太湖流域营养盐沉积200年的历史模拟研究

介绍边界条件设置为工业时代以前太湖流域处于自然农耕状况下,对太湖的总氮和总磷沉积反演200年的数值模拟研究。模拟反映了自然状况占1990s湖泊富营养化观测资料的湖区总氮约7%,占总磷约12%。模拟总氮和总磷浓度与太湖沉积钻孔沉积样推算的水体含量的数量级和变化范围相当,太湖流域的营养盐空间来源模拟也能够与流域自然地理变化吻合,表明模拟能够捕捉到流域营养盐历史变化特征,对湖泊营养物质来源、沉积和空间分布的流域环境历史变化响应具有良好模拟能力。      

基于气候模式统计降尺度技术的未来青海湖水位变化预估

借助于全球气候模式(德国MPI ECHAM5.0)输出信息和流域最近40年的气象观测资料,建立青海湖流域统计降尺度模式(QH-SDM),从而得到流域尺度未来30年(2010-2030年)气候变化情景,并由此驱动水文模型SWAT及湖泊水量平衡模型模拟了青海湖近几十年水位变化过程,预估了未来30年青海湖湖泊水文变化情景。结果表明,青海湖水位的未来变化将经历缓慢下降、逐渐回升、稳步升高3个阶段,到2030年,湖泊水位将达到3195.4 m左右,高出目前水位约2.2 m,面积接近4500 km2,蓄水量达到813亿m3,湖泊恢复到了20世纪70年代初的水平,预计这一结果将会缓解目前青海湖流域水资源紧缺的格局,并有利于植被恢复,减少土地沙化面积,对流域生态环境的改善和国民经济的发展将十分有益。     

气候变化对伊逊河流域水资源量的影响

海河流域作为中国水资源最为紧张的流域,其水资源对气候变化非常敏感.以海河流域中受人类活动影响较小的伊逊河流域为对象,基于海河流域未来气候变化研究成果构建了20种气候变化情景,应用具有物理机理的分布式流域水文模型模拟了不同气候变化情景下的流域水循环情景,对气候变化对伊逊河流域水资源量的影响进行了分析,结果表明气温升高1℃将使流域内3.8mm的径流转化为蒸散发,降水的增加将使流域的蒸发和径流都有所增加,其中新增降水50%转化为蒸发,30%转化为径流.同时径流和蒸散发对于高温和强降水更为敏感.未来气候变化的不确定性使未来水资源量的变化也有很大的不确定性,在以升温为主、降水变化存在很大不确定性的情况下,伊逊河流域天然径流量可能进一步衰减.     

粮食产量对气候变化驱动水资源变化的响应

水资源是支撑粮食生产的重要因素之一,气候变化驱动下的水资源变化及对粮食产量的影响是当前研究的国际前沿和热点问题。以汾河流域冬小麦和夏玉米2种主要粮食作物为研究对象,利用线性回归、人工神经网络、支持向量机、随机森林、径向基网络、极限学习机等6种机器学习算法构建粮食产量模拟模型,基于气候弹性系数法分析水资源量对气候变化响应关系,在流域尺度上研究粮食产量对气候变化驱动水资源变化的综合响应。结果表明:①机器学习算法能够较好地模拟汾河流域的冬小麦和夏玉米产量;②降水增加10%导致汾河流域水资源量增加19.4%,气温升高1℃导致水资源量减少4.3%;③当降水减少10%~30%时,冬小麦产量减少6.4%~19.3%,夏玉米产量减少4.0%~15.0%;④当气温升高0.5~3.0℃时,冬小麦产量预计增加1.8%~17.1%,夏玉米产量预计增加1.2%~7.9%;⑤汾河流域冬小麦产量对降水和气温变化的敏感性大于夏玉米。相关成果对于区域水资源管理和农业生产策略制定具有重要的科学意义和实用价值。     

气候变化对大凌河流域径流影响研究

利用区域气候模型PRECIS RCM模拟结果分析了研究流域未来温室气体在A2排放模式下规划水平年气候变化情况。将PRECIS模型模拟降水、蒸散发数据输入水文降雨径流NAM模型中,分析未来气候变化对研究流域径流影响。分析结果表明,未来气候变化条件下,受降水、蒸发变化影响,大凌河流域径流量会显著增加。     

西南河流源区径流量变化规律及其未来演变趋势

采用统计学方法及集合经验模态分解、小波分析、水文模型等多种方法,在对气象水文、湖泊岩芯、树木年轮、气候模式数据进行深入分析的基础上,研究了西南河流源区径流变化规律与历史丰枯规律及其驱动机制,分析了未来气候变化影响下的径流演变趋势。结果表明：三江源地区的径流近50 a整体表现为上升趋势,雅鲁藏布江流域除尼洋河外的其他区域年径流量整体呈不显著下降趋势,气候变化是导致三江源、雅鲁藏布江和怒江流域径流变化的主要原因,其中降水是引起径流变化最关键的因子;主要河流径流不同时间尺度的丰枯演变规律为,雅鲁藏布江中游全新世洪水事件呈现出早晚全新世频繁、中全新世相对较少的特征,近500 a怒江流域重建径流序列存在10个丰水期和10个枯水期,丰枯序列变化主要受季风环流和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)活动的影响;在未来15～60 a,全球持续增温将使西南河流源区平均年径流深相比近30 a增加6%～14%,而极端径流呈现出“干更干、湿更湿”的变化特征,同时生态因子对径流变化的影响不可忽视。     

气候变化和人类活动对伊塞克湖水位变化的影响及其演化趋势

结合气象、水文、冰川变化和人类活动序列资料,应用水量平衡方法分析了气候变化和人类活动对吉尔吉斯坦伊塞克湖1927—2008年水位变化的影响.结果表明:降水量和入湖径流量是湖泊水位变化的决定因素.在水量平衡各要素中,降水量和入湖径流量与湖泊水位变化的正相关关系最为密切,而灌溉耗水对目前湖泊水位的变化的影响仅处于次要地位.由于气候变化,流域高山区气温上升显著,湖面降水量和入湖径流量增加明显,导致湖面于1998年停止下降,开始回升,到2008年底已经上升了0.59 m.按照所有SRES情景预估的未来升温情况,伊塞克湖水位还将会因为雨雪比例的增大及冰川融水的大量增加而上升.因此,伊塞克湖水位现在已经处于自然波动恢复状态中,不需要从其他流域向伊塞克湖调水来恢复湖水位,但要注意灌溉回归水可能会对湖水造成一定的污染.     

1975-2006年西藏羊卓雍错流域内湖泊水位变化对气候变化的响应

根据1975年地形图、1988年至2006年的TM、CBERS卫星遥感资料和1962-2006年逐年平均气温、降水量、蒸发量、相对湿度、风速和日照时数等气象资料以及1974-2005年的湖泊水位水文资料,对西藏羊卓雍错及其流域内的空姆错、沉错和巴纠错等4个湖泊的水位变化以及对气候变化的响应作了分析.结果表明:该区湖泊面积在近30 a来呈缓慢下降趋势,2005年与1975年相比,分别减少了46.55 km2、1.73km2、0.03 km2、6.01 km2,减少幅度分别为7.2%、4.3%、0.1%、13.6%.其主要原因是,由于羊卓雍错的湖水主要以降水补给为主,在降水增加、气温上升的情况下由于升温引起的湖泊蒸发效应超过降水增加导致的补给影响,是湖泊面积下降的主要原因.     

土地利用和气候变化对王家桥小流域径流的影响

以三峡库区内典型小流域王家桥为例,利用SWAT模型模拟土地利用和气候变化及两者共同作用对径流的影响。结果表明:扩大耕地、退耕还林、发展经济林的土地利用情景下,年均径流量较基准年变化率分别为15.13%、-13.99%、23.22%,退耕还林能有效调节和减少流域径流量;浓度路径为RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5的气候变化情景下,径流量变化率分别为7.13%、7.78%、8.91%,径流量随未来温室气体和硫酸盐气溶胶排放情况增大而增加;两者综合情景下年均径流量均增加,2030年左右增幅较显著;对影响径流的因素进行方差分析,发现土地利用变化对径流的影响比气候变化的影响更显著。在未来气候变化背景下,可通过合理配置流域的土地利用类型,实现对流域水量平衡的调节。     

气候变化对湖泊蓝藻水华的影响研究综述

在全球气候变化的影响下,湖泊蓝藻水华面临着规模扩张、频率增加和持续时间延长的发展趋势,严重威胁着湖泊生态系统服务功能和人体健康。系统阐述了外部环境因子和内部生理生态特征对湖泊蓝藻水华发生的作用机制,探讨了气温升高、CO₂浓度增加、极端气候事件频发对湖泊蓝藻水华发生机制的影响途径和过程,初步搭建了以“机理解析—模型构建—模拟预测—风险评估”为主线的气候变化对湖泊蓝藻水华的影响研究框架,并提出了应对气候变化的湖泊蓝藻水华防控策略。针对目前研究存在的问题,从大数据监测平台搭建、机理模型构建及风险预测、营养盐控制标准制定、防控政策制定等方面提出了未来研究的重点方向,以期为湖泊蓝藻水华的综合防治提供科学支撑。     

The characteristic and environmental pollution records of phosphorus species in different trophic regions of Taihu Lake, China

Total organic carbon (TOC), Total nitrogen (TN) and the phosphorus species concentrations of sediment cores taken from Zhushan Bay, Meiliang Bay, and East Taihu Lake regions in Taihu Lake, a large shallow lake in China, were determined. Experimental results showed a conspicuous eutrophication trend in the northern area of Taihu Lake. Inorganic P was found to be the main phosphorus form. Fe-bound P accounted for the largest proportion of Inorganic P in Meiliang Bay, an alga-type lake region. In East Taihu Lake, a macrophytic lake region, Ca-bound P was found in higher proportions than in other lake regions, with Organic P present in similarly large proportions. With respect to Taihu Lake sediment cores, the date at approximately 20 cm layer depth was roughly identified as 1950s, while upper 5 cm layers corresponded to the turn of the century. The drastic increase in phosphorus species concentration except for Ca-bound P was indicative of the large quantities of effluent discharge into Zhushan Bay owing to the increased industrial and agricultural production from the 1950s onwards. TN, Inorganic P, Organic P, and total phosphorus (TP) concentrations increased by over 2, 2.5, 2 and 2.5-fold, respectively, over the past five decades. A large proportion of Organic P accounted for TP, and high C/N ratios indicated that East Taihu Lake can be properly classified as an oligotrophic lake.     

白洋淀近70年生态环境演化过程及影响因素

基于白洋淀北部沉积岩心210Pb和137Cs测年、重金属元素、营养元素、粒度和硅藻优势属种分析,结合水文、气候以及保定市和安新县社会经济统计资料,重建了白洋淀近70年以来的生态环境演化历史,并探讨了影响硅藻优势属种演替的主要驱动因素.结果表明:1960年之前,重金属和营养元素处于较低的水平,硅藻属种以Aulacoseira granulata为主,反映湖泊生态环境处于自然演化阶段;1960年前后,由于受到上游水文调控的影响,白洋淀TP和TN含量开始缓慢增加,富营养指示种Cyclotella meneghiniana明显增加;1960~1990年,TP和TN含量明显升高,反映快速农业化进程中营养物质输入增加,但重金属含量仍保持在较低的水平,硅藻属种以A.granulata和C.meneghiniana为优势组合;1990年以来,流域工农业活动的快速发展导致重金属和营养盐富集,尤其是2000年以后,重金属和营养盐富集进一步加剧,此时硅藻组合也发生了重大转变,由1990年前的A.granulata优势种转变为1990年后的C.meneghiniana优势种,重金属耐受种Nitzschia palea也自2000年以来开始持续增加.冗余分析表明沉积物重金属、TP、TN、温度、风速、入淀水量和水位是影响白洋淀近70年以来3个硅藻优势属种演替的显著因子,其中重金属和营养是硅藻组合演替的主要驱动因素,水文过程、温度和风速是硅藻组合演替的重要诱因.      

中国东部浅水湖泊参照状态确定的非参数方法

根据中国东部浅水湖泊受人类活动影响较严重的情况,将季节分解的非参数局部线性回归模型、频率分析和几何分块自助法有机结合,提出了一种基于非参数方法的湖泊参照状态确定的新方法。该方法首先将季节分解模型用于湖泊营养盐及其响应物的观测值,选取出适合用于推断参照状态的时间段;其次使用频率分析法分析此时间段内的观测值,并给出湖泊总氮、总磷和叶绿素a的参照状态值;最后用几何分块自助法给出各自的置信区间。该方法能有效克服前人提出方法的缺点。以太湖为例,采用该方法推断了参照状态浓度,总氮为0.78mg/L,总磷为0.030mg/L,叶绿素a为2.63μg/L;给出相应的95%置信区间分别为0.57~0.83mg/L、0.025~0.046mg/L和1.86~2.65μg/L。该方法也可适用受人类活动影响较大的中国东部其他浅水湖泊。     

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。     

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。     

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。     

太湖大浦湖区近百年来湖泊记录的环境信息

通过对太湖TJ-2钻孔的137Cs、粒度、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)及化学元素等多指标综合分析,探讨了太湖大浦湖区近百年来的环境演变特征。研究结果表明,20世纪50年代以前,沉积物中大部分金属元素如Al、Mn、Cu、Cr、Ni、Zn与粘土含量具很好的相关性,相关系数在0.74～0.82之间。此阶段湖泊生产力不高,水环境较好,沉积物以较低的营养元素含量为特征。50—90年代,是太湖向现代湖泊环境转化的显著时期,湖区生产力大幅提高,人为活动对湖泊系统严重干扰,湖区迅速达到富营养化。在沉积物中表现为Fe/Mn值下降,有机碳、总氮、总磷与重金属元素急剧上升,且重金属元素变化明显不同于沉积物粒度及Al元素变化曲线。90年代以后,湖区一直持续着富营养化状态,富营养趋势渐缓,沉积物中粘土含量上升、营养元素稍降及重金属指标变化不明显的趋势很好地体现了这一特征。TJ-2钻孔显示的环境信息与湖泊实际环境监测结果基本一致。