卫星数据揭示伊利湖如何导致有毒藻华

随着有毒淡水藻华的发生频率和规模越来越大，并日益成为令人担忧的公共卫生问题，卡内基大学的科学家Jeff Ho和Anna Michalak及其同事在了解伊利湖藻华的成因及其对湖泊修复的影响方面取得了新的进展。这项研究发表在两项相关研究中。

卫星数据揭示伊利湖如何导致有毒藻华，研究人员利用美国国家航空航天局(NASA)陆地卫星5号(Landsat 5)发回的数据，对伊利湖(Lake Erie)历史上曾出现的藻华进行了新的估算，将科学家此前可进行调查的年份增加了一倍多，从14年增加到32年。(这项研究首次发表在《环境遥感》杂志上。)在探索这一新的历史记录时，他们发现，除了当年磷输入的影响外，数十年累积磷负荷(即流入水道的径流)有助于预测水华的大小。这项研究表明，从最近提出的减少营养负荷的建议中获益可能需要10年的时间。(第二项研究发表在《大湖研究杂志》上。)

研究背景

当过量的磷被添加到水中，通常作为肥料的径流，会导致有害的淡水藻类大量繁殖。过量的磷会刺激水生植物和浮游植物的生长，比如蓝藻微胞菌，这种微生物会产生一种影响人类肝脏的毒素，还会引起皮肤刺激。

伊利湖与美国的俄亥俄州、宾夕法尼亚州和纽约州接壤，与加拿大的安大略省接壤。在20世纪60年代和70年代，藻华是一个主要的麻烦，但双国家磷目标导致湖泊恢复。最近，花开的强度和后果都有所增加，2011年和2015年的花开数量创下了纪录。2014年，一种微囊藻爆发所产生的毒素导致俄亥俄州托莱多市及周边地区的50万居民接受了为期三天的“不要饮用自来水”建议。

“伊利湖西部的水质20年来一直在下降，”第一作者Jeff Ho说。“大约有1100万人依赖伊利湖的饮用水。”

这个紧迫的问题促使两国国际联合委员会在2016年制定了新的磷目标。新目标是保护伊利湖水质的重要一步，但即使进入伊利湖的磷量已经减少，恢复可能也需要几年时间。

“我们的研究结果表明，被困在湖泊沉积物中的磷会在几年内不断重新释放到湖中，导致水华年复一年地不断出现，”合著者Anna Michalak说。

Michalak和Ho意识到，目前所有建立伊利湖有毒水华模型的努力都是建立在不到15年的数据基础上的，于是他们决定从事这些研究。“如果我们能回到80年代和90年代，看看当时发生了什么，我们对湖泊过程的理解是否会改变?”Michalak 问到。

卫星数据揭示伊利湖如何导致有毒藻华

卫星数据揭示伊利湖如何导致有毒藻华，第一步是从现有的卫星记录中收集关于历史花开的新信息。为此，研究小组查阅了1984年的陆地卫星5号档案。他们使用一种基于水华的存在、分布、大小和时间等多重指标的新开发的方法，评估了11种备选的Landsat算法，并找到了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了1984年以来的水华分布图，是现有历史记录的两倍多，极大地提高了他们理解趋势和原因的能力。

Ho说:“这种用于识别最佳布卢姆检测算法的多度量方法，让我们全面了解了每种算法的优缺点。”

有了这些新的水华数据在手，研究人员探索了水华的严重程度和湖水输入之间的关系，特别是磷。研究人员发现，每年春天进入湖泊的磷量，加上过去十年进入湖泊的磷量，可以解释在30年的记录期内，水华规模的年变化的四分之三。

结果预测

Ho说:“磷的累积负荷，表明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流失很少的年份的关键。”Michalak补充说:“这也解释了为什么近年来水华的规模越来越大，甚至超过了我们仅根据春季负荷的逐年变化而做出的预测。”

“通往伊利湖的道路是明确的——我们必须减少流入湖中的磷。我们需要耐心等待湖泊恢复。”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.