湖泊水质参数遥感监测研究进展

湖泊是水圈的重要组成,也是重要的淡水资源之一.湖泊的水环境日益遭到污染,监测湖泊水质动态变化对生态环境保护具有重要意义.遥感技术为湖泊水质监测提供技术支持,克服了人工采样成本低和时效性差的特点,在湖泊水质监测中得到了广泛的应用.通过遥感可以监测的指标包括悬浮物、叶绿素a、有色可溶有机物、溶解氧和透明度等.虽然遥感为湖泊水质监测打开新思路,但是仍然存在问题：(1)遥感接受到的信号受到大气的影响,而大气校正算法不够成熟,需要更精确的大气校正来控制大气影响,消除大气和光照等对水体反射的影响;(2)受季节和空间制约,不同湖泊表面光学特性存在差异以及水中生物光学特性的差异性,利用有限实测数据建立的模型缺乏可移植性;(3)水生植物和外力作用(风力、鱼群等)的干扰,造成实测和模型估测之间的误差,而且数据的同步性难以保证,导致模型可靠性下降;(4)实测数据和遥感数据的时空尺度不匹配,难以捕捉动态精细的水质变化.因此,未来结合多源数据以及其他水文模型,深入研究水体中各组分的光学特性,优化反演算法,发展对实测数据依赖程度低的反演算法,构建可迁移的反演模型,打破模型地域局限,推动湖泊水体污染监测预警业务化发...     

藻华聚集的生态效应:对凤眼莲叶绿素和光合作用的影响

以凤眼莲为研究对象,模拟凤眼莲叶绿素和光合作用变化对不同蓝藻水华聚集影响的应答响应.通过深入研究藻华聚集后对水生植物的生理影响,以揭示藻华规模性暴发引起水生植物消亡的深层机制和更好地发挥植物的水体生态修复功能.结果表明,藻华聚集后2 h内溶氧会耗尽,水体中氧化还原电位值(ORP)降至-200 m V,添加60 g·L-1和120 g·L-1新鲜藻细胞的处理1、2中溶解性总氮(DTN)含量分别高达44.49 mg·L-1、111.32 mg·L-1,溶解性总磷(DTP)含量分别高达2.57mg·L-1、9.10 mg·L-1,植物根区NH+4-N含量增加至32.99 mg·L-1、51.22 mg·L-1,形成厌氧、强还原、高营养盐环境而对凤眼莲产生胁迫作用,植物叶片叶绿素浓度呈现先增加、后降低的变化趋势,处理2的叶片光合能力、气孔导度(以CO2计)则呈现快速下降,至实验结束时下降为3.95μmol·(m2·s)-1、0.088μmol·(m2·s)-1,同期对照组叶片光合能力、气孔导度分别为22μmol·(m2·s)-1、0.78μmol·(m2·s)-1,表明凤眼莲对环境胁迫有较强的光合应答响应;实验中发现处理1中老根系脱落、大量白色嫩根长出,处理2中老根系大量死亡、脱落,无白色新根长出,同时叶片发黄、枯焦开始死亡,表明在超过了凤眼莲的抗逆境能力后,就开始出现根系死亡、光合能力受到抑制,植物开始死亡,表明在藻华聚集后形成的水体生态环境恶化对凤眼莲产生重度胁迫,使植物生理功能受到抑制是导致植物死亡的主要原因之一.     

天山天池夏季叶绿素a的分布及富营养化特征研究

2014年6~8月,对天山天池水体叶绿素a(Chl-a)的分布特征及其与环境因子的相关性进行分析,探讨了天池富营养化状态及成因.结果表明,天池夏季Chl-a浓度变化范围为2.11~4.06μg·L-1,平均值为(2.8±0.69)μg·L-1.不同监测断面Chl-a垂直剖面变化趋势相似,整体表现为表层(0~2 m)和深层(12 m以下)低,中上层(2~12 m)高的特点.天池Chl-a浓度与深度和电导率显著负相关,与水温、p H值、溶解氧、蓝绿藻细胞密度和TP显著正相关,与TN的相关性较小.夏季天池TN和TP平均浓度分别为0.27 mg·L-1和0.035 mg·L-1,超过国际上一般标准的富营养型湖泊的浓度,采用修正的卡尔森营养状态指数评价天池的营养化状况,其目前处于中度富营养化水平.究其原因,可能主要是水土流失导致的营养盐升高,以及水生生物组成改变引起的藻类大量繁殖引起的.所以需从生态恢复和生态管理的角度,进行天池水质和周边植被的保护和恢复,以减缓天池水体富营养化加剧的风险.     

面向GF-1WFV数据的闽江下游叶绿素a反演模型研究

叶绿素a浓度是可直接遥感反演的重要水质参数之一,常用来评价水体的富营养化程度.为建立适合于闽江下游叶绿素a浓度的反演模型,利用地面采样数据,结合GF-1 WFV光谱响应函数,选用多元回归、BP神经网络和随机森林方法,构建了叶绿素a浓度反演模型;并根据验证数据与实测值之间的决定系数(R~2)、均方根误差(RMSE)和平均相对误差对模型反演结果进行了比较.结果发现,随机森林模型的R~2为0.895,RMSE为1.994 mg·m~(-3),平均相对误差为11.502%,是3种模型中最优的.为了评估模型的性能,进一步比较了WFV影像像元反射率反演的叶绿素a浓度值与相应的实测值.结果表明,随机森林模型同样具有较高的精度,其R~2为0.709,RMSE为3.540 mg·m~(-3),平均相对误差为25.616%.本研究可为闽江下游水环境的监测提供一定的理论依据和技术参考.     

双对栅藻FACHB-78甘油三酯积累的盐胁迫条件优化

以双对栅藻FACHB-78为研究对象,在NaCl质量分数0~45‰的条件下,研究了该藻生长形态、甘油三酯积累、光合活性等特性,确定了最优的盐胁迫条件.结果表明,随着盐度的增加,藻细胞密度逐渐下降,类胡萝卜素/叶绿素的比值逐渐上升,甘油三酯的积累量呈现先上升、后下降的趋势.在盐度为10‰的条件下,藻细胞密度比正常培养时降低了24.38%,甘油三酯浓度和含量均达到最大值,分别为250.88mg/L和33.41%,比正常培养时提高了97.05%和82.09%,且光合活性较高.对于生产生物柴油,在盐度为10‰的胁迫条件下,双对栅藻FACHB-78比在正常培养的藻细胞具有更大优势.     

苯并[a]芘和菲对缢蛏血细胞DNA损伤的研究

为研究苯并[a]芘和菲对缢蛏的毒性效应,将缢蛏(Sinonovacula constricta)分别暴露于浓度为0.45 mg·L-1、0.15 mg·L-1、0.05 mg·L-1苯并[a]芘溶液和0.45 mg·L-1、0.15 mg·L-1、0.05 mg·L-1菲的溶液中,采用单细胞凝胶电泳实验(彗星实验)技术检测不同暴露时间缢蛏血淋巴细胞的DNA损伤程度,对照组为清洁海水。结果显示,高浓度(0.45 mg·L-1)苯并[a]芘溶液和(0.45 mg·L-1)菲溶液在短期(7 d)内即可导致缢蛏血细胞显著的DNA损伤,并且随苯并芘[a]和菲浓度的增大和暴露时间的延长,DNA损伤程度增加。21 d恢复实验后,各浓度组DNA损伤又均有不同程度的恢复,但中高浓度组(0.45 mg·L-1和0.15 mg·L-1)与对照组仍显著性差异。两种多环芳烃物质对缢蛏血细胞的DNA损伤作用均存在较显著时间-剂量-效应关系。其中,苯并芘[a]对缢蛏血细胞的DNA损伤作用要高于菲。     

氮、硫沉降对尾巨桉和杉木幼苗光合特性的影响

采用二因素三水平法设计模拟氮(N)、硫(S)沉降的盆栽试验,以Na2SO4为硫源、46%CO(NH2)2为氮源,其中氮沉降梯度为N1(0 kg hm-2 a-1)、N2(50 kg hm-2 a-1)、N3(100 kg hm-2 a-1),硫沉降梯度为S1(0 kg hm-2 a-1)、S2(15kg hm-2 a-1)、S3(30 kg hm-2 a-1).模拟试验6个月后,测定尾巨桉(Eucalyptus urophylla×Eucalyptus grandis)和杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗的SPAD值、可溶性蛋白含量、净光合速率(Pn)和叶绿素荧光参数,分析探讨氮、硫沉降处理下两树种幼苗光合特性的响应机制.结果表明:与空白对照组相比,单一中氮沉降显著促进两树种幼苗Pn的上升(P<0.05),且单一高氮沉降显著促进杉木幼苗可溶性蛋白含量的上升(P<0.05),表明单一氮处理在一定程度上提高了两树种幼苗的光合能力.尾巨桉幼苗各光合指标受单一硫沉降胁迫的影响较杉木幼苗更为显著,前者的SPAD值和可溶性蛋白含量在中硫处理下均显著下降(P<0.05),Pn反之;而后者仅SPAD值在中、高硫处理下显著上升(P<0.05).氮、硫复合沉降下,尾巨桉幼苗各项指标未见明显变化(P>0.05);杉木幼苗仅中氮高硫组的SPAD值和高氮高硫组的可溶性蛋白含量显著上升(P<0.05).综上,与单一氮、硫沉降相比,氮、硫复合沉降的交互效应并未显著增强两树种幼苗的光合特性,但两树种幼苗间对模拟氮、硫沉降的响应和耐受机制存在差异.     

磁湖叶绿素a时空分布特征及环境因子影响分析

2013年分四季监测了磁湖10个位点的水质状况,分析了磁湖叶绿素a的时空分布特点及其与环境因子之间的关系。结果表明,磁湖叶绿素a平均值为14.86μg/L,已处于富营养化状态。不同季节的叶绿素a浓度无显著性差异(P0.05);叶绿素a浓度呈现空间差异性,南磁湖的水体叶绿素a浓度较高。磁湖水体叶绿素a浓度与TN显著性正相关(P0.05),与其他环境因子无显著相关性,水体叶绿素a浓度的变化受多种环境因子综合影响。对磁湖与其他富营养化水体的叶绿素a及氮、磷浓度对比,结果表明在富营养水体中氮磷比是影响叶绿素a的重要因子。磁湖水体中Cd、Ni、Fe含量较高,且多种重金属的联合效应抑制了藻类的光合作用,致使水体中叶绿素a含量较低。     

太湖出流河道藻颗粒变化及其水质效应

河湖连通是保障城市水体水生态健康的一种常用工程手段,但对于蓝藻水华严重的湖泊,湖泊出流携带的藻团颗粒会对河道水质产生明显的影响.为了分析富营养化湖泊引水对受水河道水质的影响程度,以太湖梅梁湾连通河道梁溪河为例,连续3a开展夏季河道蓝藻颗粒通量及其水质的高频监测,分析河道蓝藻水华颗粒物通量变化规律及其对河道水质的影响强度.结果表明：①梅梁湾藻情的好转及河道入口加压抑藻井运行显著降低了梁溪河的叶绿素a浓度与藻颗粒通量,2019年夏季河道叶绿素a浓度与通量均值分别为54.34 μg·L^-1和84.7 t·d^-1,显著低于2017年;②连通河道调水工程对改善受水水体的水质效果显著,除DTP外,梁溪河其余各形态氮、磷浓度2017~2019年整体呈下降趋势,说明调水工程将湖水外排后,对梁溪河水质有一定改善效果;③携带大量蓝藻水华颗粒物的湖水进入河道后,显著增加了河道颗粒态氮、磷等营养盐含量,2017~2019年梁溪河水体中氮、磷均以PN和PP为主,分别占TN和TP的62.5%和70.8%;④梅梁湾水体大量携带的藻颗粒未对连通的京杭大运河等其他河道产生水质影响,2019年8月京杭大运河水体中叶绿素a相较于6月下降了65%,说明蓝藻颗粒物未在运河中积累;⑤在湖泊藻情未能得到有效改观的前提下,调水携带的藻颗粒态会对连通河道局部河段水质和景观产生冲击.