太湖梅梁湾富营养化主要驱动因子的多时间尺度分析

采用太湖湖泊生态系统研究站太湖梅梁湾富营养化四种主要驱动因子叶绿素a(Chl.a)、水温、总磷(TP)、总氮浓度1992-2010年的监测数据,利用小波变换方法,分析了四种因子不同时间尺度上的时间格局特征.结果表明,四种驱动因子在年际和年代际尺度上都具有清晰的多时间尺度特征,主周期各不相同,但Chl.a和TP浓度的小波实部变化趋势具有较高的一致性.本文分析了各因子在不同时间尺度上的强弱分布以及高低交替,并在此基础上从时间尺度的角度预测出在未来3~5年内,太湖梅梁湾湖区的富营养化程度将保持在一个比较平稳的水平,为太湖富营养化的认识和治理提供更加可靠的科学依据.     

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.     

太湖梅梁湾富营养化过程的同位素地球化学证据

以浅水湖泊太湖为研究对象,通过湖泊水体、水生生物同位素以及相应湖泊水体营养指标的比较分析,并根据梅梁湾钻孔沉积物TN,TP,TOC,C/N,δ15N,δ13C等多项指标记录,恢复了湖泊富营养化过程.研究结果表明,不同湖区植物碳、氮同位素值和水体NH4+的δ15N值变化反映了植物组成和营养水平的差异.梅梁湾水体NH4+的δ15N和水环境参数不同月份的变化反映了外部营养载荷的输入对湖泊环境有明显的影响.1950～1990年湖泊沉积物有机质碳、氮同位素同步变化的趋势说明湖泊初级生产力的增长和湖泊逐渐富营养化的过程,而1990年之后二者之间反相关关系的出现表明在富营养条件下,大量浮游植物生长对富15N的无机氮的吸收及表层沉积物有机质分解和反硝化作用,代表湖泊富营养化加剧.以同位素示踪,并结合元素地球化学指标变化,将太湖梅梁湾富营养化过程分为三阶段,以20世纪50年代和20世纪90年代为营养状态的转换时段,揭示了人类活动不断加强的影响,与近50年来的湖泊环境监测结果一致.     

太湖水体氮素污染状况研究进展

氮是引起湖泊富营养化的关键要素之一.传统观点认为氮缺乏时,湖泊生态系统可以通过生物固氮作用从大气中获取氮来满足自身的需求,因此认为淡水湖泊水体的生产力主要受磷限制.但随着进一步的研究,发现氮限制与氮和磷共同限制更为普遍,且氮的限制常常伴随着水体的富营养化,因此了解富营养化湖泊水体的氮素污染状况具有重要意义.本文介绍了太湖水体氮素的污染状况及其发展趋势,从外源、内源两大方面介绍了太湖水体中氮素的来源,着重分析和比较了河道输入、大气输入以及沉积物释放不同污染源的输入比例.太湖水体氮素污染存在很大的空间差异,其中西部和北部污染较重而东南部相对较轻,入湖河道输入的外源污染是造成太湖水质空间分布差异的主要原因,其中农业面源污染及生活污染在太湖外源污染中占据了相当的比重;湖泊底泥所造成的内源释放也是氮素污染的一个重要原因,但目前对释放量的估算主要是基于底泥悬浮引起的总量估算,关于这些释放量能有多少比例可以被浮游植物利用还不清楚,尤其是有机颗粒物在水体中停留期间的矿化再生值得进一步研究;在氮素的生物转化过程中,生物固氮目前对太湖氮素输入的贡献很小,反硝化作用是太湖水体氮素自净的主要途径.     

浅水湖泊湖沼学与太湖富营养化控制研究

自2007年无锡暴发饮用水危机事件以来,太湖经历了前所未有的高强度、大规模治理,各种治理措施累计投资已经超过千亿元.监测显示,在治理初期太湖的氮、磷浓度下降明显,水质有所好转,但最近几年关键水质指标总磷与浮游植物叶绿素α浓度出现了波动,蓝藻水华有所反弹.研究表明,太湖的外源负荷并没有减少,这与城镇用水量增加、污水排放标准偏低、面源污染削减不足有很大的关系;同时,内源负荷也因为蓝藻水华的持续而加重,浅水湖泊水深浅、扰动强的特点强化了磷的循环利用效率,加剧了内源负荷对湖泊富营养化和蓝藻水华的影响.气候变暖叠加营养盐富集的复合效应、流域风速下降以及暴雨事件频次和强度增加等气象水文条件变化,都促进了太湖蓝藻水华的暴发;蓝藻水华的时空分布特征则受湖泊水动力的决定性影响.太湖治理的曲折过程,凸显了大型浅水湖泊湖沼学研究的不断深入与发展,未来需要继续加强多学科交叉研究,特别是基于湖泊-流域系统的气象水文、生物地球化学和生物生态学的学科交叉.对于太湖生态环境的综合治理和管理,既要注重湖泊与流域相结合,更需要重视自然科学和人文科学的有机融合,才能真正达到控制太湖富营养化、维护流域水环境安全与社会经济可持续发展的目标.     

考虑生活史的太湖沉水植物优势种遥感监测

水生植物是浅水湖泊的重要类群,也是湖泊环境变化的指示物,快速监测水生植物的时空分布对湖泊生态修复和管理具有重要的指导意义.基于多时相环境星影像,构建太湖水生植物分类决策树模型,将太湖水生植物分成挺水、浮叶和沉水植物3种类别,结合沉水植物优势种生活史特征,提出了一种考虑生活史信息的太湖沉水植物优势种遥感监测方法,并对太湖7大沉水植物优势种进行时空监测.通过2013年7、8和9月野外调查样点验证,3期遥感影像分类后总的精度分别为83.04%、81.82%和85.47%,2013年太湖沉水植物优势种总体识别精度为62.20%.提出的水生植物遥感分类及沉水植物优势种识别方法为太湖管理部门开展水草打捞和生态修复提供依据和参考,同时为研究太湖沉水植物的历史变迁奠定基础.     

浅水湖泊生态系统的多稳态理论及其应用

在“八五”期间太湖研究工作的基础上,发展和充实了浅水湖泊多稳态理论,简要介绍了多稳态概念模型,并将这一理论和模型贯穿于太湖富营养化防治研究中;总结了太湖各湖区的状态演化过程,提出保护东太湖生态环境和治理五里湖的策略及技术路线,并付诸于实验;证明了利多稳态理论和多稳态模型指导湖泊富营养化防治的可行性。     

入湖河流污染控制技术在云南高原湖泊应用初见成效

在水体富营养化控制中面污染源控制迄今仍是世界性难题,在我国面污染源控制问题已经成为湖泊富营养化防治中的卡脖子因素,许多湖泊因面污染源得不到有效控制而不可避免地发生着富营养化,而作为国家重点治理的太湖、滇池、巢湖也因面污染源得不到有效控制而进展迟缓,诸多重要的城市水源水体普遍遭受到面源污染。 针对云南九大高原湖泊普遍出现的加速富营养化趋势,中国科学院南京地理与湖泊研究所科研人员提     

环太湖地区河道和湖泊沿岸带水生植物多样性现状调查

环太湖地区经济发达,人口密集,近年来面临严重的富营养化、生境退化和外来水生物种入侵等环境问题.为明确环太湖地区河道和湖泊沿岸带水生植物多样性现状,于2018年开展本地和外来水生植物多样性调查.结果表明:(1)在环太湖地区共计进行65个群落样方调查分析,记录到38种水生植物,分属22科29属;(2)环太湖地区31个河道样方中入侵沉水植物水盾草重要值最高,其次为另一种入侵漂浮植物凤眼蓝,在34个湖泊沿岸带样方中凤眼蓝重要值最高;(3)环太湖地区河道和湖泊沿岸带样方生物多样性分别随着水盾草和凤眼蓝盖度的增加而降低,表明外来入侵植物影响水生植物生物多样性.环太湖地区湖泊需加强防范凤眼蓝漂浮生长分布范围扩大和水盾草沿河道入侵太湖湖区.这一地区同时面对水生植物覆盖面积减少和外来植物入侵问题,建议进行全太湖流域水生植物分布区域和生物多样性摸底普查,加强对外来入侵植物传播的监控,建立水生植物自然保护区.     

鄱阳湖外围湖泊水体营养波动周年特征的比较湖沼学研究

近年来,我国最大淡水湖泊湿地鄱阳湖的水体富营养化趋势明显且日益受到各方关注,而对鄱阳湖湖体外围各类浅水湖泊富营养化情况及其动态却了解颇少.为深入了解鄱阳湖外围不同湖泊的富营养化现状、季节动态及驱动机制,于2014-2015年对毗邻鄱阳湖南岸的南昌市大小不同的3个城市或城郊浅水湖泊(青山湖、瑶湖、军山湖)水质参数和营养状态进行周年观测.结果表明,青山湖、瑶湖和军山湖的高锰酸盐指数范围分别在2.6~4.5、2.1~4.6和1.6~1.9mg/L之间,仅军山湖目前未受到有机物污染影响,3个湖泊两两之间均呈极显著差异.青山湖和瑶湖水体总氮(TN)、总磷(TP)浓度远高于湖泊富营养化转换的阈值(TN:0.20 mg/L,TP:0.02 mg/L),且TP污染最为严重,仅达到地表水Ⅳ~劣Ⅴ类标准.在3个湖泊中,水体氮主要以可溶性态氮的形态占优势,水体磷形态除了军山湖外,另外2个湖泊主要以颗粒态磷占优势.青山湖、瑶湖和军山湖的叶绿素a(Chl.a)浓度范围分别为34.65~184.48、7.66~120.67和2.42~17.41μg/L,各湖泊的Chl.a浓度均在冬季达到最低值,且军山湖与其他2个湖泊的Chl.a浓度均呈极显著性差异,青山湖与瑶湖无显著差异.基于综合营养状态指数法对3个湖泊的营养状态进行评价发现,青山湖富营养化程度最高,已达到轻-中度富营养的稳定富营养状态;其次为瑶湖,营养状态不稳定,在中营养-轻度富营养-中度富营养水平之间巨幅波动;军山湖相对最低,全年整体处于贫营养-中营养状态之间,处于波动上升的趋中营养状态.同时发现3个湖泊的水体富营养化程度的年内波动依赖于不同的水温环境,水温是以上3个亚热带浅水湖泊富营养化程度年内季度波动的重要影响因子之一.Pearson相关分析还发现,3个湖泊的Chl.a浓度均与水柱TN和TP浓度呈显著正相关,其中青山湖和军山湖的水柱Chl.a浓度与总溶解性氮和总溶解性磷浓度均呈极显著正相关关系.整体来说,水柱氮是影响3个湖泊水环境特征的主导因子之一,磷是2个富营养化湖泊的主导影响因子,在富营养化湖泊控制和削减磷营养盐输入的同时,应考虑如何有效降低氮的输入,并着力控制中温季节(水温为15~25℃)的营养输入和快速富营养化风险防控;中营养湖泊(军山湖)应在控制磷的输入和消减水柱氮上进行系统调控,尤其重视高温季节(水温25℃)的防控与预警,这将对鄱阳湖外围浅水湖泊的水环境保护和治理提供重点方向与新型管理思路.     

2007年以来太湖总磷污染负荷质量平衡计算与分析

磷是太湖富营养化的关键性指标,为了解太湖总磷内、外源变化趋势及特征,从总磷污染负荷动态平衡角度分析太湖总磷主要来源与总磷浓度高位波动的原因,本研究基于2007年以来长时序水量水质监测资料和调查数据,开展了太湖进出各途径的总磷负荷质量平衡估算及分析。结果表明,2007—2020年入湖河道输入总磷负荷为1835～2799 t,占太湖总磷负荷的55%～73%,是外源输入最主要的途径;大气干湿沉降输入353～1380 t,占太湖总磷负荷量的12%～38%,是太湖总磷外源输入的第二大途径;太湖水体中总磷负荷量约占8%～15%。出湖河道输出总磷负荷量为516～906 t,占太湖总磷负荷量的13%～30%;水生动植物捕捞总磷负荷量为115～312 t,占太湖总磷负荷量的4%～12%,水厂输出占2%～3%左右;约41%～74%的总磷负荷量滞留于太湖湖体中,成为影响太湖总磷浓度的重要内源。同时,太湖地区气温升高、太湖水体流动速度加快一定程度上又加速了内源污染释放,使其成为总磷改善的限制性因素。     

2016—2020年长江中游典型湖泊水质和富营养化演变特征及其驱动因素

“十三五”时期,长江流域水环境质量改善明显,但湖泊水质和富营养化状况改善滞后.长江中游作为我国淡水湖泊集中分布区域之一,部分湖泊存在水环境质量恶化和富营养化加重问题.本文以长江中游区域国家开展监测的洪湖、斧头湖、梁子湖、大通湖、洞庭湖和鄱阳湖这6个典型湖泊为研究对象,科学评价其2016-2020年水质和富营养化时空变化特征及关键驱动因素,探讨其成因及治理对策.结果表明,“十三五”时期长江中游湖泊水质和富营养化程度存在较大差异,与2016年相比,2020年大通湖水质改善最为明显,梁子湖水质变差,总磷是影响长江中游湖泊水质类别的主要因子;洪湖富营养程度恶化最为严重,斧头湖次之,TLI(SD)对长江中游湖泊富营养化评价贡献最大.目前长江中游湖泊呈有机污染加重和叶绿素。浓度升高现象,洪湖、斧头湖和梁子湖主要与氮、磷营养盐浓度升高有关,而大通湖、洞庭湖和鄱阳湖受水文过程、流域纳污量和湖泊管理等非营养盐因素影响较大.总氮和总磷仍然是影响“十三五”时期长江中游湖泊水质和富营养化的最主要驱动力,且各湖泊总氮和总磷浓度变化均具有较强正相关性,建议开展河湖氮、磷标准衔接工作,提出河湖氮、磷标准限值或考核目...     

2010-2017年太湖总磷浓度变化趋势分析及成因探讨

近年来,太湖流域各省市政府加大治理力度,流域水体水质取得明显好转,氨氮浓度和总氮浓度呈大幅度下降趋势,然而太湖水体总磷浓度呈上升趋势.为探讨太湖总磷浓度升高的原因,采用太湖流域管理局2010年以来的水质水量实测数据、遥感监测数据等,分别从太湖入湖河流污染负荷量、水生植被和蓝藻与总磷浓度的关系3个方面进行相关性分析.结果表明,入湖河流总磷浓度高于太湖水体总磷浓度,且磷不易出湖,逐年总磷净入湖量持续累积与太湖总磷浓度有明显的正相关性,入湖污染负荷量大是太湖总磷浓度居高不下的根本原因;水生植被可吸收湖泊沉积物中的营养盐,并抑制底泥再悬浮从而降低内源性营养盐的释放,东太湖水生植被的大量减少,一方面减少了沉水植物对磷元素的吸收,另一方面增加了风浪对底泥的扰动再悬浮,造成磷元素释放,是造成湖水总磷浓度升高的重要因素;近年来太湖蓝藻密度呈上升趋势,受其影响,总磷浓度也有上升,蓝藻水华加快湖体磷循环,藻类密度增加也是太湖总磷浓度升高的影响因素之一.     

“引江济太”对2016年后太湖总磷反弹的直接影响分析

针对“引江济太”工程将总磷浓度偏高的长江水引入太湖后对2016年后太湖总磷反弹的影响,本文实测并收集整理了2016年前后“引江济太”调水入湖水量、磷通量及全太湖入湖水量、磷通量与太湖磷存量等数据,对2016年前后“引江济太”调水入湖水量、磷通量、磷形态与其他入湖河道水量、磷通量、磷形态以及全太湖的水质、受水区贡湖的水质进行了分析.结果表明：2016年前后,“引江济太”年均入湖磷通量为97.56 t,年均入湖水量为8.16亿m³,从调水量、入湖磷通量、调水后短期磷响应及各湖区磷增量来看,“引江济太”与2016年后太湖总磷反弹相关性不强.“引江济太”调水累计入湖磷通量为877.97 t,占太湖总入湖磷通量的4.58%,累计入湖水量占太湖累计入湖水量的7.36%,单位水量携带的磷通量仅为其他来水的一半左右,占比相对有限.与太湖主要入湖河流相比,“引江济太”调水属于优质来水,湖泊的入湖河流总磷浓度一般都高于湖泊本身的总磷浓度,“引江济太”调水总磷浓度偏高属于正常范围.目前“引江济太”工程在保证供水安全、缓解水华危机的同时对处于严重富营养化状态的太湖具有一定的改善效果,但未来引水量增加的情况下,必须继续关注引水带来的磷通量与太湖磷循环系统的关系,确保“引江济太”对太湖继续产生良性的影响.     

2015-2016年环太湖河道进出湖总磷负荷量计算及太湖总磷波动分析

太湖流域水环境综合治理力度空前,太湖总磷浓度却于2015、2016年重回升势,蓝藻大面积暴发情况也未得到有效遏制.本文从2015和2016年环太湖河道的进出太湖水量、总磷负荷量计算入手,结合雨情、水情、太湖调蓄以及人为影响等各方面因素,分别开展水量和总磷负荷质量的平衡分析.在此基础上,结合20102017年环太湖河流多年平均进出太湖总磷负荷量对比,分析太湖总磷的外源、内源变化趋势及来源,探讨2015和2016年太湖总磷升高的原因及控制重点方向.结果表明,2015和2016年为太湖流域丰水年,尤其是2016年发生特大洪水,太湖年内最高水位达4.87 m,仅次于1999年的4.97 m的历史最高水位.2015和2016年大量外源总磷负荷进入太湖,其中环太湖河道带入的总磷负荷量占年度太湖总磷负荷总量的66.8%和74.2%,成为进入太湖的总磷负荷的主要外源;加之,2015年太湖水生植物收割造成当年沉水植物面积较上年同期下降88.7%,水生植物骤减导致对磷的吸收转化能力下降,滞留在湖体中的总磷负荷量占年度太湖总磷负荷总量的21.5%和27.5%,成为影响太湖水体总磷浓度的重要内源.太湖总磷浓度升高又为太湖蓝藻暴发进一步提供了营养盐基础,亟需强化太湖总磷源头的控制、减少总磷入湖总量.     

确定太湖流域湖库总磷参照浓度的改进MEI模型

太湖流域湖泊污染严重,非常有必要建立相应的水质基准以便于湖泊水体的保护与修复.根据太湖流域12个受人类影响较小的湖库及太湖早期的总磷、总碱度、平均水深等数据建立了MEI(morphoedaphic index)模型,通过对模型中总磷与总碱度、平均水深因子的相关关系进行分析,并结合太湖流域湖库水深较浅的特征,提出了确定太湖流域湖库水体中总磷参照浓度的改进MEI模型.将该模型应用于太湖,得到太湖总磷参照浓度为0.025 mg/L.研究结果旨在丰富我国水体营养物基准的确定方法,并为太湖流域水体富营养化的控制提供理论依据,同时为长江中下游类似湖库水质基准的建立提供技术支撑.     

太湖上游流域经济发展对废水排放及入湖总磷的影响

为探索太湖流域水环境质量随经济发展的变化趋势,利用环境库兹涅茨曲线模型模拟1978-2012年太湖上游流域人均GDP与废水排放量、入湖总磷负荷的关系.结果表明:以1978年为计算基期,太湖上游流域人均GDP年均增速为10.3%~11.8%;1990-2012年,太湖上游流域年均工业废水排放量和废水排放总量分别为64799×104、93707×104t,与人均GDP均呈倒U型关系,从2006-2007年、2008-2009年呈下降趋势;入湖总磷负荷与太湖上游流域废水排放总量呈显著正相关,且与人均GDP呈倒U型关系,从2007-2008年呈下降趋势,在1990s以前为850~1200 t/a,1990s以后为1300~2000 t/a.该研究为从经济学角度评估太湖上游流域废水排放、入湖总磷负荷及其变化趋势提供科学依据.     

近70年来太湖水体磷浓度变化特征及未来控制策略

分析湖泊中磷浓度的变化特征,揭示其变化的驱动机制,是有效实施湖泊水体磷浓度控制的前提.本文整理分析了太湖70年来(1949-2020年)水体磷浓度监测历史资料,对比了太湖不同湖区、不同时间尺度水体磷浓度的差异性及波动性,发现影响太湖磷浓度变化的原因既有人为的因素,也有自然的因素.无论是污染较轻的1950年,还是污染负荷...     

环太湖各水资源分区入出湖河流总磷浓度与负荷变化分析

入出湖总磷负荷变化是影响太湖湖体磷收支平衡的关键因素.基于2012-2018年水质水量监测资料,计算全湖及各水资源分区河流入出湖总磷负荷,并以水量加权计算其总磷年平均浓度,探明其时空变化规律;运用双累积曲线法分析不同分区水污关系的变化规律;以月为时间尺度,利用Pearson相关系数,揭示入湖总磷负荷分别与入湖水量、入湖...