武汉东湖近代沉积物中总氮、总磷与生物硅沉积与营养演化的动态过程

选择富营养化程度较高的武汉东湖作为研究对象,于2011年对其中4个子湖湖心的沉积物进行了采集,并分析了沉积物中总氮、总磷与生物硅含量。结果表明：对照东湖沉积速率（约0.33 cm·a-1）,在底层41～50 cm（1860—1890年）与31～40 cm（1890—1920年）,东湖4处子湖氮、磷、硅基本为湖泊自然沉积;在中层21～30 cm（1920—1950年）,人类活动有所增强,沉积有所变化;表层沉积物0～10 cm（1980—2010年）、11～20 cm（1950—1980年）中氮、磷、硅沉积普遍上升,这一时期对应着东湖人类干扰活动的普遍增加。对东湖4个子湖的沉积物氮、磷与硅的对比研究表明：人类活动增加了对东湖氮、磷的排放,促进了东湖硅藻的生长及硅的消耗,东湖不同子湖之间氮、磷、硅的沉积存在着明显差异,这可能与人类活动的影响差异有关。     

武汉东湖近代沉积物中总氮、总磷与生物硅沉积与营养演化的动态过程

选择富营养化程度较高的武汉东湖作为研究对象,于2011年对其中4个子湖湖心的沉积物进行了采集,并分析了沉积物中总氮、总磷与生物硅含量。结果表明:对照东湖沉积速率(约0.33 cm·a-1),在底层41～50 cm(1860—1890年)与31～40 cm(1890—1920年),东湖4处子湖氮、磷、硅基本为湖泊自然沉积;在中层21～30 cm(1920—1950年),人类活动有所增强,沉积有所变化;表层沉积物0～10 cm(1980—2010年)、11～20 cm(1950—1980年)中氮、磷、硅沉积普遍上升,这一时期对应着东湖人类干扰活动的普遍增加。对东湖4个子湖的沉积物氮、磷与硅的对比研究表明:人类活动增加了对东湖氮、磷的排放,促进了东湖硅藻的生长及硅的消耗,东湖不同子湖之间氮、磷、硅的沉积存在着明显差异,这可能与人类活动的影响差异有关。     

武汉月湖水体营养物质的分布与硅藻的生态指示

通过对武汉月湖2007年1-12月水体理化指标(电导率、溶解氧、pH值、水温、透明度、无机氮、无机磷、可溶硅)、生物指标(硅藻、蓝藻、叶绿素a)的监测,结果表明:月湖水体中无机氮、无机磷含量较丰富,可溶硅含量较低;月湖水体初级生产力较高,湖泊中蓝藻密度远大于硅藻密度;月湖水体中浮游植物与生境因素有着复杂的生态网络关系.月湖水体营养盐结构不合理,在硅藻消亡后,湖泊水域中的营养组合(丰富的氮与磷,但缺乏可溶硅),这种特殊生境刺激蓝藻的生长,进一步导致硅藻的减少,使月湖浮游植物的优势种转变成蓝藻类.可溶硅在湖泊浮游植物群落由硅藻型向蓝藻演变的过程中起着重要的作用,可溶硅起始浓度水平不仅决定硅藻生产量最大值的程度,而且制约着硅藻持续时间,补偿湖泊可溶硅可能是防治湖泊富营养化的新路.     

杭州西湖湖湾生物硅沉积测定与营养演化的过程

选择杭州西湖3处湖湾——茅家埠、乌龟潭、浴鹄湾作为研究对象,通过3处湖湾多点浅钻的表层沉积物生物硅质量分数测试,通过底泥分析西湖疏浚与水环境治理措施的效果。研究发现：对照西湖沉积速率（4mm／a）,3处湖湾表层沉积物中生物硅质量分数高低依次为茅家埠、乌龟潭与浴鹄湾。近10年来不同湖湾沉积物中生物硅沉积含量相差较大,这一时期正对应着西湖综合环境整治工程。对西湖3个湖湾表层沉积物中生物硅质量分数研究表明：西湖水体中的氮、磷、硅促进了硅藻的生长与硅的消耗,不同湖湾之间生物硅沉积存在着明显差异,这可能与人类活动的影响差异有关。     

月湖近代生物硅沉积测定与营养演化的动态过程

在综合了国内外实验方法基础上,完善了湖泊沉积生物硅实验室测定方法.利用此方法,首次对一富营养化小型浅水湖泊--武汉市汉阳区月湖进行了2个柱状沉积物的生物硅含量测试.结果表明,生物硅可以反映月湖的营养演化的动态过程,130 a前,湖泊受到的环境压力为轻;20世纪初期,月湖生物硅沉积缓慢上升,为水体富营养化开始发生时间;20世纪30年代至50年代,月湖已成为一富营养化湖泊;20世纪60年代至80年代,月湖水质持续恶化;20世纪80年代至月湖清淤前这段时期入湖污水增多,这加速了生物硅的沉积,正是这段时期使月湖最终沦为劣五类水质的湖泊.     

100年来东湖富营养化发生的沉积学记录

在210Pb计年的基础上,运用水生生物遗存、色素、有机碳同位素和磁化率分析了东湖钻孔沉积物中的生物与环境信息,重建了东湖100多年来湖泊营养与环境演化历史.研究发现东湖100多年来在人类活动不断增强的背景下,指示重金属污染的磁化率和指示湖泊富营养化的色素指标如蓝藻叶黄素(Myx)、颤藻黄素(Osc)快速上升,相应的水生生物如介形虫、腹足类、水生高等植物等表现明显的组合和变化阶段,同时有机碳同位素偏正与湖泊生产力升高和藻类繁盛有关.沉积记录表明东湖生态系统近代发生了深刻变化,湖泊营养演化自早至晚呈现四阶段性:贫营养阶段(1900-1966AD)色素水平低、拥有较丰富的水生高等植物和腹足类;中营养阶段(1966-1983AD)色素含量增高、水生高等植物和腹足类减少;富营养化阶段(1983-1989AD)色素含量快速增高、水生高等植物消失;超富营养化阶段(1989AD－至今)色素含量稳定居高、某些耐污染的介形类较繁盛.结果对于认识湖泊生态环境演化与人类活动的关系、以及如何治理湖泊环境具有现实的意义.     

安徽省石塘湖过去百余年湖水总磷浓度的定量重建

湖水总磷浓度对湖泊富营养化有很好的预警作用,历史湖水总磷浓度的定量重建能揭示湖泊营养演化历史.依据安徽省石塘湖沉积物钻孔的高分辨率硅藻研究结果,结合长江中下游湖泊硅藻-总磷转换函数模型,定量重建了其过去百余年来硅藻组合演替与历史湖水总磷浓度的变化过程.结果表明:石塘湖硅藻经历了从颗粒直链藻(Aulacoseira granulate)优势组合(1867-1981年)向富营养属种高山直链藻(Aulacoseira alpigae)优势组合(1981年以来)的变化.1981年以前,水体ρ(总磷)为50～60μg.L-1,湖泊一直维持在中等营养水平;1981年之后水体ρ(总磷)呈现明显升高趋势(＞100 μg·L-l),硅藻组合以高山直链藻占绝对优势,同时伴有喜好富营养环境的属种如极微小环藻(Cyclotella atomus)、梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)、谷皮菱形藻(Nitzschia palea)和汉斯冠盘藻(Stephanodiscus hantzschii)等的增加,标志着湖泊富营养化的发生.20世纪80年代以来,农业及城市生活污水排放、农业化学肥料的大量使用以及过度养殖是硅藻种群转变和富营养化发生的主要根源.增温在一定程度上也影响着硅藻群落变化和富营养化的加重.根据重建的硅藻-水体总磷浓度结果,提出石塘湖治理的营养物基准水体ρ(总磷)为60 μg·L-1,为该湖整治和修复方案的制定提供可参考的目标,也为当地大量类似湖泊的治理提供重要参考.     

中国东部浅水湖泊沉积物总氮总磷基准阈值研究

受人类活动的影响,东部浅水湖泊沉积物中总氮、总磷负荷很高,当外来污染源得到控制时,底泥中的营养盐会逐渐释放出来,对湖泊水质与生态系统影响很大。为合理削减湖泊内源污染,控制沉积物中营养盐向上覆水体释放,研究制定东部浅水湖泊沉积物总氮、总磷基准阈值,分别测定了100个湖泊的896个表层沉积物样品和8个典型湖泊11个柱芯的沉积物总氮（TN）、总磷（TP）含量,分析了沉积物TN、TP浓度剖面分布特征。通过频度分布法对100个湖泊沉积物总氮总磷的污染状况进行评价,通过背景值比较法确定了8个典型湖泊沉积物的TN、TP背景值。结果表明,100个湖泊的表层沉积物TN浓度范围在479.70~5 573.65 mg·kg-1,TP浓度范围在248.44~1000.33 mg·kg-1,不同湖泊表层沉积物中TN、TP值差异较大。8个典型湖泊沉积物总氮、总磷含量整体上表现出随着深度增加而下降变化趋势,在深层沉积物中含量保持稳定。所调查8个湖泊TN均值为1443.83 mg·kg-1,变化范围为247.45~3719.46 mg·kg-1,各湖泊中TN均值表现为：沱湖〉焦岗湖〉花园湖〉七里湖〉北民湖〉大通湖〉城东湖〉瓦埠湖;TP均值为519.62 mg·kg-1,变化范围为225.41~1944.89 mg·kg-1,各湖泊中TP均值表现为：北民湖〉大通湖〉七里湖〉焦岗湖〉沱湖〉瓦埠湖〉城东湖〉花园湖。不同湖泊沉积物总氮、总磷背景值差异很大。通过对100个湖泊表层沉积物TN、TP的频度分析发现,沉积物营养盐含量上25%点位对应的TP质量浓度398.51mg·kg-1,TN质量浓度为1106.24 mg·kg-1,沉积物营养盐含量下25%点位对应的TP质量浓度664.58 mg·kg-1,TN质量浓度为2916.66 mg·kg-1。通过互相之间的比较分析,推荐采用背景值比较法确定的各湖泊沉积物总氮、总磷背景值均值与频度分步法25%点位对应的总氮值和40%点位对应的总磷值作为东部浅水湖泊沉积物总氮、总磷基准阈值。因此,?     

太湖表层沉积物中多磷酸盐检出的环境意义

在氮限制型富营养化湖泊中,沉积多磷酸盐(Poly-P)可以用来示踪营养盐磷的输入和湖泊的富营养化过程。太湖是一个典型的磷限制型富营养化湖泊,通过对太湖表层沉积物中总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、氢氧化钠可提取磷(NaOH-P)以及Poly-P的提取分析,初步探讨了太湖营养盐磷输入的历史记录,并揭示了该湖Poly-P的主要来源和保存机制。太湖Poly-P的质量浓度较低,变化范围为0.004~0.065mg·g-1。NaOH-P占TP组成的22%,是太湖沉积物总磷的主要组成部分之一。结果显示,在湖泊水体藻类生物量较大和NaOH-P是沉积物TP重要组成部分的磷限制型湖泊中,Poly-P也是沉积物磷汇组成的一个重要部分,同时还是一个可以反映由人为磷输入增大导致湖泊富营养化程度加剧的敏感指标。     

泉州城区浅水湖泊生物有效磷分布特征及其与叶绿素a的相关性

通过对泉州城区浅水湖泊水体生物有效磷及叶绿素a的采样分析,探讨水体中生物有效磷的分布特征及其与叶绿素a的相关性,结果表明:泉州东湖水体生物有效磷浓度在0.25 mg·l-1-0.38 mg·l-1之间,西湖水体生物有效磷浓度在0.05mg·l-1-0.10mg·l-1之间.东、西湖溶解态生物有效磷和颗粒态生物有效磷均与总生物有效磷的浓度有着相似的空间分布趋势.东湖水体叶绿素a与西湖水体叶绿素a含量相差悬殊.除东湖颗粒态生物有效磷之外,东湖和西湖各种生物有效磷浓度与叶绿素a含量之间有显著的线性相关关系.湖泊周边的地形、风浪和船只运行扰动是影响生物有效磷浓度和叶绿素a含量的重要原因.     

洞庭湖浮游植物增长的限制性营养元素研究

近20年水质监测资料表明,洞庭湖水体富营养化日趋严重。洞庭湖水体主要污染物为氮和磷,而营养盐赋存形态及其含量对浮游植物生长的影响在洞庭湖尚未见报道。2011年9月至2012年8月对洞庭湖浮游植物生物量及主要营养盐赋存形态与含量进行监测,同时利用藻类增长的生物学（NEB）评价方法对限制浮游植物增长的营养盐进行了研究,并分析了浮游植物生物量与各营养元素之间的相关性。结果表明：洞庭湖主要污染物总氮（TN）和总磷（TP）的年平均值分别为1.90 mg·L-1和0.093 mg·L-1,溶解态无机氮（DIN）平均占ρ（TN）比例为87%,溶解态总磷（DTP）平均占ρ（TP）比例为70%。洞庭湖水体中,DIN是TN的主要贡献者,且不同形态DIN的贡献大小依次为ρ（NO3--N）〉ρ（NH4＋-N）〉ρ（NO2--N）;磷形态组成中,TP主要以溶解反应性磷（SRP）存在。春季洞庭湖水体中ρ（TN）、ρ（TP）较高,这一结果可能源于春季面源污染。洞庭湖水体中ρ（Chla）与氮显著正相关,与磷显著负相关。NEB 实验结果表明氮对洞庭湖浮游植物生长有明显的促进作用,其幅度随氮浓度的增加而加强,而磷对浮游植物的生长影响不大,有时出现抑制作用,硝态氮与磷之间不存在交互作用。因此,氮可能是洞庭湖浮游植物增长的主要限制性营养因子,这一研究暗示在洞庭湖富营养化控制过程中应特别注重氮的控制。     

白洋淀沉积物中磷的存在形态及垂直变化规律研究

湖泊沉积物中磷的含量及其形态分布是影响湖泊营养化进程的极为重要因素,对研究湖泊营养化等环境问题具有重要意义。采用化学连续提取分析法,对白洋淀环淀中村水域不同地点的沉积物中磷的形态及其在垂直方向上的变化进行了研究。结果表明,研究区域内,环淀中村水域表层沉积物总磷（TP）质量分数在544.424～608.197mg·kg-1之间,无机磷（IP）是沉积物中磷的主要形态,有机磷（OP）质量分数较小,约占10%～27%,无机磷中钙磷（Ca-P）占的比例相对较大,在质量分数上约占75.8%～94.1%。从各形态磷质量分数的变化范围来看,Ca-P〉OP〉Fe/Al-P;人类活动对湖泊沉积物中磷的形态及其水平和垂向变化影响很大。     

滇池水体磷的时空变化与藻类生长的关系

水体磷的时空变化与藻类生长的关系对研究水体富营养化具有十分重要的作用。采用GPS定位,对滇池海埂、斗南、罗家村、新街、昆阳等5个代表性位点监测断面水体总磷、可溶性磷及叶绿素a含量进行了为期1年（2003年5月至2004年5月）的动态研究,并在滇池海埂位点进行了日变化试验,全面分析了滇池不同区域、不同层次、不同时期水体总磷和可溶性磷的年变化、日变化及水体氮/磷比对藻类生长的影响。结果表明,滇池水体磷与藻类生长呈现显著的年变化和日变化特征,显示了滇池全湖水体总磷与叶绿素a周年变化呈显著正相关,水体可溶性磷与叶绿素a呈正相关趋势;海埂位点水体总磷与叶绿素a日变化呈显著正相关,水体可溶性磷与叶绿素a日变化呈显著的负相关,水体氮磷比与叶绿素a呈显著正相关。表明水体磷负荷对藻类生长影响呈现显著的水体区域性和水层差异性和季节性,藻类生长主要吸收水体中的可溶性磷,暗示了滇池水体磷是藻类生长的主要限制因子之一。     

呼伦湖冰封期污染特征分析及对水处理的意义

以内蒙古呼伦湖为研究对象,对其在冰封过程中总氮、总磷和有机物在冰体和水体中的浓度及分布特征及其在呼伦湖的空间变异性进行分析。结果表明,冰封条件下,呼伦湖水体中总氮、总磷和有机物的含量均大于其在对应冰体中的含量,其含量均值分别是其对应冰体中的3.144倍、2.200倍和3.042倍,即低温冷冻过程对水体中的污染物有一定的浓缩效应;水体中各营养盐和有机物的空间变异性明显小于其在冰体中的;从固-液相平衡理论、结晶学理论和热力学理论三个方面对冷冻浓缩效应做出了合理的解释。研究认为,可以将冷冻浓缩效应运用到给水处理和污水处理领域,这样既可以进行大规模的处理,也可以节约资源、保护环境。     

不同生态类型富营养化湖泊沉积物中有机质赋存形态

以藻型湖泊(太湖)、草藻型湖泊(南四湖)、草型湖泊(白洋淀)湖泊沉积物为研究对象,采集了11个表层沉积物样品,测定沉积物中总氮(TN)和总磷(TP)含量并利用物理分组方法,研究了3种不同生态型湖及同一湖泊不同区域沉积物中总有机质(OM)、轻组有机质(LFOM)和重组有机质(HFOM)的赋存特征.结果表明,南四湖沉积物中总氮、总磷和总有机质含量显著高于太湖和白洋淀;尽管太湖、南四湖和白洋淀沉积物中总有机质含量较高,但是轻组有机质(LFOM)含量较低,分别占总有机质的0.95%—1.08%、0.21%—1.37%和1.4%—1.78%;重组有机质(HFOM)含量较高,分别占总有机质的83.83%—87.4%、94%—98.98%和88.2%—98.3%,表明3种不同生态型湖泊沉积物中所含有机质绝大部分为难分解的重组有机质,轻组有机质基本矿化分解.相关性分析表明,轻组有机质(LFOM)、重组有机质(HFOM)与总有机质(OM)之间均呈现显著正相关关系.     

三峡水库香溪河库湾氮磷分布状况及沉积物污染评价

为了解三峡大坝蓄水完成之后香溪河库湾水体及沉积物中氮、磷的分布状况以及沉积物污染水平,2013年4月对三峡水库香溪河库湾进行调查采样,测定表层水及沉积物中氮磷含量和形态组成。结果表明,香溪河库湾表层水总磷(TP)含量范围为0.20~0.51 mg·L~(-1),总氮(TN)含量范围为0.54~2.25 mg·L~(-1),TP主要由磷酸盐(PO_4~(3-))组成,TN主要由硝酸盐(NO_3~-)以及氨氮(NH_4~+)组成,TP在空间上呈现从河口向库尾逐渐升高的分布格局,TN分布从河口向库尾逐渐降低。香溪河库湾沉积物中TP含量变化范围为642~1 189 mg·kg~(-1),TN含量变化范围为867~1 718 mg·kg~(-1),沉积物TP含量分布呈现上游高下游低,沉积物TN分布趋势呈现中间高,两头低。沉积物中TP主要由无机磷(IP)组成,有机磷(OP)所占比例较小,其中IP由钙磷(Ca-P)、铁铝磷(Fe/Al-P)组成,三者含量:Ca-POPFe/Al-P,且沉积物TP含量空间变化受到三者影响(P0.05)。采用单一因子标准指数法对香溪河库湾沉积物中TN、TP污染水平进行评价,结果表明,表层沉积物中TN、TP最低级别污染指数平均值为2.0和1.6,表层沉积物中TN、TP污染指数均超过最低污染水平,且TP的严重级别污染指数达到0.5以上。三峡水库三期蓄水完成以后,香溪河库湾表层水体中氮磷含量较初期蓄水有所升高,各样点沉积物中氮磷含量表现出相同的趋势,沉积物中不稳定磷释放对水体富营养化具有影响,香溪河库湾的表层沉积物已经受到一定的污染,磷污染水平较高。     

Source identification and prediction of nitrogen and phosphorus pollution of Lake Taihu by an ensemble machine learning technique

● A machine learning model was used to identify lake nutrient pollution sources. ● XGBoost model showed the best performance for lake water quality prediction. ● Model feature size was reduced by screening the key features with the MIC method. ● TN and TP concentrations of Lake Taihu are mainly affected by endogenous sources. ● Next-month lake TN and TP concentrations were predicted accurately. Effective control of lake eutrophication necessitates a full understanding of the complicated nitrogen and phosphorus pollution sources, for which mathematical modeling is commonly adopted. In contrast to the conventional knowledge-based models that usually perform poorly due to insufficient knowledge of pollutant geochemical cycling, we employed an ensemble machine learning (ML) model to identify the key nitrogen and phosphorus sources of lakes. Six ML models were developed based on 13 years of historical data of Lake Taihu’s water quality, environmental input, and meteorological conditions, among which the XGBoost model stood out as the best model for total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) prediction. The results suggest that the lake TN is mainly affected by the endogenous load and inflow river water quality, while the lake TP is predominantly from endogenous sources. The prediction of the lake TN and TP concentration changes in response to these key feature variations suggests that endogenous source control is a highly desirable option for lake eutrophication control. Finally, one-month-ahead prediction of lake TN and TP concentrations (R² of 0.85 and 0.95, respectively) was achieved based on this model with sliding time window lengths of 9 and 6 months, respectively. Our work demonstrates the great potential of using ensemble ML models for lake pollution source tracking and prediction, which may provide valuable references for early warning and rational control of lake eutrophication.     

绿潮藻类暴发对天鹅湖水体和沉积物磷含量的影响

在荣成天鹅湖藻类暴发区域采集新鲜沉积物和丝状硬毛藻（Chaetomorpha spp.）,进行室内模拟试验,监测了生长过程中硬毛藻的生物量、磷富集量以及不同处理水体总磷（TP）和可溶性磷（SRP）质量浓度的变化,并分析了藻类生长对沉积物中各形态磷含量的影响。结果表明,当水体磷含量较高时,硬毛藻生长较快,相对生长速率高达14.88%,之后随着水体磷浓度的下降,生长速率逐渐减小。不同处理间硬毛藻的生物量相差很大,高磷含量处理显著高于低磷处理,最大差值可达26.50 g。随着藻类的生长,水体TP和SRP含量明显降低,其中高磷含量处理的TP质量浓度由0.93 mg·L-1降至0.01 mg·L-1,低磷含量处理水体SRP质量浓度均降至0.006 mg·L-1以下。当水体磷含量降至一定水平,沉积物中磷可向水体释放,其中可还原态磷和铁铝结合态磷的降幅分别为23.98%和12.61%。在高磷含量处理组,藻体中磷的富集量显著升高,且当水体磷含量相同的条件下,有沉积物处理的富集量显著高于无沉积物处理。相关分析表明,藻体生物量与水体TP和SRP的相关性较好,其中高磷含量处理组生物量与水体TP、SRP呈高度负相关,而相对生长速率与之呈显著正相关。结果说明,水体及沉积物中磷均可作为硬毛藻生长的营养来源;另一方面,藻类生长可明显降低水体磷含量,并促进沉积物中磷的释放。