不同方法估算太湖叶绿素a浓度对比研究

基于2006-01-07～2006-01-09和2006-07-29～2006-08-01太湖地面实测高光谱数据以及同步水质参数数据,对比分析了三波段模型、两波段模型、反射峰位置法、一阶微分法4种方法用于估算太湖叶绿素a浓度的精度,并讨论其应用于遥感影像中估算叶绿素a浓度的可行性. 2次采样3类水色参数总悬浮物、叶绿素a浓度和有色可溶性有机物在440 nm处吸收系数的变化范围分别为12.24～285.20 mg·L^-1、 4.83～155.11 μg·L^-1和0.27～2.36 m^-1.前述4种方法在反演太湖水体的叶绿素a浓度时都取得较高的精度;决定系数分别为：0.813、 0.838、 0.872、 0.819,均方根误差分别为：13.04、 12.12、 13.41、 12.13 μg·L^-1;相对误差分别为：35.5%、 34.9%、 24.6%、 41.8%.反射峰位置法估算精度最高,但应用到叶绿素a浓度遥感影像估算比较困难.三波段模型和两波段模型的反演结果优于传统的一阶微分法,且在卫星遥感反演中具有良好的应用前景.根据模拟MERIS数据,分别得到最优三波段模型［R^-1(665)-R^-1(709)］×R(754)和两波段模型R(709)/R(681),其决定系数、均方根误差、相对误差分别为0.788、 13.87 μg·L^-1、 37.3%和0.815、 12.96 μg·L^-1、 34.8%,反映了MERIS数据能非常好地应用于太湖这类浑浊二类水体叶绿素a浓度的精确估算.     

太湖水体中氮、磷空间分布特征及环境效应

研究分析了太湖水体中氮、磷空间分布规律. 结果表明,太湖水体中各种形态氮、磷的空间分布呈现出非均一性特征,梅梁湾、竺山湾、贡湖湾、西岸区和湖心区水体中总氮、总磷浓度显著高于其他湖区,溶解态氮/磷、碎屑氮/磷的空间分布规律与总氮/磷的基本一致. 总氮与溶解态氮、碎屑态氮之间存在显著的线性正相关,且相关系数分别为r_DN=0.819 2和r_DeN=0.696 9;总磷与溶解态磷、碎屑态磷也存在极显著的线性正相关,对应的相关系数为r_DP=0.747 7和r_DeP=0.926 0. 水体中叶绿素a的空间分布差异较大,最高浓度出现在太湖的西部(179.2 μg·L^-1±25.9 μg·L^-1),最低的则出现在东太湖七都水域附近(11.3 μg·L^-1±2.7 μg·L^-1). 叶绿素a与总氮、碎屑态氮、总磷、溶解态磷、碎屑态磷、高锰酸盐指数、pH值和悬浮质存在显著的线性正相关,对应相关系数为r_TN=0.662 2、r_DeN=0.873 9、r_TP=0.813 0、r_DP=0.407 7、r_DeP=0.878 1、r_COD=0.868 9、r_pH=0.517 3和r_SS=0.533 4,与溶解态氮、电导率和碱度之间相关不显著.     

太湖典型草、藻型湖区有色可溶性有机物的吸收及荧光特性

2004年4月对太湖典型草、藻型湖区东太湖和梅梁湾有色可溶性有机物(CDOM)的吸收和荧光特性进行了研究.通过实验测定方法得到东太湖和梅梁湾CDOM的光谱吸收系数及其荧光值.结果表明,溶解性有机碳(DOC)的浓度在6.3～17.2 mg/L间变化,其均值为9.08±2.66 mg/L;CDOM在280 nm和355 nm的吸收系数分别为11.2～32.6 m^-1(平均值17.46m-1±5.75 m^-1)和2.4m～8.3 m^-1(平均值4.17 m^-1±1.47 m^-1);355 nm波长处CDOM的比吸收系数为0.31～0.64 L·(mg·m)^-1,平均值0.46L·(mg·m)^-1±0.08 L·(mg·m)^-1.355 nm的激发波长、450 nm的发射波长处的荧光值的变化范围0.50～3.91 nm^-1(平均值1.32nm-1±0.84 nm^-1).2类草、藻型湖区的DOC浓度、CDOM吸收系数、355 nm处荧光值均存在显著性差异,但CDOM比吸收系数和指数函数斜率则没有显著性差异,由此则反映了CDOM来源的一致性.CDOM的吸收系数与DOC浓度的相关性随波长的降低而增加,在短波部分存在明显的正相关.355 nm处的荧光值、DOC浓度与CDOM吸收系数存在如下显著性的正相关关系:F_n(355)=0.544(±0.035)a(355)-0.946(±0.152),DOC=1.537(±0.196)a(355)+2.683(±0.862).280～500 nm、280～360 nm、360～440 nm指数函数斜率分别为14.37μm^-1±0.73μm^-1、19.17μm-1±0.84μm^-1、13.38μm-1±0.82μm^-1.     

三峡小江回水区叶绿素a季节变化及其同主要藻类的相互关系

通过分析三峡小江回水区2007年5月～2008年4月115个样品叶绿素a的季节特点,提出了适用于表征小江回水区叶绿素a与不同藻类细胞密度和生物量的3种状态：Chla≤5 μg·L^-1、5 μg·L^-1-1和Chla>19 μg·L^-1,目的是探讨小江回水区不同水平下Chla与同期各主要藻类细胞密度和生物量的相互关系,为进一步了解三峡水库特定水域藻类季节演替特征提供参考. 全年数据下,小江回水区藻类总细胞密度、生物量和叶绿素a间均呈极显著的正相关关系（R>>0.70,Sig.≤0.01）. 研究期间小江回水区叶绿素a、绿藻、硅藻、蓝藻、甲藻生物量均值分别为(9.58±10.77)、(1605±647)、(707±124)、(511±266)和(4019±1345) μg·L^-1. Chla≤5 μg·L^-1的水平下,绿藻、硅藻与Chla浓度呈显著正相关;5 μg·L^-1-1水平下,仅有蓝藻与Chla含量呈显著正相关关系;Chla>19 μg·L^-1时,甲藻与Chla含量呈显著的正相关关系,但其它藻门与Chla含量无显著相关关系.     

澜沧江流域梯级水库建设下水体营养盐和叶绿素a的空间分布特征

澜沧江梯级水库群建设对流域水生态环境产生了一定的影响,将流域水体划分为自然河道段和水库段.为了探究梯级水库建设后澜沧江流域不同类型水体氮、磷营养盐和叶绿素a浓度的空间变化规律以及叶绿素a浓度与环境因子之间的关系,于2017年6月对澜沧江流域生态环境进行了调查分析.结果表明,澜沧江水体总氮质量浓度变化范围为0.37~1.22 mg·L^-1,均值为0.70 mg·L^-1;总磷质量浓度变化范围0.01~0.19 mg·L^-1,均值为0.04 mg·L^-1.单因素ANOVA分析表明,总氮空间差异显著,表现为支流段 > 水库段 > 自然河道段;但总磷没有明显的空间差异.澜沧江水库段水体叶绿素a浓度变化范围为2.6~10.2μg·L^-1,均值为5.8μg·L^-1.Pearson相关性分析结果显示,水体叶绿素a浓度与总磷浓度、水温和真光层与混合层之比（Z_eu/Z_mix）等具有显著相关性,其中与Z_eu/Z_mix的相关性最高（R²=0.689,P=0.001）,表明水温分层驱动下的Z_eu/Z_mix是影响澜沧江水库水体中浮游植物生长的关键性指标.     

太湖水土界面氮磷交换通量的时空差异

利用原柱样静态释放实验及间隙水分子扩散模型对太湖典型草型湖区(东太湖)及藻型湖区(梅梁湾)的氮磷释放通量进行了逐月研究.原柱样氮磷静态界面交换通量(F_i)在同一湖泊不同生态类型湖区有差异性,东太湖氨态氮和可溶性磷酸盐的年平均交换通量分别为(44.9±21.9)mg·(m²·d)^-1(平均值±标准偏差)和(2.06±1.71)mg·(m²·d)^-1,梅梁湾为(16.2±12.0)mg·(m^-1·d)^-1和(0.53±0.52)mg·(m²·d)^-1.2湖区的分子扩散通量(F_m)同样表现为这样的差异,但是其绝对值与静态释放通量相比有数量级的差异,该模型不能用于太湖这样风浪显著且底栖生物活性较高的湖泊水土界面氮磷营养盐交换通量的估算.仅从不同生态类型的湖区比较结果看,草型湖区比藻型湖区有更高的氮磷交换通量.F_i/F_m比值作为1种反映底栖生物活性的指标反映出东太湖有更高的底栖活性.在水体溶解氧水平通常保持在较高的水平,即好氧状态下,氮磷界面交换通量与溶解氧水平(DO)无显著相关.同样,在现有浓度水平下,其水土界面交换通量与水体氮磷浓度无显著相关.东太湖较高的释放通量与相对较低的水体营养盐负荷的差异来自于大型水生植被的消浪促沉降及其本身的吸附吸收作用,这是恢复水生植被以重建健康水生生态系统的重要理论依据.     

东海赤潮高发区半分析算法色素浓度反演

为研究赤潮机理和预测预报以减少其危害,根据2002-04东海赤潮调查航次实测资料,得出经验系数,建立方程,发展了东海赤潮高发海区的叶绿素a浓度反演半分析算法.由现场实测数据对算法进行检验,叶绿素a吸收系数a_ph(675)及浓度的反演结果误差基本在30%以内,其中浓度反演结果比较,均方根偏差为0.24,最大相对偏差为40.93%,平均相对偏差为18.83%,相关系数R²为0.83.从检验的结果来看,算法反演的精度较好,对于研究海区相对适用.     

基于生物光学模型的二类水体光学活性物质估算：以晋江下游河段为例

水体中各组分对光谱的吸收和散射构成了水体的固有光学特性,是生物光学模型的重要参数,是建立水质遥感半分析模型的基础.目前该方法多应用于湖泊水质监测,很少用于河流.因此, 本研究以福建晋江下游河段为例, 探讨水面下反射率R(0^-)与光学活性物质之间的关系,并建立了光学活性物质的估算模型.结果表明,利用R(0^-)₇₅₃与总悬浮物浓度、R(0^-)₇₀₂/R(0^-)₆₈₀与浮游植物色素浓度、R(0^-)₆₇₀/R(0^-)₄₂₃与CDOM吸收系数分别建立的估算模型能取得理想的效果,其决定系数分别是0.953、 0.820 5和0.621 3,对应的相对误差分别是6.1%、 21.87%和22.18%.三者中以悬浮物浓度的反演精度最高,然后依次为浮游植物色素浓度和CDOM.主要原因在于浮游植物色素的浓度相对较低,光谱信号较弱;CDOM的特征光谱波段很窄,而且该波段内的R(0^-)受到其它２种物质存在的影响.     

太湖苕溪流域氮磷的生物学阈值评估

水体富营养化与氮、磷含量过高密切相关,本研究从悬浮、底栖叶绿素a限值及其与氮、磷的响应关系入手,选择干、支流清晰的太湖苕溪流域作为研究区域,建立河道氮磷阈值评估方法. 90个点位的监测数据表明,苕溪流域总氮污染超标比例高;悬浮叶绿素a与总氮、总磷存在显著相关性,而底栖叶绿素a只与总氮存在显著相关性,与总磷的相关性不显著;根据回归分析、El-Shaarawi经验方程,以及对应的目前公认的悬浮叶绿素a和底栖叶绿素a的限制值(悬浮叶绿素a≤ 5 μg·L^-1,底栖叶绿素≤100 mg·m^-2),苕溪流域干流和支流的总氮阈值相差较大,支流(1.3 mg·L^-1)大于干流(0.9 mg·L^-1),总磷阈值相差不大,约为0.05 mg·L^-1.干、支流有区分的氮磷阈值的限定有利于改善苕溪河流整体水质,对其他类似苕溪、支流较多的河流面源污染控制同样具有借鉴意义.     

作物生长和氮含量对土壤-作物系统CO2排放的影响

为探讨作物生物学特征对土壤-作物系统CO₂排放的影响,本研究基于逐步收割法和静态暗箱-气相色谱技术,以冬小麦和水稻作物为研究对象,采用盆栽和大田试验的方法,在作物生长的主要生育期原位测定了土壤-作物系统CO₂排放速率,同时测定了作物生物量和氮含量.研究结果表明:①土壤-作物系统CO₂排放在生长季内呈现动态变化,土壤-水稻系统CO₂排放高于土壤-冬小麦系统.②作物暗呼吸速率与生物量呈显著线性相关.③作物暗呼吸系数(R_d)的季节变化可以用植株氮含量来描述.冬小麦R_d与N含量的关系可用线性方程R_d=0.0124N-0.0076(R²=0.9879,p<0.001)表示;水稻R_d与N含量的关系可用二次方程R_d=0.0085N2-0.0049NR²=0.9776,p<0.001)表示.④作物根系的参与极大地促进了土壤呼吸.冬小麦生长季土壤表观呼吸CO₂平均值为247.2 mg·(m²·h)^-1 ,高于未种作物土壤1.78倍,水稻生长季为215.3 mg·(m²·h)^-1 CO₂,高于未种作物土壤的3.38倍.冬小麦根系呼吸系数大于水稻,其根际呼吸对土壤表观呼吸的贡献高于水稻.     

太湖水体多环芳烃生态风险的空间分布

以太湖梅梁湾、贡湖湾和胥口湾水体多环芳烃(PAHs)含量水平为基础,通过物种敏感度分布曲线计算三湖湾水体PAHs对水生生物的潜在危害比例,以此表征PAHs对太湖三湖湾水体的生态风险,并对其空间分布特征进行讨论.结果表明:PAHs对太湖三湖湾水体的生态风险大小依次是:Flua(1.1641%),Phe(0.2206%),Pyr(0.1633%),BaP(0.0175%),Ant(0.0021%),Flu(0.0005%), Ace(0.0000%),∑7PAH的联合生态风险(3.0954%)大于单体PAHs的生态风险. Ant, BaP和∑7PAH对梅梁湾(0.0209%,0.1237%和4.1018%)的生态风险显著高于贡湖湾(0.0023%,0.0085%,3.0414%)和胥口湾(0.0002%,0.0015%,2.3899%)(P0.05);Flu和Phe对胥口湾(0.0004%,0.1553%)的生态风险显著低于梅梁湾(0.0011%,0.2999%)和贡湖湾(0.0009%,0.2681%)(P0.05);Pyr和Flua对梅梁湾(0.3268%,1.7156%),贡湖湾(0.1697%,1.2386%)和胥口湾(0.1044%,0.8339%)水生生物的生态风险具有显著性差异(P<0.05).空间分布表明:梅梁湾西北部PAHs的生态风险最大,贡湖湾北部次之,胥口湾最小.     

夏季太湖浊度分布特征及其在水－沉积物界面识别中的应用

基于2014年8月对太湖61个采样点的浊度和各物理化学指标的测定,分析夏季太湖浊度空间、垂直分布特征及其影响因素,利用实测的湖泊底层浊度垂直分层对水－沉积物界面进行定量识别.结果表明,夏季太湖浊度表、中、底层浊度平均值分别为(28.3±21.4), (23.0±13.3), (31.7±15.0) NTU,总体分布趋势为太湖北部贡湖湾、梅梁湾最大,其次为西部及湖心区,较低值出现在胥口湾及东太湖;线性回归分析表明,表、中、底层浊度分别与叶绿素a、无机悬浮物、总悬浮物浓度的拟合关系最好;基于浊度垂直分层定量识别的太湖水－沉积物界面厚度均值为(156.4±53.5) mm,其中贡湖湾及太湖西部厚度最大,其次为湖心区及梅梁湾,东太湖、胥口湾、竺山湾界面厚度最小,界面厚度与中层浊度存在显著的正相关(R2=0.552),风浪引起的频繁的沉积物再悬浮将增加水－沉积物界面厚度.太湖浊度的垂直分层可用于水－沉积物界面的定量识别,为水－沉积物界面营养盐交换和物质循环研究提供科学依据.     

太湖梅梁湾有色可溶性有机物对光的吸收

探讨了太湖梅梁湾不同湖区有色可溶性有机物(CDOM)对光的吸收、光衰减系数的变化及与DOC浓度的关系、CDOM吸收对光衰减系数的贡献率以及指数函数曲线斜率S值.结果表明,不同类型湖区CDOM吸收系数差异明显,a_d(440)、a_d(320)的变化范围分别为1.22～2.58m^-1,6.24～10.69m^-1;DOC浓度最高值出现在梁溪河口,为12.74mg/L,最低值出现梅梁湾口,为6.87mg/L,大致呈由湾内向湾口逐渐递减的趋势;DOC与CDOM吸收系数在波长320nm以下存在显著性相关,波长320～700nm CDOM吸收对光衰减系数的贡献率在0.69%～60.9%间变化,400nm以下紫外短光部分贡献率均大于20%,空间上短波部分贡献率在河口区、五里湖比梅梁湾内及沿岸带要大;CDOM吸收的指数函数曲线斜率S在13.9～18.1m^-1间.     

太湖典型湖区中胶体有机碳浓度的时空变化

利用切向流超滤技术研究了太湖梅梁湾与贡湖湾2个不同生态类型的典型湖区在不同季节胶体有机碳(COC)的浓度变化,并同步观测了浮游植物、叶绿素(Chla)、悬浮物(SS)等背景指标.结果表明,作为藻型湖区的梅梁湾,其COC浓度夏季最高,秋季最低;作为草型湖区的贡湖湾.其COC浓度在秋季最高,冬季最低;太湖梅梁湾和贡湖湾COC浓度的差异和季节变化有关,夏季梅梁湾COC浓度高于贡湖湾,差异为一年中最大;太湖水体COC浓度和Chla浓度显著正相关(r=0.81,P=0.015),表明浮游植物的生命活动址太湖水体COC的一个重要来源.     

富营养化水体中黑水团的吸收及反射特性分析

对黑水团水体光学特性进行研究,是利用遥感技术监测和评估黑水团事件的前提.针对2015年7月在太湖发生的黑水团现象,采集了太湖黑水团区(区域一)、蓝藻水华区(区域二)、清水区(区域三)共36个水样,对这3个区域的水体遥感反射率以及吸收特性进行对比分析.结果表明:1区域一水体的总颗粒物、色素颗粒物和非色素颗粒物吸收系数比区域二、区域三高出1~2倍,在400~500 nm之间,区域一CDOM吸收系数相比另外两个区域的水体高出2倍左右.导致黑水团区域水体具有很低的遥感反射率,被人眼感知时呈现为黑色;2黑水团区域水体M值低于滇池、巢湖和太湖的M值变化范围,说明黑水团中CDOM的腐殖酸含量较高.此外,叶绿素a浓度与CDOM在350 nm处吸收系数之间具有很好的相关性,表明蓝藻的降解可能是黑水团中CDOM的一个主要来源;3在380 nm之后,黑水团区域的水体总吸收以色素颗粒物占主导,但在短波350~380 nm处,CDOM对总吸收的贡献率高于色素颗粒物和非色素颗粒物.     

太湖附泥藻类时空分布及与环境因子的关系

为探讨太湖附泥藻类时空分析及与N、P等环境因子之间的关系,在不同季节采取太湖不同湖区表层沉积物,采用常规理化分析方法测定环境中的氮、磷含量及其他理化指标,利用高效液相色谱技术(HPLC)分析附泥藻类光合色素叶绿素a(Chl.a)、叶绿素b(Chl.b)、岩藻黄素(Fuco)及玉米黄素(Zea)含量。结果表明：太湖水体及表层沉积物N、P浓度空间差异明显,水体中TN、TP及总溶解性磷均表现为梅梁湾>贡湖湾>胥口湾,且空间差异显著(P<0.05),而胥口湾表层沉积物中TP及Fe-P含量显著低于梅梁湾及贡湖湾(P<0.05)。太湖附泥藻类生物量(Chl.a)及3种特征色素含量存在显著的时空差异。从空间上看,Chl.a最高值出现在贡湖湾,其值为(12.79±3.69)μg/g,最低值出现在胥口湾,其值为(2.46±1.14)μg/g。在秋季及夏季,贡湖湾附泥藻类Chl.a及3种特征色素含量高于梅梁湾,梅梁湾又高于胥口湾;在春季,梅梁湾附泥藻类Chl.a高于贡湖湾及胥口湾。从季节上看,附泥藻类Chl.a与特征色素Chl.b变化一致,梅梁湾与胥口湾在春季较高,夏季和秋季相对较...     

太湖中颗粒有机碳对水体固有光学特性的影响

利用2011年5期太湖现场测量数据和室内分析数据,通过建立ρ(POC)(POC为颗粒有机碳)与a_p(λ)(颗粒物吸收系数)、b_bp(510)(总颗粒物的后向散射系数)的相关关系,评价了POC对水体固有光学特性的影响. 结果表明,太湖水体ρ(POC)时空变化显著,各期样品平均值在1 558.06~5 281.09 mg/m3之间变化. ρ(POC)与a_p(λ)具有较好的相关关系,特别是在浮游植物色素强烈吸收的波段(605~700 nm),各期数据的相关系数均在0.9以上;但ρ(POC)与b_bp(510)的相关性较差(R2=0.04, P=0.02). 进一步分析ρ(POC)对颗粒物的色素部分和非色素部分的影响发现,ρ(POC)与色素颗粒物吸收系数〔a_ph(665)〕的相关性很好(R2=0.82),而与非色素颗粒物吸收系数相关性较差. ρ(NPOC)(NPOC为非有机碳颗粒物)与b_bp(510)的相关性较好(R2>0.60),说明太湖水体POC对浮游植物色素的吸光特性有重要影响,而NPOC影响了水体的后向散射特性.      

太湖不同湖区轮虫群落结构季节变化的比较研究

2006年7月～2007年6月对太湖不同湖区(河口区、梅梁湾、太湖湖心区和贡湖湾)轮虫的季节变化进行了比较研究.整个研究期间,河口区、梅梁湾、太湖湖心区和贡湖湾轮虫种类数分别为23、15、14和21;河口区轮虫的年平均密度最高,为475个·L-1,梅梁湾最低,为164个·L-1,太湖湖心区为189个·L1-,贡湖湾为338个·L-1.4个湖区优势种不同,河口区轮虫优势种为萼花臂尾轮虫(B.cdyciflorus),梅梁湾为角突臂尾轮虫(B.angularis),太湖湖心区和贡湖湾优势种都是针簇多肢轮虫(P.trigla).食物的不同以及大型浮游甲壳动物的抑制作用,可能是太湖4个湖区轮虫群落结构不同的重要原因.相关分析表明,轮虫数量与枝角类数量、枝角类生物量和桡足类生物量极显著负相关;轮虫数量与透明度显著正相关.结果表明,太湖4个不同湖区轮虫群落结构不同.     

太湖沼泽化评价方法的建立及应用

为了研究太湖的沼泽化现状,在考虑太湖生态类型空间分布多样性特征的基础上,遵循以水生植物为主、促淤效应为辅的沼泽化评价原则,选取水生植物类型、水生植物生物量、沉积速率、平均水深为指标,构建了沼泽化定量评价体系,并对太湖沼泽化综合指数进行分湖区计算.结果表明,太湖沼泽化程度可分3个水平:处于沼泽化盛期的东太湖,其沼泽化综合指数为2.81,为全湖最高;处于沼泽化前期的东部滨岸区、贡湖和南部沿岸区,其沼泽化综合指数分别为1.36、1.19、1.18;不存在沼泽化问题的梅梁湾、西部沿岸区及湖心区,其沼泽化综合指数分别为0.90、0.79、0.05.对沼泽化程度严重的东太湖有必要采取人工生物量控制、生态清淤、围网养殖规划等减缓沼泽化进程的治理措施.