长江中下游大型湖泊水体固有光学特性:Ⅰ.吸收

吸收系数是水体固有光学特性的重要组成部分,也是构建水色参数高精度遥感模型的基础,具有重要的研究意义.本文针对长江中下游三大淡水湖——鄱阳湖(2010 10、2011 08)、太湖(2008 10、2011 08)和巢湖(2009 10)进行5次野外实验,以International Ocean Colour Coordinating Group(IOCCG)2000年报告"Remote Sensing of Ocean Colour in Coastal,and Other Optically-Complex,Waters"为基础,对水体不同光学主导类型进行分类;并根据a_d(非色素颗粒物吸收)、a_ph(浮游植物色素吸收)、a_g(有色可溶性有机物吸收)等不同主导类型光谱曲线特征差异,引入a_d-g(主导类型a_d、a_g、a_d-a_g的合并类型)和a_ph-related(主导类型a_d-a_ph、a_d-a_ph-a_g的合并类型)类型,对主导类型进行归纳合并.结果显示:秋季,鄱阳湖、太湖、巢湖的主导类型较为单一,分别为a_d、a_d-a_g、a_d-a_ph-a_g;夏季,鄱阳湖和太湖同为两种类型共同主导,分别为a_d、a_d-a_g,a_d-a_ph-a_g、a_d-a_ph.总体来说,鄱阳湖夏、秋季和太湖秋季主导类型都属于a_d-g类型,而太湖夏季和巢湖秋季则属于a_ph-related类型.另外,分别针对Gons和Gitelson叶绿素a模型假设条件进行验证,发现不同湖泊水体及不同主导类型下其适用性程度不一致.     

官厅水库秋季悬浮颗粒物和CDOM吸收特性

利用2012年9月5日在官厅水库采集的水体吸收系数数据,对总悬浮颗粒物、浮游植物色素颗粒物、非色素颗粒物和有色可溶性有机物的吸收特性进行研究.结果表明:秋季官厅水库的颗粒物吸收以浮游植物色素吸收为主,总颗粒物吸收光谱与浮游藻类吸收光谱相似;非色素颗粒物和有色可溶性有机物的吸收系数随波长的增大接近指数规律衰减;a_d(440)、a_d(675)与C_Chl.a呈显著相关,表明官厅水库秋季的非色素颗粒物主要来源于浮游藻类降解产物,陆源性输入较少;a ph(440)、a ph(675)与C_Chl.a存在显著线性关系,但其比吸收系数较为恒定,与C_Chl.a基本无关;不同采样点的不同组分吸收系数对总吸收系数的贡献不同,大致有4种表现类型.在富营养程度较高的妫库区,浮游植物色素是水体光谱吸收的主导因子;在富营养程度较低的中库区,颗粒物与有色可溶性有机物共同主导水体光谱吸收.     

藻源性湖泛发生过程CDOM变化对水色的影响

利用Y-型沉积物再悬浮发生装置模拟湖泛发生过程,分析其中有色可溶性有机物(CDOM)的变化特征及其对水色的影响.结果表明,藻类死亡过程消耗大量的氧气,水中溶解氧在短时间内消失殆尽,形成厌氧环境;并同时分解产生大量CDOM,使得水中CDOM显著增多.前期阶段,CDOM浓度随时间一直升高,第6 d时CDOM浓度达到峰值,CDOM在443 nm处的吸收系数a_g(443)为4.48 m^-1.水体黑度值(FeS浓度)呈先增大后减小的趋势,最大值0.35mmol/L同样出现在第6 d,整个过程中,CDOM浓度和黑度值变化趋势一致,a_g(443)与水体黑度呈显著正相关.利用Hydrolight和CIE颜色匹配函数模拟不同梯度的CDOM对水色的影响,发现随a_g(443)增大,水体颜色也逐渐由绿色转为棕色,整体向长波方向移动,水色逐渐变暗.因此,可以认为CDOM浓度变化是引起湖泛水体发黑的重要原因之一,可作为定量监测湖泛强度的指示性参数.     

基于15N稳定同位素示踪技术的太湖梅梁湾浮游植物群落氮吸收动力学研究

浮游植物对氮的吸收与其生长繁殖密切相关,太湖梅梁湾湖区蓝藻水华频频暴发,对该水域浮游植物氮吸收进行研究具有重要意义.本文分别在冬、春、夏、秋4个季节于梅梁湾采样,对水体常规理化指标和浮游植物群落结构进行分析,并利用¹⁵N稳定同位素示踪技术研究了浮游植物对铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）和尿素态氮（Urea-N）吸收的动力学特征.结果表明,太湖梅梁湾浮游植物群落除了秋季对NH₄⁺-N的吸收不符合米氏方程外,其余均符合.冬季和春季3种形态氮最大吸收速率（V_max）的大小依次为：NH₄⁺-N > NO₃^--N > Urea-N,而夏季为：NH₄⁺-N > Urea-N > NO₃^--N.3种形态氮V_max的季节变化规律为夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季.V_max在不同季节以及不同形态氮之间的差异性可能与浮游植物群落组成以及水体中NH₄⁺-N浓度不同有关.浮游植物对NH₄⁺-N吸收的K_S值在冬、春季高于夏季,对Urea-N吸收的K_s值则在夏、秋季高于冬、春季,而对NO₃^--N吸收的K_s值则在夏季显著高于其他3个季节.冬季和春季梅梁湾浮游植物群落最容易受到NO₃^--N限制,而最不容易受到Urea-N的限制;而夏季,则最容易受到NO₃^--N限制,而最不容易受到NH₄⁺-N的限制,且浮游植物群落对NH₄⁺-N的亲和力最高.与NO₃^--N相比,秋季浮游植物更容易受到Urea-N的限制.不同季节,容易对浮游植物产生限制作用的氮的形态不同.     

蒙新高原岱海夏季叶绿素a浓度空间分布及影响因子

基于2019年夏季(8月)对岱海水样的实测数据分析,通过运用克里金插值、相关性分析、多元线性逐步回归、主成分分析方法,探究了叶绿素a(Chl.a)的空间分布特征及其与水环境因子的相关关系,并讨论了相应的防治措施。研究显示:Chl.a空间分布呈现由岸边向湖心递减的趋势,总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH₃-N)、硝态氮(NO^-₃-N)、正磷酸盐(PO^3-₄-P)空间分布特征与Chl.a空间分布特征相近,采样期内岱海湖局部区域水质状况已达到富营养状态;Chl.a与浊度(Turbidity)、TP、TN、悬浮物(SS)、pH、NO^-₃-N、NH₃-N、PO^3-₄-P、蓝绿藻丰度(CYANO)呈极显著正相关,与溶解氧(DO)呈显著负相关,与电导率(Cond.)呈正相关、与氮磷比(TN/TP)呈负相关;各湖区Chl.a与环境因子相关关系不同,全湖逐步线性回归方程为Y_Chl.a=-21.42+8.658X_pH-0.865X_DO+0.779X_NH3-N+0.699X_Turbidity+0.502X_CYANO;岱海不同湖区因子对Chl.a浓度的影响存在差异,各湖区Chl.a与环境因子相关关系不同,通过岱海与我国其他湖泊Chl.a与环境因子的相关性关系对比分析,湖泊地理属性差异及营养物质输入浓度是影响Chl.a变化的重要因素;本研究岱海的TN/TP平均值为12.23,说明夏季岱海湖Chl.a变化为氮磷共同限制。     

不同营养水平湖泊浮游植物吸收和比吸收系数变化特征

利用太湖和博斯腾湖8月份、天目湖6 8月份的采样数据,开展不同营养状态下浮游植物吸收和比吸收系数的变化规律研究,并探讨其影响因素.利用综合营养指数法,太湖8月42个采样点中20个点为重度富营养,标记为太湖TⅠ,22个点为中度富营养,标记为太湖TⅡ,天目湖夏季、博斯腾湖8月的富营养水平分别为轻度富营养和中营养.440 nm处浮游植物吸收系数a_ph(440)按照营养水平从高到低由重度富营养到中营养分别为1.02±0.51、0.69±0.40、0.78±0.24和0.20±0.04 m^-1,相应地675 nm处浮游植物吸收系数a_ph(675)分别为0.59±0.32、0.38±0.23、0.41±0.13和0.08±0.02 m^-1.统计检验显示,重、中度富营养的太湖以及轻度富营养的天目湖浮游植物吸收系数显著高于中营养的博斯腾湖.440 nm处浮游植物比吸收系数a_ph^*(440)分别为0.013±0.006、0.012±0.004、0.038±0.008和0.051±0.013 m²/mg Chl.a.统计检验显示,重度、中度富营养的太湖浮游植物比吸收系数显著小于轻度富营养的天目湖,而天目湖浮游植物比吸收系数又显著小于中营养的博斯腾湖.另由400~700 nm浮游植物的光谱曲线可以明显看出不同营养状态浮游植物吸收系数的变化情况,表现为:重度富营养太湖TⅠ>轻度富营养的天目湖>中度富营养的太湖TⅡ>中营养的博斯腾湖.太湖和天目湖属于富营养化湖泊,浮游植物吸收系数明显高于中营养的博斯腾湖,这充分反映了随营养程度增加,浮游植物吸收逐渐增加.天目湖浮游植物略高于太湖TⅡ是因为太湖非藻类悬浮颗粒物含量高,所以吸收系数偏小.比吸收系数的变化情况与吸收系数的变化情况恰好相反,随着营养程度的增加依次递减.随营养程度增加浮游植物吸收逐渐增加是由于水体营养盐增加促进浮游植物生长,浮游植物生物量逐渐增加所致,而比吸收系数逐渐降低则由于色素包裹效应所致.     

抚仙湖有色可溶性有机物的来源组成与时空变化

基于2017年1-12月在抚仙湖开展的逐月观测,利用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱技术探讨该湖有色可溶性有机物（CDOM）的来源组成及时空变化特征.12个月CDOM吸收值a（254）的均值为3.47±0.57 m^-1,范围为1.82~5.22 m^-1,说明CDOM丰度较低.平行因子分析结果给出了2种类酪氨酸荧光组分（C1和C3）、1种类色氨酸荧光组分（C2）、1种类腐殖质荧光组分（C4）,12个月内源组分（C1+C3）对总荧光强度的平均贡献为65.81%±15.38%,外源组分（C2+C4）的平均贡献为34.19%±15.38%;荧光指数FI的均值为1.73±0.14,腐殖化指数HIX的均值为1.02±0.37,生源化指数BIX的均值为1.23±0.27,说明CDOM主要为微生物内源产生.时空变化方面,春（3-5月）、夏（6-8月）、秋（9-11月）和冬（1、2、12月）季的a（254）分别为3.20±0.47、3.76±0.64、3.67±0.50和3.23±0.38 m^-1,夏季和秋季均显著高于冬季和春季;CDOM丰度及内外源组分的空间分布具有季节异质性,可能与流域土地利用、河流输入、降雨、温度、光辐射等因素有关.     

太湖不同湖湾中铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)的氮稳定同位素特征

进入湖泊中不同氮源氮稳定同位素值(δ15N)的差异和生物对氮稳定同位素的记忆作用,可以反映流域人类活动输入的污染物对生态系统的影响程度.本文调查了太湖4个湖湾(梅梁湾、贡湖湾、竺山湾和东太湖)中铜锈环棱螺(Bel-lamya aeruginosa)的δ15N值,结果表明环棱螺δ15N值的变幅为6.9‰～18.1‰,平均值为11.2‰,不同湖湾中环棱螺δ15N值差异极显著,从高到低依次为梅梁湾(17.7‰)、贡湖湾(13.2‰)、东太湖(10.2‰)和竺山湾(7.8‰).分析认为,梅梁湾和贡湖湾接纳较多的人类活动产生的污染物,其周边城市如无锡、常州等地的污水处理效率有待提高;竺山湾水体氮素主要来自于农业面源污染,需降低农田化肥的使用量.     

2007-2019年太湖藻型和草型湖区叶绿素a变化特征及影响因子

基于太湖31个站点的逐月监测数据,分析了2007-2019年太湖藻型湖区和草型湖区的叶绿素a变化特征,并分析研究不同环境因子对不同类型湖区叶绿素a的影响.结果表明,近年来太湖不同类型湖区的总磷浓度和叶绿素a浓度变化基本一致,均呈波动上升趋势.不同类型湖区的总磷浓度拐点均为2015年,叶绿素a浓度拐点均为2016年.最低月平均水温、前冬积温、年平均水温、年均风速与藻型湖区和草型湖区叶绿素a浓度均呈显著相关.沉水植物分布面积与草型湖区叶绿素a浓度之间呈显著相关.湖西区年内和年度降雨剧烈变化,湖西区年降雨量与不同类型湖区当年叶绿素a浓度的关系不明显,5日极端降雨量与不同类型湖区下年度叶绿素a浓度均呈显著正相关.太湖蓝藻水华强度在短期内可能仍会处于较高水平,迫切需要高度重视高温时段太湖蓝藻打捞处置工作,保障饮用水安全;同时,要进一步加强湖西区强降雨期间的非点源污染防控措施研究,推动入湖污染通量稳步降低,并探索东西山之间及东茭咀附近水域沉水植物生态修复技术,降低风浪扰动作用,尽快恢复相关重要水域的沉水植物.     

2004年12月26日印度尼西亚MW9.0大震前后震源机制一致性变化特征研究

本文选取2004年12月26日发生在印度尼西亚西北近海、震中位于巽他海沟的东侧的M_W9.0地震的余震分布空间范围为研究区域,分析了该区域震源机制,并利用震源机制和构造应力场的一致性参数a进行了地震检验。研究结果表明,M_W≥7.5地震之前,都有参数a降低的现象,M_W9.0地震前,a值都有动荡起伏的情况。该研究区长达数千千米,而连续发生的M_W≥5.0地震的震源机制与构造应力场一致,应当不是随机现象,似可视为具某种前兆意义的现象。     

太湖有色可溶性有机物(CDOM)对COD及BOD5的指示意义

化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD_5)及溶解性有机碳(DOC)是指示湖泊水质的重要指标,然而上述指标测定通常耗费大量时间、试剂及人力物力且排放大量有害废液.有色可溶性有机物(CDOM)是溶解性有机物(DOM)中可以强烈吸收光谱中的紫外光和可见光的部分,数据测定耗时短、方便快捷,且样品处理过程环境友好,能在很大程度上反映湖泊水质.本研究基于2016年2、5和8月在太湖均匀布设的32个采样点进行样品采集,运用光谱吸收与三维荧光-平行因子分析(EEMs-PARAFAC)探究太湖CDOM的光谱吸收和荧光组分,探讨CDOM光谱指标对湖泊BOD_5、COD及DOC浓度等湖泊环境质量指标的可替代性.结果表明:(1)运用EEMs-PARAFAC方法解析出3种荧光组分:类腐殖酸C1、类酪氨酸C2和类色氨酸C3.(2) COD和BOD_5和DOC在空间上呈现出相似的分布趋势,不同水期的最高值均出现在竺山湾和梅梁湾,由西北湖区至中部敞水区、东南湖湾递减.(3)在不同水期,COD、BOD_5、DOC浓度和C1组分均表现为丰水期极显著大于枯水期和平水期,a_(254)在丰、平、枯水期间无显著性差异,最大值出现在丰水期;C2与C3组分均在枯水期和平水期极显著大于丰水期.(4)在不同水文时期,COD、BOD_5和DOC浓度均与a_(254)、类腐殖酸C1呈显著正相关,丰水期太湖COD、BOD_5和DOC浓度与CDOM光谱指标的线性相关性要优于枯水期和平水期.(5) CDOM光谱指标在不同水文时期均能很好地替代COD、BOD_5和DOC等作为反映太湖水体中有机物污染程度及湖泊水质的指标.     

太湖冬季有色可溶性有机物吸收荧光特性及遥感算法

基于2006年和2007年1月两次太湖采样,对50个点位的有色可溶性有机物(CDOM)光谱吸收、荧光、溶解性有机碳(DOE)浓度及遥感反射率进行测定与分析,探讨冬季太湖CDOM的吸收荧光特性及空间分布,建立CDOM吸收系数的遥感反演算法.结果表明,太湖冬季CDOM在355nm处吸收系数a(355)变化范围和均值分别为1...     

基于随机森林的内陆湖泊水体有色可溶性有机物(CDOM)浓度遥感估算

水体中的有色可溶性有机物(CDOM)是湖泊生态系统中氮、磷等有机营养物质的重要来源,利用卫星遥感数据反演内陆水体中CDOM浓度一直是个挑战.因此本文基于滇池2009年9月、2017年4月以及太湖2016年7月的现场原位观测和室内实验,在分析水体固有光学特性的基础上,引入机器学习算法,建立了基于哨兵-3A OLCI传感器的我国内陆湖泊水体CDOM浓度随机森林反演模型.利用独立的验证数据集对所构建的随机森林模型及常用的波段比值模型、一阶微分模型、半分析模型、BP神经网络模型等的反演精度进行评价.结果表明:随机森林模型的均方根误差为0.14 m-1,平均相对误差为21%,与反演效果相对较好的BP神经网络模型相比,均方根误差降低了50%,平均相对误差降低了38%,反演精度得到了显著的提高.根据随机森林算法的特征重要性参数提供的各自变量影响力结果,发现B11(709 nm)和B6(560 nm)波段贡献率最大,是反演CDOM的敏感波段.最后将随机森林模型应用到滇池2017年4月12日、太湖2017年5月18日的哨兵-3A OLCI影像上,得到滇池、太湖水体CDOM浓度分布图.滇池CDOM浓度的分布特征大致符合东北、西南高,中西部低的趋势,且河口处的CDOM浓度高于湖泊水体,表明径流的输入给滇池水体带来了大量的CDOM.太湖CDOM浓度的分布特征大致符合西部高,湖心区和东部低的趋势.太湖西部以及北部梅梁湾受入湖河流影响较大,CDOM浓度较高,太湖开敞区远离河口处,受外源河流的影响逐渐减小,且由于湖水的不断稀释,CDOM浓度不断降低.太湖东部水生植物很多,湖水较为清澈,CDOM浓度较低.     

太湖不同生态类型湖区浮游甲壳动物群落结构季节变化比较

水体富营养化会对整个水生态系统产生重要影响.为了解太湖富营养化对浮游甲壳动物群落结构的影响,于2012年3月至2013年2月对太湖3个典型湖区——藻型湖区(梅梁湾)、草型湖区(胥口湾)和强扰动湖区(湖心区)开展浮游甲壳动物群落结构季节变化比较研究.3个湖区中,湖心区营养水平最高,胥口湾最低.梅梁湾浮游甲壳动物密度和生物量最高,其次是湖心区,胥口湾最低.梅梁湾、湖心区和胥口湾的浮游甲壳动物年平均密度分别为199、150和91 ind./L,年平均生物量分别为1.950、1.557和0.743 mg/L.在整个研究期间,梅梁湾、胥口湾和湖心区的浮游甲壳动物种类数分别为13、11和11;3个湖区的浮游甲壳动物优势种均为中华窄腹剑水蚤和简弧象鼻溞,其中中华窄腹剑水蚤在梅梁湾、胥口湾和湖心区的年平均密度分别为57、25和36 ind./L,简弧象鼻溞在3个湖区的年平均密度分别为40、22和32 ind./L.胥口湾浮游甲壳动物生物多样性指数显著低于梅梁湾和湖心区.相关分析表明,浮游甲壳动物密度与叶绿素a浓度呈极显著正相关.研究表明,同一湖泊不同生态类型湖区浮游甲壳动物会对水体富营养化产生不同的生态响应.     

太湖春季浮游动物磷释放的初步研究

浮游动物是湖泊生态系统的主要组成之一,于2004年3月至5月间调查了太湖梅梁湾、五里湖浮游动物数量,并在实验室条件下分别测定了浮游动物正磷酸盐(PO4-P)的释放率．结果表明,研究期间梅梁湾的枝角类密度都高于五里湖,五里湖的轮虫数量高于梅梁湾,两水域桡足类密度上的差异不明显;梅梁湾和五里湖浮游动物PO4-p释放率的范围分别为0．20-O．43 mg／(g(DW)·h)和0．19-0．54 mg／(g(DW)·h)．因此浮游动物营养盐释放对湖泊生态系统营养盐循环具有一定的作用．     

淮河流域周村水库夏季CDOM吸收光谱特征、空间分布及其来源分析

基于2015年8月采集的24个淮河流域以周村水源水库为代表的表层水样的有色溶解性有机物(CDOM)吸收系数数据,研究了CDOM吸收光谱的空间分布特征,考察了CDOM的吸收系数与水质参数的相关关系,同时探讨了周村水库夏季CDOM的潜在来源.结果显示:依据CDOM的吸收光谱空间分布特性及采样点分布特征,周村水库分为入库口、过渡区和主库区3个特征水域;CDOM的吸收系数沿入库口到主库区依次递减,S值呈现相反的趋势;分析发现S240~500与a(355)和a*(355)呈极显著负相关(R~2=0.98、0.88);CDOM吸收系数a(355)与溶解性有机碳(DOC)浓度具有良好的线性相关,有利于建立DOC遥感反演模型;同时,CDOM吸收系数a(355)与a_(ph)(440)存在极显著正线性相关,表明浮游植物的新陈代谢及其降解产物是夏季周村水库CDOM的潜在来源.综上,通过对夏季周村水库水体CDOM的研究,丰富了关于水源水体CDOM的调查资料,可为日后水库的管理提供技术支撑.     

蓝藻水华暴发和衰亡对太湖有色可溶性有机物的影响

利用平行因子分析(PARAFAC)技术对藻华暴发季节太湖梅梁湾和开敞区水样中有色可溶性有机物(CDOM)的三维荧光光谱进行分析,获得代表类酪氨酸、类色氨酸和类腐殖酸等3种荧光组分,这3个组分的荧光得分值均与叶绿素a浓度呈极显著正相关,其中类腐殖酸物质荧光得分值占总分值的比例也与叶绿素a浓度极显著正相关,由此可以推测,蓝藻水华可能是太湖CDOM的一个重要来源,并极大地影响了湖泊CDOM的组成结构.为进一步探索蓝藻水华对湖泊CDOM的影响,于太湖梅梁湾湖岸进行藻华暴发和衰亡模拟试验.PARAFAC结果显示,模拟试验水样CDOM的三维荧光图谱同样含有3个组分,其中类酪氨酸和类色氨酸荧光峰位置与湖泊水样基本相同,而类腐殖酸物质荧光峰则有一定程度的蓝移,表明培养试验中有新的内源类腐殖酸物质产生.利用PARAFAC模型中的得分值计算后发现,初始叶绿素a浓度越高,类腐殖酸物质所占比例越大,而实验结束时添加了高浓度和中等浓度藻的2个处理中类腐殖酸物质对荧光的贡献率也有显著提高.因此,藻华的长期暴发可以显著改变湖泊CDOM的组成,导致类腐殖酸物质比例提高.     

太湖长孢藻属(Dolichospermum)生物量长期动态变化及驱动因子

针对近年来太湖水体中长孢藻（Dolichospermum,曾用名鱼腥藻Anabaena）比例增加的趋势,本文研究了2005—2019年太湖春季不同湖区长孢藻生物量的长期变化趋势和空间差异,探究了冬、春季气象条件（气温、日照时长、风速、降雨量）和营养盐（总氮、总磷）水平对其的影响.结果表明,2005—2019年太湖监测数据显示春季长孢藻生物量有比较明显的升高现象,主要发生在竺山湖富营养程度较高的区域,其次是湖心区、梅梁湾和南部湖区.偏最小二乘路径建模（PLS-PM）结果表明,不同湖区长孢藻生物量变化的主要驱动因素存在差异.在湖心区,春季长孢藻的生物量主要受冬季气候条件（气温、风速、日照时长）的影响,其次受春季营养盐和春季气候条件的影响.在梅梁湾、竺山湖和南部湖区,春季长孢藻的生物量主要受春季气候条件的影响.在梅梁湾和竺山湖,春季风速、日照时长是春季长孢藻生物量的显著影响因子;在南部湖区,春季长孢藻生物量的主要驱动因素是春季的日照时长和春季气温.本研究从长时间序列角度,对太湖固氮蓝藻的时空分布特征和影响因素开展了研究,为太湖不同湖区开展针对性的藻类水华防控和富营养化治理提供理论基础.