太湖水体磷浓度与赋存量长期变化(2005-2018年)及其对未来磷控制目标管理的启示

为揭示大型浅水湖泊水体磷浓度对湖泊外源负荷削减和生态系统变化的响应规律,指导富营养化湖泊水生态修复和管理实践,利用太湖湖泊生态系统研究站20052018年连续14年的太湖水体各形态磷浓度的月、季度调查数据,估算了太湖湖体各形态磷赋存量的季度变化,分析了太湖水体磷浓度受湖泊水位、水量、蓝藻水华态势(蓝藻总生物量及水华出现面积)等环境条件变化的影响特征.结果表明,在连续10年的全流域高投入污染治理背景下,太湖水体总磷浓度仍未发生显著下降,水体各形态磷浓度在年际、月际及空间上的变幅大,不同季节和不同湖区总磷浓度的时空差异性大于14年来总磷浓度年均值的差异性;全湖32个监测点上、中、下3层混合样水体总磷平均值为0.113 mg/L(n=1788),其中颗粒态磷浓度平均值为0.077 mg/L,是水体总磷的主要赋存形式,溶解性总磷浓度平均值为0.036 mg/L,其中反应性活性磷浓度平均值为0.015 mg/L,占总磷浓度的13%;太湖水体总磷的赋存量介于410~1098 t之间,56个季度的平均值为688 t,其中冬季(122月)、春季(35月)、夏季(68月)、秋季(911月)平均值分别为683、604、792和673 t,夏季湖体磷赋存量明显高于其他季节.统计分析表明,蓝藻水华态势和水情要素(水位)对水相总磷、颗粒态磷等主要形态磷的赋存量影响显著,蓝藻水华态势的影响可能大于水量变化的影响.本研究表明,在水体营养盐浓度仍然充分满足蓝藻水华发生的背景下,气象水文波动所造成的湖泊水华面积及生物量的变化及大型水生植被消长带来的内源交换变化能引起水体总磷浓度剧烈变化,太湖水体磷浓度的稳定控制也依赖于蓝藻水华态势的稳定控制,由于太湖当前的蓝藻水华态势受气象水文条件变化影响甚大,短期内太湖水相总磷浓度稳定控制到0.05 mg/L的水质治理目标较难实现.治理策略上,若要实现太湖水体磷浓度的进一步明显下降,一方面需要大幅度削减外源磷负荷,另一方面需要大面积恢复沉水植被等.管理策略上,由于湖体磷浓度变化包括了较大的非人为因素影响,应将太湖总磷治理目标考核重点放在流域磷减排强度、入湖负荷等方面,科学看待气候波动等非人为因素影响下的水相磷浓度波动.     

浅水湖泊湖沼学与太湖富营养化控制研究

自2007年无锡暴发饮用水危机事件以来,太湖经历了前所未有的高强度、大规模治理,各种治理措施累计投资已经超过千亿元.监测显示,在治理初期太湖的氮、磷浓度下降明显,水质有所好转,但最近几年关键水质指标总磷与浮游植物叶绿素α浓度出现了波动,蓝藻水华有所反弹.研究表明,太湖的外源负荷并没有减少,这与城镇用水量增加、污水排放标准偏低、面源污染削减不足有很大的关系;同时,内源负荷也因为蓝藻水华的持续而加重,浅水湖泊水深浅、扰动强的特点强化了磷的循环利用效率,加剧了内源负荷对湖泊富营养化和蓝藻水华的影响.气候变暖叠加营养盐富集的复合效应、流域风速下降以及暴雨事件频次和强度增加等气象水文条件变化,都促进了太湖蓝藻水华的暴发;蓝藻水华的时空分布特征则受湖泊水动力的决定性影响.太湖治理的曲折过程,凸显了大型浅水湖泊湖沼学研究的不断深入与发展,未来需要继续加强多学科交叉研究,特别是基于湖泊-流域系统的气象水文、生物地球化学和生物生态学的学科交叉.对于太湖生态环境的综合治理和管理,既要注重湖泊与流域相结合,更需要重视自然科学和人文科学的有机融合,才能真正达到控制太湖富营养化、维护流域水环境安全与社会经济可持续发展的目标.     

1980年以来太湖总磷变化特征及其驱动因子分析

磷是湖泊生态系统物质和能量循环的重要组成部分,是湖泊富营养化防治的重要控制性指标.为分析太湖富营养化与人类活动的关系,掌握总磷（TP）的时空变化规律及驱动因子,本文收集整理了1980—2020年太湖TP浓度数据并分析了TP的时序、时空和年内变化特征.结果表明,1980s经济社会快速发展之初,伴随着工业和三产用水量激增,废污水排放量和入湖负荷大增,1985—1995年太湖TP浓度急剧升高.随着治理与保护措施的实施,到1995年达到峰值后逐步走低,2009年后进入了窄幅波动期.从空间上看,不同时段TP浓度分布格局较好地反映了入湖污染物的输入分布.通过分时段对比分析可能影响太湖TP浓度变化的驱动因子,分别讨论了经济社会发展、用水量、废污水排放量,入湖水量、入湖河流TP浓度、入湖TP负荷,蓝藻水华、水温,高等水生植物,底泥释放,太湖换水周期变化等.结果表明,近10年来入湖TP负荷增加,蓝藻水华强度加大,水温升高,高等水生植物面积减少,这些因素会导致太湖TP浓度上升.2008—2019年净入湖TP负荷比1998—2007年增加了33.9%,而近10年太湖换水周期缩短了17.7%,在一定程度上抵消了影响太湖TP浓度升高的驱动因子的不利影响,太湖TP浓度不升反降.为此建议在新一轮太湖治理中积极开展控源截污、节水减排、水资源调控、高等水生植被恢复、重点污染湖区清淤疏浚等针对性措施以期获得更好的太湖TP浓度控制效果.     

2005-2017年北部太湖水体叶绿素a和营养盐变化及影响因素

利用国家生态观测网络太湖湖泊生态系统研究站对北部太湖14个监测点2005-2017年的营养盐和叶绿素a浓度逐月监测数据,分析了北部太湖2005年以来水体营养盐和叶绿素a变化特征,探讨了叶绿素变化的影响因素.结果表明,2015年以来,北部太湖水体叶绿素a浓度呈现显著增高特征,特别是5-7月的蓝藻水华灾害关键期,水体叶绿素a浓度增幅更加明显;营养盐方面,氮、磷对治理的响应完全不同：水体总氮、溶解性总氮、氨氮的降幅很明显,甚至在春末夏初的蓝藻生长旺盛期出现了供给不足的征兆;但水体总磷降幅却不明显,加之蓝藻水华的磷"泵吸作用",近3 a来水体总磷浓度反而有升高趋势,溶解性总磷浓度也无明显下降趋势.不同湖区的营养盐变化也不相同：西北湖区溶解性总氮、溶解性总磷浓度显著高于梅梁湾、贡湖湾和湖心区,而且后3个湖区的水质呈现均一化趋势.统计分析表明,北部太湖水体叶绿素a浓度与颗粒氮、颗粒磷、总磷、高锰酸盐指数均呈显著正相关,与溶解态氮呈负相关;5-7月水华关键期北部太湖水体叶绿素a浓度与上半年（1-6月）逐日水温积温、总降雨量、年平均水位均呈显著正相关关系.从研究结果可以看出,近年来北部太湖水体叶绿素a浓度的波动很大程度上受水文气象因子的影响;2007年以来太湖流域一系列生态修复工程的实施,虽然明显降低了湖泊氮浓度,但由于流域和湖体的氮磷本底较高,磷的缓冲能力大,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,年际之间的水文气象条件差异成为蓝藻水华暴发强度差异的主控因素.为此,仍需加大对太湖流域氮、磷负荷的削减,使湖体氮、磷浓度降低到能显著影响蓝藻生长的水平,才能摆脱水文气象条件对蓝藻水华情势的决定作用.     

2010-2017年太湖总磷浓度变化趋势分析及成因探讨

近年来,太湖流域各省市政府加大治理力度,流域水体水质取得明显好转,氨氮浓度和总氮浓度呈大幅度下降趋势,然而太湖水体总磷浓度呈上升趋势.为探讨太湖总磷浓度升高的原因,采用太湖流域管理局2010年以来的水质水量实测数据、遥感监测数据等,分别从太湖入湖河流污染负荷量、水生植被和蓝藻与总磷浓度的关系3个方面进行相关性分析.结果表明,入湖河流总磷浓度高于太湖水体总磷浓度,且磷不易出湖,逐年总磷净入湖量持续累积与太湖总磷浓度有明显的正相关性,入湖污染负荷量大是太湖总磷浓度居高不下的根本原因;水生植被可吸收湖泊沉积物中的营养盐,并抑制底泥再悬浮从而降低内源性营养盐的释放,东太湖水生植被的大量减少,一方面减少了沉水植物对磷元素的吸收,另一方面增加了风浪对底泥的扰动再悬浮,造成磷元素释放,是造成湖水总磷浓度升高的重要因素;近年来太湖蓝藻密度呈上升趋势,受其影响,总磷浓度也有上升,蓝藻水华加快湖体磷循环,藻类密度增加也是太湖总磷浓度升高的影响因素之一.     

夏季梅梁湾水体中生物有效磷的分布及来源

2004年夏季在太湖梅梁湾应用一种新型氧化铁/醋酸纤维素复合膜(FeO/CAM)对水体生物有效磷浓度(FeO-P)进行了调查和连续监测. 发现水体溶解态(FeO-DP)、颗粒态(FeO-PP-)生物有效磷浓度与其总浓度在空间上有着相似的平面分布. 在梅梁湾北部入湖河口附近生物有效磷浓度最高, 随离河口或湖岸距离的增加逐渐减小, 湖心区域的水体生物有效磷浓度差异不大. 在观测期间, 梅梁湾北部多数水域的叶绿素a含量较高, 出现藻类水华现象. 但在几个主要入湖河口附近叶绿素a含量并不是最高, 尽管其水体生物有效磷浓度最高. 在受河流输入影响较小的梅梁湾开阔水域, 叶绿素a含量与生物有效磷浓度呈显著正相关性. 在风浪引起的沉积物再悬浮过程中, 水体生物有效磷浓度会出现短促的升高. 结果表明, 河流磷输入对河口水体生物有效磷浓度起主要贡献作用, 而内源磷释放则是开阔水域生物有效磷的主要来源. 在富营养的浅水湖泊中, 蓝藻水华暴发可以通过改变pH值引发内源磷的释放. 所研制的FeO/CAM膜材料能够用来监测水体生物有效磷浓度变化规律, 并为湖泊富营养化控制策略提供科学依据.     

2007年以来太湖总磷污染负荷质量平衡计算与分析

磷是太湖富营养化的关键性指标,为了解太湖总磷内、外源变化趋势及特征,从总磷污染负荷动态平衡角度分析太湖总磷主要来源与总磷浓度高位波动的原因,本研究基于2007年以来长时序水量水质监测资料和调查数据,开展了太湖进出各途径的总磷负荷质量平衡估算及分析。结果表明,2007—2020年入湖河道输入总磷负荷为1835～2799 t,占太湖总磷负荷的55%～73%,是外源输入最主要的途径;大气干湿沉降输入353～1380 t,占太湖总磷负荷量的12%～38%,是太湖总磷外源输入的第二大途径;太湖水体中总磷负荷量约占8%～15%。出湖河道输出总磷负荷量为516～906 t,占太湖总磷负荷量的13%～30%;水生动植物捕捞总磷负荷量为115～312 t,占太湖总磷负荷量的4%～12%,水厂输出占2%～3%左右;约41%～74%的总磷负荷量滞留于太湖湖体中,成为影响太湖总磷浓度的重要内源。同时,太湖地区气温升高、太湖水体流动速度加快一定程度上又加速了内源污染释放,使其成为总磷改善的限制性因素。     

太湖生态与环境若干问题的研究进展及其展望

本文着重就太湖水动力及其生态环境效应、太湖沉积物及其内源污染问题和太湖生态系统结构与功能及其蓝藻水华等热点问题近十年来的研究进展进行了回顾.在水动力及其生态环境效应方面,初步摸索出一套适合太湖这样大型浅水湖泊的研究方法,即通过沉积物悬浮过程的研究,把风浪与水体光照透明度、内源释放、水土界面的氧化还原环境等过程和要素联系起来,获得了太湖理化要素随深度变化的内部结构特征,确立了三维水动力模拟模型在太湖应用中的必要性.建立了太湖光照和透明度与悬浮物的关系,及基于悬浮物浓度的太朔初级生产力计算模型.在太湖沉积物与内源污染问题上,初步弄清了太湖沉积物分布与污染物质分布的特征,太湖沉积物悬浮的动力作用的来源与大小.太湖水动力对内源释放的影响,进一步提出了适于太湖内源污染控制的判断方法.对于太湖生态系统结构与功能及其蓝藻水华问题,在蓝藻水华爆发过程假设的基础上,进一步通过营养盐阈值、休眠孢子复苏等方面对此进行了完善.研究还发现了富营养化导致生态系统退化,生物趋于小型化且多样性下降的现象,营养盐循环速率加快,加重水体富营养化程度.进一步通过附着生物的研究,揭示了富营养化导致草型生态系统向藻型生态系统转化的原因.在此基础上,提出了生态恢复应该首先降低营养盐负荷、其次才是生态恢复的新观念,以及湖泊治理必须先控源截污、后生态恢复的新思路.最后,就这几个方面的进一步发展做出了展望.     

太湖水体氮素污染状况研究进展

氮是引起湖泊富营养化的关键要素之一.传统观点认为氮缺乏时,湖泊生态系统可以通过生物固氮作用从大气中获取氮来满足自身的需求,因此认为淡水湖泊水体的生产力主要受磷限制.但随着进一步的研究,发现氮限制与氮和磷共同限制更为普遍,且氮的限制常常伴随着水体的富营养化,因此了解富营养化湖泊水体的氮素污染状况具有重要意义.本文介绍了太湖水体氮素的污染状况及其发展趋势,从外源、内源两大方面介绍了太湖水体中氮素的来源,着重分析和比较了河道输入、大气输入以及沉积物释放不同污染源的输入比例.太湖水体氮素污染存在很大的空间差异,其中西部和北部污染较重而东南部相对较轻,入湖河道输入的外源污染是造成太湖水质空间分布差异的主要原因,其中农业面源污染及生活污染在太湖外源污染中占据了相当的比重;湖泊底泥所造成的内源释放也是氮素污染的一个重要原因,但目前对释放量的估算主要是基于底泥悬浮引起的总量估算,关于这些释放量能有多少比例可以被浮游植物利用还不清楚,尤其是有机颗粒物在水体中停留期间的矿化再生值得进一步研究;在氮素的生物转化过程中,生物固氮目前对太湖氮素输入的贡献很小,反硝化作用是太湖水体氮素自净的主要途径.     

2015-2016年环太湖河道进出湖总磷负荷量计算及太湖总磷波动分析

太湖流域水环境综合治理力度空前,太湖总磷浓度却于2015、2016年重回升势,蓝藻大面积暴发情况也未得到有效遏制.本文从2015和2016年环太湖河道的进出太湖水量、总磷负荷量计算入手,结合雨情、水情、太湖调蓄以及人为影响等各方面因素,分别开展水量和总磷负荷质量的平衡分析.在此基础上,结合20102017年环太湖河流多年平均进出太湖总磷负荷量对比,分析太湖总磷的外源、内源变化趋势及来源,探讨2015和2016年太湖总磷升高的原因及控制重点方向.结果表明,2015和2016年为太湖流域丰水年,尤其是2016年发生特大洪水,太湖年内最高水位达4.87 m,仅次于1999年的4.97 m的历史最高水位.2015和2016年大量外源总磷负荷进入太湖,其中环太湖河道带入的总磷负荷量占年度太湖总磷负荷总量的66.8%和74.2%,成为进入太湖的总磷负荷的主要外源;加之,2015年太湖水生植物收割造成当年沉水植物面积较上年同期下降88.7%,水生植物骤减导致对磷的吸收转化能力下降,滞留在湖体中的总磷负荷量占年度太湖总磷负荷总量的21.5%和27.5%,成为影响太湖水体总磷浓度的重要内源.太湖总磷浓度升高又为太湖蓝藻暴发进一步提供了营养盐基础,亟需强化太湖总磷源头的控制、减少总磷入湖总量.     

太湖、巢湖、滇池水华与相关气象、水质因子及其响应的比较(1981-2015年)

比较了太湖、巢湖、滇池（"三湖"）1981-2010年间的气象要素,1987-2015年间的水质要素,2000-2013年间的年内水华起始日期与持续时间,以及与水华相关的已有研究情况.其中,气象要素包括气温、日温差、风速、风向、气压、降水、相对湿度等;水质要素包括水温、总氮浓度、总磷浓度、水体综合营养指数等.对比结果表明,云贵高原湖泊滇池因其冬、春季节气温较高且日温差较大等气象特征,以及总磷浓度较高等水质特征,相比于东部平原湖泊太湖、巢湖而言更易发生水华,且在"三湖"中水华年内起始日期最早,持续时间最长.然而,目前有关滇池水华的研究相对于"三湖"中的太湖却远远不足.鉴于滇池所处湖区的独特气象、水质特征,平原水华湖泊的研究结果难以有针对性地指导其水华控制,亟需提高滇池水华研究的系统性与深度.只有因地制宜,方有希望逐步有效控制、减轻、乃至消除滇池水华.     

Phosphorus forms and bioavailability of lake sediments in the middle and lower reaches of Yangtze River

Forms of phosphorus in sediments from 25 lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River were analyzed by the sequential extraction procedure. Contents and spatial distrubution of algal available phosphorus (AAP) in sediments of Lake Taihu, the third largest freshwater lake of China, were also studied. Relationships between phosphorus forms in sediment and macrophytes coverage in sample sites, as well as phosphorus forms in sediments and chlorophyal contents in lake water were discussed. Exchangeable form of phosphorus (Ex-P) in surface sediments was significantly positive correlative to total phosphorus (TP), dissolved total phosphorus (DTP) and soluble reactive phosphorus (SRP) contents in the lake water. Bioavailable phosphorus (Bio-P) contents in sediments from macrophytes dominant sites were significantly lower than that in no macrophyte sites. In Lake Taihu, Ex-P content in top 3 cm sediment was highest. However, content of ferric fraction phosphorus (Fe-P) was highest in 4–10 cm. Bioavalilble phosphorus (Bio-P) contents in surface sediments positively correlated to Chlorophyll a contents in water of Lake Taihu with significant difference. Therefore, contents of Bio-P and AAP could be acted as the indicators of risks of internal release of phosphorus in the shallow lakes. It was estimated that there were 268.6 ton AAP in top 1 cm sediments in Lake Taihu. Sediment suspension caused by strong wind-induced wave disturbance could carry plenty of AAP into water in large shallow lakes like Lake Taihu.     

Phosphorus forms and bioavailability of lake sediments in the middle and lower reaches of Yangtze River

Forms of phosphorus in sediments from 25 lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River were analyzed by the sequential extraction procedure. Contents and spatial distrubution of algal available phosphorus (AAP) in sediments of Lake Taihu, the third largest freshwater lake of China, were also studied. Relationships between phosphorus forms in sediment and macrophytes coverage in sample sites, as well as phosphorus forms in sediments and chlorophyal contents in lake water were discussed. Exchangeable form of phosphorus (Ex-P) in surface sediments was significantly positive correlative to total phosphorus (IP), dissolved total phosphorus (DTP) and soluble reactive phosphorus (SRP) contents in the lake water. Bioavailable phosphorus (Bio-P) contents in sediments from macrophytes dominant sites were significantly lower than that in no macrophyte sites. In Lake Taihu, Ex-P content in top 3 cm sediment was highest. However, content of ferric fraction phosphorus (Fe-P) was highest in 4 - 10 cm. Bioavalilble phosphorus (Bio-P) contents in surface sediments positively correlated to Chlorophyll a contents in water of Lake Taihu with significant difference. Therefore, contents of Bio-P and AAP could be acted as the indicators of risks of internal release of phosphorus in the shallow lakes. It was estimated that there were 268.6 ton AAP in top 1 cm sediments in Lake Taihu. Sediment suspension caused by strong wind-induced wave disturbance could carry plenty of AAP into water in large shallow lakes like Lake Taihu.     

太湖蓝藻水华暴发机制与控制对策

湖泊蓝藻水华暴发由于引发水生态系统的灾害和饮用水安全风险而成为国内外研究的热点之一.太湖蓝藻水华暴发原因多样,其中蓝藻自身的特性是水华暴发的内因,太湖的地理、水文和气象特征为蓝藻水华暴发提供了合适的温度和水动力条件,是蓝藻水华暴发的外因,湖泊草-藻型生态系统的转变以及氮、磷营养盐的高负荷输入更利于蓝藻生长,湖泊氮、磷营养盐四重循环是蓝藻水华不断暴发的维持机制,蓝藻水华暴发与氮、磷营养盐浓度之间存在交互作用关系.太湖蓝藻水华的控制应以陆源控源截污为基础,增加湖泊营养盐输出为重点,实现疏堵有机结合,其中恢复水生植被,重建草-藻结合型水生态系统是太湖湖泊生态修复的关键所在.     

高温干旱背景下太湖藻情变化特征及机制

2022年我国长江流域经历了长期的高温干旱,对湖泊水生态环境和湖内藻情态势产生了深远影响。但目前关于干旱环境下湖泊水华的响应特征研究较少。以太湖为例,基于2005—2022年湖体营养盐与叶绿素a浓度的长期监测数据,结合卫星遥感影像反演的蓝藻水华面积变化,探讨了2022年高温干旱对太湖蓝藻的影响特征及驱动机制。结果表明,2022年蓝藻水华高发季节(5—9月),太湖蓝藻水华的平均面积和最大面积均明显下降,其中5月的水华面积仅为近5年同期平均面积的20%;水样采集分析获得的水体叶绿素a浓度和微囊藻生物量在春季也明显下降。营养盐方面,2022年太湖的总氮和总磷均值分别为1.41和0.084 mg/L,较近5年均值分别下降了30.6%和27.3%,均为2005年以来的最低值。氮磷浓度空间分布的克里金插值显示,除西北湖区(竺山湾)受河流入湖影响外,大部分湖区的溶解态氮磷也都处于较低状态,冬季溶解性总磷浓度小于0.02 mg/L的水域面积占全湖面积的79%。随机森林分析表明,总磷、水温和风速是影响春季微囊藻和藻类生物量的关键因子。冬季湖体磷水平低,加上春季外源负荷较少,致使2022年春季太湖大范围湖...     

Contributions of phosphatase and microbial activity to internal phosphorus loading and their relation to lake eutrophication

Phosphatase may accelerate the process of lake eutrophication through improving phosphorus bioavailability. This mechanism was studied in three Chinese eutrophic shallow lakes (Lake Taihu, Lake Longyang and Lake Lianhua). Phosphatase activity was related to the concentration of soluble reactive phosphorus (SRP) and chlorophyll a. Stability of dissolved phosphatase in reverse micelles may be attributed to molecular size, conformation and active residues of the enzyme. At the site with Microcystis bloomed in Lake Taihu, dissolved phosphatase activity was higher and more stable in micelles, SRP concentrations were lower in interstitial water, the contents of different forms of phosphorus and the amounts of aerobic bacteria were lower while respiration efficiency was higher in sediments. Phosphobacteria, both inorganic and organic and other microorganisms were abundant in surface water but rare in sediments. Therefore, internal phosphorus may substantially flux into water column by enzymatic hydrolysis and anaerobic release, together with mobility of bacteria, thereby initiating the bloom. In short, biological mechanism may act in concert with physical and chemical factors to drive the internal phosphorus release and accelerate lake eutrophication.     

确定太湖流域湖库总磷参照浓度的改进MEI模型

太湖流域湖泊污染严重,非常有必要建立相应的水质基准以便于湖泊水体的保护与修复.根据太湖流域12个受人类影响较小的湖库及太湖早期的总磷、总碱度、平均水深等数据建立了MEI(morphoedaphic index)模型,通过对模型中总磷与总碱度、平均水深因子的相关关系进行分析,并结合太湖流域湖库水深较浅的特征,提出了确定太湖流域湖库水体中总磷参照浓度的改进MEI模型.将该模型应用于太湖,得到太湖总磷参照浓度为0.025 mg/L.研究结果旨在丰富我国水体营养物基准的确定方法,并为太湖流域水体富营养化的控制提供理论依据,同时为长江中下游类似湖库水质基准的建立提供技术支撑.