Long-term joint effect of nutrients and temperature increase on algal growth in Lake Taihu, China

To study how global warming and eutrophication affect water ecosystems, a multiplicative growth Monod model, modified by incorporating the Arrhenius equation, was applied to Lake Taihu to quantitatively study the relationships between algal biomass and both nutrients and temperature using long-term data. To qualitatively assess which factor was a limitation of the improved model, temperature variables were calculated using annual mean air temperature (AT), water temperature (WT), and their average temperature (ST), while substrate variables were calculated using annual mean total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and their weighted aggregate (R), respectively. The nine fitted curves showed that TN and AT were two important factors influencing algal growth; AT limited growth as algal photosynthesis is mainly carried out near the water surface; N leakage of phytoplankton and internal phosphorus load from sediment explains why TN was the best predictor of peak biomass using the Monod model. The fitted results suggest that annual mean algal biomass increased by 0.145 times when annual mean AT increased by 1.0℃. Results also showed that the more eutrophic the lake, the greater the effect AT had on algal growth. Subsequently, the long-term joint effect of annual temperature increase and eutrophication to water ecosystems can be quantitatively assessed and predicted.     

基于分位数回归的洱海藻类对氮、磷及水温的响应特征

基于云南洱海长时间尺度水质观测数据,运用分位数回归方法分析浮游藻类叶绿素a(Chl-a)对氮(N)、磷(P)、水温的定量响应关系.结果表明过去20余年洱海藻类生物量受水温、N、P共同影响,随着洱海富营养化程度的加剧,水温对藻类生物量的相对重要度在持续下降,斜率平均值从2.70下降至0.44.而营养物对藻类的促进效应明显在提升,尤其是TP对藻类的相对重要度持续在攀升,斜率平均值从-0.3增长至0.8.TN对藻类生物量整体表现为较稳定的正效应,但近些年(2008~2013年)TN对藻类正效应达到最低.2002之后,P已逐渐取代N成为最重要的营养物限制因子.在季节方面,春季和秋季以水温和N的共同限制为主导,但春季当Chl-a8 mg·m-3时,N和水温对藻类的正效应逐渐被P取代.夏季完全以N、P共同限制效应占主导,当Chl-a3 mg·m-3时,TP的正效应逐渐超过TN,冬季则以P和水温的共同限制效应为主导.在气候变暖的大背景下,洱海富营养化控制应以"控P"为主和N、P协同削减的策略.当前富营养化控制过程中,应着重监控春、秋两季温度短期快速上升可能引发的全湖藻华风险.     

Controlling cyanobacterial blooms by managing nutrient ratio and limitation in a large hypereutrophic lake: Lake Taihu, China

Excessive nitrogen (N) and phosphorus (P) loading of aquatic ecosystems is a leading cause of eutrophication and harmful algal blooms worldwide, and reducing nutrient levels in water has been a primary management objective. To provide a rational protection strategy and predict future trends of eutrophication in eutrophic lakes, we need to understand the relationships between nutrient ratios and nutrient limitations. We conducted a set of outdoor bioassays at the shore of Lake Taihu. It showed that N only additions induced phytoplankton growth but adding only P did not. Combined N plus P additions promoted higher phytoplankton biomass than N only additions, which suggested that both N and P were deficient for maximum phytoplankton growth in this lake (TN:TP = 18.9). When nutrients are present at less than 7.75-13.95 mg/L TN and 0.41-0.74 mg/L TP, the deficiency of either N or P or both limits the growth of phytoplankton. N limitation then takes place when the TN:TP ratio is less than 21.5-24.7 (TDN:TDP was 34.2-44.3), and P limitation occurs above this. Therefore, according to this ratio, controlling N when N limitation exists and controlling P when P deficiency is present will prevent algal blooms effectively in the short term. But for the long term, a persistent dual nutrient (N and P) management strategy is necessary.     

淀山湖水质富营养化和微囊藻毒素污染水平

研究淀山湖不同季节水体中总磷(TP)、总氮(TN)、pH、水温、透明度(SD)、叶绿素a(Chl-a)含量和优势藻种等富营养化相关指标;在培养条件下,研究不同温度、光照、氮磷浓度对铜绿微囊藻的生长及微囊藻毒素LR(MC-LR)产生的影响;研究藻细胞密度和微囊藻毒素LR浓度的相关关系.结果表明:淀山湖水质已呈富营养化状态,春末和夏季水质和水文条件适合藻类生长.湖水TN和TP年平均值分别达1.93mg/L和0.18mg/L,TN和TP的年超标率达93.5%和92.2%.TP的高峰期比施肥的高峰期延迟出现约一个月,说明沿湖农业对富营养化指标的影响较大.淀山湖常年生长的藻类分别是蓝绿藻、硅藻、隐藻和裸藻等,夏季水华中可见污染指示藻如微囊藻、鱼腥藻和针杆藻等产毒藻.培养条件下,铜绿微囊藻在25℃和3000lx时生长最快,但产毒量却分别在20℃和5000lx时达到最大值;合适其生长和产毒的氮、磷浓度分别为650μmol/L和6.5μmol/L.现场和实验室条件下,均发现磷为藻类生长的限制因子,微囊藻毒素-LR浓度与藻细胞密度或铜绿微囊藻细胞密度之间存在正相关关系,提示可以用藻细胞密度来估算水中毒素的浓度.     

藻类生物膜技术脱氮除磷效果研究

利用藻类生物膜去除水体氮磷为富营养化的防治提供了1种新途径,实验室条件下研究了以巨颤藻（Oscillatoria princeps）占优势的藻类生物膜对人工合成污水、污水处理厂二级污水和富营养化湖水氮（N）、磷（P）的去除效果.结果表明,通过5 d的处理,藻类生物膜对人工合成污水、污水处理厂二级污水和富营养化湖水总氮（TN）去除率分别为57.1%、94.5%和93.8%,对总磷（TP）去除率分别为93%、73%和79%.藻类产量达到3.7～7.2　g·(m²·d)^-1;收获藻体总凯氏氮（TKN）达5.7%～7.2%,TP达0.78%～2.44%,对污水N、P的回收率分别达20%～39%和65%～82%.     

三峡水库支流回水区富营养化时空分布特征

为了解三峡水库175m水位蓄水后库区支流回水区富营养化现状,探索支流回水区富营养化时空变化规律,在三峡库区支流回水区开展了富营养化普查和监测。结果表明,库区支流总磷浓度为0.035~0.65 mg/L,平均浓度为0.157 mg/L,总氮浓度为0.681~5.690 mg/L,平均浓度为2.037mg/L,远远高于湖库水体出现富营养化的总磷和总氮临界浓度0.02、0.2 m g/L,库区支流营养盐条件适宜藻类生长。在每年4~9月的春季、盛夏和夏秋之交的非暴雨时段,当气温和光照适宜,支流回水核心区富营养化现象明显,出现藻类"疯长"的水华现象,但受气温变化影响明显,库区的富营养化现象仍是间歇的,局部的。     

太湖富营养化控制机理模拟

建立了一个将三维风生湖流模型,水质模型和富营养化模型耦合的数学模型,该模型不仅可以对太湖的风生湖流,总磷、总氮、COD等水质要素进行模拟,还可以模拟藻类在太湖中的生长和消亡情况以及其随风生湖流迁移的规律;在模型中,还考虑了水温、总氮、总磷和太阳辐射等环境生态因子对藻类生长率的影响,并且将模拟结果与1998年太湖的实测资料进行了对比,结果表明:该模型对风生湖流、总磷、总氮的模拟都是切合实际的,以叶绿素a浓度描述的藻类浓度的模拟值也能较好的拟合实测值。     

近十年洪泽湖富营养化状态变化趋势及原因分析

通过2011～2020年洪泽湖全湖逐月监测数据的分析,厘清了近十年洪泽湖富营养化状态变化趋势、时空变化特征和驱动要素,为洪泽湖富营养化控制提供针对性建议.作为洪泽湖最主要的入湖河流,淮河近十年来高锰酸盐指数显著上升、 TN显著下降.洪泽湖近十年水体总体透明度、 TP浓度和高锰酸盐指数平均值显著上升,TN和Chl-a浓度的平均值显著下降,富营养化状态指数（TLI）有下降趋势.洪泽湖富营养化状态的变化趋势在空间上存在差异：洪泽湖东区是淮河的过水通道,由于较短的水体停留时间,即使在营养盐浓度较高的情况下,藻类生物量仍显著低于其他区域,同时由于淮河水质的改善,TLI显著下降;北区具有较高的水生植被覆盖度,不仅降低了水体营养盐浓度,并为浮游动物和鱼类提供了栖息地,有效地抑制了藻类的生长,富营养状态要明显低于其余湖区,近十年TLI呈现下降趋势;西区富营养化程度最高,由于内源释放的加剧,藻类生物量最高,富营养化程度并没有得到改善.洪泽湖富营养化状态也存在显著的季节差异,夏季富营养化指数最高,藻类生物量因温度升高而相对较高,同时夏季藻类生物量主要受营养盐浓度影响,其中NO^-     

调水型水库藻类对调水氮、磷浓度与水量的响应

以南方某典型的调水型水库为研究对象,采用EFDC模型建立了水库的三维水动力和富营养化模型,并根据长历时的水文和水质数据对模型进行了率定和验证.基于模型计算结果,分析了水库氮、磷浓度对藻类生长的影响,计算了藻类对调水氮、磷浓度及调水量的响应关系.结果表明,水库氮、磷浓度对藻类生长的限制作用很小.在降幅相同的情况下,降低磷浓度比降低氮浓度的藻类浓度降幅更大,削减60%的氮,叶绿素a无明显下降,削减60%的磷,叶绿素a平均下降12.4%,分别削减90%的氮和磷,叶绿素a分别平均下降17.9%和35.1%.当调水量高于现状的20%,藻类浓度随调水量增大而降低,当调水量低于20%,藻类浓度随调水量增大而升高,调水量比现状增大1倍,叶绿素a平均降低25.7%,调水量降至20%,叶绿素a平均升高38.8%.本研究对于支撑水源地的富营养化控制工作具有重要意义.     

三峡水库支流大宁河冬、春季水华调查研究

以三峡水库主要支流--大宁河冬、春季2次不同类型水华的调查数据为依据,分析并比较了不同水华期间水质的变化、营养盐的构成及水华的特征.结果表明,大宁河冬季水华以唐家湾为中心,叶绿素a(Chl-a)含量较高[(Chl-a)_(max)/(Chl-a)_(min)=260];随着藻类的生长总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数出现富集而含量升高,溶解氧(DO)和pH却出现低值;水华高峰期水体藻类较少,共发现2门4种,水华优势种为铜绿微囊藻和水华微囊藻,藻密度高达3.15×10~7个/L,相关加权综合营养状态指数为80,属于重度富营养化水体.而春季水华属于自回水段以下整体性暴发,Chl-a含量也较高[(Chl-a)_(max)/(Chl-a)_(min)=140];TN、TP和高锰酸盐指数均是随着水华的发生逐渐升高;水华高峰期藻类种群丰富,共发现5门44种,各断面水华优势种和藻密度均不同,相关加权综合营养状态指数显示东坪坝和白水河为轻度富营养化水体.相关性分析表明,冬季水华期间Chl-a与TN、TP、高锰酸盐指数、水温呈显著正相关,与DO、透明度(SD)呈显著负相关;春季水华Chl-a与TP、高锰酸盐指数、DO、pH呈显著正相关,与SD呈显著负相关.冬季水华pH与SD呈显著正相关,与TN、TP、高锰酸盐指数呈显著负相关;而春季水华pH与Chl-a、TP、高锰酸盐指数、DO、气温呈显著正相关,与SD呈显著负相关.     

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...     

低通时序滤波轨线法在太湖营养过程识别中的应用

环境背景条件变化会导致湖泊ρ（Chla）与环境因子响应关系发生变化.采用低通时序滤波轨线方法可以方便地识别ρ（Chla）与环境因子响应关系的时间转折点,将长时间序列数据进行分段,从而建立分段回归函数,为研究环境因子与湖泊ρ（Chla）的因果关系提供了一种新的思路.以太湖为研究对象,采用低通时序滤波轨线方法,评估了2001—2018年太湖的ρ（Chla）与营养盐〔ρ（TN）、ρ（TP）〕以及氮磷比〔ρ（TN）/ρ（TP）〕的变化过程,研究了年均气温、滞留时间对产藻效率〔ρ（Chla）/ρ（TP）〕的影响过程.结果表明:①2006年、2011年为太湖营养过程轨线的两个时间转折点,将太湖的营养过程轨线分为3段.第1段为污染阶段（2001—2006年）,太湖的ρ（TN）、ρ（TP）、ρ（Chla）同步升高,于2006年达到第一个峰值;第2段为修复阶段（2006—2011年）,太湖的ρ（TN）、ρ（TP）、ρ（Chla）同步降低,于2011年达到谷值;第3段为富营养化加剧阶段（2011—2018年）,太湖的ρ（TN）呈下降趋势,ρ（TP）与ρ（Chla）同步升高,至今未出现转折点.②太湖藻类生长的限值因子为ρ（TP）,2011年之后氮磷比进入浮游藻类适宜生长区,为蓝藻暴发提供了条件.③2011—2018年产藻效率增长了51%,且目前仍在升高未出现转折点,气温升高可能是主要原因.④依据2011—2018年的滤波值建立ρ（Chla）-ρ（TP）的函数预测,为控制蓝藻暴发〔ρ（Chla） < 10 mg/m3〕,太湖的ρ（TP）需要控制在52 μg/L以下.⑤2006年后,太湖的滞留时间呈现缩短趋势,对藻类的繁殖形成抑制,但滞留时间不是影响产藻效率的关键因子.研究显示:自2006年太湖流域实施一系列生态修复工程后,湖泊氮浓度明显降低,但由于流域氮磷排放量较大而且湖体沉积物中累积磷含量较高,致使水体营养盐水平仍未降到能显著抑制蓝藻生长的水平;目前气温升高趋势仍在持续,太湖的控藻形势严峻,为摆脱气候变暖对蓝藻水华趋势的决定作用,应当在控氮基础上加大控磷的力度,同时更多考虑水文调节、生物修复、加强打捞等措施.      

地理气候及湖盆形态对我国湖泊营养状态的影响

利用SPSS统计分析软件的相关性分析和曲线估计功能分析了我国145个湖泊富营养化指标与自然因素之间的关系.富营养化指标包括2008—2010年现场监测的总氮、总磷、高锰酸盐指数、透明度、叶绿素a(Chla)和营养状态综合指数(TLI),自然因素包括:2个湖盆形态指标(平均水深和面积)、3个湖泊地理位置指标(经度、纬度和海拔)和3个气候指标(年均温、年平均降水量和>0℃积温).相关性分析的结果表明,TLI指数与湖泊平均水深和海拔呈显著负相关(p<0.01),而与湖泊所在经度、>0℃积温呈显著正相关(p<0.01,p<0.05).Chla与湖泊平均水深呈显著负相关(p<0.05),与年均温和>0℃积温呈显著正相关(p<0.05).曲线估计的分析结果表明,TLI与湖泊平均水深和经度呈幂函数关系,与海拔和>0℃积温呈指数函数关系.研究结果还表明,贫营养湖泊位于高海拔(>1000m)和低经度(<105°)地区,并且湖泊的平均水深大于30m.年平均降水量低于1000mm,>0℃积温低于5400℃.     

A model and experimental study of phosphate uptake kinetics in algae: Considering surface adsorption and P-stress

Phosphorus is an important limiting nutrient in many ecosystems. Consequently, there is increasing interest on phosphate uptake and algal growth due to the increasing frequency and magnitude of algal blooms induced by eutrophication. The co-existence of surface adsorbed and intracellular phosphorus pools indicate that phosphate uptake by phytoplankton is, to some extent, a two-stage kinetic process. However, almost all previous uptake models considered the internal uptake stage only and ignored the possible impact of surface adsoption. In this article, a two-stage kinetic uptake model considering both surface adsorption and P-stress on phosphate uptake by algae was constructed and compared to conventional one-stage models, based on experimental data on short-term uptake kinetics of a green algae S. quadricauda. Results indicated that with suitable parameters, the two-stage uptake model not only fit the experimental data better, but also gave more reasonable and realistic explanations to the phosphate uptake process. The results are meaningful as surface-adsorption of phosphate may a ect the uptake process of phosphate and assist in understanding realistic phosphate uptake kinetics in phytoplankton.     

香溪河库湾水质特征与非回水区水华响应关系

为探究香溪河在受倒灌影响较弱的河段水华暴发征兆及机理,于水华高发期5~8月对香溪河进行监测,分析电导率、水温、叶绿素a（Chl-a）以及流速.结果表明,在6~8月,香溪河倒灌现象于XX05点（峡口镇）处基本结束,XX06~XX09受倒灌来水影响较弱;香溪河于7月暴发水华,各个监测点位上Chl-a含量均值达到100μg/L以上,XX05~XX06与XX07-XX09点位上暴发不同种水华;在水华暴发前后,水体温度无显著变化,且并无明显分层现象,说明水温分层是水华暴发的主要原因这一理论并不能很好的适用于非回水区;通过对电导率数值的研究发现,数值在垂向上出现显著拐点,而拐点出现在临界层与光补偿层之间,同时与叶绿素a含量分布呈现显著负相关性.香溪河总氮（TN）、总磷（TP）平均值为1.849mg/L和0.157mg/L,均超过富营养化的阈值,水体氮磷含量与Chl-a浓度无显著相关性,水体中除N、P营养盐外的其它离子对香溪河水华的暴发起着重要作用.在水华消退后,电导率数值又逐渐恢复表层高底层低的垂向线性分布特性,与水华的暴发、消退有着明显的响应.     

滇池近代富营养化加剧过程的沉积记录

为认识滇池内源污染特性在湖泊环境演变过程中的变化,采集滇池北部和中心2根柱状沉积物样品,分析了TOC(总有机碳)、TN(总氮)、BSi(生物硅)及磷形态含量剖面变化规律,并探讨了其与滇池富营养化历史的关系. 结果表明,滇池沉积物中w(TOC)与w(TN)自20世纪50年代后增加显著.n(TOC)/n(TN)介于7.0～13.5之间,表明滇池内源藻类和细菌等对沉积物中有机质贡献大. 滇池沉积物中w(TP)剖面变化规律反映了滇池由中营养化向富营养化过渡的过程. 沉积物中w(TP)与w(TOC)呈显著相关(R=0.91,P<0.01),表明滇池外源磷的输入与生物量的增长以及蓝藻水华暴发的一致性和外源磷污染控制的必要性. 滇池不同区域w(BSi)剖面变化及其与w(TOC)、w(TP)的关系表明,滇池在长期演变中,生态系统结构发生了变化. 滇池北部近年来富营养化加剧,蓝藻大量繁殖成为优势种群而导致生物群落结构单一化;而中部等地区硅藻仍保持大量增长趋势,表明藻类在该区域处于大量增长的过程中.      

紊流脉动强度对藻类生长及水环境的影响研究

为探讨紊流脉动强度对藻类生长繁殖以及水环境的影响,采用自行设计的垂直振动格栅紊流装置,在一定的光照和水温条件下,通过改变各组实验装置中格栅的振动频率,在营养盐充足的封闭水体中开展了实验研究.结果表明,在实验设定的紊动范围内,紊流脉动强度对藻类的生长以及水环境的变化有明显的影响,较微弱的紊流脉动能促进水体中藻类的生长,而较强的紊流脉动则会抑制藻类的生长;随着紊流脉动强度的增加,藻类生物量峰值的出现时间逐渐推迟;不同水力条件下,5组实验过程中氮磷含量的变化情况具有显著的差异,当格栅振动频率达到2.0 Hz时,较之振动频率为0.5 Hz的实验,水体中TN和TP的最大消减量分别降低了55.2%和69.0%,与藻类生长情况关系密切;随着紊流脉动强度的增加,藻类生物量的峰值所对应的氮磷比先增后减;不同强度的紊流脉动均能促进水体的pH值和溶解氧迅速调节至藻类生长所需的最佳水平,且最佳值不变.     

若干人工调控措施对富营养化湖泊藻类种群的影响

在太湖用围隔试验,研究湖泊底泥稳外源污染对富;营养化湖泊藻类种群的影响,结果表明,在没有底泥和外源污染（相于当彻底清淤和截污）的情况下,围区内（２００ｍ＾２）水体氮磷浓度均有明显下降,但藻类生物量却急剧上升,且出现“藻华”,结合南京玄武湖和杭州西湖的截污、清淤挖泥、引水冲污等富营养化防治措施的实际效果分析,探讨了截污、清淤、引水冲污对营养几湖泊藻类种群的影响,指出对严重富营养化的湖泊,单纯采取截污     

大连英那河水库氮磷营养盐分析及富营养化评价

根据英那河水库2013年全年水质监测数据,分析该水库中总氮(TN)、总磷(TP)及叶绿素(Chl-a)等水质指标的季节性变化规律,并进行富营养化评价。结果表明:英那河水库TN和TP年均浓度分别为2.44 mg/L和0.015 mg/L,其中TN浓度超出《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准,N/P值为110-602,水库为磷限制型水库;TN和Chl-a浓度随季节变化显著,TP浓度较小,无明显变化;富营养化评价表明,英那河水库为中营养,污染源主要为上游来水的氮源。     

我国湖泊系统氮磷时空变化及对富营养化影响研究

本文收集整理了32篇已公开发表的学术论文的湖泊富营养化有效监测数据约140组,对湖泊氮磷时空特征和富营养化的关系进行分析。结果表明,我国湖泊总氮(TN)和总磷(TP)的变化范围分别为0.11~29.2 mg/L和0.006~1.04 mg/L,其中氮的变异性比磷大。TN/TP的变化范围在0.86~84,几何平均值为16.43,这说明磷素是我国湖泊富营养化的一个主要限制因子。TN与纬度存在极显著的相关关系,随着纬度的升高,TN含量极显著地减少,但TN与经度的相关关系较弱(p=0.126),这可能与氮在经度上变异性大有关。TP与纬度和经度的相关关系都达到显著水平,随着经纬度的升高,TP显著地减少。TN/TP与经纬度也都存在显著的相关关系,随经度和纬度的升高,我国湖泊的TN/TP显著升高,表明磷素富集可能是造成南方湖泊的富营养化程度高的重要原因。我国湖泊水体氮素和磷素在化学计量上的变化,可能与我国目前湖泊富营养化频发密切相关。自上个世纪90年代至今,我国湖泊磷素含量上升极为显著,但氮素则变化不大(p=0.275),从而引起TN/TP显著下降,所以,解决我国湖泊富营养化问题的关键在于"磷"素的输入控制。