三峡澎溪河高阳平湖高水位期间磷-藻生态模型研究

通过在前期建立的总磷模型基础上建立磷-藻模型.从正磷酸盐所代表的无机磷和藻类生物量所代表的有机磷入手,分析蓄水期所累积的磷在高水位时期各种形态转化和循环机制,以期从定性和定量两方面说明冬季末水华暴发所消耗磷的来源.研究表明:高水位蓄水期、稳定期和水华期这3个阶段中各磷库磷通量各不相同.淹没消落带磷释放是该时期高阳平湖溶解性正磷酸盐的主要来源(占总输入通量的72.69%),其释放量与被淹没消落带面积和消落带水土界面磷交换速率有关,淹没消落带面积越多,磷交换速率越高,磷释放量越大,对整个磷循环的贡献越大.但水华期间藻磷的合成率最大仅为14.4%,藻类对冬季高水位期间所积累磷的利用量依然相对较低.     

三峡澎溪河高阳平湖高水位时碱性磷酸酶活性及其动力学特征

三峡水库汛末蓄水后易出现支流回水区磷累积现象,并在冬季末期常出现硅藻水华现象.为研究汛末蓄水的磷积累与冬季末期硅藻水华的相互关系,分析2013年1 3月三峡澎溪河高阳平湖库湾水体中碱性磷酸酶活性、磷形态的转化和藻类生长的协同过程.结果表明,总碱性磷酸酶活性(TAPA)及其最大反应速率(Vmax)、特异性碱性磷酸酶活性(PAPA/Chl.a)及PAPA与TAPA的比值(PAPA/TAPA)随着时间推移总体呈先增加后减小而后再增加减小的双峰趋势,分别在2月中旬和3月中旬达到峰值.根据冬季末期水华暴发程的特点将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个阶段.Ⅰ阶段为诱导期,水体活性磷主要来自藻类碱性磷酸酶分解的有机磷,藻类对磷过度摄取.Ⅱ阶段为过渡期,温度低,水体碱性磷酸酶活性相对较低.Ⅲ阶段为水华时期,水中碱性磷酸酶主要来源于细菌,叶绿素a浓度达到最大,溶解态反应性磷浓度达到最低;Ⅳ阶段为水华末期,水体叶绿素a浓度逐渐下降,溶解态反应性磷浓度回升,水中碱性磷酸酶主要来源于细菌.     

三峡澎溪河高阳平湖碳通量初步分析及不确定性

为明确三峡水库支流澎溪河回水区的碳收支特征,以澎溪河高阳平湖水域为研究对象,建立了河道型水库主要路径碳收支估算方法,对高阳平湖从2011年9月至2012年8月一个完整水文周年内主要路径的碳通量进行了收支动态分析.结果表明,2011年9月至2012年8月,澎溪河高阳平湖水域河流输入的碳通量为133548.55 t C,输出的碳通量为125651.82 t C,水-气界面的扩散碳通量为762.56 t C,消落带土-气界面的扩散碳通量为123.74 t C,水中气泡的释放碳通量为0.38 t C,降水输入的碳通量为104.58 t C,全年高阳平湖水域碳的净积累量为7114.63 t C,宏观上呈现碳积累特征;澎溪河高阳平湖水域水体碳素总体上呈现出河道型水库特有的纵向输移特征.高阳平湖水域上游大量碳素的输入及其在高阳平湖水域的滞留可能会是该水域水-气界面温室气体释放的主要来源.尽管总体上高阳平湖全年呈现出碳积累的特点,但一些方法依然存在不确定性(水-气界面扩散碳通量和气泡释放碳通量的时空异质性等),需要更系统、更长期的工作予以验证或改进.     

三峡澎溪河回水区流速对藻类原位生长速率的影响

为明晰不同流速水平对三峡支流回水区库湾藻类原位生长的影响,本文采用可调速的环形实验槽,选择三峡水库不同运行状态(低水位、高水位),对三峡澎溪河高阳平湖库湾藻类生物量(用叶绿素a浓度表示)变化特征进行原位受控实验.通过流速在0(对照)、0.1、0.2和0.3 m/s的实验发现,夏季低水位阶段澎溪河水域光热充足,但流速升高(0.2m/s)对藻类原位比生长速率具有一定影响.大体上,高阳平湖水域藻类原位比生长速率与流速水平呈对数关系.冬季高水位运行期间,流速的升高将可能在一定程度上促进水柱扰动,成为维持藻类在上层水体受光生长、避免下沉的主要因素.该时期,采用调节流速、流量的方法抑制藻类生长的难度相对较大.     

南四湖消落带底泥磷形态分布特征、影响因素及释放风险

南四湖是南水北调东线最大的调蓄湖泊,周期性水位涨落会形成大面积消落带,认知消落带底泥磷形态赋存特征、影响因素及释放潜能,对于保障东线调水水质具有重要的科学意义.本研究分析了南四湖消落带底泥磷形态分布特征,探讨了各形态磷与土地利用、母质类型及底泥理化因素之间的关系,评价了南四湖消落带底泥磷的污染程度并分析了其释放风险.结果发现,消落带底泥中总磷（TP）、无机磷（IP）、NaOH提取态磷（NaOH-P）、HCl提取态磷（HCl-P）和有机磷（OP）含量的平均值分别为745.37、510.51、50.42、460.09和234.86 mg/kg,以HCl-P为主的IP占比较高.南四湖消落带底泥各形态磷含量具有较高的空间异质性,TP、IP、OP、HCl-P和NaOH-P含量的变异系数分别为30.7%、36.9%、29.6%、37.6%和51.2%.自然湿地、乔木林地和水浇地等土地利用方式下的底泥NaOH-P、HCl-P、IP、OP和TP含量差异不显著.土壤类型对消落带底泥OP含量影响明显,但对TP、IP、NaOH-P和HCl-P含量则影响不大.NaOH-P含量与HCl-P含量具有显著正相关,与OP含量则具有极显著正相关.南四湖周边30多km²消落带底泥磷污染程度相对较高,轻度、中度和重度污染底泥分别占5.9%、76.5%和17.6%,部分区域底泥磷释放潜能较高.研究结果可为南四湖消落带内源磷释放控制以及水质保障提供科技支撑.     

三峡小江回水区段2007年春季水华与营养盐特征

2007年5月中下旬,三峡水库小江回水区发生水华,主要分布在高阳平湖、黄石代李子和双江大桥三处,对水华期间浮游植物群落特点和水环境特征的分析发现蓝藻占主导,约为浮游植物生物量的81.43%,优势藻种为水华鱼腥藻(Anabaena flos-aquae),结合水华期间总氮含量较非水华期间明显偏高且有机氮为氮素主要成份和许多蓝藻门藻种均带有异形胞的分析结果,认为此次水华是同氮型蓝藻水华,水华暴发前初春的强降雨过程导致小江回水区TP水平的普遍增加促使了TN/TP发生显著的变化,4月份较低的TN/TP水平诱使同氮型蓝藻在小江回水区迅速生长,并在5月份形成水华,水华期间生物量的增加造成水中磷酸盐浓度的降低,使得小江回水区表现出显著的磷限制特征,调查认为:高阳平湖段可能是小江回水区蓝藻水华的发源地,蓝藻生物体随流漂移至下游黄石代李子处并逐渐聚集,形成自岸边缓流带向河道中心逐渐延伸的肉眼可见的蓝藻生物聚集体,从而使得黄石代李子处具有最高的生物量和叶绿素值,而双江大桥处,则主要是由于河道过水断面的放大导致流速的降低,同时沿岸云阳县县城的排污使得这一河段的营养负荷相对提高,从而为上游随流漂移下来的蓝藻提供了较佳的生长环境.     

三峡水库蓄水后对支流大宁河富营养化特征及水动力的影响

三峡水库蓄水后支流大宁河水华频发,为了揭示水库蓄水以来,大宁河富营养化变化趋势以及水华暴发期间水动力等环境因子的影响特征,自2005年长期跟踪监测大宁河的水质状况,并于2010年针对东坪坝库湾2次典型水华事件,初步探讨了水华暴发期间的主要影响因素.结果表明:2005年以来,大宁河水体处于中度营养状态,水质尚好,但低估了水华敏感期的富营养化状况.东坪坝3月水华暴发期间,叶绿素a浓度与流速呈显著负相关,与pH、DO也呈显著相关,表明在此次水华期间,流速对藻细胞的增殖或聚集产生直接或间接的影响,pH和DO是引起水华暴发的主要水质因子;5月水华暴发期间,叶绿素a浓度与流速呈显著负相关,与流量呈显著正相关,同时与pH、透明度(SD)呈显著相关,表明在这次水华期间,流速和流量都对藻细胞增殖或聚集产生直接或间接的影响,pH和SD成为水质敏感因子.3月和5月水华暴发时间分别处于水库高水位运行期和泄水期,这可能是导致水华影响因子不同的主要原因,但具体机理还有待于进一步研究.本文结果表明在三峡水库调度运行的不同阶段支流库湾水华暴发的机制不同,需要针对不同时段支流库湾水环境特征分别加以调查研究.     

三峡支流澎溪河消落带落干初期N2O释放与反硝化特征初探

水库近岸湿地(消落带)土壤N2O释放和反硝化作用是消落带氮的生物地球化学过程的重要组成部分.以三峡水库支流澎溪河高阳平湖库湾消落带为研究对象,于2013年落干初期,采用C2H2抑制-原状土柱培养法研究该处自然植被恢复区、农耕区和对照组等不同土地类型土壤的N2O释放速率和反硝化速率,并测定了土壤p H值、氧化还原电位、温度、有机质、总氮、铵态氮、硝态氮和土壤孔隙含水量等环境指标.结果表明,自然植被恢复区土壤N2O释放速率为9.88±6.49 g N/(hm2·d),反硝化速率为58.94±52.84 g N/(hm2·d);农耕区土壤N2O释放速率和反硝化速率分别为7.71±4.44和30.70±25.68 g N/(hm2·d).不同土地类型间N2O释放速率差异显著,落干初期土壤氧含量、含水量及氮含量对不同土地类型N2O释放和反硝化作用影响明显.土壤氧含量的升高促进了自然植被恢复区的N2O释放,并在一定程度上抑制了该区域反硝化作用.农耕区土壤含水量高于自然植被恢复区,可能致使N2O释放速率低于自然植被恢复区,而反硝化速率高于自然植被恢复区.消落带土壤氮含量降低同反硝化速率降低有一定联系.     

三峡水库支流小江富营养化模型构建及在水量调度控藻中的应用

三峡水库蓄水以来,支流小江呈富营养化加重的趋势,且多次暴发春季水华.水库蓄水以后支流流速变缓,水体滞留时间增加,是引发支流水华的主要因素之一.基于MIKE软件,建立小江调节坝下游至河口的二维水动力-富营养化模型,考虑碳、氮、磷3种元素在浮游植物有机体、死亡腐屑和无机盐中的循环转化,模拟小江河段的春季水华过程.分析小江生态调节坝的水量调节抑藻作用,即人为制造"洪水脉冲",增加短时间内的水流流速,对下游流场进行扰动以控制水华.计算结果表明,增大泄水量对调节坝下游的小江河段的春季藻华总体上具有一定的抑制作用.小江上游河段调度作用效果明显,下游高阳至入汇口河段调节作用较小,上游调节坝水力调度可以作为三峡水库支流水华应急治理措施之一.营养盐控制应该是控制支流水华的根本措施.     

低浓度硝态氮促进微囊藻累积多聚磷酸盐

2016年以来太湖总磷浓度高位波动而总氮浓度持续下降,藻细胞内源性磷释放是湖泊水体总磷的重要来源,而多聚磷酸盐作为藻细胞内磷的储存库,其含量变化会显著影响藻细胞内源性磷的释放量.针对上述现象,开展了不同硝态氮浓度影响野外水华蓝藻及实验室纯培养的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)利用磷特别是合成多...     

鄱阳湖不同湖区营养盐状态及藻类种群对比

在平水期、丰水期和枯水期对鄱阳湖典型天然碟形湖、人控湖汊和主湖区进行了水质、藻类和蓝藻毒素等对比调查,结果表明鄱阳湖各个湖区的水质与藻类种群等差异较大,蓝藻毒素浓度和底泥中铁含量的分布具有一定关联性.在各水文季节蓝藻均为人控湖汊藻类的主要优势种之一.平水期鄱阳湖藻类生物量(叶绿素a浓度)与水体的pH呈正相关关系,与采样点的水深呈负相关关系,碟形湖区水体营养盐浓度和藻类细胞密度均较其他湖区水体低.丰水期各湖区的水质差异相对较小,碟形湖藻类细胞密度仍低于其他湖区,但蓝藻已成为各湖区的优势种,该时期藻类生物量与水体总磷浓度及浊度呈正相关关系.枯水季鄱阳湖各水体藻类生物量与水体总氮浓度、铵态氮浓度及电导率呈正相关关系,碟形湖与主湖区发生了完全分离,水体流动性差,暴发蓝藻水华的风险较高.高温丰枯季节鄱阳湖水体蓝藻毒素浓度与底泥铁含量呈现一定的相关分布关系,底泥铁含量高的地方,其水体蓝藻毒素浓度通常比较高,应警惕鄱阳湖流域富铁红壤流失带来的湖区蓝藻水华风险加剧后果.上述研究结果将为鄱阳湖水环境的预警和污染控制提供科学指导.     

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.     

三峡水库不同运行阶段澎溪河典型优势藻原位生长速率

在澎溪河高阳平湖半封闭库湾对不同生长策略的5种代表性藻种进行原位培养实验,初步探讨三峡水库不同运行阶段藻类原位生长速率和主要影响因素.结果表明,低水位时期,CR型生长策略的湖北小环藻(Cyclotella hubeiana)和兼具C、R、S型生长策略的卵形隐藻(Cryptomonas ovata)出现了正的生长速率特征,分别为0.128±0.006和0.210±0.010 d-1;高水位时期,湖北小环藻、CS型生长策略的空球藻(Eudorina sp.)、兼具C、R、S型生长策略的卵形隐藻具有较大原位生长速率,分别为0.175±0.009、0.326±0.016和0.187±0.009 d-1;泄水期,湖北小环藻、空球藻以及卵形隐藻依旧在较长时间内保持较高的原位生长速率,分别为0.231±0.012、0.281±0.014和0.406±0.020 d-1,但S型生长策略的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)随着水库泄水水位持续下降而逐渐体现出优势.低水位期影响上述藻种原位生长速率的主要因素为溶解性磷酸盐和水温.高水位时期影响显著的环境因素为颗粒态磷和研究水域最大风速.泄水期影响显著的环境因素为溶解性磷酸盐、溶解性无机氮和总氮.忽略藻类随流输移产生的干扰,不同生长策略藻种的原位生长速率与同期藻类群落演替特征具有一定关联.     

太湖水动力学三维数值试验研究——4.保守物质输移扩散

物质输移扩散规律是大型浅水湖泊水质变化机理研究的重要内容,对湖泊水环境的管理具有重要的现实意义,本文在太湖湖流三维模型研究成果的基础上,创建了太湖保守物质输移扩散三维数值模型,并用之模拟了1997年冬季1～2月太湖总磷含量的变化,计算结果表明,模型计算值与观测值吻合,本文所建的保守物质输移扩散模型,可用于冬季太湖营养盐含量时空变化的计算。     

太湖草源性"湖泛"水域沉积物营养盐释放估算

于太湖草源性"湖泛"暴发期,采集柱状沉积物并应用peeper被动采样装置获得"湖泛"区原位沉积物间隙水.泥水样品分析表明:"湖泛"发生水域表层(0~7 cm)沉积物的含水率、孔隙度和有机质含量均明显高于对照区,其中有机质含量更是对照区样品的4倍左右,沉水植物残体促使表层沉积物物化性质改变的作用明显;"湖泛"发生水域表层沉积物间隙水中铵态氮(NH+4-N)、溶解性反应磷(SRP)及Fe2+含量远高于未发生区,植物残体降解对沉积物厌氧环境的营造显著.运用分子扩散模型对沉积物释放通量估算:"湖泛"发生区沉积物NH+4-N、SRP和Fe2+的释放速率分别是对照区的49.8、15.3和123.1倍.研究认为,草源性"湖泛"水体氮、磷等营养物含量升高的主要原因是沉积物的释放,而"湖泛"所营造的厌氧环境是氮、磷释放急剧增加的主要驱动因素.     

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.     

基于突变理论的太湖蓝藻水华危险性分区评价

蓝藻水华暴发是湖泊生态系统中营养物质长期累积的结果,是系统营养经长期演化后的极端状态.突变理论评价方法无需确定指标权重,减少了人为主观因素,并且计算方便.本文基于突变理论,采取蓝藻水华暴发的表征因子(叶绿素浓度)和导致蓝藻水华暴发的环境因子(总氮和总磷)作为潜在危险性评价指标,蓝藻水华的面积、范围以及暴发频次作为历史危险性评价指标建立多准则蓝藻水华暴发风险评价指标体系,并结合太湖九个分区进行蓝藻水华暴发危险性分区及全湖评价.研究结果表明:竺山湖和西部沿岸为极重危险性湖区;梅梁湾为重度危险性湖区;南部沿岸、贡湖和大太湖为中度危险性湖区;箭湖东茭咀、东太湖和胥湖蓝藻水华暴发危险性较小,为轻微危险性湖区.整体上看,太湖蓝藻水华暴发危险性程度由轻到重基本上沿东南-西北方向变化,与营养盐浓度由低到高分布趋势相一致.根据评价结果,可以明确太湖各区遭遇蓝藻水华暴发危险性的大小,为蓝藻水华风险管理和应急处理提供科学依据.     

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.