Enhancing generic ecological model for short-term prediction of Southern North Sea algal dynamics with remote sensing images

Physically based numerical modelling follows from the basic understanding of the underlying mechanisms and is often represented by a set of (partial differential) equations. It is one of the main approaches in population dynamics modelling. The emphasis of the model introduced in this paper is on the simulation of short-term spatial and temporal dynamics of harmful algal bloom (HAB) events. Total suspended matter (TSM) concentration is one of the dominant factors for harmful algal bloom (HAB) prediction in North Sea. However, the modelling of suspended matter contains a high degree of uncertainty in this area. Therefore, this research aims to achieve a better estimation for the short-term prediction of harmful algal bloom development in both space and time by using spatially distributed TSM retrieved from remotely sensed images as physically based model inputs. In order to supply complete spatially covered datasets for the physically based model instrument: generic ecological model (GEM), this research retrieves TSM information from MERIS images by means of proper estimation techniques including biharmonic splines and self-learning cellular automata. A better estimation of HAB spatial pattern development is achieved by adding spatially distributed TSM data as inputs to original GEM model, and it proved that chlorophyll-a concentration in this area is very sensitive to TSM concentration.     

Relationships between nutrients and macroalgal biomass in a brazilian coastal lagoon: the impact of a lock construction

The Piratininga Lagoon is a coastal, choked, and brackish ecosystem in SE Brazil, where uncontrolled discharge of domestic sewage led to eutrophication, increasing massive proliferation of benthic macroalgae, and decrease of the lagoon mean depth. In 1992, a dam was constructed by the local Municipality at its tidal channel aiming at stabilising its water level. Main physico-chemical parameters, together with macroalgae biomass, nutrient concentrations in the water column, particulate organic carbon, and chlorophyll a were recorded monthly at 4 sampling stations within the Piratininga lagoon from April 1994 to April 1995. The data, compared with “before-lock” existing studies, show that nutrients and chlorophyll a concentrations significantly increased after the lock construction. Based on the functioning of the ecosystem, we propose to harvest the algal mats before their decomposition period in order to partly remove the nutrient stocks from the lagoon and the future ecosystem modelling to predict the impact of natural and anthropogenic eutrophication.     

基于无人机高光谱遥感在太湖蓝藻水华监测中的一次应用

采用机载高光谱视频相机,在4个季节对太湖蓝藻进行7次、18个架次的有效拍摄。对拍摄到的高光谱影像进行辐射定标、几何拼接等预处理后,提取不同浓度蓝藻和水草等其他物体的高光谱数据,发现不同浓度的蓝藻光谱在680 nm后表现出较大差异。采用主成分分析（PCA）对高光谱数据降维后,结合k-近邻（kNN）分类算法,可实现对蓝藻的精准定位。定性识别结果经光谱预处理后,采用连续投影算法（SPA）进行特征波段提取,发现蓝藻光谱的季节差异主要表现在450 nm~570 nm和760 nm~910 nm波段。     

“MMA”技术路线在太湖蓝藻水华监测中的应用

通过对3S技术整合,提出"MMA"技术路线应用于蓝藻水华监测,包括监测、测绘、分析等关键步骤。对太湖蓝藻水华研究结果表明,总体规律一致,但又有所差异。一方面,太湖蓝藻密度(CBD)、叶绿素a(Chl-a)及水华频率分布图结果均呈现"西高东低"的空间分布规律;另一方面,太湖湖心区CBD和Chl-a浓度亦较高,而遥感监测后的水华频率图显示为无水华或频率小于1%。故应参照"MMA"技术路线,综合应用3S技术,并核验比对,弥补单项技术存在的不足,全面真实反映藻类水华情况。"MMA"技术路线既适用于水华监测,亦可推广至其他环境监测工作。     

遥感技术在水生态环境管理的应用与前景

随着遥感数据源的不断丰富,遥感技术不断提高,可以解决越来越多的水环境问题。指出了当前水生态环境管理方面的主要需求,结合目前遥感技术的发展,对国内外的水环境遥感研究进展进行综述。以湖泊富营养化监测与评估、核电站温排水遥感监测及城市黑臭水体遥感监测为案例,具体阐述遥感在水环境管理中的应用方法及成效。未来水生态环境管理发展趋势将以水污染防治为主向水污染防治和水生态修复与保护并重发展。基于此趋势,提出遥感在水生态修复的应用潜力,利于更多地方部门积极有效应用遥感技术,解决水生态环境问题。     

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.     

Fe3+对赤潮异弯藻生长和光合作用的影响

用人工海水APSW以f／2营养加富，在总铁浓度为0—1000nmol L^-1的范围内，考察了总铁浓度对赤潮异弯藻(Heterosigma akashiwo)生长和光合作用的影响．结果发现，当铁浓度小于10nmol L^-1时，最大藻细胞密度与比生长速率均受到明显限制．补铁后受铁限制的细胞得到缓解，表明铁是藻细胞生长的重要限制因子．当铁浓度大于100nmol L^-1时，最大细胞密度与比生长速率不再受铁限制，但其光合作用活性有所改变．在铁限制下细胞的光饱和光合作用速率Pm，暗呼吸速率Rd，表观光合作用效率a与铁丰富细胞相比都有所减小，而光补偿点Ic及饱和光强Ik增大．图5表1参11     

水动力条件下蓝藻水华生消的模拟实验研究与探讨

蓝藻水华是当今世界共同面临的重大水污染问题之一。通过室内模拟实验,在温度、光照、初始pH值和营养盐等基本条件相同的前提下模拟水流流速分别为10cm/s、20cm/s、30cm/s、40cm/s时铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)水华的产生与消亡过程,在10～40cm/s流速区间里藻类生长周期随流速增大而变长,藻类最大现存量在40cm/s流速下最大,在10cm/s流速下最小,流速为30cm/s时藻类比增率最大,较适合藻类生存,在整个水华暴发过程中水体氮磷营养浓度呈下降趋势,水体的pH、DO和Ec变化不大。     

改性黏土去除水华束丝藻的研究

以采集自云南滇池的水华束丝藻(Aphanizomenon flos-aquae)为研究对象,分别用壳聚糖和聚合氯化铝对云南省常见的硅藻土进行改性,在实验室条件下研究两种改性黏土对水华束丝藻的去除效果。通过去除率的比较,得出两种改性黏土去除水华束丝藻的线性拟合方程。每毫升藻液壳聚糖改性硅藻土投加量(m L)与藻细胞光密度OD_(680)、叶绿素a质量浓度(mg/L)的关系分别为y=0.0377x-0.0014和y=0.009x+0.0002;每毫升藻液聚合氯化铝改性硅藻土投加量(m L)与藻细胞光密度OD_(680)、叶绿素a质量浓度(mg/L)的关系分别为y=0.0135x+0.002和y=0.0039x+0.002。壳聚糖改性硅藻土和聚合氯化铝改性硅藻土去除水华束丝藻的最适pH值范围分别为5~8、5~9,总氮(TN)去除率分别为39.77%、45.44%,总磷(TP)去除率分别为64.92%、78.01%。聚合氯化铝改性硅藻土去除水华束丝藻的最适pH值范围较宽,且其除藻过程中对TN、TP的去除率均较高。用透明溞(Daphnia magna)对其进行生态安全性试验,得出壳聚糖改性硅藻土和聚合氯化铝改性硅藻土除藻至48 h死亡率分别为30.77%、0。     

营养物质对铜绿微囊藻生长和藻际细菌的影响

菌-藻"体系在水生态平衡中发挥重要作用,为探明蓝藻水华时期的菌藻关系,研究了原位营养刺激后藻际微生物对铜绿微囊藻生长的影响.结果表明,LB培养基可抑制铜绿微囊藻生长,抑藻率为86.49%;而乙酸钠、葡萄糖和柠檬酸钠可促进藻细胞生长,增长率均在50%以上.对LB培养基和蛋白胨刺激后的藻际细菌进行溶藻菌的筛选,共分离出6株具有强效抑藻作用的菌株,其中Bacillus sp.A1抑藻率高达97.55%.16S rRNA高通量测序表明,向铜绿微囊藻中投加营养物质均可改变藻际细菌群落结构并增加物种丰富度,添加LB培养基和蛋白胨可促使藻际细菌群落数量剧增.生理生化响应表明,藻细胞受LB培养基和蛋白胨胁迫后,活性氧（ROS）水平和丙二醛（MDA）含量激增,细胞氧化损伤严重;超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性先急剧上升后下降,抗氧化酶系统受损.扫描电镜显示,LB培养基可使藻细胞逐渐萎缩,最终破碎;而藻际细菌显著增多.因此,在蓝藻水华暴发的水体进行适当的外部营养刺激可在一定程度上实现溶藻菌原位抑藻.