基于FAI-L方法的巢湖水域藻华提取方法研究

近年来随着人类的活动日益加剧,水体富营养化问题已经严重威胁到湖泊生态安全。为了快速并准确地获取藻华爆发的范围,本文提出浮游藻类指数线性拟合模型（FAI linear fitting model, FAI-L）。在以往的研究中,NDVI(normalized difference vegetation index)已经广泛应用于藻华的识别中,且采用坡度计算获取NDVI阈值的方法也得到验证,相对于NDVI,FAI对环境条件的改变敏感度较低,且由于FAI增加了短红外波段,能够有效地降低部分大气和薄云的影响,对藻华的识别有较高的精度,但是FAI识别藻华的阈值如何确定的问题没有有效的解决办法。本文通过建立NDVI与FAI的线性拟合方程,利用NDVI阈值确定FAI阈值,能够有效地解决FAI阈值确定问题。通过Landsat8和Sentinel-2的提取结果显示：（1）FAI-L相对于NDVI提取结果在精度上有较大提升。采用该方法对于Landsat8影像的藻华提取精度为97.16%,相对于NDVI的提取精度（91.72%）提高了5.44%。（2）以Sentinel-2数据为基础探究FAI-L的适用性情...     

风场对藻类在太湖中迁移影响的动力学研究

在Ｗｅｂｓｔｅｒ等人工作的基础上,以三维湖流为背景,考虑了波浪及藻类自身浮力的影响,建立了一个太湖梅梁湾三维藻类迁多模型,以研究在不同几场作用下藻类在湖泊中的迁移过程。模拟结果表明,不同风场对于藻类在湖泊中的水平及垂直分布影响很大,并且存在着一临界风速,其范围在２－３ｍ／ｓ之间,当几速小于临床风速时,水面可以拟看作水动力学光滑,没有波浪产生,在水表面藻类顺着风向迅速的向迎风岸的边漂移,形成藻类大量     

基于GOCI数据的太湖蓝藻垂向迁移特征及关键影响因素

蓝藻水华频繁暴发是太湖面临的主要环境问题之一,蓝藻聚集上浮是表层水华形成的前提。为探究蓝藻垂向迁移与水华日变化之间的关系,阐明蓝藻垂向迁移的关键影响因素,基于2015-2020年地球静止海洋彩色成像仪(GOCI)数据,分析了太湖不同湖区蓝藻水华日变化过程,发现太湖蓝藻水华垂向迁移的日变化主要呈现上升、下降、先上升后下降三种类型,且不同湖区存在差异。统计分析和偏最小二乘法结构方程模型(PLS-SEM)结果表明,水环境因子对蓝藻垂向迁移过程影响较小,累积光辐射是驱动蓝藻垂向迁移的主要气象因子。气温升高有利于蓝藻持续维持上浮能力,前一天风速较大且当天风速较小会加速蓝藻上浮。相较于沿岸湖区,湖心区受累积光辐射、风速的影响更大,蓝藻水华日变化过程更剧烈。本研究水环境因子数据为逐月数据,为深入探究水环境因子对蓝藻垂向迁移的影响后续还需进行高频监测研究。本文结果有助于探明浅水湖泊蓝藻水华形成机制,为富营养化湖泊蓝藻水华预测预警及治理提供理论支撑。     

基于遥感藻总量和气象因子的巢湖不同湖区藻华预测

湖泊能为人类提供不可或缺的资源,而全球普遍存在的湖泊富营养化导致的藻华频繁暴发正不断损害湖泊生态环境服务功能.为合理保护湖泊环境和防治藻华危害,需预测藻华暴发.以我国富营养巢湖为研究区,本文构建了一种基于遥感藻总量和气象因子的不同湖区藻华暴发概率预测方法.基于MODIS/Aqua数据,研究首先反演了2003—2019年日尺度的藻华分布和考虑垂向结构的水柱藻总量.然后,统计了西、中和东巢湖的藻华面积,判别了藻华/非藻华日,并匹配日平均藻总量和气象因子.最后,筛选出藻华形成的关键影响因子——藻总量、气温和水汽压,并构建了不同湖区日藻华暴发概率的Logistic预测模型.不同湖区月平均藻总量基本一致,但藻华暴发日占比呈“西高东低”特征.对西、中和东巢湖的藻华/非藻华检验样本,模型精度分别为90%、85%和89.5%,模型也适用于2020年夏秋季和冬春季藻华预测.湖泊藻华暴发是藻类大量增殖并在一定气象条件下的产物,故基于遥感藻总量和气象因子的藻华暴发概率预测科学合理,可推广应用于太湖等其他富营养湖泊.     

面向流量管理的水动力对淡水藻类影响的概念机制

许多证据表明缓慢的水动力条件是水华暴发的重要诱因,尽管以临界流速和水体置换为基础的流量管理实践在水华控制中已见成效,但受限于水动力对藻类生长小生境的干扰机制尚不明晰,长期的流量管理实践效果并不理想.在长期野外观测、围隔实验和室内模拟等一系列研究的基础上,以现有水动力对藻类影响机制的讨论为依据,从细胞学角度提出了水动力对藻类生长影响的3种不同的概念机制,即低强度的水力扰动导致藻细胞外扩散层厚度变薄,有利于周边水体向藻细胞输送营养物质,促进藻类生长;中等强度的水力扰动导致藻类营养盐吸收及光合作用能力受损,抑制藻类生长;高强度的水流剪切导致藻细胞壁破损.基于该机制认为流量管理中临界流速应分别从水体置换和细胞学两方面考虑.研究结果可为流量管理中控制藻类水华暴发和维持水体水质的策略提供重要的理论支持.     

过去40年太湖剧烈的湖泊物理环境变化及其潜在生态环境意义

过去40年,全球气候变暖、辐射变暗和变亮、风速减弱、气候异常波动等自然环境变化以及筑坝建闸、岸堤硬质化和调水引流等强烈人类活动势必会深刻改变太湖湖泊物理环境和过程,驱动湖泊生态系统演化.基于历史文献、档案数据以及气象水文和透明度等长期观测数据,本文系统梳理了太湖气温、水温、风速、水位和透明度等物理环境空间分布和长期变化特征,探讨了气温和风速、水位和透明度相互协同作用机制及其潜在生态环境意义.受全球变化和城市化等影响,过去40年太湖气温和水温呈现显著升高趋势,而近地面风速则表现为持续下降,湖泊增温和风速下降有利于藻类生长和蓝藻水华漂浮聚集,某种程度上增加了蓝藻水华出现频次和集聚的面积.为防洪和满足流域日益增长的水资源需求,闸坝管控和调水引流使太湖水位呈现缓慢增加趋势,而入湖污染物增加和富营养化则造成水体透明度逐渐下降,致使透明度与水位(水深)的比值明显降低,减少了湖底可利用光强,恶化水下光环境,在一定程度上驱动了太湖水生植被和草型生态系统退化.湖泊物理环境长期变化逐渐拓展了太湖藻型生境空间而压缩了草型生境空间,加剧了草型生态系统向藻型生态系统转化和增强了藻型生态系统的自我长期维持.太湖湖泊物理环境的显著变化也会部分抵消流域营养盐削减和湖体营养盐下降对藻类生物量和蓝藻水华的控制,增加了太湖蓝藻水华防控和湖泊富营养化治理的难度.这意味着未来流域控源截污需要更加严格的标准,而湖泊水位等物理环境的有效管控是应对藻华加剧和恢复草型生态系统的适应性管理策略.     

太湖蓝藻水华暴发的氮磷控制阈值分析

藻类生长与营养盐浓度存在藻类几何级数增长的营养盐浓度变化的下限阈值和藻类生长不受氮磷浓度增加影响的上限阈值,但由于蓝藻水华的形成受多种因素的综合影响,不同湖泊、不同区域及不同时段的氮磷浓度对蓝藻水华的影响差别较大,使得蓝藻生长的氮磷控制阈值难以确定.针对控制蓝藻水华暴发的氮磷阈值的研究虽然有所开展,但多集中在实验室研究阶段或对经验值的判断,虽然也有基于野外实测数据的研究,但也限制于某一特定区域,而基于野外长序列实测数据并且覆盖整个湖泊的氮磷阈值研究则是空白.太湖作为具有较高营养背景的富营养化浅水湖泊,蓝藻水华的发生受氮磷影响较大.对太湖总磷(TP)、总氮(TN)和叶绿素a(Chl.a)浓度的时空变化分析发现,太湖西北湖区的TP、TN与Chl.a浓度明显较高,并且TP、TN与Chl.a均呈显著性正相关.为探究太湖蓝藻水华暴发的TP和TN控制阈值,以轻富营养化等级下的Chl.a分级标准(10,26］作为表征水华暴发的条件,采用郑丙辉等的频率分布法,确定了太湖蓝藻水华暴发的TP和TN控制阈值分别为0.05~0.06和1.71~1.72 mg/L;通过空间验证,太湖藻型区TP和TN浓度远高于同级营养水平下全湖区TP和TN控制阈值,表明藻型区高氮磷水平为蓝藻水华发生提供充足营养盐条件,即使氮磷全湖平均浓度控制在蓝藻水华暴发的氮磷阈值水平之下,但在气象水文等因素适宜条件下,藻型区水华发生风险仍然较高;并且在高氮磷背景下,即便在水华发生风险低的季节,水华发生风险仍然较大.近十几年来,虽然太湖经历了大规模的高强度治理,但由于环太湖流域的湖西区入湖负荷占比大,导致太湖藻型区氮磷浓度仍处于高位运行状态,为蓝藻水华的暴发提供了充足的营养盐基础,因此,湖西区的控源减排仍然是太湖富营养化及蓝藻水华防控的重点.     

太湖梅梁湾藻华暴发消退-周期表层水体溶解性有机质分子特征

人类活动引起的富营养化对太湖的碳循环模式可能产生严重影响,精细描述太湖藻华暴发-消退周期的溶解性有机质分子是了解太湖碳库动态变化的关键.本研究利用傅立叶变换离子回旋共振质谱技术,以太湖北部梅梁湾2017年5月至2018年5月的表层水体为研究对象,解析藻华暴发-消退周期溶解性有机质的来源和分子组成特征,进而理解浮游藻类异常增殖对水体溶解性有机质的影响及其在区域碳循环中的角色.研究结果表明,藻华暴发期浮游藻类生产力显著增加,使得表层水体的溶解性有机质从含量到分子组成均发生剧烈改变.含量上表现为溶解性有机碳浓度升高,分子组成上表现为CHO类化合物和以脂肪族类化合物为代表的活性组分占比增加,特征化合物以相对高饱和度和高含氧的小质量数分子为主.而在藻华消退期,随着藻类有机质贡献的减少和有机质降解过程的持续进行,含量上表现为溶解性有机碳浓度下降,分子组成上表现为CHOS、CHONS类化合物和富羧酸脂环类化合物等惰性分子占比增加,特征化合物以大质量数分子和相对低饱和度和低含氧的小质量数分子为主.研究结果表明,太湖水体的溶解性有机质分子组成在藻华暴发期受藻类有机质输入控制,在消退期受藻类有机质降解的影响.     

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.     

关于“东太湖围网拆除前后水生植被群落遥感监测及变化”一文的勘误

由于作者的疏忽和编辑把关不严,杨井志成, 罗菊花, 陆莉蓉等发表在《湖泊科学》2021年第2期507-717页的论文“东太湖围网拆除前后水生植被群落遥感监测及变化“（DOI: 10.18307/2021.0228）中的前言部分述及的浮游藻类指数(floating algae index, FAI)和后文提出的藻类指数(FAI)使用了同一个缩略语FAI表述,容易造成读者误解. 由于FAI在相关文献中已经广泛使用,本文提出的藻类指数应该改为AI (Algae Index, AI), 对应的1.4节所有段落、表2、图2等部分的FAI均应该是AI. 此外,图3中的上部两幅假彩色遥感图的图例加注为排版错误,不应加注图例,应删除. 特此勘误.     

太湖藻类水平漂移特征及其影响因素

采用原位观测平台,研究分析了太湖竺山湾风速、湖流流速、波高以及藻类水平漂移特征及其影响因素,结果表明日间藻类水平漂移速率呈锯齿式交替特征,日内藻类水平漂移速率变化幅度大;藻类水平漂移速率与风速之间呈显著线性正相关;当0.02 m < 有效波高 < 0.1 m时,藻类水平漂移速率与有效波高呈显著线性负相关,当有效波高 > 0.1 m时,波浪会显著改变藻类运动方式,破坏藻类表层聚集形态;湖流对藻类水平漂移速率无显著性影响;藻类水平漂移方向受湖流流向和风向的共同作用;藻类水平漂移速率与风速、波高、湖流流速间关系可用多元线性方程表达,且拟合度良好,可为藻类水华预测模型构建提供依据.     

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...     

基于高频高光谱近感观测量化风对蓝藻水华的影响

全球气候变化显著影响湖泊理化环境和生态系统演化,对生态系统服务造成负面影响甚至引发生态系统灾变,其中风速下降可能促使富营养化湖泊蓝藻水华的暴发和水面漂浮集聚。以往由于较低的观测频次,往往很难精细量化风对蓝藻水华的影响。利用陆基高光谱近感观测技术,基于分钟小时尺度开展周年高频观测,通过对6—10月蓝藻生长期太湖表层水体叶绿素a浓度统计分析,量化蓝藻水华高频动态变化特征,确定蓝藻水华漂浮集聚的风速阈值。研究发现,随着风速的下降,水体表层叶绿素a浓度随之增加,蓝藻水华出现概率也随之增加。概率分析显示,当近地面风速小于2.5 m/s时,湖泊表层比较容易形成明显肉眼可见的蓝藻水华,藻华发生概率为55.1%。长时间持续的低风速容易诱发蓝藻水华形成和漂浮集聚,强风浪事件后低风速出现1～2天叶绿素a往往就能恢复以往较高水平,这为管理者有效防控蓝藻水华提供了新视角。长期气象观测显示,气候变化影响下太湖地区风速呈现显著下降趋势,增加了蓝藻竞争优势和发生概率,有助于其在表面漂浮集聚。在未来的气候变化情景下,如果风速继续呈现下降趋势,在营养盐条件不变情况下湖泊表层蓝藻水华发生概率可能还会上升,增加蓝藻水华防控...     

太湖蓝藻水华的扩张与驱动因素

蓝藻水华表征指标及驱动因子的多样性增加了研究人员、湖泊管理部门对于蓝藻水华扩张驱动因素的困惑,本研究通过整合太湖蓝藻水华长尺度研究的成果,将蓝藻水华扩张区分为时间扩张、空间扩张和生物量扩张3个方面,分析各自的驱动因子,系统阐述了当下太湖蓝藻水华的扩张和驱动因素.太湖蓝藻水华的时间扩张呈现由夏季集中发生向春季和秋冬季节扩张的趋势,导致春季蓝藻水华发生的提前,以及年度峰值的推迟;空间扩张呈现由西北太湖向湖心和东部湖区、乃至全湖扩张的趋势;太湖蓝藻生物量自2003年以后一直呈现缓慢增加的趋势.蓝藻水华时间扩张的驱动因素相对独立,主要受气象因子的影响,风速和日照时间是主要驱动因子,风速降低和日照时间延长均有助于蓝藻水华时间的扩张;空间扩张和生物量扩张则受气象因子和富营养化的双重影响,其中影响水华空间扩张的因子较多,富营养化和气象因素的主次难以确定,一般偶发性大面积蓝藻水华受气象因子驱动,而频发性大面积蓝藻水华主要受营养盐空间分布影响;影响蓝藻生物量扩张的主要驱动因素为总磷,另外氮磷比、水下可利用光和风速的变化也在一定程度上驱动了太湖蓝藻生物量的扩张.目前表征蓝藻水华强度通常利用空间扩张或生物量扩张指标,但是均具有一定局限性,相互间也缺乏可比性,各指标用于长尺度趋势研究更为可靠,短尺度比较受方法缺陷影响较大,应进一步开发表征水华蓝藻总存量的指标以统一空间扩张和生物量扩张.     

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.     

巢湖蓝藻水华监测预警与模拟分析平台设计与实践

近20年来,巢湖蓝藻水华频繁暴发,对流域内居民生活和社会生产产生了严重影响.由于缺乏蓝藻水华全方位监测、高精度模拟和智能化分析手段,传统方法难以实现"现状掌握、异常识别、原因追溯、未来模拟"的目标,无法满足巢湖蓝藻水华科学防控与应急处置的要求,蓝藻水华引起的突发事件随时可能发生.本文针对巢湖蓝藻水华的全面监测和应急决策...     

基于MODIS数据的2000-2010年乌梁素海"黄苔"时空变化

利用2000-2010年每年5-9月MODIS数据根据比值算法提取乌梁素海湖区黄苔的面积和空间分布信息并进行统计分析,探求乌梁素海黄苔产生的时空分布规律及特征,从而为黄苔的预防和治理提供支持.结果表明:(1)黄苔面积变化的年际和月际特征方面,2000、2001、2005、2006、2008、2010年黄苔面积超过了多年平均值(24 km2).5—7月份黄苔面积较小,保持在20 km2左右;8月黄苔面积迅速增长(约28 km2),9月黄苔面积最大,达到40 km2左右.(2)黄苔发生频率方面,2001年黄苔的规模和频率最高,发生频率达到0.58;2005、2006、2010年次之,发生频率在0.25附近波动(多年年均黄苔暴发频率为0.19);其他年份黄苔的发生频率处于低于0.10的水平.黄苔发生规模较大、次数较多的月份集中在8、9月,发生频率分别达到0.27、0.52,超过多年月均黄苔暴发频率0.19;其他月份黄苔的发生频率处于低于0.10的水平.(3)黄苔出现的空间分布方面,西大滩为东大滩的北部至中部,以及乌梁素海南部明水区排干口附近的西部沿岸是黄苔出现频率较高的区域.(4)2个月前的日均温度、降雨和营养盐浓度及当月风速与黄苔的产生具有极显著相关性;营养盐含量(TN、TP)的空间分布与黄苔的空间分布表现出较好的相关性.乌梁素海黄苔面积的年际变化受人类活动特别是生态补水的影响明显.