干流倒灌异重流对香溪河库湾营养盐的补给作用

三峡水库蓄水以来,其支流库湾每年均暴发严重的春季水华.为研究三峡水库支流营养盐受干流的逆向影响,于2010年对三峡水库库首区域最大的支流香溪河库湾水流特点及总氮、总磷的时空动态分布进行了详细监测.研究发现库湾水体表现为分层异向流动,存在明显的倒灌异重流现象,分别以表、中、底3种形式倒灌入香溪河库湾;特定的水流特性为库湾营养物质的运输提供了水动力基础,香溪河河口处由干流倒灌输入总氮、总磷的平均瞬时通量分别为501.92 g.s-1、48.17 g.s-1,在2010年干流倒灌输入香溪河库湾的总氮、总磷污染负荷分别占总量的43.4%、21.5%.结果表明,倒灌输入的总氮、总磷占有很大的比例,同时加强三峡水库支流及干流上游流域污染控制才是有效控制支流水华发生的根本途径.     

三峡水库香溪河库湾冬季甲藻水华生消机理初探

2010年1—2月在香溪河库湾上、中、下游各选取1个监测点对水体环境因子及藻类进行监测,对水温、营养盐含量等进行分析,探讨香溪河库湾冬季甲藻水华的生消机理. 结果表明:2010年冬季,香溪河库湾末端暴发了甲藻水华,持续44 d,优势藻种为拟多甲藻(Peridiniopsis sp.),最高细胞密度达到11.8×106 L-1;适宜的水温、充足的营养盐以及良好的光照、弱分层水体是香溪河库湾冬季甲藻水华暴发的主要原因;Zmix/Zeu〔Zmix(混合层深度)与Zeu(真光层深度)之比〕在2~3之间时有利于甲藻生长;库湾中下游因水体掺混强烈而在冬季未暴发水华;后期水体分层状态的加强及Zmix/Zeu的减小是甲藻水华消失的主要原因.      

香溪河沉积物-水界面的营养盐交换特征

为研究香溪河库湾沉积物-水界面的营养盐交换特征,于2016年6月采集香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水样品,分析不同形态氮、磷的空间分布特征并进行相关性分析,计算沉积物-水界面氮、磷的释放通量.结果表明:香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水中ρ（TP）的变化范围分别为0.484~0.927和0.511~2.220 mg/L,ρ（TN）的变化范围分别为0.739~4.302和3.571~14.011 mg/L;上覆水和沉积物间隙水中氮、磷质量浓度在沿程和垂向上具有一定的变化规律,上游区域沉积物间隙水中氮、磷质量浓度大于下游区域,沉积物间隙水中氮、磷质量浓度明显大于上覆水;香溪河沉积物总体上表现为PO₄3--P和NH₄+-N的"源",中下游区域沉积物表现为NO₃--N的"源",而中上游区域表现为NO₃--N的"汇";PO₄3--P的释放通量范围为0.129~0.339 mg/（m2·d）,NH₄+-N的释放通量范围为0.213~1.415 mg/（m2·d）,NO₃--N的释放通量范围为-1.109~3.446 mg/（m2·d）.研究显示,上覆水的环境条件对于沉积物-水界面营养盐交换存在一定的影响,但影响程度各有不同.      

河道型水库支流库湾营养盐动态补给过程

河道型水库支流库湾营养盐季节变化直接决定支流藻类群落结构的演替及初级生产力变化过程.为分析三峡水库支流香溪河库湾主要营养盐来源对营养盐季节性变化的影响,基于2010~2011年香溪河库湾野外监测数据,选取干、支流差异显著(P0.01)的常量离子Cl-和Na+作为水团混合示踪离子,采用二元线性混合模型计算不同时期营养盐各来源的贡献率.结果表明,在枯水运行期(11月~次年2月)和汛后蓄水期(9~10月)时,长江干流对支流库湾营养盐贡献率超过75%,干流倒灌为库湾营养盐主要来源;在汛前泄水期(3~5月)和汛期(6~8月)时,干流倒灌和上游来水的贡献率差异缩小,库湾营养盐来源需考虑两者共同的影响,但干流倒灌仍占据优势.上游来水磷营养浓度相对较高,而长江干流氮、硅营养盐浓度较高,不同时期香溪河库湾分层异重流模式不同,库湾营养盐各来源的贡献率也随之改变,因此库湾营养盐在水库不同运行时期呈现出规律性变化.     

水温分层对三峡水库香溪河库湾春季水华的影响

三峡水库蓄水以来,其支流库湾年复一年暴发严重的春季水华.为找出支流库湾春季水华的关键影响因子,2010年春季对三峡水库库首最大的支流香溪河库湾进行了原位定点连续监测,主要监测指标包括水温、水体透明度、水下光照及营养盐浓度等环境因子.结果表明,春季水温分层发育导致水体混合层深度突然减小是春季水华暴发的直接诱因,真光层与水体混合层之比(Zeu/Zmix)与叶绿素a(Chl-a)的皮尔逊相关系数达0.934(P<0.01).表明Critical Depth模型可用于解释三峡水库典型支流库湾水华生消机制.本研究将为三峡水库支流库湾水华预报及防治提供重要参考.     

三峡水库蓄泄水过程对香溪河库湾水华影响的对比分析

通过对比分析蓄、泄水期间三峡水库干流及支流香溪河库湾的水流、水温、浊度、营养盐等指标,研究了蓄、泄水过程中控制库湾水华的主要因子.结果表明,泄水过程中香溪河库湾叶绿素a浓度显著大于蓄水过程,水华暴发强度差别显著.蓄、泄水过程中以透明度的差异最大,其次依次为表层流速、表底温差、混合层深度、氮磷比、浊度、总氮、水体稳定系数、真光层/混合层深度比等.泄水期间各因子对叶绿素a浓度不存在单一限制作用,藻类生长受各因子的协同作用影响,在观测时段内泄水过程中各因子的变化对藻类生长的限制并不显著;而蓄水期间强烈的倒灌异重流作用加剧了库湾水体的垂向掺混,增大混合层深度,较小的真光层与混合层深度比对藻类生长起到显著的抑制作用.     

分层异重流对香溪河库湾主要营养盐补给作用分析

为弄清分层异重流对三峡水库支流库湾主要营养盐的补给过程,通过分析2011年7月19日香溪河库湾常量离子、营养盐等监测数据,利用物质守恒规律,借用常量离子Cl-估算了分层异重流倒灌水量,计算了香溪河上游径流和水库干流倒灌对回水区氮、磷、硅负荷的贡献.研究表明:水库干流中的Na+、Cl-、K+、Ca2+、SO24-等离子浓度比香溪河上游径流高,在香溪河库湾中自河口至上游逐渐降低,Mg2+相反;SO24-、Cl-、Na+等离子空间分布差异显著,能够作为示踪离子;水库干流倒灌流量与上游径流流量比为12.59∶1;由长江干流倒灌输入的TN、TP、D-Si通量分别为54.97、3.53和221.90 t.d-1,香溪河上游径流输入通量依次为3.00、0.57和10.02 t.d-1;干流倒灌输入TN、TP、D-Si贡献率分别高达94.83%、86.13%和95.68%,沿河口逆向上游,干流倒灌对香溪河库湾营养盐的补给作用逐渐减小.     

不同水体分层对沉积物间隙水氮素垂向分布影响:以三峡水库和小湾水库为例

为分析不同分层水库沉积物间隙水氮营养盐垂向分布差异的原因,通过监测香溪河库湾、长江干流和小湾水库3种水域上覆水-间隙水环境特征,分析了不同分层水域沉积物间隙水氮营养盐垂向分布特征,并探讨了造成3种水域沉积物间隙水氮营养盐分布差异的原因.结果表明:①长江干流与香溪河库湾沉积物间隙水ρ(TN)随深度逐渐升高,而小湾水库ρ(TN)在12 cm处达到最大,底层呈"C"型分布;长江干流和香溪河库湾沉积物间隙水ρ(NH~+_4)随深度呈升高趋势,小湾水库底层含量略高于表层,整体上无显著变化,且长江干流与香溪河库湾ρ(NH~+_4)整体上高于小湾水库,浓度变化范围分别为:0.512～8.289、 0.968～9.307和0.950～1.500mg·L~(-1); 3个水域沉积物间隙水ρ(NO~-_3)垂向分布特征均与ρ(NH~+_4)相反,且香溪河库湾与长江干流ρ(NO~-_3)高于小湾水库,浓度变化范围分别为:0.143～0.674、 0.107～0.647和0.050～0.051mg·L~(-1);②3种水体理化指标垂向分布特征也存在明显差异.长江干流水温垂向无明显变化,垂向稳定系数N~25×10~(-5) s~(-2),水体混合均匀,溶解氧垂向变化范围为:6.180～6.318mg·L~(-1);香溪河库湾中上游水温垂向上呈降低趋势,下游水温呈阶梯状分布,N~2均大于5×10~(-5) s~(-2),处于稳定分层状态,溶解氧呈"C"型分布特征;小湾水库在水深5～15 m和54～70 m出现明显分层,溶解氧在水温梯度较大处显著降低, 80 m后,沿水深无明显变化;③上覆水水动力、溶解氧分布以及沉积物环境差异是造成3种水域间隙水氮营养盐垂向分布差异的主要原因,且香溪河库湾间隙水氨氮和硝氮含量较高,可能提高反硝化速率,进而有助于水域脱氮,减少水域氮负荷.     

春季敏感时期三峡水库典型支流沉积物-水界面氮释放特性

为研究春季敏感时期三峡水库典型支流沉积物-水界面氮释放特性,于2016年4月采集香溪河库湾上覆水和沉积物样品,分析香溪河库湾沉积物-水系统不同氮形态营养盐浓度的分布特征,计算沉积物-水界面不同氮形态的扩散通量并与环境因子进行相关性分析.结果表明,香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水中ρ(TN)的变化范围分别为1.10~6.90 mg·L-1和6.19~32.57 mg·L-1;上覆水和沉积物间隙水中氮质量浓度在沿程和垂向上有一定的变化规律:各采样点上覆水中氮质量浓度在沿程和垂向上没有明显的变化趋势,上游区域的沉积物间隙水中氮质量浓度明显大于下游区域,沉积物间隙水ρ(NH_4~+-N)明显大于上覆水,沉积物间隙水ρ(NO-3-N)略小于上覆水;香溪河沉积物总体上表现为NH_4~+-N的"源",NO-3-N的"汇";NH_4~+-N的扩散通量范围为2.70~4.72 mg·(m2·d)-1;NO-3-N的释放通量范围为-1.61~-0.62 mg·(m2·d)-1;香溪河库湾沉积物氮主要以铵态氮的形态存在:沉积物中ρ(NH_4~+-N)范围为69.97~1 185.97 mg·kg-1,ρ(NO-3-N)范围为2.78~38.17mg·kg-1,沉积物ρ(NH_4~+-N)与沉积物间隙水ρ(NH_4~+-N)在表层0~8 cm的变化趋势一致.     

基于多重优化灰色模型的三峡库区香溪河支流回水区水华变化趋势预测研究

三峡水库蓄水后,支流香溪河夏季水体富营养化严重,水华现象暴发频繁,水质污染严重.为预知香溪河库湾水华暴发程度与分布区域,以叶绿素-a为指标,引入灰色伯努利模型,并运用参数优化、含参马尔科夫误差修正、子序列独立优化等多重优化理论对模型进行改进,验证模型的优化效果.同时,利用该优化模型对2015年夏季香溪河近10个点位的叶绿素-a平均浓度变化趋势进行短期预测,结果表明,预测值与实际值相差较小,该模型能够基本反映香溪河近几年的水华变化趋势,目前香溪河库湾XX06~XX08和XX02点位区域分别为水华暴发高危区和局部次高危区,叶绿素-a浓度远高于水华阈值,有较高的水华暴发风险.与传统灰色预测相比,该预测方法的精确度和对波动序列的适应性更好.     

水库浅水区底泥营养物质释放与藻类生长关系研究

采用围格试验,通过对自然条件下的水库浅水区底泥及上覆水体的模拟,研究了水库浅水区底泥营养物质的释放规律及其与藻类生长的关系。结果表明:水库浅水区底泥营养物质在第10天开始释放,在第17天出现峰值,营养物质的释放会加速藻类的生长;改变底泥原始上覆水的水质条件,低浓度的原始上覆水可加速底泥营养物质的释放,同时藻类出现峰值的时间晚于高浓度的上覆水;雨季的到来可以加速底泥中P的释放,进而加速藻类的爆发,特别是绿藻爆发;藻类爆发前期,p H和溶解氧均会升高并出现峰值。     

底泥扰动下藻类对不同形态磷在水体中分布的影响

研究了反复扰动与藻类共存条件下,水体中溶解性磷、颗粒态磷、生物有效磷的分布规律,并分析了颗粒物质物理化学吸附与藻类生物利用对水体中磷消失的贡献率.结果表明,扰动抑制了水体中藻类生长,叶绿素a增加量仅为3.53μg/L(初始30μg/L)和4.80μg/L(初始120μg/L),而无扰动下该值分别为21.36μg/L (初始30μg/L)和14.49μg/L (初始120μg/L).并且,溶解氧水平和pH值均低于无扰动状态.扰动导致水体中总磷和颗粒态磷显著增加,但溶解性总磷(DTP)和溶解性磷酸盐(DIP)均有所降低.对于DTP而言,扰动状态下,颗粒物质吸附占90%,而无扰动下,则降低至60%,相应地,藻类生物利用则增加至40%.无论扰动与否,BAP基本处于稳定状态,而BAPP占BAP的百分比则有所增加.扰动状态下BAPP占PP的百分比明显低于无扰动状态.这暗示了扰动对水体中磷迁移和转化的作用大于藻.     

河蚬或藻存在下组合扰动对内源磷迁移的影响

为阐明河蚬(Corbicula fluminea)或铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)存在下,物理和摇蚊幼虫组合扰动对内源磷再生和迁移转化的影响,以太湖梅梁湾上覆水和沉积物为研究对象,分析了上覆水、间隙水、沉积物中不同形态磷的变化规律.结果表明,与摇蚊幼虫扰动和组合扰动相比,河蚬或藻类的出现都会使得上覆水中不同形态磷(总磷、溶解性总磷、溶解性磷酸盐、颗粒态磷)显著增加.河蚬或藻类均导致间隙水DIP明显降低,并致使DIP峰值区域向更深处迁移(3~4cm变为4~5cm),而对照试验则相反.与对照试验相比,河蚬或藻存在下组合扰动均导致0~4cm沉积物NH₄Cl-P含量及其占总磷百分比降低,Fe/Al-P含量及其占总磷百分比增加,并且河蚬或藻对NH₄Cl-P降低和Fe/Al-P增加的影响基本一致.在多种扰动因素存下,摇蚊幼虫对上覆水中DTP和DIP贡献最大,后者可能源于摇蚊幼虫显著降低了间隙水中DIP含量及沉积物中NH₄Cl-P含量.这暗示了在组合扰动基础上叠加河蚬或者藻类,均进一步促进了内源磷再生和迁移.     

蓝藻水华及其降解对沉积物-水微界面的影响

模拟研究了不同条件下,蓝藻水华及其降解过程对沉积物-水微界面的影响.采用丙酮法测定水体中叶绿素质量浓度,溶解氧微电极测定界面溶解氧质量浓度,毫米级分层测定沉积物中营养盐与金属元素的垂直分布.结果表明,蓝藻水华及其降解过程改变了界面附近溶解氧环境和表层约3 mm深沉积物中营养盐与金属元素的垂直分布.扰动在蓝藻水华降解过程和C、P营养盐与Fe、Ca、Mg、Al和K等金属元素的早期成岩过程中起着重要作用.遮光加速了蓝藻降解,并且削弱了扰动的影响.无处理对照组沉积物表面出现了一层底栖藻,底栖藻的光合作用产生了氧气,造成表层1 mm沉积物中大部分营养盐与金属元素质量浓度和处理组间的显著性差异.相关分析结果表明,沉积物中P的垂直分布与Mn显著相关,其次是C.高分辨率研究结果可见,蓝藻水华及其降解过程在毫米级厚度内即对沉积物-水界面产生了影响.     

微污染水体夜间曝气控藻效果研究

设计和开发了一种适用于小城镇的曝气控藻设备,通过底泥围隔实验,研究了夜间曝气对微污染水体的治理效果。结果表明:曝气可以有效抑制氮素循环中反硝化作用和底泥向上覆水中释放磷元素,对氮、磷营养元素的抑制率高达80%;曝气对叶绿素a浓度影响极其显著(p<0.01);曝气能有效抑制藻类增长,并防止围隔内的藻类优势种转变为容易引发"水华"的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)。     

沉积物扰动持续时间对悬浮物中磷形态数量分布的影响

为了探讨沉积物扰动时间(分别扰动10 min和9 h)对悬浮物中形态磷转化的影响,以太湖月亮湾沉积物和上覆水为对象,开展室内模拟试验,分析悬浮物中不同形态磷间的转化过程.结果表明,扰动时间越长,上覆水溶解性总磷(DTP)含量越高.对照试验中,上覆水中DTP含量远高于扰动试验.磷形态分析表明,随着试验时间的延长,扰动作用下(10 min,9 h),铁铝结合态磷(Fe/Al-P)占总磷(Tot-P)的质量分数逐渐降低,第10 d分别降至42.5%(10 min)和38.1%(9 h).试验结束,则有所升高.相反,钙结合态磷(HCl-P)占Tot-P的质量分数则在第10 d分别达到最大(48.9%,10 min)和(53.7%,9 h).这说明沉积物扰动促进了悬浮物中易释放态磷向难释放态磷的转化.     

长潭水库沉积物色素剖面分布及其环境意义

通过对长潭水库沉积物柱芯剖面色素、有机质、总氮和总磷的分析,结合现状水生态监测数据和近50年气候变化数据,揭示了长潭水库营养状态演替及初级生产力变化过程,探讨了人类活动和气候变化对长潭水库初级生产力和藻类演替的驱动作用.结果表明:长潭水库营养状态经历了稳定期、缓慢增长期和快速增长期3个阶段演替过程;沉积物色素剖面浓度也呈现3个阶段上升趋势,藻类由甲藻、硅藻为优势种逐渐演化为蓝藻、绿藻为优势种.外源氮磷输入增加和建库导致的水动力条件变化驱动了长潭水库初级生产力的增加和藻类种群的演替;近50年气候变化加速了水库藻类群落的演替,藻类的优势种演变为对温度敏感的蓝藻拉式拟柱孢藻.本文研究结果可为历史水生态资料缺乏水库的水生态演替识别和生态安全评估提供可借鉴的方法支撑.     

垂向环流作用下湖泊沉积物磷迁移行为

以巢湖十五里河入湖河口原位底泥为研究对象,通过室内模型实验,模拟了垂向环流的动水条件下,溶解态无机磷（DIP）在泥水界面的释放-吸附过程,探讨了不同强度环流对河口底泥DIP迁移的影响行为.结果表明：垂向环流扰动会引起上覆水中溶解氧（DO）和悬浮颗粒物（SPM）含量明显上升,且其平衡浓度与扰动强度均呈正相关,但悬浮物中值粒径（D₅₀）则随扰动强度的增大而降低;垂向环流作用下沉积物DIP的释放量随时间呈“Λ”型分布,显著区别于其他动水扰动情形,释放峰值与环流强度成显著正相关（P=0.047<0.05）,但平衡值则与之呈显著负相关（P=0.034<0.05）;环流扰动的增强促进了DIP在沉积物上的吸附,并构建了耦合天然水动力效应的沉积物DIP Freundlich等温吸附经验公式：lgQ_e=2.7074e^1.3487τ+0.9463e^-1.4830τlgC_e.     

长江河口水库沉积物磷形态、吸附和释放特性

为了对长江河口青草沙水库沉积物磷形态分布、磷吸附特性和磷释放特性进行分析,2011年4月~2012年1月对沉积物进行实地调查分析.磷形态分析结果表明沉积物总磷含量范围为535.07~910.9 mg·kg-1,以无机磷为主,有机磷含量相对较低.无机磷主要以钙结合态的磷存在,钙结合态磷占总磷的75.57%.磷吸附特性结果表明沉积物磷的等温吸附特征符合修正的Langmuir模型,沉积物磷的最大吸附量为9.78~39.84 mg·kg-1,沉积物-水界面平衡浓度EPC0(equilibrium phosphorus concentration)范围为0.024~0.12 mg·L-1,均高于上覆水体中相应的磷含量,因此,沉积物有向上覆水体释放磷的趋势.磷的释放特性结果表明沉积物最大释放量为11.03 mg·kg-1,在6 h左右达到最大值.沉积物磷释放量来自沉积物的铁/锰结合态的磷、钙结合态磷和有机磷,其中,铁/锰结合态磷和沉积物释放量呈相关性(P0.01).总体上,青草沙水库沉积物呈现释放状态,影响水库水体磷含量.     

Growth and photosynthesis responses of Phaeodactylum tricornutum to dissolved organic matter from salt marsh plant and sediment

The effects of allochthonous dissolved organic matter (DOM) on the growth and photosynthesis of Phaeodactylum tricornutum were investigated. P. tricornutum incubated in f/2 medium was exposed to DOM additives, which were extracted from the plant and sediment samples of a salt marsh in North Branch of the Yangtze estuary, China. During 12 days incubation, the chlorophyll fluorescence parameters of P. tricornutum were measured by a Phyto-PAM phytoplankton analyzer. Spectral properties of DOM in algae filtrates were also observed. The concentrations of chlorophyll a, active chlorophyll a, and the maximum quantum yield of photosystem II significantly decreased after four days of incubation, suggesting that the growth and photosynthetic e ciency of P. tricornutum were inhibited. After adding sediment-DOM extract, both a250/a365 (the ratio of the absorption coe cients at 250 and 365 nm) and S values (spectral slope coe cients) of algae filtrates declined in the first two days, which demonstrated a loss of low molecular weight DOM. Parallel factor analysis of fluorescence spectra of DOM in algae filtrates revealed that DOM could be classified into two humic-like and two protein-like components. The fluorescence intensity of tyrosine-like component originating from algae increased significantly during incubation. This study supports the hypothesis that allochthonous DOM derived from salt marsh plant and sediment have a strong influence on the adjacent aquatic ecosystems.