Långsiktiga observationer av modis av cyanobakteriell dynamik i Lake Taihu: svar på näringsberikning och meteorologiska faktorer | vetenskapliga rapporter

Långsiktiga observationer av modis av cyanobakteriell dynamik i Lake Taihu: svar på näringsberikning och meteorologiska faktorer | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Limnologi
  • Mikrobiologi

Abstrakt

Vi utvecklade och validerade en empirisk modell för att uppskatta klorofyll a- koncentrationer (Chl a ) i Taihu-sjön för att generera en långsiktig Chl a- och algblomningsområdes tidsserie från MODIS-Aqua-observationer för 2003 till 2013. Sedan baserat på den lång- termisk tidsseriedata, vi kvantifierade svaren på cyanobakteriell dynamik på näringsberikning och klimatförhållanden. Chl a visade betydande rumslig och temporär variation. Dessutom uppvisade den årliga genomsnittliga cyanobakteriella ytblomningsområdet en ökande trend över hela sjön från 2003 till 2013, med undantag för 2006 och 2007. Hög lufttemperatur och fosfornivåer på våren kan leda till cyanobakteriell tillväxt, och låga vindhastigheter och låga atmosfäriska trycknivåer gynnar cyanobakteriell ytblomning. Känsligheten hos cyanobakteriell dynamik för klimatförhållanden befanns variera beroende på region. Våra resultat indikerar att temperaturen är den viktigaste faktorn som styr Chl en mellanårsvariabilitet följt av fosfor och att lufttrycket är den viktigaste faktorn som styr cyanobakteriell ytblomningsbildning följt av vindhastigheter i Lake Taihu.

Introduktion

Sjöar levererar tjänster av enormt globalt värde genom att fungera som indikatorer och regulatorer för klimatförändringar och genom att tillhandahålla avgörande resurser för människor 1, 2 . Men när mänsklig verksamhet och ekonomisk utveckling har ökat under de senaste decennierna har övergödning av sjön blivit ett allvarligt ekologiskt, miljömässigt och socialt problem i såväl industriländer som utvecklingsländer 3, 4, 5 . Bland mänskliga-inducerade förändringar i sjömiljöer är överanrikning av näringsämnen (särskilt kväve och fosfor) i samband med stads-, jordbruks- och industriutveckling en av de mest anmärkningsvärda. Detta har lett till accelererade hastigheter för övergödning av sjön 6 . Övergödning av sjön kan resultera i en ökning av primärproduktionen, vilket i sin tur stimulerar utvecklingen av större och mer frekventa cyanobakterieblomningar 7, 8 . Runt världen lider många eutrofiska sjöar av svåra cyanobakteriella blomningar, inklusive Lakehuhu 9, Lake Chaohu 10 och Lake Dianchi 11 i Kina; Lake Erie i USA och Kanada 5 ; Lake Winnipeg i Kanada 12 ; och Lake Nieuwe Meer i Nederländerna 13 .

Cyanobakteriella blommor kan starkt betona de ekologiska strukturerna och funktionerna och estetiken i sjöens ekosystem 5, 14 . Stora populationer av cyanobakterier kan öka turbiditetsnivåerna i sjön på grund av höga klorofyll-koncentrationer (Chl a ) närvarande vid vattenytan och därmed minska ljusgenomträngningsnivåerna 15 . I sin tur är mindre ljus tillgängligt för nedsänkt vattenlevande vegetation (SAV), vilket undertrycker SAV-tillväxten och populationerna 16, 17 . Dessutom kan svåra cyanobakteriella blomningar leda till upplöst syreutarmning på natten, vilket i sin tur minskar fiskpopulationerna 18 . Vissa cyanobakteriella arter är kända för att producera en mängd toxiner (toxiska peptider och alkaloider) 19, 20 ; förtäring av sådana cyanotoxiner kan ha allvarliga effekter på djur- och människors hälsa (dvs lever-, matsmältnings- och hudsjukdomar; neurologisk nedsättning och död) 21, 22 . Därför utgör cyanobakteriella blomningar ett stort hot mot användningen av sjöens ekosystem för dricks- och bevattningsvatten, fiske och rekreationsändamål 15, 20, 23 .

För att hantera, kontrollera och behandla cyanobakterieblomningar är det avgörande att kvantifiera cyanobakteriella blomrespons exakt på klimatförändringar och näringsämnen och att identifiera mekanismerna för dessa svar. Många nyligen genomförda studier har använt fält- och laboratoriedata och simuleringsmodeller för att kvantitativt och kvalitativt bedöma klimatförändringarnas och näringsämnets roll i expanderingen av cyanobakteriell yta i inlandet, kust- och havsvatten 4, 6, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 . Många av dessa studier introducerar emellertid en betydande grad av osäkerhet på grund av komplexiteten och kostnaderna för in situ- mätningar av cyanobakteriell överflöd och svårigheter förknippade med att generalisera laboratoriefyndigheter över stora rumsliga och temporära skalor 30, 31 . Dessa komplexa processer samverkar för att producera fysiska, kemiska och biotiska störningar av sjöens ekosystemfunktion, vilket ökar behovet av nya kvantitativa metoder för att upptäcka, kvantifiera, syntetisera och modellera effekter vid breda rumsliga och temporära upplösningar 17 .

Den rumsliga och tidsmässiga täckningen som tillhandahålls av fjärravkännande av satellit gör det till ett attraktivt verktyg att använda i sådana studier. Avlägsna avkända data som de som genererats av måttlig upplösning avbildande spektroradiometer (MODIS; från Aqua-satelliten för 2002-nutiden) ger möjligheter att kvantifiera cyanobakteriell biomassa och produktionsnivåer i sjö- och havsvatten med en fin rumslig och temporär upplösning. Satellitobservationer är avgörande för att identifiera och ta bort rumsliga och tidsmässiga alias från knappa fältmätningar när man undersöker långsiktig baslinjeinformation och trender för cyanobakteriell produktion. För att utveckla en starkare förståelse för effekterna av mänskliga aktiviteter och klimatförändringar på cyanobakterieblomningar, rekommenderade Paerl och Huisman (2009) att koppla in traditionella provtagnings- och fjärravkänningsmetoder för att övervaka cyanobakteriedominerade akvatiska ekosystem 8 . Flera nyligen genomförda studier har framgångsrikt använt långsiktigt fjärranalysdata för att modellera svaren för fytoplanktonproduktionsdynamik på miljövariabler i kust- och havsvatten 31, 32, 33, 34, 35 . Till exempel, Vope et al . (2012) använde MODIS-härledda Chl en data för Medelhavet för att fastställa att fytoplanktonpopulationer svarade på fysiska variabler såsom havsytemperaturer 35, och identifierade därmed mekanismer som länkar Chl a och havets yttemperatur. Keith (2014) fann ett samband mellan Chl en variation och näringsämnen i floderna Neuse och Tar-Pamlico River, vilket visade att fjärravkänningen av Chl kan stödja näringsämnen 32 . En allmänt använd proxy för övervakning av cyanobakteriell biomassa är Chl a 3, 14, 36 för inlandscyanobakterier -dominerade akvatiska ekosystem.

Fjärravkänningstekniker har sällan använts för att kvantifiera responserna från cyanobakteriell biomassadynamik på klimatförändringar och näringsvariationer för insjövatten. Detta kan delvis hänföras till det faktum att det är utmanande att exakt härleda Chl a- värden (ett index för cyanobakteriell biomassa) från satellitmätningar av optiskt komplexa cyanobakteriedominerade inre sjöar på grund av närvaron av icke-covarying optiskt aktiva beståndsdelar som färgade upplösta materia (CDOM) och organiska och oorganiska suspenderade ämnen 37 . Flera algoritmer har presenterats som använder röda till nästan infraröda band för att uppskatta Chl-värden för insjövatten. Dessa inkluderar (1) två-band empiriska algoritmer (Moses et al . 2009); (2) empiriska algoritmer med tre och fyra band 36, 38, 39, 40 ; och (3) maximal topphöjd (MPH), fluorescenslinjehöjd (FLH) och maximalt klorofyllindex (MCI) algoritmer 26 . Bland satellitsensorer med höga rumsliga och temporära upplösningar kan bara MERIS generera lämplig data för röda till nästan infraröda bandalgoritmer. MERIS-bilder erbjuder en fin rumslig (full upplösning: 300 m) och spektral upplösning och en kort omprövningstid (nära daglig täckning) och ansågs därför tjäna som en idealisk satellitbilddatasats för övervakning av Chl a i inre sjövatten. Tyvärr avbröts MERIS-sensorn i april 2012. Som ett alternativ lanserades MODIS-Aqua-sensorn i maj 2002; genom att erbjuda en kort granskningstid (en dag) och relativt hög rumslig upplösning (250 m för de första två banden), kan den generera data med en tillräcklig rumslig och temporär upplösning för att undersöka långvariga variationer i ChlA i stora skalor.

Som den tredje största sötvattensjön i Kina har Taihu-sjön en vattenyta på 2 338 km 2 och ett medelvattendjup på 1, 9 m 9 . Denna stora, grunda sjö ligger i en av världens mest befolkade regioner, som har upplevt en snabb ekonomisk utveckling under de senaste åren (Yangtzeflodens delta-region). Sjön levererar vatten till cirka 10 miljoner invånare i omgivande städer inklusive Wuxi, Suzhou och Huzhou 9 . Således är Lake Taihus vattenkvalitet avgörande för lokala mänskliga aktiviteter och behov såsom dricka, turism, fiske och sjöfart. Det spelar också en nyckelroll i det regionala ekosystemets funktion 22 . Taihu-sjön har successivt blivit mer eutrofisk sedan 1980-talet på grund av dramatiska ökningar av näringsbelastning från stads- och jordbruksutveckling i dess vattendrag, vilket leder till den ofta bildade cyanobakteriella blomningen på våren och sommaren 7, 22 . Dessutom har fleråriga uppvärmningstrender förvärrat dessa cyanobakteriella blomningar 17 . Till exempel orsakade våren 2007 cyanobakteriell blomhändelse som inträffade i den här sjön föroreningar av kranvatten och väckte en dricksvattenkris i staden Wuxi, som direkt drabbade flera miljoner människor 9, 22 . I vår tidigare studie 20 föreslog vi ett spektralt index härrörande från de två första banden av MODIS-data som kan användas för att återspegla Chl en information och för att erhålla långsiktiga Chl-poster från MODIS-data för Lakehuhu-sjön. Det bör emellertid noteras att vår tidigare studie inte helt utvecklade en Chl a- uppskattningsmodell och att endast en enkel relation hittades mellan spektralt index och Chl a ; detta kan hänföras till det faktum att det huvudsakliga syftet med denna studie 20 var att uppskatta mikrocystinkoncentrationer med hjälp av Chl a- värden. Således är målen för den aktuella studien: (1) att slutföra utvecklingen av MODIS Chl en uppskattningsalgoritm som ursprungligen föreslogs genom vår tidigare studie 20, (2) att generera en långsiktig Chl en post baserad på MODIS-Aqua observationer att hjälpa till att karakterisera långsiktiga variationer i trender av cyanobakteriell biomassa (Chl a ) och blommar i Lakehuhu, och (3) för att bestämma hur cyanobakterier svarar på meteorologiska faktorer och näringsvariabilitetsnivåer genom att undersöka långa Chl-poster från MODIS-Aqua-data .

Resultat

Modellutveckling och validering

Spektralt index [(EXP ( R rc (645)) - EXP ( R rc (859))) / (EXP ( R rc (645)) + EXP ( R rc (859)))] som föreslogs genom vår tidigare studie var används för att konstruera Chl en uppskattningsmodell 20 . Vi använde linjära, logaritmiska, exponentiella och kvadratiska funktioner för att modellera in situ Chl a och spektralt index. Bland dessa funktioner erbjöd den linjära funktionen den högsta graden av modelleringsnoggrannhet, den högsta korrelationskoefficienten ( r = −0, 85) och de lägsta MAPE (24%) och RMSE (12, 44 μg / L) värden (fig 1 (a)) ); den linjära funktionen är som följer:

Kalibrering ( a ) och validering ( b ) av den föreslagna modellen för beräkning av Chl a i Lakehuhu. R rc spektralt index = (Exp ( R rc (645)) - Exp ( R rc (859))) / (Exp ( R rc (645)) + Exp ( R rc (859))).

Bild i full storlek

där index MODIS = [(EXP ( R rc (645)) - EXP ( R rc (859))) / (EXP ( R rc (645)) + EXP ( R rc (859)))] och R rc ( 645) och R rc (859) är atmosfäriskt Rayleigh-korrigerade MODIS-Aqua-data vid 645 nm respektive 859 nm.

För att bedöma prestandan för den föreslagna Chl en uppskattningsmodell använde vi oberoende valideringsdata från 125 matchade in situ Chl a - R rc datapar (Chl a : 6, 56–113, 66 μg / L). Utan att justera spektralindexet och omparametera, fungerade den föreslagna modellen i allmänhet bra för Chl a- uppskattningar (Fig. 1 (b)). RE för modellen för valideringsdatasats varierade från 0, 4% till 64, 5% med ett MAPE på 27, 1% ( RMSE = 15, 01 μg / L). RE- värdena på 40% och 60% av proverna föll under 20% respektive 30%. Mätningarna in situ och Chl a- värden uppskattade med användning av den föreslagna modellen med det normaliserade spektralindex [(EXP ( R rc (645)) - EXP ( R rc (859))) / (EXP ( R rc (645)) + EXP ( R rc (859)))] visade bra överensstämmelse och en signifikant linjär korrelation ( p <0, 005; t- test). Dessutom fördelades de uppmätta och uppskattade Chl-värdena jämnt längs en 1: 1-linje (Fig. 1 (b)). Dessa resultat antyder att modellen som utvecklats från det normaliserade spektralindexet fungerar tillfredsställande och kan användas för att härleda Chl a . Vi använde separat de återstående nio grupperna av datapar för att utveckla Chl en uppskattningsmodeller och för att validera den utvecklade modellen. Vi hittade inga signifikanta skillnader i sluttningarna och skärningarna i de nio linjära regressionsekvationerna. Lutningarna och avskärningarna varierade från −1, 450, 1 till −1 457, 8 respektive från 53, 11 till 72, 86. MAPE- värden för de nio modellerna för motsvarande valideringsdatasätt varierade från 25, 5% till 30, 6%. Detta antyder att den utvecklade modellen är mycket stabil. Modellen kan således användas för att kvantifiera rumsliga och temporära Chl a- fördelningar för Lakehuhu.

Cyanobakteriell dynamik

Två index för Chl a och området med cyanobakteriella ytblomningar användes för att karakterisera långsiktiga trender i cyanobakteriell dynamik i Lakehuusjön. Den föreslagna modellen (ekvation (4)) och FAI föreslagen av Hu et al . (2010b) 7 användes för att härleda en Chl a- tidsserie och de cyanobakteriella ytorna för blomningen för denna sjö från alla tillgängliga data från MODIS-Aqua som samlats in från januari 2003 till december 2013. Flera underregioner i Lake Taihu, inklusive Gonghu Bay, Xukou Bay och East Lake Taihu, är kända för att vara täckta i vattenväxter som ogräs, vass och andra makrofytter. Dessa vattenväxter kan väsentligt ändra reflektionsegenskaperna för en sjös yta, och således kan Chl a data och cyanobacterial bloomområden inte exakt härledas från fjärroptiska satellitdata i sådana områden 20 . I det följande avser således en "hel sjö" hela Taihuusområdet med undantag för dessa tre områden (Gonghu Bay, Xukou Bay och East Lake Taihu). En bild av årliga, månatliga och säsongsmässiga medel för Lakehuhu utvecklades med hjälp av aritmetiska medel för alla MODIS-härledda Chl-produkter för mellan 2003 och 2013.

Sammantaget visar sjövattnet relativt höga Chl-värden under alla säsonger. Chl a uppvisar stark säsongsvariabilitet över hela sjön (fig 2 och 3). Totalt sett är Ch a väsentligt högre under sommaren (juni-augusti) och hösten (september-november) än på våren (mars-maj) och vintern (december-februari) ( p <0, 005; t- test).

MODIS-Aqua härledd (2003–2013) varje månad genomsnitt Chl a för Taihu-sjön för januari till december. Figuren härleddes från MODIS-Aqua-data med hjälp av ENVI 5.0 (2013) (//www.harris.com/solution/envi).

Bild i full storlek

Kartor över MODIS-Aqua härledde Chl a för alla fyra säsongerna i Lake Taihu genererade med den föreslagna modellen. Figuren härleddes från MODIS-Aqua-data med hjälp av ENVI 5.0 (2013) (//www.harris.com/solution/envi).

Bild i full storlek

Den genomsnittliga säsongsbeteckningen för hela sjön för vår till vinter är 27, 86 μg / L (standardavvikelse (SD) = 4, 43 μg / L), 38, 07 μg / L (SD = 3, 81 μg / L), 37, 32 μg / L (SD = 3, 68 μg / L respektive 27, 05 μg / L (SD = 2, 43 μg / L). Det högsta månatliga genomsnittet Chl ett värde för hela sjön (42, 67 μg / L) uppnåddes i augusti och det lägsta månadsmedelvärde Chl ett värde (22, 92 μg / L) uppnåddes i februari. De högsta och lägsta månatliga medelvärdena Chl a för både Meiliang Bay (med de högsta och lägsta värdena 58, 42 μg / L respektive 33, 04 μg / L) och Zhushan Bay (med de högsta och lägsta värdena 72, 05 μg / L respektive 36, 04 μg / L) Resp. L uppnåddes i augusti respektive januari. Däremot, för öppna områden, uppnåddes de högsta (september) och lägsta (februari) månadsmedlet Chl a- värden (med högsta och lägsta värden på 21, 12 μg / L respektive 40, 81 μg / L) en månad senare än de för andra två områden.

Betydande interannual variation i Chl a från 2003 till 2013 hittades (Fig. 4). Det lägsta årliga medelvärdet för Chl-värdet för hela sjön var 30, 81 μg / L 2009, och det högsta Chl-värdet uppnåddes var 37, 28 μg / L, vilket inträffade 2007 (Fig. 4).

Årlig genomsnitt Chl en distribution av Lakehuhu för 2003 till 2013. Figuren härleddes från MODIS-Aqua-data med hjälp av ENVI 5.0 (2013) (//www.harris.com/solution/envi).

Bild i full storlek

Generellt kännetecknades Chl en dynamik i Lake Taihu av tre faser från 2003 till 2013. Chl a- värden ökade kraftigt från 2003 till 2007 med en hastighet av 2, 03 μg / L / år, varefter de minskade från 2007 till 2009 (i en takt på 3, 2 μg / L / år) och ökade sedan något från 2009 till 2013.

Rumsligt var Chl a- värdena på Zhushan Bay högre än de i de andra två subregionerna, och det lägsta Chl-värdet nåddes i mitten av de öppna områdena (fig. 5). I Meiliang Bay och Zhushan Bay minskade Chl a- värden från de inre till de yttre delarna av regionerna (fig. 5).

Chl en rumslig distribution för Taihu-sjön var i genomsnitt från alla Chl-uppskattningar baserade på MODIS-Aqua-data som samlats in från 2003–2013. Figuren härleddes från MODIS-Aqua-data med hjälp av ENVI 5.0 (2013) (//www.harris.com/solution/envi).

Bild i full storlek

För områden med cyanobakteriell ytblomning observerades en tydlig säsongscykel i Taihu-sjön (fig. 6 (a)) varvid cyanobakteriella blomningar inträffade mycket oftare under sommaren och hösten och mindre ofta på våren och vintern. Cyanobakteriella ytblomningsområden var också signifikant högre på sommaren och hösten än på våren och vintern ( p <0, 005; t- test) (Fig. 6 (a)).

Månadsvisa ( a ) och mellanårsvisa ( b ) variationer i cyanobakteriella ytblomningsområden i Lakehuhu från 2003 till 2013. Data för 2006 och 2007 (markerade av cirkeln) utesluts vid utförande av linjära regressioner mellan blomområdet och året.

Bild i full storlek

Vi hittade också väsentliga årliga variationer i områden med blomning av cyanobakteriell yta (Fig. 6 (b)). För hela sjön fann vi en uppenbar skillnad mellan 2006 och 2007 och andra år. Under 2006 och 2007 var de genomsnittliga cyanobakteriella ytblomområdena större än de som fanns under de andra perioderna. Till exempel var det genomsnittliga området som nåddes 2007 nästan dubbelt så mycket som det nådde 2003. Cyanobakteriella ytblomningsområden var relativt små mellan 2003 och 2005, och områdena var större än områdena 2003 till 2005 från 2008 till 2013 men mindre än 2006 till 2007. Dessutom expanderades det årliga genomsnittliga blomningsområdet för cyanobakteriell yta från 2003 till 2013 (R 2 = 0, 78, p <0, 005, exklusive 2006 och 2007). Den årliga genomsnittliga cyanobakteriella ytblommningsområdet i Lake Taihu expanderade gradvis från 115, 91 km 2 2003 till 167, 77 km 2 2013.

Svar på näringsberikning och meteorologiska faktorer

Chl a- och TP-tidsserierna är något synkrona, visar liknande variationer utom under varje år med låga Chl a- och TP-värden (Fig. 7 (a)). Detta indikerar att Chl a svarar annorlunda på TP efter säsong. Den högsta korrelationskoefficienten ( r = 0, 91; p <0, 005) mellan Chl a och TP inträffade under våren med en enkel linjär funktion (Chl a = 89, 91 * TP + 10, 14). Däremot var de två parametrarna inte signifikant korrelerade under de andra säsongerna. Vi fann emellertid ingen jämn variationstrend och inga uppenbara förhållanden mellan Chl a och TN (Fig. 7 (a))

Månadsmedelvärde MODIS-Aqua härledde Chl a och in situ uppmätt TP och TN för 2003 till 2013.

Bild i full storlek

Dessa resultat antyder att Chl a endast är fosforbegränsad på våren, och de förklarar variationer i Lake Taihus vår Chl a- värden. Men de tre andra säsongerna visade ett svagt förhållande mellan Chl a och TP, vilket innebär att Chl a inte är fosforbegränsad under dessa säsonger.

Signifikant positiva korrelationer hittades mellan det dagliga genomsnittliga MODIS-Aqua härledda Chl a och lufttemperatur för Lakehuhu ( r = 0, 43, p <0, 005) (Fig. 8). Vi noterar att Pearsons korrelationskoefficienter mellan Chl a och temperaturen varierar beroende på underregion: Pearsons korrelationskoefficienter för Zhushan Bay ( r = 0, 69, p <0, 005) och Meiliang Bay ( r = 0, 60, p <0, 005) är högre än de i öppna områden ( r = 0, 39, p <0, 005).

Förhållanden mellan daglig Chl a och lufttemperatur i Meiliang Bay ( a ), Zhushan Bay ( b ), öppna områden ( c ) och hela sjöområdet ( d ) från 2003 till 2013.

Bild i full storlek

Inget signifikant samband hittades mellan dagligt medelvärde av MODIS-Aqua härledd Chl a och vindhastighet. Detta tillskrivs sannolikt andra meteorologiska faktorer, till exempel lufttemperatur, som driver de flesta dagliga variationer i cyanobakteriell biomassa. Tidigare studier har antytt att vind har rumsligt varierande effekter på Taihu-sjön 44, 45, vilket indikerar att vind kan påverka Chl en rumsliga variationer oberoende av andra meteorologiska effekter. Det rumsliga förhållandet mellan vindeffekter och Chl a för denna sjö undersöktes inte, eftersom vi inte hade tillgång till den rumsliga fördelningen av vindfält över Taihu-sjön.

Sammantaget antyder våra resultat att lufttemperaturen spelar en avgörande roll i cyanobakteriella dynamiken i Lakehuusjön. Mer specifikt uppmuntrar höga lufttemperaturer och låga trycknivåer cyanobakteriell blombildning. Effekterna av lufttemperatur och tryck varierar beroende på underregionen i Lake Taihu. dessa variabler har en starkare inverkan på cyanobakteriell tillväxt i Zhushan Bay och Meiliang Bay, där vind- och vågeffekter är relativt svaga och där näringsnivån är hög. I öppna områden med stark vindpåverkan och låg näringsnivå är emellertid effekterna av lufttemperatur på cyanobakteriell tillväxt mindre uttalade. Således föreslår våra resultat att det är nödvändigt att skilja mellan de olika underregionerna i Lake Taihu när man studerar effekterna av lufttemperatur och tryck på cyanobakteriell tillväxt.

Pearsons korrelationskoefficient mellan de två parametrarna visade sig vara högst i Meiliang Bay ( r = 0, 87, p <0, 0005) och Zhushan Bay ( r = 0, 82, p <0, 0005) och lägre i öppna områden ( r = 0, 62, p <0, 0005) ). Över hela sjöområdet finns det en signifikant negativ korrelation mellan årliga blomsterområden med cyanobakteriell yta och atmosfärstrycknivåer ( r = 0, 68, p <0, 0005) (Fig. 9), vilket antyder att cyanobakteriella blomningar är mer benägna att uppstå under perioder med låga atmosfäriskt tryck i Taihu-sjön.

Förhållanden mellan årliga genomsnittliga cyanobakteriella ytblomningsområden och atmosfärstryck i Meiliang Bay ( a ), i Zhushan Bay ( b ), i öppna områden ( c ) och över hela sjön ( d ) för 2003 till 2013.

Bild i full storlek

Sammantaget minskade de årliga genomsnittliga cyanobakteriella ytblomområdena när vindhastigheterna ökade (Fig. 10). Ingen signifikant korrelation hittades emellertid mellan årliga genomsnittliga cyanobakteriella ytblomningsområden och vindhastighet. När vi utesluter uppgifterna för 2006 och 2007, som inkluderar avvikande stora blomområden, hittar vi statistiskt signifikanta negativa korrelationer för Lakehuhu (från 2003 till 2005 och från 2008 till 2013) ( r = −0, 69, p <0, 0005) och särskilt för öppna områden ( r = −0, 82, p <0, 0005) (Fig. 10). Dessa korrelationer indikerar att låga vindhastigheter gynnar cyanobakteriell yttreblomning. Som jämförelse befanns korrelationskoefficienter för Meiliang Bay ( r = −0, 69, p <0, 0005) och Zhushan Bay vara lägre än i öppna områden, vilket indikerar att cyanobakteriella blomningar är mindre känsliga för vindhastighet i de två vikarna än i det öppna områden.

Förhållanden mellan årliga genomsnittliga cyanobakteriella ytblomningsområden och vindhastighet för Meiliang Bay ( a ), Zhushan Bay ( b ), öppna områden ( c ) och hela sjön ( d ) från 2003 till 2013. Observera att vi utesluter data för 2006 och 2007, betecknat med solida svarta prickar i figuren.

Bild i full storlek

Våra resultat antyder att lågt atmosfärstryck och vindhastighetsnivåer kan antas för att underlätta bildningen av cyanobakteriell yta. Cyanobakteriella blomningar i Lakehuhu hindras generellt av högt atmosfärstryck och stark vind. Reaktionerna från cyanobakteriella blomningar i Taihu-sjön på atmosfärstryck och vindhastighet varierar emellertid rumsligt. Cyanobakteriella blomningar är mer känsliga för atmosfärstryck i Meiliang Bay och Zhushan Bay än i öppna områden; vindhastigheten kontrollerar emellertid mer cyanobakteriella blomningar i öppna områden än i de två vikarna.

Effekterna av näringsberikning och meteorologiska faktorer på cyanobakteriell dynamik

Eftersom förhållanden mellan cyanobakteriell biomassa och dessa miljöfaktorer kan vara icke-linjära och kan involvera komplexa interaktioner, använde vi CART-modellen för att ytterligare undersöka effekterna av miljöfaktorerna på den årliga Chl- och cyanobacterial ytblomningsdynamiken. Chl a visade sig vara känslig för TP och temperatur, men områden med cyanobakteriell ytblomning visade sig vara känsliga för lufttryck och vindhastighet. Därför användes TP- och temperaturnivåer som Chl a CART-modellinmatningar medan lufttryck och vindhastighetsvärden användes i den cyanobakteriella ytan blommar CART-modellen.

En rotnod (Node-1) som inkluderade alla data (N = 11 år, data = 100%) användes som utgångspunkt (Fig. 11 (a)). Temperaturen visade sig vara den viktigaste faktorn som påverkar den årliga variationen i Chl a- värden i Lakehuhu. Det genomsnittliga Chl-värdet för denna grupp var 25, 53 μg / L (SD = 1, 63 μg / L). Observationerna delades (tröskelvärde = 17 ° C) ytterligare baserat på höga och låga temperaturer. Under högre temperaturer observerades relativt högre Chl-värden i Lakehuhu (nod = 2, medelvärde = 27, 81 μg / L (SD = 1, 09 μg / L), procent = 27, 3%). Under lägre temperaturer påverkade TP-värden också kraftigt Chl-nivåer i Taihu-sjön. En signifikant ökning av TP (≧ 0, 136 mg / L) gav höga Chl a- förhållanden (nod = 5, medelvärde = 25, 59 μg / L (SD = 0, 51 μg / L), procent = 36, 3%) vid denna nod. Sammanfattningsvis visade man att höga temperaturer, höga TP- och låga TP-värden styrde variationerna mellan Chl a mellan årligen med cirka 27, 3%, 36, 4% respektive 36, 4% i Lake Taihu från 2003 till 2013. Dessa resultat indikerar att temperaturen var den viktigaste faktorn som påverkar den årliga Chl-variabiliteten (följt av TP) i Lakehuhu från 2003 till 2013.

CART-modeller för Chl a ( a ) och cyanobakteriell yta för blommans yta ( b ).

Bild i full storlek

En rotnod (Node-1) som inkluderade alla data (N = 11 år, data = 100%) användes som utgångspunkt (Fig. 11 (b)). Lufttrycket visade sig vara den viktigaste faktorn som påverkar den årliga dynamiken i cyanobakteriella blomområden i Lakehuhu. Det genomsnittliga cyanobakteriella ytblomningsområdet för denna grupp var 154, 7 km 2 (SD = 27, 3 km 2 ). Observationerna delades (tröskelvärde = 1 014 hpa) ytterligare baserat på höga och låga lufttrycksvärden. Under lägre lufttrycksförhållanden observerades relativt större blommande områden med cyanobakteriell yta i Lake Taihu (nod = 2, medelvärde = 175, 0 km 2 (SD = 26, 3 km 2 ), procent = 45, 5%). Under högre lufttrycksförhållanden påverkade vindhastigheter också kraftigt bildandet av cyanobakteriella ytblomningar i Lakehuhu. En signifikant minskning av vindhastigheten (≦ 2, 87 m / s) utvidgade den cyanobakteriella ytans blomningsområde (nod = 4, medelvärde = 148, 9 km 2 (SD = 1, 9 km 2 ), procent = 27, 3%) vid denna nod. Sammanfattningsvis kontrollerade låga lufttryck, låga vindhastigheter och höga vindhastighetsvärden mellanårsvariationer i cyanobakteriell yta för blomning med ungefär 45, 5%, 27, 3% respektive 27, 2% i Lake Taihu från 2003 till 2013. Dessa resultat indikerar att lufttrycket var den viktigaste faktorn som styrde cyanobakteriell ytblomning (följt av vindhastighet) i Lakehuhu från 2003 till 2013.

Diskussion

Fördelar med 11-åriga MODIS Cyanobacteria-dataposter

Lakehuhu hanteras genom ett omfattande observationsnätverk för vattenkvalitet baserat på en strikt näringshanteringsstrategi. Månadsvis fältprovtagning kan införa osäkerheter i både kort- och långsiktiga observationer av vattenkvalitet (t.ex. Chl a ) dynamik på grund av snabba förändringar som inträffar i denna sjö 45 . Dessutom utsätts Taihu-sjön för en komplex dynamisk interaktion och upplever ofta förändringar i vattensystemets funktion på grund av olika fysiska, kemiska och biotiska drivkrafter 9 . Alla dessa faktorer gör det nödvändigt att utveckla en fjärranalysmetod för att övervaka Lake Taihos rumsliga och temporära dynamik i vattenkvalitet och att kvantifiera sina svar på miljöförare.

Nyligen har Qi et al . (2014) utvecklade och validerade en ny algoritm baserad på MERIS-data för att uppskatta fykocyaninkoncentrationer av cyanobakterier i Taihu-sjön 46 . Med hjälp av modellen och 512 MERIS-bilder konstruerades långtidsregister över phycocyanin-data genom sin studie, vilket genererade värdefull information för studien av cyanobakteriell biomassedynamik. Våra studier erbjuder dock fler fördelar än Qi et al . (2014). Först, vår övervägande av många fler kalibrerings- och valideringsdatasätt (250 datapar) som täcker hela Taihu-sjön och alla fyra säsonger garanterar tillförlitligheten för vår Chl en uppskattningsmodell för Taihu-sjön. För det andra betraktade vi många fler högkvalitativa MODIS-bilder (1 109 bilder) relativt antalet MERIS-bilder som samlats in i Qi et al . (2014) (512 bilder) och användningen av mer långsiktiga Chl-data bör generera mer pålitliga resultat totalt sett. För det andra, även om MERIS-tjänster har varit tillgängliga från april 2012, kan MODIS-data användas för att kontinuerligt övervaka Chl a i framtiden.

Baserat på fältobservationer och laboratorieexperiment har tidigare studier antytt att de frekventa cyanobakterieblomningarna som förekommer i Lakehuhu har resulterat från en kombination av miljöfaktorer, inklusive näringsämnen och klimatförhållanden 9, 22, 23, 46, 47, 48 . Resultaten från dessa studier har emellertid till stor del baserats på prover som tagits från ett begränsat antal platser och över korta tidsintervall, och därför är deras slutsatser baserade på data med låga rumsliga och temporära upplösningar. Det är väl känt att Lake Taihus biogeokemiska parametrar kännetecknas av komplex rumslig och temporär dynamik 10, 22 .

Paerl et al . 49 använde en serie bioanalyser med näringsadditivering för att bestämma att cyanobakteriell tillväxt i Lakehuhu är begränsad av kväve och fosfor 49 ; deras studie visade också att kväve- och fosforbegränsningar förändras säsongsmässigt, med fosforbegränsningar som vanligtvis inträffar tidigt på våren och kvävebegränsningar som inträffar från sommaren till hösten (Paerl et al .) 49 . Liknande resultat på näringsämnesbegränsningar i Lakehuhu har dragits av Xu et al . 29 med samma tillvägagångssätt som Paerl et al . 49 . Det verkar tydligt som om vi presenterar resultat som strider mot de i dessa tidigare studier 29, 50 om kväve begränsar cyanobakteriell tillväxt. Olika tids- och rumsskalor för data som användes i vår studie och tidigare studier 45, 49 kan ha orsakat dessa skillnader. Vid bestämning av om kväve eller fosfor begränsar cyanobakteriell tillväxt, Xu et al . 29 genomförde fyra tillsatsförsök i situ i maj, juli, oktober och december 2008 29 . I studien (Xu et al .) 29 varade varje tillsatsförsök i näringsämnen flera dagar (dagskala) och tre platser i Lake Taihu användes för de fyra experimenten (specifik platsskala) 29 . I vår studie samlades in både Chl a och näringsdata för 2003 till 2013 för hela sjöområdet. Våra resultat baseras således på en undersökning av hela sjöområdet i en årlig skala, vilket avslöjar de långsiktiga responserna av cyanobakteriell dynamik på näringsämnen i en bredare rumslig skala.

Följande punkter kan förklara säsongsbetonade resultat. Våra långsiktiga in situ- mätningar visade att kvotvärdena för TN: TP för alla säsonger från 2003 till 2013 är betydligt högre än Redfield-förhållandet (16: 1) 51, som har använts för att identifiera kvävebegränsningar (när TP: TN <16: 1) för Lakehuhu. För det andra anses vårsäsongen typiskt vara en säsong av cyanobakteriell tillväxt under vilken cyanobakterier multiplicerar snabbt och kräver högre nivåer av fosfor. I Lakehuhu befanns TP-nivåer vara lägre på våren än under andra säsonger, då de var tillräckligt höga för att inte begränsa cyanobakteriell tillväxt. Dessutom överskrider förhållandena av TN: TP på våren med ett medelvärde av 45: 1 signifikant Redfield-förhållandet (16: 1) (stängt till 3 gånger Redfield-förhållandet (16: 1)), vilket avslöjar rimligheten för fosforbegränsningar på våren i Taihu-sjön. Baserat på laboratorieförsök och fältobservationer har tidigare studier föreslagit att temperaturökningar kan leda till betydande cyanobakteriell tillväxt 4, kan orsaka att de första blomningstiderna inträffade tidigare 23 och kan förlänga årliga blomperioder 52 . Dessa data är emellertid på grund av deras inneboende begränsningar diskreta och sporadiska till sin natur, vilket förhindrar oss från att göra en grundlig och objektiv utvärdering av klimatdrivna faktorer för cyanobakteriell dynamik i Taihu-sjön. Genom att dra fördel av MODIS-cyanobakteriella tidsserier för 2003–2013 genererade med en nyutvecklad modell tillsammans med historiska register över meteorologiska data, erbjuder vi en omfattande förståelse för klimatkrafterna som driver sådana cyanobakteriella förändringar. Vi fann att temperaturnivåer kan leda till cyanobakteriell tillväxt och att cyanobakteriella ytmönster är känsliga för vindhastigheter. Känsligheten hos dessa klimatfaktorer för cyanobakteriell dynamik varierar regionalt. Vi gjorde också en hypotes om att lufttryck kan leda till bildning av cyanobakteriell ytblomning i Lakehuhu. Atmosfäriskt tryck har inte traditionellt betraktats som en betydande faktor som formar cyanobakteriell ytblomning. Hittills finns det inga tidigare studier som har kopplat atmosfärstryck till cyanobakteriell ytblomning. Våra resultat avslöjar en tydlig ökning av blomningsområdet för cyanobakteriell yta med en minskning av atmosfärstrycket, vilket antyder att atmosfärstrycket kan antas för att driva cyanobakteriell blombildning i Taihu-sjön. Upptäckten att atmosfärstrycket spelar en roll i cyanobakteriell blombildning bidrar till ett nytt perspektiv på fenomenet cyanobakteriella blomningar. Prognosmodeller för cyanobakteriella blommor kan ha fördel av att inkludera atmosfärstryck som en förutsägbar parameter. Bubblor till följd av lågt atmosfärstryck bör uppmuntra till att cyanobakteriell blombildning bildas 53 . Bubblor i vatten kan bero på övermättnad av metan, koldioxid, kväve eller syre. När atmosfärstrycket minskar reduceras således gaslösligheten i vatten, vilket i sin tur leder till gasöversättning och gasbubblatillväxt.

Konsekvenser för framtida sjöhantering

Effekterna av meteorologiska faktorer på cyanobakterieblomningar kräver en annan tolkning av fenomenet cyanobakteriella blomningar. Prognosmodeller för cyanobakterieblomningar skulle kunna dra fördel av meteorologiska faktorer som lufttemperatur, atmosfärstryck och vind som förutsägelsesparametrar. Det är anmärkningsvärt att från 1980-talet till idag har förhållandet mellan lufttemperatur och atmosfärstryck avsevärt ökat medan vindmönstren har sjunkit i Taihu-sjön (fig. 12). Dessa trender visade sig emellertid inte från 1956 till 1980 (fig 12). Våra resultat antyder att dessa trender i förhållandet mellan lufttemperatur och atmosfärstryck och vindhastighet kan leda till generering av mer allvarliga cyanobakterieblomningar i Taihu-sjön. Således kunde allvarliga cyanobakteriella blomhändelser i Lakehuhu sedan 1980-talet åtminstone delvis hänföras till förändringar i meteorologiska förhållanden. När klimatförändringarna fortsätter att påverka regionen kan vi dra slutsatsen att svårighetsgraden av cyanobakterieblomningar kommer att förbättras i Taihu-sjön.

Årligt medelförhållande mellan lufttemperatur och atmosfärstryck och vindhastighet som observerades vid Dongshan meteorologiska station 1956 till 2013.

Bild i full storlek

De långsiktiga Chl-uppgifterna med höga rumsliga och temporära upplösningar som används i denna studie är värdefulla för att identifiera de synergistiska effekterna av näringsbelastning på cyanobakteriell tillväxt. Vårt konstaterande att Lakehuhu endast är föremål för fosforbegränsningar på våren har konsekvenser för att kontrollera cyanobakterieblomningar genom minskning av näringsämnen. Detta resultat framhäver att det kan bildas svåra cyanobakteriella blomningar under vårsäsongerna i år med höga TP-nivåer. Det kan också dras att fosforreduktion under våren kan hjälpa till att kontrollera cyanobakteriella blomningar under korta tidsskalor; däremot tyder bristen på Chl på en känslighet för TN som tyder på att ansträngningarna för att kontrollera storleken och varaktigheten av cyanobakterieblomningar inte bör fokusera på kvävereduktion i Taihu-sjön. Våra resultat antyder dessutom att näringsreduktionsstrategier för att kontrollera cyanobakteriella blommor måste ta hänsyn till samtidiga klimatförändringar som gynnar utveckling av cyanobakteriell blom. Mer specifikt bör kritiska näringsgränsvärden som cyanobakterieblomningar uppmanas under gynnsamma meteorologiska förhållanden (temperaturökningar och minskning av atmosfärstryck och vindhastighet) reduceras för att kompensera för mer gynnsamma tillväxtförhållanden 50 . Dessutom bör anpassningen av strategier för näringsreduktion vara regionalspecifik, eftersom känsligheten för cyanobakteriell dynamik för dessa meteorologiska förhållanden varierar mellan olika delregioner i Taihu-sjön.

Resultaten av denna studie har betydande miljökonsekvenser enligt den långsiktiga övervakningen av cyanobakteriell dynamik i Lakehuhu. Detta är särskilt kritiskt i ett förändrat klimat, eftersom det ofta är svårt att belysa orsaksfaktorerna i vattenmiljöförändringar utan kontinuerlig och långsiktig övervakning av vattenkvaliteten. Våra resultat hjälper chefer och beslutsfattare att redogöra för och ändra sina strategier för att kontrollera cyanobakterieblomningar som svar på framtida klimatförändringar och mänskliga effekter. Vi rekommenderar därför att fjärranalysmetoder integreras i framtida Lake Taihu-ledningssystem.

I en bredare skala kan tillvägagångssätten och resultaten från denna studie utvidgas till andra sjöar där cyanobakterier dominerar, som Lake Chaohu 54, Lake Dianchi 50 och Lake Erie. När Chl en uppskattningsmodell är inställd med lokal data och när satellitbaserad Chl a har validerats, kan liknande långsiktiga Chl en serieanalyser utföras med liten ansträngning och kostnad. Klimatuppvärmning och antropogent förbättrad näringsbelastning i sjöar runt om i världen är också kända för att vara potentiella drivkrafter för intensiteten i cyanobakteriell yta. Integrationen av satellit-härledda dataprodukter med andra miljö- och meteorologiska data in situ kommer ytterligare att hjälpa till att belysa orsaks- och effektförhållandena mellan cyanobakteriell dynamik och miljö- och meteorologiska faktorer.

Slutsatser

Vi använde fjärravkänningstekniker för att ta itu med detta problem i Lakehuhu, som är en stor, grunt och eutrof sjö. Vi utvecklade och validerade först en empirisk modell för att uppskatta Chl-nivåer i Lake Taihu baserat på ett spektralt index härrörande från R rc och in situ- data. Den föreslagna modellen visade robust prestanda för ett oberoende validerande datasätt, med relativa fel ( RE ) som sträcker sig från 0, 4% till 64, 5% med ett medelvärde för absolut procent-fel ( MAPE ) på 27, 1% ( RMSE = 15, 01 μg / L) och från 6, 56 μg / L till 113, 66 μg / L för Chl a . För det andra genererades långsiktiga tidsintervaller för blom- och cyanobakteriell yta för blomningsarea från MODIS-Aqua-observationer samlade från 2003 till 2013 med hjälp av den föreslagna modellen och det flytande algeindexet (FAI). Chl a- värden för Taihu-sjön varierade avsevärt i rymd och tid, med högre Chl-värden för Zhushan Bay och Meiliang Bay och med lägre Chl a- värden som finns för öppna områden. Chl a- värden på sommaren och hösten befanns vara betydligt högre än de som registrerades på våren och vintern ( p <0, 005). Det årliga medelvärdet av händelser med blomning av cyanobakteriell yta uppvisade en tydligt ökande trend för hela sjöområdet från 2003 till 2013 med undantag för 2006 och 2007 (årliga medelområden = 3, 8791 * år-7646, 1, p <0, 0005). Från 2003 till 2013 utökades området gradvis från 115, 91 km 2 till 167, 77 km 2 . För det tredje, baserat på det långsiktiga Chl a- och cyanobacterial bloomområdet härrörande från observationer från MODIS-Aqua, kvantifierade vi cyanobacterialdynamikens svar på näringsberikning och klimatförhållanden. Resultaten visar att höga lufttemperaturer och höga fosfornivåer på våren kan leda till cyanobakteriell tillväxt och att låga vindhastigheter och atmosfärstrycknivåer kan gynna cyanobakteriell ytblomning. Känsligheten hos cyanobakteriell dynamik för klimatförhållanden befanns variera regionalt, med mer känslighet för lufttemperatur och atmosfärstryck som observerades i Zhushan Bay och Meiliang Bay och med mer känslighet för vindhastighet i öppna områden.

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.