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.      

寒旱区湖泊沉积物中固氮微生物群落特征——以包头南海湖为例

为了探究寒旱区湖泊中固氮菌的地区差异性,利用固氮菌特异性功能基因nif H对南海湖沉积物中的固氮菌进行测定并分析其与环境因子之间的相互作用关系.结果表明：不同湖区优势固氮菌群落组成存在差异,整体上由3门（蓝藻门、厚壁菌门、变形菌门）10属（蓝藻菌属、着色菌属、梭菌属、鱼腥藻属、红螺菌属、厌氧粘细菌属、荚硫菌属、柱孢藻属、根瘤菌属、假单胞菌属）组成;寒旱区特有的冰封期长、紫外线照射强等环境条件导致沉积物中的主导固氮菌为蓝藻门下的微生物.冗余分析结果表明：较高的C/N和TP是固氮菌生存的必要营养条件,可以促进固氮反应的顺利进行,较高的TN和NH₃-N含量及较低的pH值会抑制表层沉积物部分固氮微生物的生长,较高的pH值尤其会抑制鱼腥藻属、荚硫菌属、蓝藻菌属、红螺菌属的生长.本研究通过探讨寒旱区固氮微生物在沉积物中的分布来研究固氮作用的潜在功能,进一步补充其在氮循环中的重要作用.     

寒旱区湖泊冰封期有机碳氮同位素研究

为了探究寒旱区湖泊悬浮物和沉积物中颗粒有机碳氮稳定同位素来源与环境相关性,于2019年1月对南海湖冰封期悬浮物和表层沉积物有机δ¹³C、δ¹⁵N及C/N值进行了测定.结果表明：南海湖冰封期悬浮有机质δ¹³C的变化范围为-31.94‰~-27.87‰,δ¹⁵N变化范围为15.16‰~18.66‰,C/N变化范围为3.90~5.13.沉积物δ¹³C值变化范围为-25.39‰~-18.83‰,δ¹⁵N值变化范围为7.04‰~13.66‰,C/N值变化范围为7.66~12.23.悬浮有机质δ¹³C和δ¹⁵N最高值分别出现在进水口区和湖心岛区,沉积物则都为湖心岛区表层沉积物.端元混合模型分析表明,冰封期悬浮有机质主要由内源水生藻类主导,水质保护区藻类贡献率达到82.33%,与该区域浮游植物丰度最高相符.表层沉积物有机质的主要来源为内源水生植物,在水质保护区贡献率高达89.7%.相关性分析表明,在冰封期内悬浮有机质与表层沉积物δ¹³C、δ¹⁵N并没有明显的相关性,在低温情况下悬浮物δ¹⁵N与温度（P<0.025）、硝态氮（P<0.019）呈显著负相关,与亚硝态氮呈显著正相关（P<0.034）.原因主要与外源贡献率和生物作用的同位素效应有关.悬浮物δ¹³C和COD呈极显著正相关（P<0.008）,与盐度呈显著正相关（P<0.046）,COD和悬浮物δ¹³C很可能具有同源性,在湖泊冰封期具有一定的环境指示意义.     

巴松措表层沉积物中腐殖酸与富里酸的特性

采用紫外吸收光谱和GC-MS扫描解析,对西藏东南部湖泊巴松措表层沉积物中的腐殖酸和富里酸特性进行研究.结果表明,巴松措表层沉积物中腐殖酸和富里酸的紫外吸光度在200~400nm间较400~800nm间明显增加,富里酸在270nm附近出现弱而钝的双肩吸收,表明其中存在芳香环结构.腐殖酸和富里酸在254nm处的吸光度普遍偏低,表明其中难降解有机物的含量较低.通过紫外吸收特征值（A₄₆₅/A₆₆₅）分析得出,巴松措表层沉积物腐殖酸和富里酸的腐殖化程度较低.在人类活动频繁的区域,腐殖酸和富里酸的腐殖化程度相对于其他区域较高.根据GC-MS扫描解析,匹配度较高物质的分子式为C₁₅H₂₄,分子量为204,其结构中都含有芳香环,且含有脂肪链、不饱和烃、甲基、亚甲基、异丙基、环丙烷、己烷和萘等结构,均属于芳香族化合物,与紫外吸收光谱的分析结果一致.匹配度较高的物质推断属于类色氨酸.     

草型清水态维持与长效运行的营养盐响应机制——以滇池大型围隔试验为例

为探究湖泊水体生态修复工程中草型清水态维持与长效运行的营养盐响应机制,利用滇池草海建立的大型原位试验围隔,采用非参数突变点分析法（nCPA）及临界指示物种分析法（TITAN）,探究了叶绿素a、浊度、透明度和浮游植物的营养盐阈值.结果表明,草型清水态维持与长效运行较为成功的围隔,其藻类的叶绿素a含量虽然明显较低,但在夏季时蓝藻门仍占绝对优势.原位生态围隔叶绿素a响应TN的阈值为1.423mg/L,响应TP的阈值为0.103mg/L.水体透明度响应TN的阈值为1.684mg/L,响应TP的阈值为0.103mg/L.各围隔总磷含量的平均值均大于或等于0.226mg/L,B1、B3、B8围隔后期处于清水态,其TN平均值都低于或等于1.42mg/L,B5、A1、A2、A3、A4围隔后期处于浊水态,其TN平均值都高于或等于1.78mg/L.这表明在滇池水华重灾区实施水体生态修复工程时,应首要考虑TN的影响,在TP含量严重超出阈值的情况下,如果TN处于一个较低水平,也能维持湖泊水体草型清水态的长效运行,并实现湖泊水体由藻型浊水态向草型清水态的转换.     

湖泊水位变化对挺水植物影响分析:以洪泽湖为例

湖泊水位波动的幅度、频率、持续时长、规律性等是影响湖泊水生植被状况、水资源调配的关键因素。以往研究主要通过选取部分水位变化指标来识别主要的生态影响。而要维持湖泊生态健康进行合理水位调控,需要综合水位变化的多指标,从整体上分析湖泊植物对湖泊水位变化的响应特征。以洪泽湖为例,基于IHA/RVA法,重点分析了南水北调东线一期工程后洪泽湖水位变化对挺水植物的影响。结果表明:南水北调东线一期工程后洪泽湖3,5,7,9月月平均水位以及最小30 d平均水位等指标发生较大改变,对挺水植物面积的影响是最显著的,其他IHA指标改变度小,影响不明显。3月平均水位超过13.4 m,挺水植物萌发抑制明显;当5月平均水位在13.1 m,7月平均水位在12.7 m时,挺水植物面积显著增加;9月平均水位高于13.4 m,挺水植物面积大幅减少。当最小30 d平均水位<12.0 m时,挺水植物面积平均减少14.32 km2。为满足洪泽湖挺水植物生长和繁殖需求,确定3,5,7,9月适宜生态水位为13.20,13.10,12.70,12.85 m。     

2016~2017年长荡湖流域河湖系统营养盐时空分布机制分析

以江苏省常州市长荡湖流域河湖系统为研究对象,基于野外监测与室内分析,探讨了水体氮、磷等营养盐的时空分布特征及其影响因素.结果表明,2016~2017年长荡湖流域河湖系统氮、磷污染突出,河流TN、NO₃^--N、NH₄⁺-N、TP和Chla平均质量浓度和高锰酸盐指数分别为（3.70±0.76）mg ·L^-1、（1.81±0.42）mg ·L^-1、（1.03±0.61）mg ·L^-1、（0.38±0.31）mg ·L^-1、（25.74±37.00）μg ·L^-1和（6.35±0.81）mg ·L^-1.河流总氮污染季节差异明显,表现为冬、春季劣于夏、秋季,河流总磷污染表现为秋、冬季劣于春、夏季,空间差异表现为北 > 西北 > 南 > 东部,河流处于中~高度富营养化状态.湖区TN、NO₃^--N、NH₄⁺-N、TP和Chla平均质量浓度和高锰酸盐指数分别为（2.25±0.94）mg ·L^-1、（0.98±0.47）mg ·L^-1、（0.19±0.14）mg ·L^-1、（0.11±0.03）mg ·L^-1、（18.71±8.76）μg ·L^-1和（4.59±1.09）mg ·L^-1,氮、磷质量浓度均超过Ⅲ类水标准,在空间上表现为从西部向东、南部降低的趋势,湖区处于轻~中度富营养状态.丹金溧漕河、通济河与薛埠河等河流是长荡湖流域河湖水系的主要污染物输送通道,丹金溧漕河干流输送氮、磷年通量最大,约为通济河和薛埠河年通量总和的10~12倍.长荡湖流域河流氮、磷污染同时受到农业面源污染物流失与城镇污水排放的影响.土地利用方式转变和大气沉降是导致长荡湖流域河湖系统氮、磷污染加剧的重要驱动因素.     

丰水期东洞庭湖超微型浮游藻类时空分布特征及其影响因子

超微型浮游藻类(3μm)主要包括超微蓝藻(PCY)和超微真核藻(PPEs),是浮游生态系统的重要组成部分,在水体物质循环和能量流动中起着重要作用.为了解通江湖泊中超微藻动态变化特征及其关键影响因子,于2019年洞庭湖丰水期(5～8月)每月对东洞庭湖进行采样调查,研究了丰水期间东洞庭湖超微藻生物量和丰度的时空演变规律及其与环境因子的关系.结果表明,东洞庭湖丰水期超微藻生物量和丰度均表现出显著的时空演变规律(P0.05).整个丰水期间,超微藻Chla平均浓度为8.52μg·L~(-1),其对总浮游藻类Chla的贡献率平均为41.6%;从5～8月,随着水温的增加,超微藻Chla浓度不断增加,尤其是东洞庭湖北部湖区和南部湖区;东部行洪道超微藻Chla浓度全湖最低.PCY是东洞庭湖超微藻的主要优势藻,其丰度平均是PPEs的3.4倍.PCY和PPEs丰度表现出相似的时空分布规律:时间上,从5～8月均呈现先增加后降低的趋势;空间上,随着丰水期的推移,超微藻丰度峰值由北部湖区向南部湖区迁移,到8月丰水期末期超微藻丰度逐渐降低,北部湖区超微藻丰度最高.分析结果表明,丰水期超微藻表现出了显著的时空分布规律,水位和N∶P比是影响东洞庭湖PCY和PPEs丰度组成比例变化最重要的因子.     

人工浮岛基质对富营养水的修复作用研究

实验选取页岩陶粒、活性炭、膨胀蛭石为生态浮岛的填充基质,以空心菜为植物组建了三组浮岛进行平行实验,比较了三种不同基质在同一条件下对水中总氮、总磷、COD的吸附净化效果。结果表明植物在以页岩陶粒为基质的人工浮岛中生长最好,对于TN的去除效果,活性炭和膨胀蛭石均可达60%以上,页岩陶粒的去除率最高为53%;对TP和COD的去除能力大小顺序为:活性炭(均达75%左右)>页岩陶粒>膨胀蛭石。可见活性炭的截污能力更强,而页岩陶粒的性价比较高。     

富营养化湖区CH4排放特征及其影响因素

为明确富营养湖区CH_4排放特征及其影响因素,对太湖梅梁湾湖区和湖心区进行为期1a的观测,分析影响富营养化湖泊CH_4扩散通量时空格局的环境要素.结果表明,太湖不同湖区均表现为大气CH_4的源,但富营养化梅梁湾湖区的CH_4扩散排放量[年均值:0. 140 mmol·(m~2·d)~(-1))]要明显高于中营养化湖心区的排放量[年均值:0. 024 mmol·(m~2·d)~(-1)],并且在富营养化湖区中,湖岸区的CH_4排放量最高. CH_4通量表现出显著的季节变化:夏季排放量最高,冬季排放量最低,并且季节间的差异可达一个数量级大小.太湖CH_4通量的空间变化与水体DOC浓度显著正相关(R~2=0. 62,P 0. 01),富营养化湖区中较高DOC浓度导致其出现高CH_4排放量.太湖CH_4扩散通量的时间变化受风速和水温等气象因素的驱动,部分水质因子对此有间接影响作用.鉴于湖泊CH_4扩散通量强烈的时空变化以及环境因素巨大的影响,湖泊CH_4排放量准确的估算依赖于较大空间和较长时间的观测.