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              大型淺水湖泊藍藻水華暴發動態特征及其機制研究取得重要進展
              【发布时间:2019-04-08 】 【 】【打印】【關閉

                國際學術界對藍藻水華發生機制已經進行了多年的研究,但是對于類似太湖的大型淺水湖泊,其藍藻水華常常是“來無影、去無蹤”,水華的“出現”和“消失”往往呈現較大的時空差異,西方經典的光照調節機制並不能合理地解釋太湖水華“暴發”的現象,使得對太湖藍藻水華開展監測、調查、模擬與預測都非常困難。在國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金委中法國際合作項目和中國科學院前沿科學重點等項目的聯合資助下,秦伯強研究小組在大型淺水湖泊藍藻水華發生的動態特征及其驅動機制取得重要進展,並提出了大型淺水湖泊藍藻水華“暴發”過程概念性闡釋。 

                野外台風跟蹤實驗發現,風浪擾動增加水柱中藍藻顆粒碰撞的概率,導致藍藻細胞團增大,使群體獲得更大的浮力,在風浪擾動過後迅速上浮构成表面可見的藍藻水華。上述觀測現象得到了原位擾動與室內培養實驗的驗證。實驗結果表明:擾動處理組細胞群體要顯著大于對照組,因爲擾動會促進細胞分泌胞外多糖,並增加小群體相互碰撞粘合构成大群體的機率。 

              1 2009812~13日莫拉克台風過境太湖期間各項觀測數據

              (a)台風過境期間風速與風向;(b)近表層懸浮顆粒物上下運動速率(ADCP觀察)(c)近表層與近底層的葉綠素濃度變化;(d)台風期間遙感監測的藍藻水華面積;(e)台風過去後的藍藻水華面積 

                在觀測與實驗研究的基礎上,進一步開展了模型模擬研究。引入了流體運動中散度的概念,利用水動力數值模型模擬實測風場驅動下太湖風生流與散度場的空間分布,並進一步用經驗正交函數(EOF)方法分析太湖散度场的时空分布特征;通过与同期遥感影像反演的水华分布区域对比发现,辐合区的分布与水华聚集区相一致(圖2a),辐散区的分布与未发生水华的区域相一致(圖2b),正是由于輻合區和輻散區的時空分布隨風場的變化不斷發生變化,導致了藍藻水華在短時間尺度內的高度時空分異性。上述結論揭示了決定太湖藍藻水華分布範圍和堆積地點的水動力機制,類似太湖的大型富營養化淺水湖泊,風場是導致其生態系統空間異質性較大的主要因素。 

              2 遙感觀測的藍藻水華分布與計算得到的輻合輻散值的特征值(EOF)空間分布對比及變化趨勢     

                基于上述研究结果,研究小组提出太湖藍藻水華“暴發”可概化成四个过程(圖3),即a)細胞增殖階段:在適宜的溫度、光照和營養鹽條件下,藍藻單細胞通過分裂與增殖發育成小的多細胞群體;b)細胞團构成階段:水柱中一定生物量的藍藻顆粒(或小細胞團)在風浪作用下發生碰撞,短時間內快速构成大細胞群體;c)細胞上浮階段:水柱中藍藻生物量累積到一定程度,且大群體細胞團占多數時、風速小于臨界風速條件下藍藻細胞團快速向水面聚集;d)漂浮階段:漂浮在水面上的藍藻在湖流的輻合或輻散作用下,發生水平方向的漂移和聚集,最終呈現藍藻水華“暴發”的態勢。 

              3 太湖藍藻水華暴發的四個過程

              (a)藍藻細胞分裂增殖;(b)碰撞构成大細胞團;(c)大細胞團上浮构成可見水華;(d)湖流攜帶的遷移與堆積 

                相關研究成果分別發表在HydrobiologyFrontiers in Microbiology上: 

                Wei Li, Boqiang Qin. 2019. Dynamics of spatiotemporal heterogeneity of cyanobacterial blooms in large eutrophic Lake Taihu, China. Hydrobiologia, 833: 81-93. 全文链接https://link.springer.com/article/10.1007/s10750-019-3883-1 

                Boqiang Qin, Guijun Yang, Jianrong Ma, Tingfeng Wu, Wei Li, Lizhen Liu, Jianming Deng, Jian Zhou. 2018. Spatiotemporal Changes of Cyanobacterial Bloom in Large Shallow Eutrophic Lake Taihu, China. Frontiers in Microbiology, 9: 451, doi: 10.3389/fmicb. 00451 全文鏈接https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2018.00451/full 

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