浙江汤浦水库浮游植物季节演替及其影响因子分析

为探索我国亚热带饮用水源水库浮游植物时空变化特征及其影响因素,2011年对汤浦水库浮游植物和22项水文水环境因子进行月度监测.结果表明,调查期间共检出浮游植物7门62属115种,其中绿藻种类最多,硅藻其次;春季水华期间(4月)浮游植物细胞密度达到最高20.88×10~6cells·L~(-1),随后因强降雨影响降至最低0.59×10~6cells·L~(-1)(6月);浮游植物群落组成的时间异质性比空间异质性更为明显,其时空方差分解的结果显示,时间变异占总变异的72.3%,大于仅占2.5%的空间变异;优势种和冗余分析(RDA)表明,硅藻全年优势最为明显,其次是蓝藻和隐藻,再次是绿藻,其中春季由硅藻和蓝藻占优势,夏季由蓝藻和绿藻占优势,秋季和冬季则由硅藻和隐藻占优势;HRT及其驱动的水库离子浓度变化和反硝化过程是主导春季和秋季水体扰动耐受和敏感种类间演变,以及春季水华形成的关键因子;SiO_2、WT和N∶P则是主导冬季和夏季,硅藻、隐藻和蓝藻、绿藻间演变的关键因子.     

升温过程对藻类复苏和群落演替的影响

采用模拟升温方法培养太湖的冬季底泥,培养温度从5.5~30℃设计为8个水平,在各温度水平显微观察藻类群落组成,计算比生长速率,同时采用荧光法分析光合色素的浓度变化.结果表明,绿藻和硅藻在9℃时开始复苏,蓝藻在12.5℃开始复苏.虽然蓝藻复苏较晚,但是蓝藻复苏后的比生长速率高于绿藻和硅藻.12.5℃以后,藻类群落主要由蓝藻、绿藻、硅藻组成.在12.5℃和16℃时绿藻占优势;蓝藻在19.5℃以后占优势.叶绿素a浓度在9℃和16℃均明显升高,而藻蓝素浓度仅在16℃时明显升高.光合色素浓度的升高与绿藻和硅藻的复苏同步进行,但滞后于蓝藻的复苏.     

于桥水库浮游植物群落特征及其环境影响因子

为研究于桥水库群落结构及其环境影响因子,于2013年5月(春季)、8月(夏季)、10月(秋季)分别对于桥水库的浮游植物及水质进行了同步监测调查,并应用冗余分析(RDA)建立了浮游植物丰度与水环境因子的关系。结果表明,于桥水库处于中-富营养水平。浮游植物共计7门94种(属),以绿藻、硅藻、蓝藻为主。优势种主要为四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)、单角盘星藻(Pediastrum simplex)、水华微囊藻(Microcystis flos-aquae)和梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)。浮游植物丰度范围在43.14×10~4~330.59×10~4cells/L之间,生物量范围在0.35~2.60 mg/L之间。浮游植物群落结构存在季节差异,春季以金、硅藻为主,夏、秋季以蓝、绿藻为主。夏、秋季浮游植物丰度、生物量高于春季,应防控于桥水库夏、秋季蓝、绿藻水华的爆发。RDA结果表明,水温、总氮是影响于桥水库浮游植物丰度变化的主要环境因子。     

羊草草原碳循环过程的模拟与验证

根据内蒙古典型羊草草原碳通量和生物量观测数据,验证VIP(Vegetation Interface Proces-ses)模型,并模拟分析1958—2007年该生态系统碳循环特征及其与环境因子的相关关系。结果显示:VIP模型能够较准确地模拟地上生物量(R2=0.70)和净生态系统生产力NEP(R2=0.57)的变化趋势。羊草草原生态系统总初级生产力(GPP)、净初级生产力(NPP)和生态系统呼吸(Re)在1958—1973年间下降,1973—1993年间增长,1993年后又出现下降的趋势。与环境因子的相关性分析表明,GPP、NPP和Re随CO2和降水的增多而增大,随温度升高和降水的减少而降低,其中降水量与碳通量相关性最高,呼吸与温度、降水、CO2均存在一定程度的正相关关系。NEP年际变化较大,主要受控于年降水量,以228 mm为界,年降水量大于此值时,NEP为正的概率较大。     

桂江主要离子及溶解无机碳的生物地球化学过程

河流水体的化学组成记录了流域内各种自然过程与人类活动的信息.对西江一级支流桂江化学径流的分析结果表明,桂江水体的离子组成主要受碳酸盐岩化学风化过程的控制,CO2是这一过程的主要侵蚀介质;H2SO4对碳酸盐岩的风化影响桂江河水的化学组成.大气沉降、人类活动、碳酸盐岩和硅酸盐岩化学风化对桂江水体贡献的溶解物质分别占总溶解物质的2.7%、6.3%、72.8%和18.2%.河流溶解无机碳(DIC)的稳定同位素组成(δ13CDIC)揭示桂江河水中的DIC明显被浮游植物的光合作用所利用.浮游植物初级生产力对桂江颗粒有机碳(POC)的贡献达22.3%~30.9%,这表明岩石风化来源的DIC经浮游植物的光合作用转化为有机碳,并在迁移过程中部分沉积水体底部,进而形成埋藏有机碳.     

南水北调中线工程对丹江口水库浮游植物群落结构影响

丹江口水库作为南水北调中线工程的水源地,大坝加高蓄水后,水体流动性变差,水体营养盐容易累积,造成局部区域水华暴发风险加剧。该文基于2018年12月-2019年11月实测数据和文献调研,分析了南水北调中线工程运行对丹江口水库浮游植物群落结构特征的影响,主要结论:(1)丹江口水库采样点浮游植物细胞密度在0.06×10~6～11.9×10~6cells/L之间,汉库和丹库浮游植物细胞密度差异不大,但浮游植物细胞密度和浮游植物种类季节性差别较大,夏季浮游植物细胞密度最大,平均值是5.57×10~6cells/L,浮游植物种类变化由春季的蓝藻、隐藻和金藻,向夏、秋季的蓝藻和绿藻,以及冬季的蓝藻、隐藻和硅藻转变;(2)建库至今,丹江口水库浮游植物细胞密度增加了一个数量级,浮游植物种类组成由适应河流的固着型硅藻,经过硅藻-绿藻-蓝藻型逐渐发展为硅藻-隐藻-蓝藻-绿藻型,水库富营养化程度有增加的趋势;(3)南水北调中线工程正常运行后(2018-2019年),与2014-2015年运行初期相比,浮游植物细胞密度增加幅度升高,但浮游植物种类有降低的趋势。从消落带营养盐释放、污染物累积、水动力条件改变3个方面初步分析南水北调中线工程对丹江口水库浮游植物群落结构特征的影响,对丹江口水库水华防控提出了相应的对策建议。     

中国农业植被净初级生产力模拟(I)——模型的建立与灵敏度分析

以业已建成的稻麦作物净初级生产力模型为基本框架,建立了一个具有普适性的中国农业植被净初级生产力模型(CropC-)。CropC-的模拟对象为占我国农作物总播种面积2/3的水稻、小麦、玉米、棉花、油菜和大豆。该模型包括2个主要功能模块:光合作用和呼吸作用;土壤-作物系统氮素运移。前者综合考虑了环境因子和氮素的影响,后者包括了作物氮素吸收、土壤氮矿化和化肥氮释放。灵敏度分析表明,在输入参数变化±10%时,CropC-对6个主要输入参数响应的敏感性依次为温度>光合有效辐射>大气CO2浓度>土壤全氮含量>施氮量>降水。模型分析表明,气候变暖将降低作物净初级生产力。     

中国农业植被净初级生产力模拟(I)——模型的建立与灵敏度分析

以业已建成的稻麦作物净初级生产力模型为基本框架,建立了一个具有普适性的中国农业植被净初级生产力模型(CropC-)。CropC-的模拟对象为占我国农作物总播种面积2/3的水稻、小麦、玉米、棉花、油菜和大豆。该模型包括2个主要功能模块:光合作用和呼吸作用;土壤-作物系统氮素运移。前者综合考虑了环境因子和氮素的影响,后者包括了作物氮素吸收、土壤氮矿化和化肥氮释放。灵敏度分析表明,在输入参数变化±10%时,CropC-对6个主要输入参数响应的敏感性依次为温度>光合有效辐射>大气CO2浓度>土壤全氮含量>施氮量>降水。模型分析表明,气候变暖将降低作物净初级生产力。     

太湖春季和秋季浮游植物的光合作用活性

应用Phyto-PAM浮游植物荧光仪对2012年太湖浮游植物群落光合作用活性的时空分布进行测定. 结果表明:春季蓝藻、绿藻和硅/甲藻的F_v/F_m(最大光量子产量)分别为0.35~0.49、0.34~0.68和0.09~0.56;秋季则分别为0.34~0.53、0.55~0.68和0.28~0.61. 春季蓝藻、绿藻和硅/甲藻的NPQ(非光化学淬灭)分别为0.012~0.165、0.085~0.201和0.104~0.281,秋季则分别为0.035~0.263、0.052~0.118和0.048~0.301. RLC(快速光响应曲线)的特征参数表明,太湖浮游植物群落光能利用效率和光合作用速率具有显著时空差异. 相关分析表明,绿藻和硅/甲藻的光合作用活性与环境因子没有显著相关性;而蓝藻的F_v/F_m与RLC的特征参数呈显著正相关,与ρ(Chla)呈显著正相关(P<0.05,R=0.49),与SD(透明度)呈极显著负相关(P<0.01,R=-0.56),说明太湖蓝藻的光合作用活性与富营养化水平具有一致性. 从空间分布来看,草型湖区蓝藻的光合作用活性和ρ(Chla)均显著低于藻型湖区,表明水草能抑制蓝藻的光合作用活性和生长,进而降低蓝藻水华强度.      

岩溶区地下水补给型水库表层无机碳时空变化特征及影响因素

为更深入地认识岩溶区地下水补给型水库表层无机碳的循环过程,于2014-07-12~2014-07-20期间,以广西上林县大龙洞岩溶水库表层水体为研究体系,对无机碳循环研究的重要指标进行定点观测和高密度的昼夜监测.结果发现:1从上游到下游DIC含量和水体p CO2值逐渐增加[DIC(平均):122.88 mg·L-1增至172.02 mg·L-1,p CO2(平均):637.91×10-6增至1 399.97×10-6],δ13CDIC值逐渐偏负[δ13CDIC(平均):-4.34‰降至-6.97‰].2库区均为大气CO2的源,CO2交换通量在7.11~335.54 mg·(m2·h)-1之间,平均125.03 mg·(m2·h)-1,上游和下游地区CO2交换通量较大[平均131.73 mg·(m2·h)-1、170.25 mg·(m2·h)-1],中游狭窄地区CO2交换通量较小[平均116.05 mg·(m2·h)-1].3表层水体p CO2值和水-气界面CO2交换通量存在晚上升高,白天降低的昼夜变化规律,且与叶绿素a(Chla)呈负相关关系.分析认为:1大龙洞水库表层水体DIC含量、δ13CDIC值和水体p CO2的空间分布主要受浮游植物浓度、浊度、电导率、水深、透明度等的影响,而水-气界面CO2交换通量除了受浮游植物浓度空间变化的影响外还受风速的影响.2浮游植物昼夜垂向运动及光合作用和呼吸作用昼夜变化控制着水库表层水体溶解性无机碳的昼夜循环过程.     

太湖水-气界面CO2交换通量观测研究

基于2003-01～2005-06利用静态箱法对太湖水-气界面CO₂交换通量的观测,对太湖水-气界面交换通量的变化特征进行了分析研究.结果表明:太湖水-气界面CO₂交换通量存在明显的日变化,春、夏、秋、冬4季日平均通量分别为-0.79mg/(m²·h)、-4.89 mg/(m²·h)、-4.06 mg/(m²·h)和-2.56 mg/(m²·h),太湖均是CO₂的汇.一般污染越重的区域,CO₂通量值越大.藻型湖区水-气界面CO₂交换通量季节变化不明显,草型湖区水-气界面CO₂交换通量季节变化很明显,夏秋季高,冬春季低.CO₂通量变化的可能相关因子还有天气情况、太阳辐射、风速及水温、pH、TA、Chla、TC、TN和TP等.     

太湖水-气界面CO2交换通量观测研究

基于2003-01～2005-06利用静态箱法对太湖水-气界面CO2交换通量的观测,对太湖水-气界面交换通量的变化特征进行了分析研究.结果表明:太湖水-气界面CO2交换通量存在明显的日变化,春、夏、秋、冬4季日平均通量分别为-0.79 mg/(m2·h)、-4.89 mg/(m2·h)、-4.06 mg/(m2·h)和-2.56 mg/(m2·h),太湖均是CO2的汇.一般污染越重的区域,CO2通量值越大.藻型湖区水-气界面CO2交换通量季节变化不明显,草型湖区水-气界面CO2交换通量季节变化很明显,夏秋季高,冬春季低.CO2通量变化的可能相关因子还有天气情况、太阳辐射、风速及水温、pH、TA、Chla、TC、TN和TP等.     

太湖化学耗氧量和生化需氧量的时空分布特征

基于2009年2月(冬季)、5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)全太湖32个站点的化学耗氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、溶解性总氮(DTN)、溶解性总磷(DTP)、浮游植物色素数据,分析了太湖COD、BOD的时空分布特征,并探讨了影响COD、BOD时空分布的因素.结果表明,2009年太湖COD值为3.40～6.16mg·L-1,平均值为(4.38±0.72)mg·L-1;BOD为0.64～5.93mg·L-1,平均值为(1.91±1.63)mg·L-1.COD值在秋冬季节较高,其值显著大于春夏季(p0.001);而BOD值冬季较高,其它季节都较低.COD与BOD的空间分布格局相似,呈现出自竺山湾、太湖西北沿岸区向梅梁湾区、湖心区、东南湖湾区依次递减的趋势.分类统计结果显示,河口沿岸区COD、BOD值显著高于开敞水域区(p0.001).相关性分析结果表明,COD、BOD与DTN、DTP、浮游植物色素的相关性存在季节性差异.夏季浮游植物色素浓度与COD、BOD相关系数最高,说明夏季浮游植物降解对水体内COD和BOD的贡献要高于其它季节.COD与BOD的时空分布特征主要受降雨量、河流输入、"引江济太"及太湖浮游植物活动等的影响.     

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.     

云贵高原富营养化湖泊杞麓湖浮游生物群落的季节性演替及其驱动因子分析

杞麓湖是云贵高原典型的重富营养化湖泊,水生态系统已严重退化.为揭示杞麓湖浮游生物群落季节性演替规律,阐明浮游生物群落季节性演替的驱动因子,于2017-2018年对杞麓湖浮游生物及水质理化参数进行季节采样调查和浮游生物群落结构特征分析,并运用CCA（典范对应分析）方法分析浮游植物群落组成与环境因子的关系.结果表明:①杞麓湖夏季营养状态最高,达重度富营养水平,春秋冬三季均为中度富营养.水体SD（透明度）春季最高,夏季最低;ρ（Chla）、ρ（COD_Mn）均为夏季最高,冬季最低;ρ（TN）冬季最高,秋季最低;ρ（TP）春夏最高,冬季最低.②杞麓湖浮游植物共6门163种（其中包括8个变种）.浮游植物密度春季最低（0.66×108 L-1）而秋季最高（16.08×108 L-1）,主要为蓝藻门、绿藻门和硅藻门.其中,春季优势种为微细转板藻（Mougeotia parvula）;夏季优势种为孟氏浮丝藻（Planktothrix mougeotii）;秋冬季的优势种均为阿氏浮丝藻（Planktothrix agardhii）.③杞麓湖浮游动物32种,浮游动物密度冬季最低（13.2 ind./L）而夏季最高（3 696.0 ind./L）.其中,春季优势种为曲腿龟甲轮虫（Keratella valga）,夏季优势种为前节晶囊轮虫（Asplanchna priodonta）,秋季优势种为螺形龟甲轮虫（Keratella cochlearis）,而冬季优势种为桡足类幼体.研究显示,杞麓湖浮游动植物群落季节性演替明显,ρ（DTP）（DTP为溶解态磷）、ρ（TP）、ρ（NH₃-N）、ρ（COD_Mn）和WT（水温）是影响杞麓湖浮游植物群落季节性演替的主要驱动因子.      

太湖水体固氮速率时空变化

使用乙炔还原法及原位模拟对太湖水体的固氮作用进行季节性研究.结果表明,太湖水体的平均固氮速率为1.53 ng·L~(-1)·h~(-1),年固氮量为10.73 t.比较不同湖区的固氮速率可发现:梅梁湾、竺山湾等北部湖区是水体固氮作用的热点区域,而其他如湖心区、贡湖湾等水体的固氮作用较微弱.太湖水体固氮作用表现出明显的周期性季节特征,4个季节的固氮速率分别为0.10 ng·L~(-1)·h~(-1)(春季)、5.88 ng·L~(-1)·h~(-1)(夏季)、0.14 ng·L~(-1)·h~(-1)(秋季)和5.62×10-5ng·L~(-1)·h~(-1)(冬季).太湖水体中固氮蓝藻生物量是导致固氮速率空间差异的主要原因(p0.05);同时,固氮速率与水温之间的极显著正相关关系(p0.01)也证明了温度对固氮速率季节差异的影响.     

野外模拟扰动方式对太湖浮游植物群落结构的影响

浮游植物是水生生态系统的重要生产者,扰动是水体的固有特征.为探究扰动方式对浮游植物的影响,通过野外模拟试验探讨不同扰动方式（持续扰动和间歇扰动）对太湖浮游植物的影响,并在试验期间测定各扰动条件下浮游植物生长和群落结构变化情况.结果表明:①对照组、间歇扰动组和持续扰动组中浮游植物平均生物量分别为5.92、19.42、58.27 mg/L,平均细胞密度为1.06×108、1.23×108、3.48×108 L-1,持续扰动组浮游植物生物量和细胞密度显著高于对照组和间歇扰动组.②在间歇扰动组中,浮游植物优势种始终是微囊藻,其占比平均值为84.61%;对照组和持续扰动组中,浮游植物主要优势种由微囊藻逐渐转变为湖生伪鱼腥藻,其中微囊藻占比从试验开始时的77.84%到试验结束时分别降至4.72%和5.62%,而湖生伪鱼腥藻从试验开始时的0.55%到试验结束时分别升至94.40%和90.52%.③对照组、间歇扰动组和持续扰动组中Shannon-Wiener指数分别为1.02、1.03和1.63,持续扰动组显著高于对照组和间歇扰动组.研究显示,在该试验条件下,间歇扰动有利于维持微囊藻在太湖浮游植物中的优势地位,同时表明扰动方式显著影响太湖浮游植物生长和群落结构.      

Effects of elevated CO2 on dynamics of microcystin-producing and non-microcystin-producing strains during Microcystis blooms

In an attempt to elucidate the effects of different CO₂ concentrations (270, 380, and 750 μL/L) on the competition of microcystin-producing (MC-producing) and non-MC-producing Microcystis strains during dense cyanobacteria blooms, an in situ simulation experimentwas conducted in the Meiliang Bay of Lake Taihu in the summer of 2012. The abundance of total Microcystis and MC-producing Microcystis genotypes was quantified based on the 16S rDNA and mcyD gene using real-time PCR. The results showed that atmospheric CO₂ elevation would significantly decrease the pH value and increase the dissolved inorganic carbon (DIC) concentration. Changes in CO₂ concentration did not show significant influence on the abundance of total Microcystis population. However, CO₂ concentrations may be an important factor in determining the subpopulation structure of Microcystis. The enhancement of CO₂ concentrations could largely increase the competitive ability of non-MC-producing over MC-producing Microcystis, resulting in a higher proportion of non-MC-producing subpopulation in treatments using high CO₂ concentrations. Concurrently, MC concentration in water declined when CO₂ concentrations were elevated. Therefore, we concluded that the increase of CO₂ concentrations might decrease potential health risks of MC for human and animals in the future.     

基于半分析模型的太湖春季水体漫衰减系数Kd(490)估算及其遥感反演

漫衰减系数是水体重要的光学参数,是水生态系统的重要影响因素.利用2009年4月和2010年5月太湖实测数据,基于光学闭合原理,首先求解出490 nm处水体总的吸收系数[a(490)]和后向散射系数[bb(490)],进而研究了其与模拟的环境一号卫星多光谱数据不同波段遥感反射率之间的关系,在此基础上构建了太湖春季水体Kd(490)反演的半分析模型并将其应用到环境一号卫星影像上进行了太湖春季水体Kd(490)的遥感反演.结果表明,①基于光学闭合原理,可以较为准确地求解出a(490)和bb(490),a(490)实测值与求解值的平均相对误差为17.1%,bb(490)与模拟的环境一号卫星第四波段的遥感反射率具有很好的指数关系;②本研究所构建的模型具有较好的精度和稳定性,利用与卫星影像准同步的地面采样点对模型进行验证,得出模型反演的平均相对误差为21.6%,均方根误差为1.68 m-1;③太湖春季水体Kd(490)具有较强的空间差异性,太湖北部和东太湖大部分区域为Kd(490)的低值区,太湖西部和南部为Kd(490)的高值区,而太湖中部大部分区域介于两者之间.     

Satellite Remote Sensing of Terrestrial Net Primary Production for the Pan-Arctic Basin and Alaska

We applied a terrestrial net primary production (NPP) model driven by satellite remote sensing observations of vegetation properties and daily surface meteorology from a regional weather forecast model to assess NPP spatial and temporal variability for the pan-Arctic basin and Alaska from 1982 to 2000. Our results show a general decadal trend of increasing NPP for the region of approximately 2.7%, with respective higher (3.4%) and lower (2.2%) rates for North America and Eurasia. NPP is both spatially and temporally dynamic for the region, driven largely by differences in productivity rates among major biomes and temporal changes in photosynthetic canopy structure and spring and summer air temperatures. Mean annual NPP for boreal forests was approximately 3 times greater than for Arctic tundra on a unit area basis and accounted for approximately 55% of total annual carbon sequestration for the region. The timing of growing season onset inferred from regional network measurements of atmospheric CO₂ drawdown in spring was inversely proportional to annual NPP calculations. Our findings indicate that recent regional warming trends in spring and summer and associated advances in the growing season are stimulating net photosynthesis and annual carbon sequestration by vegetation at high latitudes, partially mitigating anthropogenic increases in atmospheric CO₂. These results also imply that regional sequestration and storage of atmospheric CO₂ is being altered, with potentially greater instability and acceleration of the carbon cycle at high latitudes.