从1.1 t升至6.2 t。内源/外源负荷比从2022年112%降至2024年50%。

"集成流域-湖泊建模考量"：研究通过对比分析确认，2022—2024年营养级突降不可能由流域外源负荷增加导致，SWAT⁺模型证实干旱期外源负荷不可能增加。内源负荷增加是最合理解释，由2022年炎热干旱夏季的特殊条件触发。2022年早期强烈分层，高气温和低降雨导致Lambrone溪流低流量，最小化河流诱导混合。该年施密特稳定指数达1211 J/m²，为2009—2024年最高值。强烈分层不利于所有促进内源负荷的因素：底层隔离导致DO浓度下降，延长沉积物释放持续时间；暖空气温度触发高于往常的底层水温；关键因素是缺氧体积向更浅区域扩展。模型还显示冬季浮游植物生长，与观测一致，成因是冬季异常高温日促使早期水华，由新可利用营养盐（包括前一年内源负荷）驱动。

"Delft3D D-flow结果"：干旱期还影响环流动态，促成水体分层和停滞。模拟显示三种入流情景下Lambrone溪流对分层和更新的不同作用。S1情景（0.2 m³/s，接近2022年实际）：示踪剂4天内无法到达湖心，部分入流因动量低而滞留河口区直接出湖，导致最小水更新；S2情景（2 m³/s，普通低流量）：示踪剂到达主湖区，4 m深处浓度约15%，形成逆时针沿岸流态；S3情景（10 m³/s，高流量）：示踪剂到达湖心，浓度约50%，侧向弥散更广，4 m深处显著水更新。罗斯贝数（Rossby number, Ro）≈0.32证实地转力不足以阻止逆时针环流发展。比较垂向平面显示，入流深度随流量增加：S1约3.5 m，S2约4.0 m，S3约5.0 m。即使最高流量也无法混合5 m以深水体。模拟还揭示四个叠加的垂直环流单元呈反向传送带布局，界面由主温跃层和次温跃层决定，阻止垂直混合，延长底层水停留时间，促进DO消耗和磷释放积累。岸-岛间水道与主湖区表面环流断开，使该沿岸区易受营养盐积累和再循环影响。2024年4月干旱结束后该岸区发生大规模鱼类死亡，可能由风致剪切应力触发干旱期积累的H₂S和N-NH₄释放所致。

研究结论部分翻译：基于本研究所采用的多重互补过程模型对湖泊及其流域2022—2024研究期的综合分析，研究人员可以断定，普西亞諾湖近年来观测到的显著内源负荷增加的可信原因是气候变暖、不利天气条件、湖泊形态学特征以及仍然过高的外源负荷的结合。这些因素共同导致了广泛的水体柱分层和底层停滞，可能引发了湖泊初级生产力和沉积物释放模式两方面的观测到的持久性稳态转换，后者据推测还涉及沿岸区域。在当前和未来气候变化压力下，通过过去干预措施实现的外源负荷削减可能不足以达到欧盟法规规定的"良好"生态和化学状态。因此，努力仍应聚焦于减少外源负荷。生态目标设定还应考虑气候变化效应的日益增强， notably 影响内源负荷动态。工程措施如底层水抽取、沉积物清除或钝化处理等强制减少内源负荷的技术虽存在，但成本高，且应用已突显了包括营养盐、污染物和有机物再活化或底层变暖等副作用，因此仅在有限情况下可行。正如本研究所揭示的，数值模型可以作为解析复杂生态现象的重要工具，部分弥补大量特定野外测量和分析的不切实际性，这些测量和分析需要提前规划。然而，模型不确定性和局限性的不可避免使其无法获得绝对真理，但为经验理论提供了更坚实的基础，或为理论推理产生的假设提供了某些证据。这正是本研究的实际贡献所在。总体而言，包括生态水文流域模型SWAT⁺和1D生态-水文动力学湖泊模型WET，以及用于额外三维水动力洞察的Delft3D D-Flow在内的集成湖泊-流域过程建模方法的运用，使本研究得以深入评估普西亞諾湖干旱与热浪极端事件的因果链。该方法促进了对针对性水质管理关键概念的理解，并为气候变化威胁下预防未来不利湖泊生态事件提供了信息。