水动力条件对藻类生理生态学影响的研究进展

湖泊和水库等水体富营养化通常会引起藻类水华暴发. 已有较多研究总结了光照、温度、营养盐等环境因素对藻类水华发生的影响方面的进展,但缺乏对水动力因素影响藻类生理生态学乃至水华发生等方面的研究总结. 本文通过梳理水动力条件对藻类生长、种群结构的影响及其作用机制,以及临界流速和人工混合对藻类的影响等方面的研究发现:在藻类生理学方面,水动力条件主要影响藻类的生长、细胞形态、营养盐吸收、光合作用活性和酶活性的变化;在藻类生态学方面,不同藻类对应的临界流速有所差异,水动力条件的变化会导致优势种之间的转变;人工混合使局部水体藻细胞密度降低进而改善水质. 对今后的研究热点进行展望:后续仍需进一步研究水动力条件对藻类生理的影响,不仅是酶活性和相关物质的吸收,还应包含胶被、产毒特性和基因序列等方面;应用于实际湖库的临界流速、水体扰动方式、扰动时间、扰动频率和最佳深度的探究,旨在推进藻类水华控制、保障水质安全等方面的相关研究.      

水动力条件对嘉陵江重庆主城段藻类生长影响的数值模拟

为研究水动力条件对嘉陵江重庆主城段藻类生长繁殖和富营养化的影响,通过对现有藻类生长率计算式中的流速影响函数进行改进,引入表征藻类生长最佳流速与流速范围的参数,构建了二维非稳态藻类生长动力学模型,并用实测数据以及现有的实验成果对其参数进行率定与优化.针对三峡水库水华高发时段的气候条件和研究河段现有的营养盐状况,就不同水位下的叶绿素a浓度的时空分布进行数值仿真、对可能发生水华的位置和范围进行分析和预测.结果表明,对于嘉陵江重庆主城段,流速在0.04m·s-1左右最有利于藻类的生长繁殖.     

环境因子对水华暴发的影响研究

水华是当水体藻类开始大量生长和繁殖并且聚集,最终达到一定浓度的现象。综述国内大型浅水湖泊及水库中影响水华暴发的环境因素的研究现状,分析水体营养条件以及适宜的气象、水文、生物条件等有利于藻类生长或聚集的环境影响因子,同时简介中国水华污染现状。对水华暴发研究领域的未来发展具有一定参考价值。     

环流型水域水动力对藻类生长的影响

实验模拟了不同风浪强度、不同营养水平下铜绿微囊藻的生长速率.选取能代表湖流和波浪综合作用的综合摩阻流速作为太湖水动力的表征指标,建立藻增长率和综合摩阻流速关系.结果表明,低、中营养水平下的藻类受扰动的影响规律较为接近,90r/min 扰动时生长最好;而高营养水平下的藻类受扰动影响差异不明显.营养盐对藻类的生长影响较大,扰动可以改变由营养水平不同所引起的藻类生长的差异.铜绿微囊藻在低、中营养水平下生长时最优综合摩阻流速约为0.133cm/s.藻增长率随着综合摩阻流速呈现先指数递增、后指数递减的规律.湖泊环流型水域和河道径流型水域水动力作用存在明显差异.     

香溪河库湾底泥营养盐释放规律初探

受水库调度带来的扰动影响,河道型水库支流库湾河口底泥营养盐释放为水体富营养化和水华暴发增加了风险。文章通过在香溪河库湾河口采集底泥和水样,室内模拟扰动条件下,藻类外吸收源、扰动及底泥-水界面浓度梯度对底泥营养盐释放的影响。结果表明:扰动及外吸收源并存时,底泥氮磷释放量增大;扰动作用对磷释放影响较底泥-水界面浓度梯度弱,但对氮释放影响较底泥-水界面浓度梯度影响大;底泥释磷量随底泥-水界面浓度梯度升高而增大,释氮量则受其影响较小。三峡水库泄水和水华暴发、藻类大量繁殖将促进香溪河库湾底泥营养盐释放。     

混合层深度对藻类生长的影响研究

三峡水库蓄水后,支流库湾频繁暴发水华.为研究水华暴发关键因子,以临界层理论为指导,于2012年初冬季,在香溪河野外观测站建立围隔实验系统,研究水体混合对藻类生长的影响机制.围隔水下深度按梯度布设,表底掺混均匀,并注入由浮游动物网过滤的低Chl-a浓度的香溪河河水.结果表明,Zeu/Zmix(真光层深度与混合层深度之比)>1的围隔藻类生长迅速并暴发水华,Chl-a浓度最高达到90 mg·m-3,反之生长缓慢.临界层理论适用于本实验,Zeu/Zmix也存在一个临界值,低于临界值浮游植物生长会受光限制而不易暴发水华;在临界层理论的基础上,分析得藻类净初级生产力与Zmix存在负相关关系,即Zmix越小藻类净初级生产力越大.     

水体扰动对铜绿微囊藻生长影响的模拟实验

以铜绿微囊藻为研究对象,在恒温恒光照(27℃,3 000 lx)和模拟太湖流域夏季温度和光照变化2种培养条件下,研究了不同强度的水体扰动对微囊藻生长的影响,探讨扰动对藻类的影响机制。结果表明,不同扰动强度对微囊藻的生长影响具有一定差异,轻微的扰动(100和200 r/min)促进了铜绿微囊藻的生长,延长了对数增长期,这可能是由于微弱的扰动加速了离子向细胞表面的流动,增加了微囊藻对营养盐的吸收;较大强度的扰动(400 r/min)则能制约铜绿微囊藻生长和增殖,可能是由于扰动产生的剪切力影响了微囊藻光合作用效率。水体扰动对微囊藻的影响机制主要在于干预了藻类对生存环境中营养盐和光的吸收利用,这有助于深化水动力对藻类影响机理的认识。     

湖泊水动力对蓝藻生长的影响

对铜绿微囊藻的水动力模拟实验研究表明,流速和温度以及营养盐浓度对藻类生长有着密切影响,且可能存在一定的临界流速.不同营养状态,临界值不同,在N:P为4.5:1情况下推测临界流速为0.50m/s;在N:P为2.7:1情况下推测临界流速为0.30m/s.经太湖湖泊水动力过程的野外实地观测,风速在2.0～4.0m/s时,与水中叶绿素a浓度呈负相关;当风速≥5.0m/s时,叶绿素a浓度降幅最大,并一直维持在该水平.风力导致的水动力条件变化,影响藻类的生长和聚集状态.水动力因素对蓝藻的生长及聚集有着较大影响.     

模拟消落带水华暴发行为的数值沙堆模型

以长江最大支流汉江近年来水华污染的现场资料为例,通过氮磷浓度、水温、流速和光照等实测数据构建了消落带开放水域环境体系的数值沙堆模型,描述了藻类生长及水华暴发的动力学机制;利用数值沙堆系统崩塌行为反映出的频率-尺度幂律关系作为判断消落带水域是否暴发水华以及规模大小的依据,采用有限尺度标度分析从不同侧面验证了水华暴发系统的自组织临界性,并揭示出各种拟合参数与水华暴发规模之间的定量关系.研究表明,沙堆模型如果存在良好的幂律关系,相应的消落带水域将暴发水华,且幂律指数越大,水华污染程度越严重.     

基于复杂网络同步特征的水华暴发数值模型

基于复杂网络的同步特征和藻类动力学生长特性, 以汉江近年来水华污染的现场监测资料为例, 并结合氮磷浓度、水温等实测数据构建了水华暴发的数值模型, 用以描述藻类生长和水华暴发的动力学机制; 同时, 利用达到指定藻生物量临界值的网格数规模作为判定水域是否暴发水华以及规模大小的依据, 从复杂网络同步特性的角度验证了水华暴发的临界性和全局突发性, 进而揭示了水华暴发现象是水域子区域整体协同作用的结果. 计算结果表明, 如果达到临界值的网格数超过指定的规模, 相应水域将暴发水华, 且网格达到峰值状态持续的时间越长, 水华污染越严重.     

近30年来高邮湖(含邵伯湖)自然水域面积变化及其影响因素

湖泊水域面积变化特征反映气候与人类活动对湖泊生态系统结构与功能的影响,对湖泊健康评价与水生态修复有重要指导价值.以1988-2015年8期Landsat TM/ETM+遥感影像为数据源,综合运用目视解译法与比值阈值法提取了研究区高邮湖（含邵伯湖）及其围网养殖区的边界信息,分析了研究区水域面积变化特征及其影响因素.结果表明:①1988-2015年研究区自然水域面积呈现前期持续缩小、近期部分恢复的阶段性变化趋势.其中,1988-2000年自然水域面积缓慢缩减,平均减小速率为4.08 km2/a;2000-2011年迅速缩减,平均减小速率为12 km2/a;2011-2015年迅速增长,自然水域面积增加108 km2;1988年自然水域面积最大（716 km2）,2011年最小（535 km2）,2015年部分恢复（643 km2）.②1988-2015年流域内年均降水量先减后增,年均气温逐渐升高.年均气温升高与自然水域面积变化具有相关性（R2=0.472）;年均降水量则与自然水域面积变化无明显关联（R2=0.118）.③1988年和1992年研究区内未见明显的围网养殖,2000年围网养殖区面积仅为45 km2,2011年最大,达199 km2.2000-2009年和2009-2015年围网养殖区面积平均增长速率分别为15.56和9.00 km2/a;北部湖区围网养殖集中,自然水域面积变化最为显著,东西湖区次之.研究显示,1988年以来,年均气温和围网养殖对高邮湖自然水域产生了显著影响,湖区北部湿地侵占严重,湿地生态屏障功能下降.      

富营养化水体中光学活性物质的垂向分布及其对遥感反射光谱的影响

富营养化水体中光学活性物质的垂向分布对水下光场分布具有重要影响,决定了水色参数定量遥感反演的精度.基于2011年8月和11月在太湖进行的垂直分层采样,分析了水体中光学活性物质含量的垂向分布特征,并探讨了其影响因素及其对水体遥感反射光谱的影响.结果表明,风速是影响富营养化水体中光学活性物质垂向分布的重要因子之一.风速较小(小于3.0 m·s~(-1))或无风时,表层叶绿素a浓度急剧增加,易形成水华;而风速大于5.0 m·s~(-1)时,水体发生垂直混合,底层叶绿素a浓度最大;其它风速条件下,叶绿素a浓度在某一水深处出现极大值.在风速小于5.0 m·s~(-1)的情况下,悬浮物浓度和有色溶解有机物(CDOM)的垂向分布相对均一;当风速超过5.0 m·s~(-1)时,底泥再悬浮过程对两者的贡献较大.在未发生藻华情况下,0~0.5 m水深范围内的叶绿素a浓度均值与波段比值的相关系数最大(r=0.86),对水体遥感反射比的影响较大;而表层悬浮物浓度对水体遥感反射比的影响最大,研究结论可为水色参数含量的精确估算提供方法论支持.     

基于GAM模型的太湖叶绿素a含量与环境因子相关性分析

随着富营养化程度的加剧,太湖近30年来水华频发.为了探讨太湖西部沿岸水华暴发与环境因子的关系,于2017年4月1-18日（当地历年蓝藻暴发早期）在太湖西部沿岸进行了密集原位调查.共采集样品72个,测定了水温、溶解氧、各形态氮、磷营养盐浓度以及风速等环境指标,并利用GAM（广义相加模型）定量分析了叶绿素a含量与各环境因子间的关系.结果表明:①叶绿素a含量波动幅度较大（17.10~795.89 mg/m3）,太湖西部沿岸带有明显的蓝藻水华暴发现象.②水温、风速以及硝态氮浓度与叶绿素a含量的变化显著相关（P<0.05）,各环境因子按其对叶绿素a含量变化的解释率排序为水温>风速>硝态氮浓度.其中水温是影响叶绿素a含量最为重要的环境因子,叶绿素a含量随着水温的升高呈现明显上升趋势.风速也是影响叶绿素a含量的关键因子之一,较低的风速（<3 m/s）有利于蓝藻的漂移集聚从而形成水华,引起叶绿素a含量的升高.研究显示,GAM模型较好地解释了叶绿素a的含量变化,模型总体解释度达到70.6%,可为太湖西部沿岸蓝藻水华早期的预测预警提供一定的基础支撑.      

三峡水域氮磷污染对水华暴发/消涨行为的协同影响

藻类生长/消退与藻类对氮、磷的吸收比率ω₁和ω₂相关,ω_i正/负增长分别对应藻类生长时从水体中吸收氮磷的加速阶段和藻类分解时向水体释放氮磷的消退阶段,在特定磷氮比(P/N)范围出现ω₁和ω₂同时突变有可能从理论上解释水华的暴发/消退.根据三峡流域实测数据和藻类吸收氮磷的关联函数,在三维空间表征了随氮磷浓度协同作用导致的ω₁和ω₂在特定P/N区域同时突变所揭示出的水华暴发/消退现象,从而直观、合理地解释了:①适当的P/N范围才可能暴发水华;②如果P/N区间同时满足ω₁和ω₂正向急剧增长的要求,藻类疯长,而ω₁和ω₂同时朝负值方向急剧降低,水华消退;③水华暴发/消退的速率为同一数量级,且水华暴发/消退在氮、磷浓度达到某一敏感范围时将表现出明显的周期性振荡.这些性态可能更真实地反映出水华暴发/消退时藻类对营养盐的吸收/释放机理.     

黄土高原国土整治中几个问题的探讨

本文讨论了四个问题。第一,黄土高原的面积为 39.1×10⁴km²,不是 56×10⁴或43×10⁴km²,其中黄河中游黄土高原的面积是 31.9×10⁴km²。第二,应将黄土高原的治理和开发紧密结合,在治理中搞开发,以开发促治理。片面地强调二者中之一,都是不正确的。第三,首先要努力防止水的流失以减少土的流失,保水的方法又主要是改土,提高土的蓄水能力。第四,1971年至1983年黄河泥沙较前减少了36％,其中水土保持的减沙量占48％,由此证明“水土保持是治黄基础”的观点是正确的。     

基于宏条形码技术的白洋淀水华藻类识别及其驱动因子分析

浮游藻类是引起水华暴发的主要原因.为筛选潜在水华藻类,评估白洋淀水华风险区域,于2020年8月对白洋淀373点位展开浮游藻类调查.利用宏条形码技术分析,解析水华藻类群落组成,同时采用显微镜计数法统计藻密度.根据总藻密度对白洋淀不同区域的水华程度进行评估,同时进一步针对水华藻类群落,耦合淀区水质条件,探究白洋淀不同区域水华藻类群落空间差异驱动因子,以甄别影响水华藻类群落结构关键环境因子.结果表明,95%以上采样区域无水华风险(藻类密度<2×10⁶个·L^-1),仅5个样点存在轻微水华风险.但水华藻类群落分析共检测到了90种水华藻类,其中优势水华藻种有20种,隶属于以绿藻门、蓝藻门和裸藻门为主.水华藻类群落结构在不同区域上具有显著空间异质性(P<0.05).关键驱动因子解析结果表明,总磷(TP)、总氮(TN)和氨氮(NH⁺₄-N)是造成水华藻类群落结构差异的关键因子.其中,门水平上,蓝藻门水华藻类与以上关键因子显著正相关;种水平上,硅藻门和绿藻门水华藻类与关键因子响应更显著.因此,水华藻类群落...     

太湖水华期营养盐空间分异特征与赋存量估算

基于2013年7月的空间高密度采样数据,对太湖水华期水体营养盐进行了空间分异特征分析及赋存量估算,探讨了大型浅水湖泊不同生态类型湖区水华与营养盐的相关关系及样点设置的代表性.结果发现,水华期太湖水体营养盐及叶绿素a浓度(CHL)总体上均呈现由西北向东南降低的趋势;氮主要以溶解态存在,占总氮(TN)的76.28%,磷主要以颗粒态赋存,占总磷(TP)的66.38%.采用主成分分析和聚类分析,可以将采样点分为相互之间具有显著性差异的4个区域:第一区位于西北湖区,代表水华严重的重富营养湖区;第二区主要包括梅梁湾及南太湖的入湖河口一带湖区,代表水华和富营养化程度都相对中等的湖区;第三区包括湖心区和西南湖区,代表中等污染但水华频现湖区;第四区包括贡湖湾、胥口湾和东太湖等其他区域,代表水华影响较弱、水质较好湖区.分区统计分析表明,不同湖区影响浮游藻类生长的因子也不同:从全湖来看,与CHL显著相关的营养盐指标为TP、TN、溶解性总氮(TDN)和硝态氮(NO-3-N),而在第一区则为TP和TDN,第二区为TN和TDN,第三区为TP、磷酸盐(PO3-4-P)和TDN,第四区为PO3-4-P、溶解性总磷(TDP)和亚硝酸盐(NO-2-N).基于空间插值获得调查期间太湖水体TN、TDN、TP和TDP的赋存量分别为12 800、9 800、445和150 t.研究表明,作为一个大型浅水湖泊,因蓝藻水华空间迁移积聚特征和生态类型异化等特征,太湖水华期的营养盐具有高度空间异质性,对于此类大型浅水湖泊的监测与评价,应当考虑点位的合理布设及结果的恰当解读,避免因监测布点和统计方法不当而以偏概全.     

黄土区典型小流域矿物化学风化及碳汇效应

黄土中蕴含了巨大的碳库,黄土中碳的转移对区域乃至全球碳循环具有重要影响。本文选择山西省临县一典型黄土小流域青凉寺沟流域进行调查分析,研究黄土水的化学特征及离子来源,分析黄土矿物的溶蚀过程及碳汇效应,并利用正演模型和水化学方法估算不同矿物的离子贡献比例及流域碳汇通量。结果发现,研究区黄土化学成分的含量由高到低依次为SiO_2、Al_2O_3、CaO、Fe_2O_3、MgO、K_2O、Na_2O,表现出贫SiO_2、Fe_2O_3,富CaO、MgO的特点;黄土水的pH呈中性偏碱,阴离子主要以HCO_3~-为主,阳离子以Na~+为主,水化学类型为重碳酸-钠型(HCO_3~--Na~+),水化学组成与黄土的化学组成相对应;流域内不同端元离子来源贡献计算结果表明,大气沉降、人类输入、蒸发盐矿物、硅酸盐矿物和碳酸盐矿物化学风化贡献的溶解物质分别占总溶解物质的1. 66%、6. 32%、10. 38%、62. 23%、19. 31%;黄土区长时间的水-矿物作用是硅酸盐矿物溶解贡献占主导的主要原因,阳离子置换反应、土壤-盐分浸出与蒸发以及人类输入对硅酸盐矿物溶解也有一定的贡献;受黄土区相对低温少雨的影响,黄土矿物的平均化学风化速率较低,为9. 31 t/(km~2·a),低于全球岩石的化学风化速率平均值36 t/(km~2·a),但是其消耗大气CO_2的速率较高,约为6. 34 t CO_2/(km2·a),明显高于同纬度三川河岩溶流域的碳汇速率(5. 28 t CO_2/(km~2·a));利用水化学径流法计算的青凉寺沟黄土小流域的矿物化学风化的大气CO_2消耗量为0. 18×10~4t/a,为中国黄土区大气CO_2消耗量的估算提供基础数据。