卫星数据是如何使伊利湖有毒藻华的研究取得突破的

2020-09-23 58藻类

随着有毒淡水藻类水华的频率和规模日益增加,成为越来越令人担忧的公共卫生问题,卡内基科学家杰夫·何(Jeff Ho)和安娜·米查拉克(Anna Michalak)及其同事在了解伊利湖水华背后的驱动因素及其对湖泊恢复的影响方面取得了新进展。这项工作发表在两项相关研究中。卫星数据是如何使伊利湖有毒藻华的研究取得突破的?

两项相关研究

研究人员利用美国宇航局陆地卫星5号仪器的数据,对伊利湖的历史性藻类水华进行了新的估计,比之前可供科学家调查的年份从14年增加到32年,增加了一倍多。(这项第一项研究发表在《环境遥感》上)通过探索这一新的历史记录,他们发现十年尺度的累积磷负荷——即流入水道的径流——除了同年磷输入的影响外,还有助于预测水华规模。这项研究表明,可能需要10年时间才能从最近提出的减少营养盐负荷中获益。(第二项研究发表在《大湖研究杂志》上。)

有毒藻华

当过量的磷被添加到水中时,有害的淡水藻类会大量繁殖,这通常是由于肥料的流失。过量的磷会刺激水生植物和浮游植物的生长,比如蓝绿藻微囊藻(microytsis sp.),一种能产生影响人体肝脏的毒素,也能引起皮肤刺激的有机体。

伊利湖与美国俄亥俄州、宾夕法尼亚州、纽约州和加拿大安大略省接壤,是人们感受到的最严重的有毒藻华问题的地方。在20世纪60年代和70年代,水华是一个主要的麻烦,但两国的磷目标导致了湖泊的恢复。最近,水华又以更大的强度和更大的后果卷土重来,在2011年和2015年出现了创纪录的开花。2014年,来自微囊藻爆发的毒素导致了俄亥俄州托莱多及其周边地区50万居民为期三天的“不要饮用自来水”咨询。

“二十年来,伊利湖西部的水质一直在下降,”主要作者杰夫·何说大约有1100万人依赖伊利湖饮水。”

这一紧迫问题促使两国国际联合委员会在2016年制定了新的磷指标。新的目标是保护伊利湖水资源的重要一步,但即使进入伊利湖的磷含量已经减少,恢复工作也可能需要几年时间。

卫星数据是如何使伊利湖有毒藻华的研究取得突破的

合著者安娜·米查拉克说:“我们的研究结果表明,被困在湖泊沉积物中的磷会持续几年重新释放到湖中,年复一年地为水华提供养分。”

Michalak和Ho意识到目前所有对伊利湖有毒水华建模的努力都是基于不到15年的数据,因此他们开始着手进行这些研究。”如果我们能回到80年代和90年代发生的事情,我们对湖泊过程的理解会改变吗?”米查拉克记得问过。

卫星数据是如何使伊利湖有毒藻华的研究取得突破的?第一步是从现有的卫星记录中收集有关历史水华的新信息。为此,研究小组查阅了陆地卫星5号的档案,可以追溯到1984年。他们使用一种新开发的基于水华存在、分布、大小和时间的多个指标的方法,评估了11个候选的陆地卫星算法,并找到了一个与近年来现有数据最匹配的算法。然后,他们应用这一算法绘制出1984年的水华图,比现有的历史记录翻了一番多,大大提高了他们理解趋势和原因的能力。

“这种多指标的方法,以确定最佳的布鲁姆检测算法给我们一个全面的图片,每一个算法的优势和弱点,”何说。

有了这些新的水华数据,研究人员探索了水华严重程度与湖水输入,特别是磷之间的关系。研究人员发现,每年春季进入湖中的磷量,加上过去10年进入湖中的磷量,可以解释有记录的30年中水华大小每年变化的四分之三。

“累积磷负荷,指示了水华规模的长期趋势,是理解为什么有些水华发生在春季磷径流很少的年份,”何说这也解释了为什么近年来开花量越来越大,甚至比我们仅根据春季负荷量的逐年变化预测的还要大,”Michalak补充道。

“伊利湖未来的道路是明确的——我们必须减少流入湖中的磷。我们需要耐心等待,让湖水有时间恢复,”Michalak总结道。

引用

Carnegie Institution for Science. "How satellite data led to a breakthrough for Lake Erie toxic algal blooms." ScienceDaily. ScienceDaily, 15 May 2017. www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170515111532.htm.

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