南太湖地区小型浅水湖泊自净能力季节变化研究

以南太湖地区小型浅水湖泊为对象,研究了湖泊水体自净能力季节变化的特征.结果表明,湖泊对高锰酸盐指数、总氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)、叶绿素a(Chl-a)的净化能力季节性差异较大.各水质指标春季和冬季自净效果较好,夏季自净效果较差的是NH4+-N和NO3--N,秋季是TP和Chl-a.湖泊四季水体有机污染较轻,TN、TP污染严重.TN、TP浓度条件适宜藻类生长,水体容易发生富营养化,磷为限制性因子.Chl-a浓度显示湖泊在夏秋两季处于富营养化水平,冬春两季转变为中营养水平.浮游植物的生长与暴发对水质有较大影响,并影响到湖泊的自净能力.影响水体pH值和溶解氧(DO)浓度的主要因素是水生植物的种类和数量,农田肥料流失和农村生活污水排放是造成水体中氮磷含量过高的主要原因.过量使用有机肥使得夏季湖泊水体中有机氮占TN的主要部分,其他季节NO3--N占TN的主要部分.主成分分析结果表明,影响南太湖地区小型浅水湖泊自净能力的3个主成分分别为浮游植物因子(水温、pH、高锰酸盐指数和Chl-a)、农田排水因子(pH、DO和TN)和营养因子(TN和TP).聚类分析结果表明,3个湖泊11个采样点4个季节的水质可聚为两大类,春秋冬季为一类,夏季为一类,这一结果是受温度变化及农田排水所致.利用水温和pH拟合出用于计算湖泊水体中的高锰酸盐指数、TN、TP、Chl-a的线性方程,提高了现场快速预测能力.     

太湖水体Chl-a预测模型ARIMA的构建及应用优化

叶绿素a（Chl-a）是湖泊浮游植物生物量的重要指标,其含量能反映水中浮游植物的丰度和变化规律.以1999年12月~2019年8月太湖水体Chl-a和环境因子的逐月监测数据为基础,运用主成分分析方法探讨了Chl-a与环境因子的关系,据此建立了Chl-a与主要环境因素之间的多元线性逐步回归模型及自回归综合移动平均模型（ARIMA）.结果表明：①太湖Chl-a浓度存在着明显的季节变化,且总体处于上升趋势.总磷（TP）、高锰酸盐指数、月均气温（MAT）和月度降雨量（MR）与Chl-a浓度存在较好的变化同步性,总氮（TN）和氨氮（NH₄⁺-N）则表现出明显的滞后性.②主成分分析结果表明,太湖水体藻类暴发条件不仅仅是基于N和P等限制性因素,而是发展为TN、NH₄⁺-N、TP和高锰酸盐指数、MR和MAT等多元因素的综合影响.③两种模型经验证比较,基于1999~2019年逐月资料建立的Chl-a浓度的ARIMA模型模拟效果和预测精度明显优于所建立的多元线性逐步回归模型,特别是在考虑主要环境因素作为自变量及优化自变量取值情况下其预测效果得到进一步提升.建立的ARIMA（0,1,1）（0,1,1）模型将有助于太湖藻类暴发的预报和预警,并为及时有效地安排水资源调度及调控等水环境管理措施提供依据.     

太湖磷循环的生态动力学模拟研究

构建了太湖水生态动力学模型(CAEDYM),依据已有相关研究成果对模型参数进行了初选,利用2005年的水文、气象、水质等监测数据对模型参数进行了率定,分析了湖泊水体磷的循环机制和沉积物内源磷的释放机制.结果表明,水温和溶解氧的模拟结果与实测数据非常吻合,TP、PO43-和Chl-a的变化趋势也与实测结果基本相同.浮游植物优势种的演替模式表现为:冬季隐藻和硅藻占优势,春季绿藻占优势,夏季和秋季蓝藻占优势;磷的内源释放对太湖磷循环影响的模拟结果表明,在不改变外源输入的情况下,降低底泥中磷的再悬浮作用能够有效降低水体中Chl-a的浓度,但对水体中TP及PO43-的影响较小.     

香溪河库湾水质特征与非回水区水华响应关系

为探究香溪河在受倒灌影响较弱的河段水华暴发征兆及机理,于水华高发期5~8月对香溪河进行监测,分析电导率、水温、叶绿素a（Chl-a）以及流速.结果表明,在6~8月,香溪河倒灌现象于XX05点（峡口镇）处基本结束,XX06~XX09受倒灌来水影响较弱;香溪河于7月暴发水华,各个监测点位上Chl-a含量均值达到100μg/L以上,XX05~XX06与XX07-XX09点位上暴发不同种水华;在水华暴发前后,水体温度无显著变化,且并无明显分层现象,说明水温分层是水华暴发的主要原因这一理论并不能很好的适用于非回水区;通过对电导率数值的研究发现,数值在垂向上出现显著拐点,而拐点出现在临界层与光补偿层之间,同时与叶绿素a含量分布呈现显著负相关性.香溪河总氮（TN）、总磷（TP）平均值为1.849mg/L和0.157mg/L,均超过富营养化的阈值,水体氮磷含量与Chl-a浓度无显著相关性,水体中除N、P营养盐外的其它离子对香溪河水华的暴发起着重要作用.在水华消退后,电导率数值又逐渐恢复表层高底层低的垂向线性分布特性,与水华的暴发、消退有着明显的响应.     

三峡水库支流大宁河冬、春季水华调查研究

以三峡水库主要支流--大宁河冬、春季2次不同类型水华的调查数据为依据,分析并比较了不同水华期间水质的变化、营养盐的构成及水华的特征.结果表明,大宁河冬季水华以唐家湾为中心,叶绿素a(Chl-a)含量较高[(Chl-a)_(max)/(Chl-a)_(min)=260];随着藻类的生长总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数出现富集而含量升高,溶解氧(DO)和pH却出现低值;水华高峰期水体藻类较少,共发现2门4种,水华优势种为铜绿微囊藻和水华微囊藻,藻密度高达3.15×10~7个/L,相关加权综合营养状态指数为80,属于重度富营养化水体.而春季水华属于自回水段以下整体性暴发,Chl-a含量也较高[(Chl-a)_(max)/(Chl-a)_(min)=140];TN、TP和高锰酸盐指数均是随着水华的发生逐渐升高;水华高峰期藻类种群丰富,共发现5门44种,各断面水华优势种和藻密度均不同,相关加权综合营养状态指数显示东坪坝和白水河为轻度富营养化水体.相关性分析表明,冬季水华期间Chl-a与TN、TP、高锰酸盐指数、水温呈显著正相关,与DO、透明度(SD)呈显著负相关;春季水华Chl-a与TP、高锰酸盐指数、DO、pH呈显著正相关,与SD呈显著负相关.冬季水华pH与SD呈显著正相关,与TN、TP、高锰酸盐指数呈显著负相关;而春季水华pH与Chl-a、TP、高锰酸盐指数、DO、气温呈显著正相关,与SD呈显著负相关.     

小型封闭水体环境因子与叶绿素a的时空分布及相关性研究

以崇明岛前卫村的一个小型封闭富营养化水体为对象,自2007年7月~2011年9月进行了约4 a的野外观测,研究了物化因子、水动力因素和叶绿素a(Chl-a)的时空分布特征及其相关性.结果表明,该水体Chl-a含量具有明显的时空差异性.Chl-a含量与水温、浊度、TN和TP均呈显著正相关关系,水温和营养盐是影响浮游植物季节动态的主要因素,浊度的季节变化是浮游植物生长的结果表征.Chl-a的空间差异性与不同水域水动力条件的差异有关,受风影响显著的水域(北河道)流速多分布在0.08~0.22 m·s-1范围内,Chl-a含量显著较低(平均浓度为53.11μg·L-1).从流速与Chl-a的关系分析来看,流速与Chl-a浓度呈显著负相关关系,流速总体分布在0~0.10 m·s-1的水域Chl-a含量显著偏高(平均浓度为35.30μg·L-1).该结果表明较大强度的水动力条件能够对富营养化封闭水体中浮游植物生长产生显著的抑制作用,可为相关水体的水华防治提供有益借鉴.     

三峡库区澎溪河与磨刀溪电导率等水质特征与水华的关系比较

三峡库区北岸最大一级支流自三峡大坝2003年蓄水以来,频繁暴发水华,而毗邻的一级支流磨刀溪却少有水华暴发.本文以澎溪河和磨刀溪作为研究对象,于2014年春季和夏季三峡库区水华高发期对两条河流同时采样,对比分析两条河流水体水质以及叶绿素a(Chl-a)含量的时空变化,探索澎溪河水华暴发机理.结果表明:澎溪河Chl-a含量较磨刀溪高,澎溪河春季Chl-a最大值为60.5μg·L~(-1),夏季Chl-a最大值仅7.8μg·L~(-1);磨刀溪Chl-a变化趋势与澎溪河相反,磨刀溪春季Chl-a含量为2.92μg·L~(-1),夏季Chl-a达到7.48μg·L~(-1).澎溪河与磨刀溪春季和夏季节水体温度分层,为温跃层+滞温层模式,而没有混合层;两条河流Chl-a含量均位于水深10 m温跃层.澎溪河春季总氮(TN)、总磷(TP)平均值为2.305 mg·L~(-1)和0.053 mg·L~(-1),夏季为1.673 mg·L~(-1)和0.097 mg·L~(-1);磨刀溪春季为1.875 mg·L~(-1)和0.075 mg·L~(-1),夏季为1.79 mg·L~(-1)和0.054 mg·L~(-1).TN、TP水平均超过了国际公认发生富营养化的阈值;水体氮磷含量与Chl-a浓度并无显著相关性,营养盐并不是藻类生物量的限制性因素.然而在水体电导率的规律方面,两条河却存在很大的差异;春季,磨刀溪上游上层水体(0~10 m)电导率只有下游和长江干流的75%,来自长江干流的回水可覆盖至磨刀溪中游(断面MD03),与Chl-a在此处密集保持一致;夏季电导率和回水区分布与春季相似.与磨刀溪不同,澎溪河春季上游电导率为下游和干流的150%,长江干流回水可到PX04与PX05之间,上游高电导率对应着高Chl-a含量;澎溪河电导率与藻类生长分布表现出显著正相关关系,水体中除N、P营养盐外的其它离子对澎溪河水华暴发起重要作用.     

生物浮岛对长湖水质和浮游植物的影响

为探索治理长湖水体富营养化的有效方法,开展生物浮岛对其水质和浮游植物的影响。结果表明,在藻类大量生长的季节(7—9月),浮岛区水体中TN_w、DO、TSS、Chl-a含量以及TLI值较对照区有所下降,下降幅度在6%~62.3%,其中以Chl-a含量下降最明显;浮岛上下游区域浮游植物优势类群存在差异性,而且下游的浮游植物细胞丰度、均匀度指数和Shannon-Wiener多样性指数均较上游有所下降。由此可见,生物浮岛能有效吸附长湖水体中N、P等营养元素,对其藻类水华的爆发具有抑制作用,可作为长湖水体原位生态修复的有效手段。     

生态系统结构对太湖有机聚集体理化性质的影响

2007年1~12月对太湖4个不同生态类型湖区水体中有机聚集体(organic aggregates,OA)的丰度、有机质含量和营养盐(N、P)含量及其它水环境因子进行了同步监测.结果表明,①OA是太湖水体中营养盐的一个重要来源,其N、P含量分别占水体中TN、TP的16.5%及43.3%;②水体中OA的丰度与水体的富营养化程度密切相关,随着水体富营养化水平的提高和浮游植物生物量的增加,OA丰度及其中有机质的含量也呈现逐渐上升的趋势;③风浪扰动对太湖水体中OA的理化性质影响较大.OA作为营养盐的一个重要载体,可能是浅水湖泊营养盐循环中的一个关键点.     

遮光对滇池春季藻类水华的影响

为了研究(太阳)光强与水华藻类增殖的关系并探讨光强调节措施对水华的控制效果,2014年3-4月在滇池(草海)开展了基于围隔试验的水华早期遮光控藻效果的研究,结果显示:相比同期对照组,遮光率为85%时利于浮游植物生长且生物量升高了13.4%(5.8%~26.4%),遮光率为99%时抑制浮游植物生长且浮游植物生物量削减了28.8%(21.7%~41.5%),这与滇池高日照辐射与紫外强度及春季相对较低的水温有关;藻类组成方面,遮光99%后能提高蓝藻所占比例,且使群体微囊藻明显漂浮聚集于水体表面;遮光对藻类活性、水质等亦有一定影响。结合该研究与其它相关研究分析,水华控制中遮光率的选择需因控制目标、水华阶段性与地域特点制宜。     

滨岸带水华堆积与消散特征及其营养盐效应

为了解滨岸带植被、地形等地貌要素对蓝藻水华堆积及消散过程的影响,在太湖滨岸带设置不同形式的围格和植被实验区,通过逐日监测水体叶绿素a（Chl-a）的消长过程及同步营养盐变化,研究夏季蓝藻水华在湖泊滨岸带堆积与消散特征和营养盐效应.结果表明,滨岸带的地形地貌及植被状况对蓝藻水华的堆积程度及消散过程影响较大,软围隔营造的滨岸带静水环境,以及不同植被所形成的不同滞水区,显著加剧了蓝藻水华的局部堆积,从岸边挺水和浮叶植被区到开敞水域对照区,蓝藻水华的堆积程度依次递减;近岸挺水和浮叶植被区蓝藻水华堆积最严重,堆积时间最早,持续时间长;蓝藻水华堆积对营养盐等水质指标影响极大,堆积严重时该区域Chl-a含量达到了457.42μg/L,总氮（TN）达到11.04mg/L,总磷（TP）达到1.32mg/L;橡胶围格内浮叶植物区藻类堆积程度与近岸区类似,而浮叶植物与沉水植物混合区藻类堆积程度低于单一浮叶植物区;水体围隔能够加剧蓝藻水华的堆积,没有围隔的浮叶植物区藻类堆积程度最低.在蓝藻水华堆积过程中,蓝藻细胞仍在继续增殖,水体Chl-a仍会明显增加,而同期的水体营养盐的增幅小于Chl-a,甚至随着藻类生长消耗及生态系统的脱氮效应,溶解态氮磷下降明显.蓝藻水华消散过程中,TN、TP与Chl-a同步下降,但藻体中的氮磷释放到水中,导致堆积区的溶解态氮、磷有所增加,显示出明显的营养盐效应.本研究定量刻画了蓝藻水华局部堆积并快速致灾的地形地貌要素特点,揭示了蓝藻水华的水质与生态效应,为科学评估富营养化水体蓝藻水华的生态灾害风险提供科学依据.     

三峡水库支流大宁河水华特征研究

以三峡水库支流大宁河水华敏感期(2007年4~6月和2008年4~5月)水质和水华的调查数据为依据,研究了其水质变化、营养盐构成及水华特征.结果表明,水华敏感期大宁河自回水段以下氮磷含量较高,总氮范围为0.84~3.21 mg/L,总磷为0.011~0.531 mg/L,氮营养盐主要以TDN为主(TDN/TN为84%),而磷营养盐以TDP占优(TDP/TP为60%);N/P值均高于16,藻类生长受磷限制.高锰酸盐指数和溶解氧含量低且变化稳定.叶绿素a为1.41~219.04 mg.m-3.相关性分析表明Chl-a与TP、高锰酸盐指数、DO、pH呈显著正相关(rChla-TP=0.453、rChla-高锰酸盐指数=0.641、rChla-DO=0.584、rChla-pH=0.409,p0.01),与SD呈显著负相关(rChla-SD=-0.392,p0.01);pH受多参数影响,但受藻类生长影响较大.通过显微镜对藻类进行鉴定,发现大宁河自回水段以下水华敏感期藻类分布较广,共发现8门82属124种,其中硅藻门和绿藻门分布最多,其次为蓝藻门和甲藻门,其余藻种较少.大宁河在水华敏感期暴发了3次自回水段以下大规模水华,水华期间藻密度最高值是正常值的14~1427倍,水华优势种主要有绿藻门的波吉卵囊藻、小空星球藻、土生绿球藻、实球藻和小球藻;裸藻门的扁裸藻、矩圆囊裸藻;硅藻门的小环藻、冠盘藻和舟形藻;甲藻门的埃尔多甲藻等;发生多藻种同时水华的情况;出河口处藻类较少.     

Controlling cyanobacterial blooms by managing nutrient ratio and limitation in a large hypereutrophic lake: Lake Taihu, China

Excessive nitrogen (N) and phosphorus (P) loading of aquatic ecosystems is a leading cause of eutrophication and harmful algal blooms worldwide, and reducing nutrient levels in water has been a primary management objective. To provide a rational protection strategy and predict future trends of eutrophication in eutrophic lakes, we need to understand the relationships between nutrient ratios and nutrient limitations. We conducted a set of outdoor bioassays at the shore of Lake Taihu. It showed that N only additions induced phytoplankton growth but adding only P did not. Combined N plus P additions promoted higher phytoplankton biomass than N only additions, which suggested that both N and P were deficient for maximum phytoplankton growth in this lake (TN:TP = 18.9). When nutrients are present at less than 7.75-13.95 mg/L TN and 0.41-0.74 mg/L TP, the deficiency of either N or P or both limits the growth of phytoplankton. N limitation then takes place when the TN:TP ratio is less than 21.5-24.7 (TDN:TDP was 34.2-44.3), and P limitation occurs above this. Therefore, according to this ratio, controlling N when N limitation exists and controlling P when P deficiency is present will prevent algal blooms effectively in the short term. But for the long term, a persistent dual nutrient (N and P) management strategy is necessary.     

滨海地区混盐水体富营养化主因子识别与分析——以天津市清净湖为例

水质与水体营养化程度密切相关,提炼识别其中的主要影响因素并合理控制是水体富营养化防治的有效途径.我国滨海地区地表水咸化问题突出,混盐水体(含盐量500~30000 mg·L-1)众多,其中,许多混盐水体还同时面临富营养化加剧及水华的威胁.因此,本文以天津滨海地区典型混盐水体清净湖为研究对象,通过对其水环境监测数据的统计学分析,结合藻类生长模拟实验,对其富营养化主要影响因子进行识别与分析.结果表明,总磷和矿化度为清净湖藻类生长的主要影响因子,叶绿素a浓度与矿化度呈显著负相关关系,与总磷呈显著正相关关系,以总磷和矿化度为自变量的多元线性回归模型可较好地预测叶绿素a动态.水体含盐量在15000~25000 mg·L-1的范围适宜藻类生长增殖,而当盐度小于10000 mg·L-1或大于30000 mg·L-1时,藻类生长受到抑制;在清净湖当前氮浓度水平下,磷含量增加会促进藻类生长增殖,藻类生长速率呈P3组(10∶1,氮磷比)P4组(5∶1)P2组(20∶1)P1组(50∶1)P0组(无磷培养液),氮磷比为10∶1时最适宜藻类生长.     

基于分位数回归的洱海藻类对氮、磷及水温的响应特征

基于云南洱海长时间尺度水质观测数据,运用分位数回归方法分析浮游藻类叶绿素a(Chl-a)对氮(N)、磷(P)、水温的定量响应关系.结果表明过去20余年洱海藻类生物量受水温、N、P共同影响,随着洱海富营养化程度的加剧,水温对藻类生物量的相对重要度在持续下降,斜率平均值从2.70下降至0.44.而营养物对藻类的促进效应明显在提升,尤其是TP对藻类的相对重要度持续在攀升,斜率平均值从-0.3增长至0.8.TN对藻类生物量整体表现为较稳定的正效应,但近些年(2008~2013年)TN对藻类正效应达到最低.2002之后,P已逐渐取代N成为最重要的营养物限制因子.在季节方面,春季和秋季以水温和N的共同限制为主导,但春季当Chl-a8 mg·m-3时,N和水温对藻类的正效应逐渐被P取代.夏季完全以N、P共同限制效应占主导,当Chl-a3 mg·m-3时,TP的正效应逐渐超过TN,冬季则以P和水温的共同限制效应为主导.在气候变暖的大背景下,洱海富营养化控制应以"控P"为主和N、P协同削减的策略.当前富营养化控制过程中,应着重监控春、秋两季温度短期快速上升可能引发的全湖藻华风险.     

营养盐比例对硅藻水华优势种小环藻生长和生理的影响

近年来,一些淡水水体如河流、水库等暴发了以小环藻为优势种的硅藻水华,对水生态系统健康产生了不利影响.为探究不同营养盐水平下营养盐结构对小环藻生长的影响作用,研究了不同N/P（N与P质量浓度之比,下同）、Si/P、Si/N下小环藻培养物的藻细胞密度、叶绿素a浓度以及叶绿素荧光参数的变化.结果表明:在试验所设定的营养盐浓度范围内,随着N/P、Si/N的升高,小环藻的藻细胞密度和叶绿素a浓度显著增加,在N/P为30、Si/N为5.0的环境中有较好的生长潜力.小环藻在磷浓度低于0.10 mg/L的水体中,生长潜能与Si/P呈正相关,最适Si/P为100;在磷浓度为0.30 mg/L条件下,最适Si/P为50.综合对比分析,水体Si/P对小环藻生长的影响最为显著.在保持水体营养盐比例不变的条件下,营养盐浓度的变化对小环藻生长亦有明显的影响.当水体氮浓度高于6.0 mg/L、磷浓度高于0.10 mg/L时,硅是小环藻的主要限制元素,其最适浓度为15 mg/L.此外,在初始磷浓度为0.03 mg/L,氮浓度低于0.6 mg/L、硅浓度低于1.5 mg/L时,小环藻生长较为缓慢,光合活性低,因此,若实际水体营养盐浓度低于此水平,将能有效控制硅藻水华的暴发.研究显示,小环藻生长最适N/P为30、Si/N为5.0;最适Si/P与初始磷浓度有关,在磷浓度低于0.10 mg/L时,最适Si/P为100;磷浓度为0.30 mg/L时,最适Si/P为50.总体而言,小环藻生长受Si/P的影响最为明显.      

太湖水体Chl-a预测模型ARIMA在引排水方案优化中的应用

我国东部大型浅水湖泊太湖的富营养化和藻华暴发一直是困扰该地区社会经济高质量发展的重要水问题之一,其中水资源分配不均及部分营养盐浓度较高,严重制约了太湖水体生态环境的健康发展。基于1999-2019年太湖水质、气象等逐月观测资料,构建了基于协变量(TN、TP、COD_Mn、降水量和引排水量)的叶绿素a(Chl-a)预测模型ARIMA(1, 1, 1)(0, 1, 1)₁₂,并结合2007-2019年历史引排水方案经验和效果,提出了未来平水年情景下降低太湖藻华大面积暴发风险的引排水方案优化策略。结果表明:所构建的ARIMA(1, 1, 1)(0, 1, 1)₁₂模型能有效预测太湖水体Chl-a浓度;且在预设未来情景下,通过同步增加引、排水量可有效降低水体营养盐含量。引排水方案的优化关键在于季节性水资源的合理调配,在满足水安全的基础上适当加大冬春季节引排水,可达到改善水动力和排出营养盐的效果。