湖库富营养化指标的高频监测方法研究

湖泊和水库中蓝藻水华等富营养化灾害的形成往往只需几天的时间,因此,在富营养化水体的水质管理上需要进行高频的水质指标监测.本研究以新安江水库(千岛湖)为例,基于水质传感器探头现场获取的水质参数,采用多元逐步回归分析方法,获得总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)、叶绿素a(Chl)、营养状态指数(TSI)、透明度(SD)等指示湖库富营养化状况的关键水质指标与水体藻蓝素(PC)、浊度(TURB)、有色可溶性有机物(CDOM)、电导率(EC)、溶解氧(DO)等现场水质参数之间的定量关系,以满足高频监测湖泊富营养化关键指标的需要.结果表明,2013年调查期间,新安江水库各湖区水质差异较大,调查的54个点位中,SD介于1.10~8.60 m之间,TN介于0.78~1.68mg·L-1之间,TP介于7.90~71.1μg·L-1之间,具有较为宽泛的代表性.相关分析表明,CDOM与TN、TP、CODMn、Chl、TSI、SD均存在显著的相关关系,可以作为新安江水库水质富营养化状况的一个重要自动监测指标;TURB与TP、Chl、SD、TSI之间也显著相关,PC则与TN、CODMn相关,而探头获得的叶绿素浓度值(Chls)与TN、SD显著负相关.通过与实测值比较表明,统计分析建立的富营养化指标多元回归方程估算值与实测值吻合度较高,能够满足水体管理的需要.本研究为湖泊和水库的富营养化灾害监控、预警提供了理论依据.     

菹草对湖泊水质及浮游植物群落结构的影响

沉水植物的季节性死亡分解会引起水体环境的巨大改变,如大量释放有机碳和氮磷等植物营养素,进而可能引起浮游植物群落结构的显著变化.本文以菹草为例,调查了我国江淮中下游平原14个浅水湖泊中该物种春季生长期和夏季衰亡期水环境物理化学指标和浮游植物相关参数,并量化了菹草衰亡对水质和浮游植物群落结构的影响.结果表明,在春季,菹草的生长显著抑制了沉积物的悬浮,提高了水体的透明度,同时菹草在生长过程中,吸收了水体中的营养元素并将其储存在植株体内或输送到沉积物中,菹草的光合作用还显著提高了水体的溶解氧和pH.然而,夏季菹草的衰亡使得湖水变得十分浑浊,水体有机质含量显著上升.此外,本研究还发现夏季有草区与无草区浮游植物组成和蓝藻生物量差异显著,对应的蓝藻占总藻生物量的比值分别为18.96%和34.05%.菹草衰亡区的蓝藻表现出更大生物量的原因如下:一是植株体的分解为蓝藻提供了充足的有机质和氮磷物质,为蓝藻的增殖提供了营养来源;二是夏季菹草衰亡导致水体浊度增加,使得蓝藻在竞争中占据了更好生态位,使其具备更大的氮、磷营养盐利用效率.     

强降雨对平原河网区入湖河道氮、磷影响

为定量揭示强降雨对平原河网河道氮、磷污染的影响,本文以太湖西岸大浦河和殷村港为例,基于两周年逐日高频人工监测和降雨量自动监测数据集,以及台风"利奇马"过程中的加密监测,分析了强降雨过程中河道各形态氮、磷浓度的变化特征及其环境效应.结果发现,强降雨两年内共观察到16次（19 d）,且50%发生在夏季;此外,强降水占年内总降水量的比重高达41.33%.强降雨发生之后,两条河道水体中各形态氮、磷浓度在强降雨之后有所增加,其中颗粒态磷的响应最快,一般在强降雨当天就出现峰值;而总氮峰值的出现存在2~5 d的延迟;强降雨引发的河道营养盐浓度增高持续时间短,通常1~2 d,甚至低于雨前浓度.流域面积大和河道流程长的大浦河水体氮、磷浓度对强降雨过程的响应速度较殷村港慢.河道各形态氮、磷浓度对强降雨过程的响应特征还受河道两岸局地土地利用状况的影响,农业面源污染的河段比城镇污染的河段对营养盐的拦截、净化和缓冲能力弱,因此农业面源污染的河段对强降雨的响应强于城镇污染的河段;农业面源影响河段氮的增加量以颗粒态氮为主,城市面源影响河段氮的增加量以溶解态氮为主,而磷的增加全程均为颗粒态磷为主.平原河网地区强降雨带来的河道水体氮、磷浓度波动小,各形态氮、磷响应过程受局地环境背景影响大,水质总体趋于稳定.然而,由于强降雨带来的河道入湖水量占比大,因此入湖负荷也处于很高水平,加之强降雨的发生偶然性大,强降雨对平原河网地区河道入湖氮、磷负荷的突发影响很大,需要重点关注.     

杭州西湖“香灰土”沉积物轻、重有机质组成特征及其环境意义

为探索城市浅水湖泊高有机质含量沉积物中有机质污染特征及其与氮、磷等营养元素的关系,调查了西湖8个湖区沉积物柱状样不同深度泥层有机质含量及其轻、重组分和氮磷污染特征,通过与国内相关湖泊有机质组分的比较,定量刻画了西湖"香灰土"沉积物的有机质特征.结果表明,西湖沉积物属典型高有机质含量底质,不同湖区底泥有机质含量平均值为28~251 g·kg-1;不同湖区沉积物有机质含量差别很大,引水入口湖区比其他湖区的有机质含量明显偏低;垂向上,大多湖区有机质含量随深度增加而增加,反映出有机质在西湖丰富的沉积历史.有机质轻/重组分离研究表明,西湖沉积物中轻组有机质含量为0.57~9.17 g·kg-1,平均占总有机质的2.83%,重组含量为5.35~347.41 g·kg-1,平均占总有机质的90%;与玄武湖、月湖、太湖、白洋淀等浅水湖泊相比,西湖底泥轻组有机质含量与之相当,但重组有机质含量明显偏高,反映出西湖作为历史悠久的城市湖泊,有机质污染负荷高,底泥腐殖化程度高.西湖底泥轻组有机质与总磷、总氮显著相关,而重组有机质含量仅与总氮含量显著相关,与磷没有相关性,表明轻组有机质对氮、磷内源释放潜力具有较大的影响.研究表明,西湖"香灰土"型沉积物有机质含量高、重组有机质比例高,对内源氮磷释放的缓冲能力强,在西湖营养盐内源负荷控制及水体富营养化治理中应予以充分考虑.     

氮磷形态与浓度对铜绿微囊藻和斜生栅藻生长的影响

以铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）和斜生栅藻（Scendesmus obliquus）为研究对象,分别以硝酸钠、氯化铵和尿素为氮源,以磷酸氢二钾、甘油磷酸钠和三磷酸腺苷为磷源,配置不同浓度的氮磷培养基（氮浓度1.00,4.00,8.00mg/L,磷浓度0.20,2.00mg/L）,通过一次性培养实验研究2种藻氮、磷饥饿时对不同形态和不同浓度氮磷的生长响应.结果表明,2种藻对氮、磷的形态和浓度响应均不同,且藻种之间也有明显的响应差异.铜绿微囊藻在3种浓度硝酸钠培养下比生长速率无显著差异,而斜生栅藻的比生长速率在硝酸钠4.00mg/L时达到最高,说明1.00mg/L的硝酸钠已满足铜绿微囊藻对氮的生长需求,斜生栅藻对氮的需求高于铜绿微囊藻.铜绿微囊藻在1.00,4.00mg/L氯化铵和尿素培养下的比生长速率相同,且比生长速率和现存量均高于同浓度硝酸钠培养组,说明相比于硝酸钠,铜绿微囊藻更喜欢利用还原态的氯化铵和尿素.但当氯化铵浓度高达8.00mg/L时,铜绿微囊藻比生长速率低于相同浓度尿素和硝酸钠培养组,也低于低浓度氯化铵培养组,说明高浓度氯化铵不利于铜绿微囊藻的生长.然而,斜生栅藻在8.00mg/L氯化铵培养下比生长速率和现存量与尿素培养时无显著差异,而且均高于硝酸钠培养组,说明斜生栅藻对氯化铵的耐受能力比铜绿微囊藻高.3种形态的磷均能被铜绿微囊藻和斜生栅藻利用,但铜绿微囊藻用高浓度有机磷培养时的现存量更高,斜生栅藻则在高浓度无机磷培养下生长更好,说明铜绿微囊藻比斜生栅藻能更好的利用有机磷,高浓度的无机磷不利于铜绿微囊藻生长.太湖目前铵氮浓度降低显著,水体无机磷占比很低,溶解态有机磷浓度占比较高,这些都更有利于蓝藻形成优势.     

千岛湖大气氮磷干湿沉降特征及周年入库负荷

大气氮磷沉降是湖库营养盐输入的重要途径,深刻地影响着湖库水体营养盐平衡及生态系统演化进程. 为了解山区大型水库大气氮磷沉降对水体的贡献,于2020年11月—2021年10月在千岛湖街口和淳安县城2个监测站点开展了大气氮磷干湿沉降周年观测,分析千岛湖大气氮磷沉降特征及入库负荷. 结果表明:千岛湖街口监测点大气总氮(TN)、总磷(TP)沉降量分别为1 774.83和34.11 kg/(km2·a),淳安县城监测点大气TN、TP沉降量分别为1 799.73和34.44 kg/(km2·a). 大气TN沉降以湿沉降为主,街口和淳安县城监测点TN湿沉降分别占总沉降的92%和88%;两个监测点大气TP沉降的组成差异较大,其中街口监测点湿沉降占53%,淳安县城监测点干沉降占60%. 气象条件(降雨)叠加人类活动(施肥等农业活动和旅游等城市活动)能够显著增加大气营养盐沉降量,全年85%的TN沉降和71%的TP沉降集中在降雨期. 观测期间,千岛湖大气TN、TP干湿沉降入湖负荷分别估算为1 041.98和20.04 t/a,分别占千岛湖河道TN、TP输入的9.4%和8.3%. 研究显示,千岛湖大气氮磷沉降量显著低于长三角地区其他水体,但农耕、旅游等人类活动仍造成千岛湖大气营养盐沉降量明显升高.      

生态浮床对千岛湖水体氮磷净化效果研究

为探索生态浮床对较清洁型湖水的氮磷去除效果,以华东地区最大深水水库千岛湖为例,选取浮叶植物黄花水龙(Jussiaea stipulacea Ohwi.)、沉水植物绿色狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)、挺水植物菖蒲(Acorus calamus)为材料,采用氮磷浓度相对较高的库尾湖湾湖水进行生态浮床静态模拟试验,测定浮床植物生长及水体氮磷浓度变化,并利用膜接口质谱仪测定水体溶解性氮气(N₂)含量,研究浮床植物体内吸收、反硝化脱氮等综合脱氮除磷能力. 结果表明:①浮床植物的氮磷净化能力存在明显的季节性差异,春季浮床植物长势、氮磷去除效果、反硝化脱氮能力均高于秋季;②不同水生植物间的氮磷去除能力差异显著,试验水体中黄花水龙和绿色狐尾藻的总氮(TN)、总磷(TP)去除效率分别为2.22、0.07和2.89、0.08 mg/(kg·d),绿色狐尾藻体内吸收氮、磷最多,植物干质量的氮、磷含量分别为12.44~15.57和0.96~1.95 g/kg;③植物的生长大大增强了水体的反硝化脱氮能力,黄花水龙、绿色狐尾藻、菖蒲与空白对照组溶解性N₂差值（净脱氮差）分别为0.16~22.35、?4.14~24.63、?0.26~15.74 μmol/L,水生植物生物量是影响浮床系统反硝化作用的最关键因素. 研究显示,生态浮床是较清洁型湖水氮磷削减的一种可行技术,浮床植物组合方案设计应充分考虑不同植物的季节生长特性和反硝化脱氮能力.      

富春江水库浮游植物功能群变化的成因

为探究富春江水库浮游植物群落结构的演替特征、水华风险机制及关键影响因素,分别于2020年8月和11月与2021年1月和4月在富春江库区及上下游11个断面采样分析浮游植物、浮游动物群落结构及相关理化指标,对浮游植物进行功能群（FG）分类,并应用非度量多维尺度分析（NMDS）和冗余分析（RDA）等统计方法探讨功能群变化的影响因素.结果发现,富春江水库浮游植物可分为18个功能类群,其中10个为优势类群;功能群的组成存在显著时空差异：空间上,库区上游江段主要以小环藻（Cyclotella）为代表的C类群和以沟链藻（Aulacoseira）为代表的P类群占优,与该江段中富营养混合水体的环境特征相符;富春江库区仍以P类群为主,但沿程优势度逐渐减小;库区下游江段MP类群逐渐占优,且在钱塘江口占据绝对优势,反映了感潮河流扰动频繁、浊度较高的环境特征;季节上,夏季功能群类型最为丰富,为P+L0+J+M+S1+H1+MP型,除了全年都占优的沟链藻为代表的P类群,还包括多个以蓝藻和绿藻为代表的类群,反映出生境多变、生产力旺盛的水环境特征;秋季演替以长孢藻（Dolichospermum）为代表的H1类群占优,...     

太湖蓝藻水华衰亡对沉积物氮、磷释放的影响

在太湖草型区、藻型区及河口区采集原状泥柱进行加藻培养实验,监测培养过程中溶解氧(DO)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、磷酸根(PO43--P)等相关指标的变化.结果表明,蔽光培养导致加藻体系中蓝藻大量死亡,形成水体极度缺氧环境(DO接近0),沉积物氮、磷释放量改变,上覆水NH4+-N、PO43--P...     

沉积物参与下氮磷脉冲式输入对太湖水体营养盐浓度和藻类生长的影响

湖泊沉积物既是氮磷等营养物质的储存库,也是水体营养盐的二次污染源,可以缓冲水体氮磷浓度变化,进而影响水体营养盐的生物可利用性和藻类生长.本文以太湖梅梁湾为研究对象,通过模拟实验研究沉积物参与下外源氮磷脉冲式输入对水体营养盐浓度和藻类生长的影响,并阐明氮磷在沉积物、水和藻类间的迁移转化及再分配过程.结果表明,当以0.30 mg·(L·d)~(-1)的速率脉冲式输入氮时,实验组(有沉积物)水体氮浓度远低于相应的对照组(无沉积物),沉积物参与下水体氮约以0.144～0.156 mg·(L·d)~(-1)的速率脱除,根据单位面积估算水体脱氮速率约为40.793～44.193 mg·(m~2·d)~(-1),脱氮量约占外源氮的48%～52%;而相应对照组水体约以0.021～0.039 mg·(L·d)~(-1)的速率脱氮,脱氮量仅占外源氮的7%～13%,可见沉积物-水界面作为浅水湖泊反硝化等脱氮过程的主要场所,对减轻湖泊氮负荷具有重要贡献.当以0.015 mg·(L·d)~(-1)的速率脉冲式输入磷时,沉积物表现出明显的"汇"效应,约52%～58%外源磷以2.210～2.422 mg·(m~2·d)~(-1)的速率汇入沉积物,其余约23%～26%外源磷被藻类吸收,约20%～22%则以溶解态存在水体,可见沉积物的参与能有效地缓冲水体磷浓度对外源磷的响应.无外源输入时,沉积物充当磷源,以约0.310～0.468 mg·(m~2·d)~(-1)的速率释放磷供给藻类生长.薄膜梯度扩散技术(ZrO-Chelex DGT)原位高分辨分析显示,沉积物间隙水中有效态磷浓度远高于上覆水,并与二价铁显著相关,表明受铁结合态磷的影响,沉积物-水界面氧化还原状况发生改变会造成内源磷的大量释放.总的说来,在外源得到有效控制时,沉积物中的磷可以缓慢释放进入上覆水中并供给藻类生长,延滞水体对外源控制的响应.因此,在湖泊蓝藻水华治理时,氮磷协调治理可以起到更快的治理效果.