期刊：Nature

中文题目：自1980年代以来全球湖泊强烈浮游植物水华现象广泛增加

英文题目：Widespread global increase in intense lake phytoplankton blooms since the 1980s

作者：Jeff C. Ho Anna M. Michalak Nima Pahlevan

发表日期：2019年10月14日

摘要

淡水浮游植物水华影响着全球的公共健康和生态系统服务。当水华强度过高或存在产毒浮游植物物种时，就会产生有害影响。仅在美国，淡水水华每年造成的经济损失就超过40亿美元，主要危害水生食品生产、休闲旅游和饮用水供应。本研究利用三十年的高分辨率 Landsat 5 卫星影像，对全球六大洲71个大型湖泊的夏季浮游植物水华趋势进行全面分析。发现了全球范围内湖泊水华状况普遍恶化的严峻态势。得到气候变暖会导致湖泊中的富营养化削减效果减弱。推断植物水华的恶化要与气候变化联系起来，政策的制定者更要全方位的考虑，做出更完善的措施，政策来有效的治理水华严重的态势。

研究背景

淡水浮游植物水华对全球公共健康和水生生态系统服务构成严重威胁，当水华强度过高或存在产毒物种时，会产生有害影响。主要体现在危害水产食品生产，休闲旅游和饮用水供应。

尽管普遍认为营养盐负荷是浮游植物水华的主要驱动因素，但水华状况在全球范围内如何变化，以及在多种相互作用的环境压力因素中，究竟是哪些因素驱动这些变化，仍然很不明确。理解全球模式，趋势和驱动因素对于设计有效的管理和修复策略至关重要。

图一：1984-2012年期间71个湖泊水华强度趋势

以往记录湖泊水华状况的研究存在局限性：要么只关注单个区域的湖泊，要么受限于缺乏长期观测数据。近年来，基于计算技术的进步，使得能够利用大范围的高分辨率卫星影像研究全球尺度的长期环境趋势成为可能，本研究利用长达三十年的Landsat 5 卫星影像数据，调查全球范围内的大型湖泊夏季近表层浮游植物水华的长期趋势（图一）。

研究结果

结果1：全球趋势：水华强度显著增加，恶化是普遍现象。

在图一中直观的展示了全球71个湖泊的地理位置，并用不同的颜色与符号标注了每个湖泊的水华强度趋势方向（增加或减少）：

² 在71个湖泊中，48（67.6%）个湖泊的夏季峰值水华强度呈现增加趋势。其中，22个（31%）湖泊的增加趋势具有显著性（p<0.1）。只有6个（8.5%）湖泊表现出明显的强度下降。

² 这种增加趋势在不同类型的湖泊中广泛存在。在有记录存在蓝藻的湖泊（38个中的24个）与没有蓝藻的湖泊（33个中的24个）中，水华强度增加的湖泊比例相似，并且水华强度增加的湖泊比例在不同面积、体积、平均和最大深度以及纬度的湖泊中也保持一致。（见补充图1）这表明趋势的增加与上述因素并无系统性关联。

补充图1

上图表明，无论湖泊是否存在有蓝藻或其他重大生态变化的记录，其水华趋势是相似的。

结果2：水华的变化趋势按时间路径可分为四种模式，且恶化集中于中后期。

研究将湖泊水华的强度按时间变化分为四种典型路径：

² 第一种：持续改善型，即水华强度持续下降。

² 第二种：先改善后恶化，研究前期强度下降，但后期发生逆转，强度上升。

² 第三种：恶化型，数量占比最多，水华强度在整个研究期间或是大部分时间内持续上升。

² 第四种：无显著趋势。

图2：四种类型的变化路径与全球分布

图2a-d. 这四个子图分别表示了归属于四种不同类型的湖泊其水华强度的时间序列。灰线条是单个湖泊的五年平均变化，彩色线条为该类型下所有湖泊的平均值，清晰的能够看见“恶化”与“先改善后恶化”模式在1990年代末的上升趋势。

图2e. 展示了四种不同类型的湖泊全球分布情况，展示了“恶化”和“先改善后恶化”的湖泊类型在空间上占主导。

恶化并非是均匀发生的，在拥有足够的数据的湖泊中，1998-2012年期间有75%的湖泊水华强度增加，而在1984-1997年期间仅有33%的湖泊水华强度增加，这表明水华强度增加是一个相对近期的，并且正在加速的现象。

结果3：驱动因素：与常规假设的宏观相关性微弱，凸显复杂性

水华强度的改变趋势与一系列假定的环境驱动因素：如夏季湖面温度，流域降水量，流域化肥使用率等因素之间，没有发现一致的，全局性的相关性。单个湖泊的例子来说，某些湖泊的水华强度与某个因素正相关或者负相关，但是在另一些湖泊中，对同样的因素却表现出不同的关系，甚至没有关系。所以，研究得到，没有单一的全局性能够影响所有湖泊的驱动因素。水华的变化很可能是因为本地化的营养盐管理，气候条件，湖泊形态特征（如深度）等多种因素的复杂的相互作用的结果。

图3：不同湖泊水华与不同因素的对应关系

扩展数据图2：水华强度与三种因素之间的相关性

扩展数据图3：湖泊所有年份的数据点关联分析

图3a-h. 这八个子图展示了四个“持续改善”和四个“恶化”湖泊的案例研究，每个子图都将水华强度与温度，降水，化肥使用的五年变化平均值叠加在一起。可以清晰的看到有的湖泊水华与温度同步变化，有的则与降水或者化肥使用同步，但更多的是无规律的对应关系，能够看出并无一致的全方位的对应关系。

扩展图2. 散点图直接显示了49个湖泊的水华强度改变趋势与温度，降水，化肥等驱动因素之间的相关性极低，从统计上证实了无关性。

扩展图3. 将所有湖泊的所有年份的数据点（不仅仅是变化趋势）进行关联分析，再次确认了水华强度与当年的温度，降水，化肥使用量之间缺乏明确的函数关系。

结果4：气候作用，变暖可能抵消营养盐（富营养化）治理的成效。

图4：气候变化与治理效果关系图

虽然整体的相关性较弱，但一个至关重要的发现是：六个“持续改善”的湖泊其变暖幅度显著小于“先改善后恶化”的湖泊。这表明，在成功实施了富营养化削减措施的湖泊（导致早期改善），如果该湖泊同时经历了显著变暖，变暖的负面影响可能会抵消削减富营养化带来的效果，从而导致水华状况在后期再度恶化。如图3清晰的显示出来“持续改善”湖泊的水温上升趋势中位数远低于“先改善后恶化”的湖泊，这表明，变暖的幅度较小是维持长期水华治理效果的一个可能条件。

拓展数据图4：49个湖泊地表水温全球分布图

上图也为大多数湖泊正在变暖导致的整体水华强度上升这一结果提供了全局视图。

结果5：结论可靠

研究使用了十分优势的算法：

(1)

通过其能够进行有效的大气校正，有效的抑制了雾霾等大气因素的干扰，从而更清晰的得到湖泊的水华强度值B。

² 短波红外（SWIR,Band5)波段对水分极其敏感，几乎完全被水吸收，SWIR信号的升高主要来自于大气散射。通过近红外（NIR,Band4)反射率中减去一个加权的SWIR反射率，相当于扣除了大气影响，得到的差值更能够代表水体本身的信号。

此公式会产生一个高信噪比的输出B。使得算法能够排除一定的数据噪声，非常适合用于构建跨越数十年的稳定时间序列。

（2）

² 通过设定一个色调阈值（H<1.6）来进行绿度过滤，只保留足够绿的像素，避免了将高反射率的悬浮泥沙误判成藻华，显著的提高了数据在浑浊的水体中的准确性，从而有效的排除了非藻类的悬浮物，确保检测的是真正的浮游植物的生物量。

计算公式的简单化使得能够利用云计算平台对长达三十年，覆盖全球七十多个湖泊的海量影像数据进行快速的处理成为可能。

研究意义

该研究提供了首个全球性，长期的水华强度变化结果。通过对全球七十多湖泊进行长达三十年的卫星数据统一分析研究，确凿的证明了淡水环境藻华强度增加是一个普遍存在的全球性现象，而非是局部性的问题。研究发现水华强度趋势与温度，降水，化肥使用量之间单独的因素缺乏一致的全局性关联。这否定了一些如“气候变暖或农业扩展会直接导致全球湖泊同步恶化”的简单假设。证明了水华的改变是多种因素之间复杂的相互作用导致的结果。这一结果也提醒了我们进行实验研究时必须采用更加系统的视角。研究关键的发现之一为，湖泊的变暖可能  正在抵消富营养化治理的成果。直接将气候变化与水质治理联系起来，表明若不考虑气候变化，进行合适的操作来防止全球变暖，那么已经进行的湖泊富营养化治理的效果可能会大打折扣。研究证明了遥感技术进行监测全球水质的巨大潜力，开发并验证了一套稳定的，高效的水华检测算法，为后续的全球环境研究提供了可参考的技术框架。研究巧妙地避开了比较不同的湖泊绝对值的难题，转而研究每个湖泊的自身变化趋势。这种方法论的处理，为如何利用遥感技术整合分析特征各异的生态系统提供了重要范例。研究向全球的水资源管理者和政策制定者发出警示，要求他们必须更新传统的水治理模式，将其与气候变化等更紧密的联合在一起，否则治理的努力可能会付诸东流。

研究创新

研究的创新是多维度的，在视角，方法，认知，技术等方面皆进行了创新。从区域性走向全球性，从短暂性走向长期性。开发了稳定的简单的高效的算法。揭示了气候变化与本地治理之间的关系，实现了通过遥感技术来进行长期的水质监测，并通过云计算平台进行了海量的数据分析处理。该研究不仅回答了“全球湖泊藻华如何变化”这个重要问题，更开创了如何回答此类全球性生态问题的新方法，并提出了对未来环境管理具有深远影响的新见解。

研究对我们开展工作的启示

创新不一定是创造出新仪器，也可以是创造性的将现有的技术应用于新领域，解决老问题。在进行方法设计时，首先考虑的应该是其稳定性与适用性，而非一味的追求复杂，一个简洁高效的能够解决核心问题的算法远胜于复杂脆弱的方法。当研究对象特征各异的时候，可以分析其本身个体的变化率或者是偏离其自身基准的程度，从而提炼出共性问题，如将七十一个湖泊分为四种类型进行分析。当研究数据没有显示出简单的相关性时，这本就是一个重要的发现，在发现水华与单个因素并无确定关系之时，承认了这种复杂性，再进行更一步的分类，再分别探索每类背后的驱动因素。研究先考虑使用公共平台和开源数据进行研究设计，这能够降低成本还能够使得研究过程更加透明，结果更加可靠。总而言之，即利用新型技术，创造性的设计分析方法，回答一个具有公认性却缺乏验证的问题，并从中提炼出对我们现实工作研究有意义的结论方法。

文献来源：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1648-7

声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。

撰稿：王正

初审：任杰

审核：杜军

终审：鲁鹏