太湖流域营养盐产量演变和趋势的数值模拟研究

认识流域湖泊水体富营养化的演变和趋势是湖泊污染控制和治理中的重要研究课题。本文将在分析和论证太湖流域营养盐自然本底、人类活动作用急剧增加的近50年来太湖流域营养盐的变化情况、以及全球气候变化和流域经济发展未来30年太湖流域营养盐变化趋势等三方面的基础上,对太湖流域营养盐产量变化做出评估和预测。研究表明,在未来气候变化概率分析和区域经济发展规划基础上,太湖流域未来30年营养盐流域产量将比现代（2000s）增加25%～33%,这将增大太湖水体污染的压力。     

长江中下游典型湖泊近代环境变化研究

选择长江中下游的典型湖泊洪湖、巢湖、石臼湖和太湖,采集了沉积柱样,测定了总有机碳、总氮、总磷,并采用210Pb和137Cs定年以研究湖泊近代环境演变。根据洪湖137Cs蓄积峰得到过去50 a里洪湖沉积速率经历了一个由慢到快再变慢的过程,1963~1986年之间沉积速率最大,达0.174 cm/a,这可能是因为当时湖区大规模开垦有关。巢湖钻孔核素的研究发现20世纪70年代以来随着深度的减少,巢湖钻孔中沉积通量在增加,可能与流域内水土流失逐步加重有关。对营养盐的分析表明,洪湖50年代以来沉积物中营养元素急剧增加,巢湖70年代以来营养元素开始增加,在太湖中体现为80年代,石臼湖中则为近百年来营养元素开始快速增加。从营养盐增加的幅度来看,草型湖的洪湖、石臼湖要大于藻型的巢湖以及太湖藻型区域。本文尝试利用总有机碳、总磷获取了湖泊环境变化的速率。研究表明总有机碳和总磷的变化速率存在波动性,这可能与湖泊的自我调节有关。而总有机碳的变化速率在最近时间阶段内基本呈正值,对于洪湖来说在80年代初,石臼湖在1970年左右,太湖在80年代初,巢湖在60年代。总有机碳、总磷变化速率的振荡幅度与周期也许对理解当今湖泊处于何种位置,由此采取何种湖泊管理手段提供重要认识。     

太湖沉积物重金属及营养盐污染研究

通过太湖MS沉积岩芯元素地球化学指标的分析,对太湖沉积物污染历史进行了系统的讨论。根据化学元素的聚类分析结果、变化趋势,并与太湖流域经济发展进程对比,认为太湖沉积物铅、锌、锰、镍污染开始于20世纪70年代末期,砷、汞污染分别开始于30年代和40年代,随着底泥重金属污染程度的加重,沉积物表层磁化率明显升高;总磷自40年代以来含量不断增加,总氮、总有机碳含量增加开始于70年代末期,表明湖泊富营养化程度不断加重。太湖沉积物重金属及营养盐污染历史与该区经济发展阶段相吻合。     

太湖水体氮、磷赋存量的逐月变化规律研究

基于中国科学院太湖湖泊生态系统研究站2005~2009年对太湖逐月叶绿素a、氮、磷各形态因子及水深的监测,结合太湖大浦水文站的逐日水位数据,估算出2005~2009年太湖的逐日水量,并运用泰森多边形法,估算出太湖水体总氮（TN）、总磷（TP）、溶解性总氮（TDN）、溶解性总磷（TDP）、硝态氮（NO3）、铵态氮（NH4）、亚硝态氮（NO2）、反应性活性磷（PO₄）、颗粒态总氮（TPN）、颗粒态总磷（TPP）、浮游藻类叶绿素a（Chla）的逐月动态变化过程。结果表明:（1）太湖2005~2009年TN、TDN、NO₂、NO₃、NH₄、TP、TDP、PO₄、TPN、TPP、Chla的平均赋存量分别为1.36×104t、1.02×104t、0.02×104t、0.37×104t、0.25×104t、514.34 t、147.30 t、51.44 t、0.34×104t、367.04 t、7.92 t,不同月份、年际之间变化剧烈,变幅分别为106%、142%、657%、252%、233%、95%、196%、276%、236%、131%、276%;（2）2007年6月无锡贡湖水厂"饮用水危机"事件之后,截止到2009年12月,太湖水体各形态氮及总磷赋存量的下降趋势不明显,溶解性总磷、反应性活性磷的赋存量反而增高,反映出营养盐控制任务的艰巨性。本研究表明,对于年水量变幅巨大的大型湖泊,全湖水体营养盐赋存量在评估水体营养盐污染状况中是一个有价值的指标;对于太湖流域的污染控制效果,仅从浓度角度评价具有一定的缺陷,有必要从水体营养盐赋存量的变化规律上探讨其治理效果。     

太湖水深变化对氮磷浓度和叶绿素a浓度的影响

水深作为重要的湖泊水文因子,对湖泊水动力过程、化学过程和生态过程具有重要的影响。通过对1993-2002年太湖水深水质实测资料的回归分析,建立了太湖7个分区的水深与总氮、总磷、叶绿素a浓度的回归方程。结果表明,叶绿素a浓度对水深变化的响应并不显著。一般情况下,水深变化对营养盐浓度的影响不显著,但在特定的湖区,如梅梁湾,水深变化对营养盐浓度的影响显著。鉴于水深变化可以对太湖局部区域的水环境具有显著的影响,因此存在通过太湖流域水利工程的联合运行,人为调控特定湖区水深,在一定程度上改善水质的可能性。     

太湖湖体总氮平衡及水质可控目标

通过对2007~2010年环太湖水文巡测及降水调查,进行了湖体总氮平衡分析,在充分调查现有与规划的各类型污染源总量控制工程措施的基础上,量化出具有空间分布的流域总氮污染削减率,利用构建的太湖流域及湖体水环境数学模型模拟污染削减后的太湖湖体总氮浓度场,并提出水质可控目标。结果表明：太湖出入水量共127.8亿m3,其中通过降水进入太湖的水量为24.9亿m3,占入湖总水量的19.5%;全年总氮收支量达到4.47万t,其中通过干湿沉降进入太湖的总氮量为0.70万t,占入湖总通量的15.5%,可见干湿沉降进入太湖的污染物不容忽视,其变化趋势与太湖地区降水特征相关性较好。同时通过模型推算,定出2015年太湖湖体不同功能区总氮的可控目标,整个湖体平均值约为2.3mg/L,为太湖总量控制提供科学依据。     

太湖湖体总氮平衡及水质可控目标

通过对2007~2010年环太湖水文巡测及降水调查,进行了湖体总氮平衡分析,在充分调查现有与规划的各类型污染源总量控制工程措施的基础上,量化出具有空间分布的流域总氮污染削减率,利用构建的太湖流域及湖体水环境数学模型模拟污染削减后的太湖湖体总氮浓度场,并提出水质可控目标。结果表明:太湖出入水量共127.8亿 m3,其中通过降水进入太湖的水量为24.9亿 m3,占入湖总水量的19.5%;全年总氮收支量达到4.47万t,其中通过干湿沉降进入太湖的总氮量为0.70万t,占入湖总通量的15.5%,可见干湿沉降进入太湖的污染物不容忽视,其变化趋势与太湖地区降水特征相关性较好。同时通过模型推算,定出2015年太湖湖体不同功能区总氮的可控目标,整个湖体平均值约为2.3 mg/L,为太湖总量控制提供科学依据。     

太湖沉积对流域极端降水和洪水响应的研究

认识极端洪水特征和周期,急需建立长期洪水记录和序列。过去150 a来长江下游极端降水引发了多次太湖特大洪水,太湖湖泊沉积提供了长于观测资料的洪水记录。本文利用太湖中心开阔水域的近现代沉积,采用210Pb和137Cs测年法和粒度、磁学特征分析,与区域夏季降水和长江下游洪峰流量进行相关分析,恢复了太湖流域150 a来的历史洪水事件。根据长江下游极端夏季降水（Pjja≥90%百分位）和极端径流(Q≥90%百分位)以及历史文献记载,太湖流域自1840年以来约有24次特大洪水年,而湖泊沉积物砂级粒径与低频磁化率等特征能捕获与之对应的中洪水事件15次。这表明湖泊沉积记录能较好地反演过去洪水变化,为利用沉积记录认识百年极端洪水长周期变化和特征提供了沉积学、磁学等方面的科学依据。     

长江中下游不同类型湖泊沉积物营养盐 蓄积变化过程及其原因分析*

在长江中下游的洪湖、太湖、巢湖采集了沉积柱样,测定了总有机碳、总氮、磷,并采用²¹⁰ Pb和¹³⁷ Cs定年。洪湖1950年以来沉积物中营养元素急剧增加,巢湖在20世纪70年代以来营养元素开始增加,而在太湖中则为80年代。结果表明草型湖中有机质增加比藻型湖迅速,洪湖湖泊沉积物有机质迅速增加与围垦活动开始时间一致。沉积物中总磷的变化不如总有机碳、总氮的变化规律性明显。洪湖两钻孔总磷背景值为0.7~0.8g/kg,太湖钻孔其总磷本底为0.6g/kg,梅梁湾大量钻孔表明总磷本底在0.5g/kg;巢湖的则更低。对比湖泊类型来看,目前为藻型湖的沉积本底磷偏低,而目前为草型湖的沉积本底磷偏高,这可能与不同生态类型湖泊营养元素的生物地球化学循环与积累的方式有关。     

洪湖流域自然农耕条件下营养盐沉积输移演化模拟研究

选择洪湖流域为研究区域,应用分布式流域模型SWAT,从长期演化的角度出发,对流域营养盐输移演化进行模拟。模拟的边界条件设置为自然农耕背景,探讨百年尺度洪湖流域营养盐输移演变规律。对TN、TP的模拟分汛期与非汛期两个时间段,分别进行200年的模拟运算。模拟结果显示模型可以很好的体现流域营养盐沉积输移演变的基本特征。TN、TP浓度变化有明显的季节特征,随时间变化特征与沉积记录相一致。模拟结果的时间序列分析,TN、TP显示出不同的变化趋势。流域模型为百年时间尺度上流域营养盐沉积输移演化的自然趋势研究,提供了很好评价依据。     

洪湖流域传统农业条件下营养盐输移模拟研究*

文章选择位于长江中游的洪湖流域作为研究对象,应用流域分布式水文模型SWAT,探讨传统农业条件下流域营养盐输移的规律。模拟时段选择为建国初期的1951~1960年,模拟的边界条件设置为自然地形、土壤、传统农业生产和土地利用方式,其中土壤资料包括营养盐(N和P)、有机质含量、粒径等理化参数等。根据流域汇水范围的变化,模拟分汛期与非汛期两个时间段进行。通过对模型参数率定和调试,水文模拟结果与实测值有较好的吻合程度,由此进行营养盐输出模拟。模拟结果显示,传统农业条件下流域营养盐输出,TN和TP浓度变化有明显的季节特征,体现了耕作制度对营养盐浓度的影响; 同时,该时段营养盐浓度相比较自然条件下有了很大的改变,体现了人类活动对流域营养盐输移的影响,主要是土地利用类型变化和湖泊水域面积的缩小。     

基于PCRaster的流域非点源氮磷负荷估算

以太湖流域上游的西笤溪流域为研究区,应用动态环境模拟语言PCRaster构建月水文和氮磷营养物质输出模型,分析流域内氮磷输出的时空分布特征。以输出系数法为基础,将分布式水文模型与非点源负荷模型相结合,应用地理信息技术构建基于栅格的非点源污染模拟模型,根据1988~2007年的水文、水质实测数据对模型进行率定和验证,定量分析西笤溪流域非点源污染负荷量与氮磷输出的空间分布。研究结果显示:基于单元网格的月水文模型在该流域具有较好的应用效果,率定和验证期的Nash系数和线性相关系数R2均超过了0.80。应用模型估算西笤溪流域非点源污染2002~2005年总氮年输出量为1 670~2 035t/a,2002~2007年总磷输出量为102~164t/a。氮磷负荷的空间分布表明以稻麦或水稻/油菜轮作的农田是非点源污染的最主要来源。     

长江中下游不同营养水平湖泊水体环境变化特征及机制

选择长江中下游49个湖泊进行不同季节的水体溶解无机氮(DIN)、总氮(TN)、总磷(TP),溶解性无机磷(DIP)以及叶绿素a(Chla)等环境参数分析,开展不同营养水平湖泊水体环境变化特征及生物响应机制研究。结果表明:DIN、TN/TP随TP的变化规律反映了不同营养水平和季节下地球化学作用的影响;氨氮(NH₄-N)、TP、DIP、Chla尤其是NH₄-N的季节性变化规律与营养水平关系密切;TP<0.05 mg/L时,NH₄-N随总磷升高的趋势夏季大于其他季节,TN/TP与硝态氮(NO₃-N)、TN相关性好,营养源组成和氨化作用是主要影响因素;0.05 mg/L4-N随总磷升高的趋势基本相同,TN/TP与亚硝态氮(NO₂-N)、NO₃-N、TN相关好,水生植物利用、氨化和反硝化作用是主要影响因素。TP>0.1 mg/L,冬季NH₄-N随总磷升高的趋势明显大于其他季节,TN/TP在冬季和春季与TN、NO₃-N相关性好,夏季和秋季与TP相关性好,其主要原因在于夏季和秋季水生植物对DIN的利用量、反硝化作用和湖泊内源释放的显著增强。     

Non-linear Responses of a Coastal Aquatic Ecosystem to Large Decreases in Nutrient and Organic Loadings

Between 1991 and 2000, Boston Harbor, a bay–estuary in the northeast USA, experienced a decrease in loadings of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and particulate organic carbon (PC) of between ∼80% and ∼90%. The average concentrations of TN and TP in the harbor water column were decreased in linear proportion to the loadings. The changes to the chlorophyll-a (chl-a), PC, and bottom water DO concentrations were curvilinear relative to the loadings, with larger changes at low than high loadings. For TN and TP, the starts of the decreases in concentrations coincided with the starts of the decreases in loadings. For the three variables that showed curvilinear responses, the starts of the changes lagged by 2 to 3 years the starts of the decreases in TN loadings. Total suspended solid concentrations and water clarity in the harbor were unchanged. The study shows that for systems such as Boston Harbor, decreases in nutrient loadings will have quite different effects depending on the base loadings to the system.     

A comparative study of nutrient transfer via surface runoff from two small agricultural catchments in north China

A field study was conducted to determine the effect of landscape spatial pattern and micro-topography on nutrient transfer via runoff from two catchments into Yuqiao Reservoir in north China. The surface runoff discharge was measured during rainfall events and water samples were analyzed in 2004 and 2005. The mean annual total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) exports per unit area from Caogezhuang catchment (C catchment) were 1.048 and 0.561 kg ha⁻¹ year⁻¹, respectively, while the TN and TP exports from Taohuasi catchment (T catchment) were 0.158 and 0.027 kg ha⁻¹ year⁻¹. In both catchments, village and vineyard shared the highest nutrient export ability due to the accumulated animal waste and heavy application of fertilizer and manure. In T catchment, the distance of village and vineyard was about 1,500 m away from the receiving water and in between were woodland and cropland. In the hydrological pathway, there were sink landscape structures of small stone dams, roadside swale, vegetated filter strip and dry ponds, which could detain water and nutrients. In C catchment, the distance between the village and the receiving water was about 200 m, and the hydrological pathway was compacted roads and ditches with no sink structures. It is suggested that the distance between the pollution source area and the receiving water and the micro-topographical features were the main factors to control the great difference in nutrient export rates.     

Inputs,transformations, and transport of nitrogen and phosphorus in Chesapeake Bay and selected tributaries

In this paper we assemble and analyze quantitative annual input-export budgets for total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) for Chesapeake Bay and three of its tributary estuaries (Potomac, Patuxent, and Choptank rivers). The budgets include estimates of TN and TP sources (point, diffuse, and atmospheric), internal losses (burial in sediments, fisheries yields, and denitrification), storages in the water column and sediments, internal cycling rates (zooplankton excretion and net sediment-water flux), and net downstream exchange. Annual terrestrial and atmospheric inputs (average of 1985 and 1986 data) of TN and TP ranged from 4.3 g TN m^?2 yr^?1 to 29.3 g TN m^?2 yr^?1 and 0.32 g TP m^?2 yr^?1 to 2.42 g TP m^?2 yr^?1, respectively. These rates of TN and TP input represent 6-fold to 8-fold and 13-fold to 24-fold increases in loads to these systems since the precolonial period. A recent 11-yr record for the Susquehanna River indicates that annual loads of TN and TP have varied by about 2-fold and 4-fold, respectively. TN inputs increased and TP inputs decreased during the 11-yr period. The relative importance of nutrient sources varied among these estuaries: point sources of nutrients delivered about half the annual TN and TP load to the Patuxent and nearly 60% of TP inputs to the Choptank; diffuse sources contributed 60–70% of the TN and TP inputs to the mainstream Chesapeake and Potomac River. The direct deposition of atmospheric wet-fall to the surface waters of these estuaries represented 12% or less of annual TN and TP loads except in the Choptank River (37% of TN and 20% of TP). We found direct, although damped, relationships between annual rates of nutrient input, water-column and sediment nutrient stocks, and nutrient losses via burial in sediments and denitrification. Our budgets indicate that the annual mass balance of TN and TP is maintained by a net landward exchange of TP and, with one exception (Choptank River), a net seaward transport of TN. The budgets for all systems revealed that inorganic nutrients entering these estuaries from terrestrial and atmospheric sources are rapidly converted to particulate and organic forms. Discrepancies between our budgets and others in the literature were resolved by the inclusion of sediments derived from shoreline erosion. The greatest potential for errors in our budgets can be attributed to the absence of or uncertainties in estimates of atmospheric dry-fall, contributions of nutrients via groundwater, and the sedimentation rates used to calculate nutrient burial rates.     

潮白河中游沉积物氮磷和有机质分布特征及评价

潮白河是京津冀地区的重要河流。本研究以潮白河中游段为研究区,针对该区段沉积物有机质、氮磷污染程度不明的问题,通过对研究区130个采样点表层沉积物中有机质(OM)、总氮(TN)和总磷(TP)的测定,分析了表层沉积物中有机质和氮磷的分布特征及污染来源,将有机指数和有机氮污染指数评价法相结合开展污染及生态风险评价。结果表明:(1)潮白河中游表层沉积物中OM含量变化范围为0.17%~13.15%,平均含量为5.32%; TN的含量为0.005~1.028 g/kg,平均含量为0.192 g/kg;TP的含量为0.367~4.825 g/kg,平均含量为1.662 g/kg。(2)相关性分析表明,OM与TP、OM与TN均呈弱相关,而TN与TP呈强相关。这是因为TN和TP来源相近,主要来自外源,与OM来源有一定差异。根据TOC/TN特征分析,OM主要受藻类、浮游植物和非纤维束植物等影响。(3)有机指数评价结果显示,潮白河中游段表层沉积物监测点中60%为清洁,33.85%为较清洁,4.62%为尚清洁,1.54%为有机污染。有机污染点主要位于运潮减河入潮白河口和田贾庄排干渠入潮白河口。区域有机氮评价结果以清洁级别为主,整体较好。     

埃及Burullus潟湖沉积生源要素变化:百年来人类活动影响

Burullus是尼罗河河口高封闭性潟湖,其生源要素主要来源于尼罗河,是研究Aswan大坝建成以来流域变化如何影响河口湖泊环境的最佳区域。研究通过对Burullus潟湖B1岩芯的210Pb测年、粒度、以及TOC、TN、TP、BSi生源要素的测试分析,结合历史资料,试图揭示Aswan建坝前后河口湖泊营养盐的差异变化,以及这些变化对生态环境的影响。结果表明:1）沉积物中TOC、TN和TP含量自下而上总体增加,表明尽管Aswan大坝导致营养盐通量急剧减少,但由于下游人类排放N、P通量大大增加,导致下游湖泊N、P浓度并没减少;且沉积TN/TP均小于16,表明湖泊仍为P限制。2）但BSi和BSi/ TOC自下而上总体呈减少趋势,表明Aswan大坝引起的水沙减少导致湖泊中硅藻的生物量及其总初级生产力占比都在减少,潟湖水体生态环境将趋于恶化。