气候变化对湖泊生态系统的影响研究

摘要：气候变化是湖泊生态系统的重要影响因子，长期环境监测能够揭示气候变化与湖泊生态系统健康的关联性。以米易县晃桥水库为例，结合长期环境监测，运用卡尔森营养状态指数评估湖泊的营养状况，并分析气候变化对湖泊生态系统的影响。研究表明，气候变化会导致湖泊水温上升，进而影响湖泊中生物的生存环境及其多样性，并威胁湖泊水质和生态平衡。

关键词：气候变化；湖泊生态系统；影响；长期环境监测；卡尔森营养状态指数；晃桥水库；米易县

中图分类号：X820.3 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）08-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.035

Research on the Impact of Climate Change on Lake Ecosystems

—Based on long-term environmental monitoring

CHEN Huawen

（Panzhihua Miyi Ecological Environment Monitoring Station， Panzhihua 617200， China）

Abstract： Climate change is an important influencing factor of lake ecosystems， and long-term environmental monitoring can reveal the correlation between climate change and the health of lake ecosystems. Taking the Huangqiao Reservoir in Miyi county as an example， combined with long-term environmental monitoring， the Carlson trophic state index is used to evaluate the nutritional status of the lake and analyze the impact of climate change on the lake ecosystem. Research has shown that climate change can lead to an increase in lake water temperature， which in turn affects the living environment and diversity of organisms in lakes， and threatens lake water quality and ecological balance.

Keywords： climate change; lake ecosystem; influence; long-term environmental monitoring; Carlson trophic state index; Huangqiao Reservoir; Miyi county

湖泊是地球上重要的淡水资源，其生态系统的健康状态直接影响生物多样性、区域气候调节以及人类社会经济的可持续发展[1-3]。近年来，气候变化对湖泊生态系统的影响日益显著，引起全球科学家的广泛关注。长期环境监测是理解这些复杂相互作用的关键，它能够揭示气候变化与湖泊生态系统健康的关联性。随着全球平均温度的升高，冰盖融化、降水模式的改变和极端天气事件的增加等因素都可能直接或间接地影响湖泊水温、水质和生物群落结构。例如，水温的上升可能导致湖泊中溶解氧浓度下降，进而影响水生生物的存活。卡尔森营养状态指数是一个广泛用于评估湖泊富营养化水平的指标[4]，其结合水体的透明度（Secchi Depth，SD）、总磷（Total Phosphorus，TP）、总氮（Total Nitrgen，TN）和高锰酸盐指数（Chemical Oxygen Demand，CODMn）等参数，为研究者提供一个量化湖泊营养状况的工具。以四川省米易县晃桥水库为例，采用卡尔森营养状态指数作为主要方法，分析长期环境监测数据，探究气候变化对湖泊生态系统的影响。

1 研究区概况

晃桥水库位于四川省米易县境内，地处安宁河下游右岸一级支流草场河中段凉水井峡谷[5]，距米易县城16 km，是以农业灌溉为主，兼有城镇供水的中型水利工程。晃桥水库是四川省安宁河农业开发项目及四川省攀西资源开发重点项目，其主体工程有黏土心墙堆石坝、溢洪道、放空隧洞和引水隧洞等。黏土心墙堆石坝坝顶高程为1 563.3 m，最大坝高为69.2 m，库容为1 894万m3，坝顶宽为8 m，长为319.04 m，坝底最大宽度为267 m。

近年来，随着全球平均温度的上升，晃桥水库的气候正经历显著变动。该区域面临平均气温上升、不规则的降水模式以及冬季缩短等现象。这些变化对晃桥水库的生态系统产生深远影响。随着气温升高，水体的温度也相应增加，从而改变水生生物的代谢速率、繁殖周期和种群动态，进一步影响食物链和能量流动。此外，气候变化可能有悬浮物和营养盐输入水库的风险，进而可能引起藻类繁殖加速和水体富营养化。这些因素都可能对晃桥水库的水质产生负面影响，并威胁其生物多样性。

2 研究方法

对晃桥水库生态系统进行长期监测，以评估气候变化对湖泊的影响。卡尔森营养状态指数是通过多个水质参数来估算湖泊富营养化水平，主要参数包括总磷、总氮、CODMn和透明度等。这些参数反映湖泊生产力和藻类生长的潜在能力，是评价湖泊营养状况的重要因子。采用修正的卡尔森营养状态指数（T）来评价研究区的营养化类型[6-8]，修正的卡尔森营养状态指数能对水体的富营养化机理进行定量研究[9]，因此得到广泛应用。根据修正的卡尔森营养状态指数，可以对湖泊营养状态进行分级。若0≤T＜30，则湖泊处于贫营养状态；若30≤T＜50，则湖泊处于中营养状态；若50≤T＜60，则湖泊处于轻度富营养状态；若60≤T＜70，则湖泊处于中度富营养状态；若70≤T≤100，则湖泊处于重度富营养状态。该指数越高，湖泊营养程度越重。针对各单项指标，分别根据式（1）至式（4）计算其修正的卡尔森营养状态指数，然后根据式（5）计算综合营养状态指数。

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

式中：T1为透明度的卡尔森营养状态指数；S为透明度，m；T2为总磷的卡尔森营养状态指数；P为总磷浓度，mg/L；T3为总氮的卡尔森营养状态指数；N为总氮浓度，mg/L；T4为CODMn的卡尔森营养状态指数；C为CODMn浓度，mg/L；Ttotal为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的卡尔森营养状态指数的相关权重，j=1，2，…，m；Tj为第j种参数的卡尔森营养状态指数。

权重设置的基本步骤是根据若干因素对同一目标的影响程度确定它们在目标中所占的比例，在环境质量评价中，应用此方法计算各指标的权重是合适与可行的。对于修正的卡尔森营养状态指数，各单项指标的相对重要性排序为：透明度＞总磷＞总氮＞CODMn。经计算，4个单项指标的权重依次为0.470、0.253、0.147和0.081。

2021—2023年，在不同季节对晃桥水库的水质指标进行监测。具体监测项目不仅包括卡尔森营养状态指数的相关参数，还有水温、溶解氧和粪大肠菌群等。采样工作遵循标准化的水样采集程序，确保数据的准确性和可比性。根据相关标准，对理化指标进行测定。总磷按《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》（GB/T 11893—1989）测定，硝酸盐氮按《水质 无机阴离子（F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、PO43-、SO32-、SO42-）的测定 离子色谱法》（HJ 84—2016）测定，氨氮按《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》（HJ 535—2009）测定，粪大肠菌群按《水质 粪大肠菌群的测定 多管发酵法》（HJ 347.2—2018）测定，总氮按《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）测定，CODMn按《水质 高锰酸盐指数的测定》（GB/T 11892—1989）测定。水温采用温度计现场测定，透明度采用塞氏盘现场测定。

3 结果与分析

2021—2023年，不同季节晃桥水库的水体理化指标测定结果如表1所示，历年水体理化指标平均值如表2所示。下面结合各单项指标的测定结果，计算晃桥水库2021—2023年修正的卡尔森营养状态指数和综合营养状态指数。

应用卡尔森营养状态指数对2021—2023年晃桥水库水体营养状态进行评价，各单项指标的卡尔森营养状态指数变化如图1所示。2021年，透明度、总磷、总氮和CODMn的卡尔森营养状态指数分别为43.84、155.60、73.54和50.48。2022年，透明度、总磷、总氮和CODMn的卡尔森营养状态指数分别为46.01、152.80、73.98和50.63。2023年，透明度、总磷、总氮和CODMn的卡尔森营养状态指数分别为49.02、152.80、75.61和51.52。

2021—2023年，晃桥水库的综合营养状态指数变化如图2所示。数据显示，2021—2023年，晃桥水库的综合营养状态指数分别为74.87、75.25和76.99。

晃桥水库处于重度营养状态，综合营养状态指数呈持续上升趋势。

2021—2023年，晃桥水库水体各项理化指标平均值的变化如图3所示。数据显示，2021—2023年，晃桥水库的水体透明度持续降低，而总磷浓度、总氮浓度、CODMn浓度、硫酸盐浓度和硝酸盐浓度逐步上升。随着全球变暖，水体温度也逐步上升。气温升高会对湖泊的总磷浓度、总氮浓度、硝酸盐浓度、硫酸盐浓度、透明度和CODMn浓度产生多方面的影响。首先，总氮和总磷浓度持续上升，原因可能是气温升高导致湖泊中微生物活动增加，这可能会加速有机物质的分解，从而释放更多的磷和氮进入水体。氮磷比升高，这种变化可能会导致湖泊富营养化和蓝藻水华。其次，气温升高可能会改变湖泊水体分层现象，影响硝酸盐和硫酸盐在水体中的分布。例如，湖泊混合层的活跃状态可能会影响硝酸盐的吸收和硫酸盐的循环。除此之外，气温升高可能会导致湖泊中藻类和其他悬浮物的增多，从而降低水体的透明度。这与湖泊富营养化程度有关，通常，富营养化程度越高，水体透明度越低。最后，CODMn通常用来表示水中有机物和部分无机物的氧化程度。气温升高可能会促进湖泊中有机物的氧化，从而影响CODMn浓度。因此，气温升高可能会通过促进微生物活动、改变水体分层和混合状态、干扰营养盐的释放和循环等途径，影响湖泊的总磷浓度、总氮浓度、硝酸盐浓度、硫酸盐浓度、透明度和CODMn浓度。这些变化可能会进一步影响湖泊的生态平衡和水质状况。

4 结论

结合晃桥水库的长期环境监测数据，运用改进的卡尔森营养状态指数评估湖泊营养状态，并分析气候变化对湖泊生态系统的影响。研究发现，随着全球温室效应的加剧，水体温度趋于上升，进而影响湖泊中生物的生存环境。这不仅会影响水生生物的栖息地，还可能影响周边社区的水资源供应。这些因素都可能对晃桥水库的水质产生负面影响，并威胁其生物多样性。气候变化对湖泊生态系统的影响是复杂且深远的。要继续进行长期环境监测与研究，以更好地认识这些影响，并采取有效的措施来保护湖泊生态系统。

参考文献

1 谭 思，张志强.气候变化对湖泊的影响及其应对策略[C]//第三届中国湖泊论坛暨第七届湖北科技论坛.2013.

2 刘雪梅，章光新.气候变化对湖泊蓝藻水华的影响研究综述[J].水科学进展，2022（2）：316-326.

3 李 想，张雪芹，徐晓明.近40年来贝加尔湖区气候变化及其对湖泊水位的影响[J].湖泊科学，2022（1）：219-231.

4 王明翠，刘雪芹，张建辉.湖泊富营养化评价方法及分级标准[J].中国环境监测，2002（5）：47-49.

5 田中涛.晃桥水库工程截流与度汛施工[J].水利水电科技进展，2003（4）：40-43.

6 陈文波.高州水库2016—2020年水质评价分析[J].广东水利电力职业技术学院学报，2021（3）：1-4.

7 陈 静，蒋万祥，王洪凯.微山湖典型水域营养盐分布及富营养化评价[J].中国农学通报，2011（3）：421-424.

8 孟红明，张振克.我国主要水库富营养化现状评价[J].河南师范大学学报（自然科学版），2007（2）：133-136.

9 Goda T.Comprehensive studies on the eutrophication of fresh water areas，Ⅺ：summary of researches[J].The National Institute for Environmental Studies，1981（27）：59-71.