基于高分六号数据提取太湖蓝藻方法的对比及适用性分析

以往对太湖蓝藻提取的研究中,较少将国内高分系列卫星影像作为数据源.为此本文基于2019年太湖不同蓝藻暴发时期的高分六号数据,采用随机森林(random forest, RF)法、归一化植被指数(normalized differential vegetation index,NDVI)阈值法和多光谱绿潮指数(multispectral green tide index,MGTI)阈值法对太湖蓝藻进行提取以寻求提取太湖蓝藻的最佳方法,并在此基础之上探讨了RF不同输入变量的适用性.结果表明,2019年太湖南岸和梅梁湖的蓝藻水华富营养化较为严重,NDVI阈值法明显将部分轻度蓝藻漏提,MGTI阈值法对中、重度蓝藻的识别能力不如NDVI法,而RF法能够有效地提取太湖蓝藻.其中将归一化植被指数和归一化水体指数作为输入变量的RF法提取中型暴发期的太湖蓝藻精度最高,总体分类精度和Kappa系数分别为99%和0.97.研究太湖蓝藻的提取方法对太湖的环境治理提供了技术支持,也为其他湖泊蓝藻的遥感监测提供了科学依据.     

太湖底泥水华蓝藻复苏的模拟

本实验采集太湖梅梁湾底泥及上覆水,在保持底泥表面完整的前提下在实验室中建立湖泊生态系统模拟装置,探索太湖底泥中蓝藻种群的复苏规律经60d光照升温培养,显微观察蓝藻复苏细胞,测定底泥和上覆水中的色素含量.结果表明,在室内模拟条件下,太湖底泥蓝藻复苏初始时主要以2-8个细胞的小群体存在,其细胞直径为7.2-7.8μm,大于夏季的藻群体中的细胞直径(4.8-6μm).底泥蓝藻的复苏过程与环境温度变化密切相关.蓝藻在水体温度达到14℃时开始少量进入水柱中,在环境温度升至18-20℃之间时大量进入水中,为水华形成提供了种源.底泥蓝藻的最佳复苏温度(18-20℃)高于非蓝藻的复苏温度(14-18℃),高温对蓝藻复苏更为有利     

太湖水华蓝藻底泥中复苏和水柱中生长的比较

为了研究太湖底泥中蓝藻的复苏和水柱中的生长,作者自行设计了原位藻类复苏收集器和生长培养器并安放在太湖梅梁湾监测蓝藻复苏释放和生长.实验在藻类的复苏期(2005年3-6月)进行．结果表明在复苏期太湖蓝藻的复苏呈现波动性增加,4月达到最大量．水柱中蓝藻同步的比生长率和生长量也呈现波动性上升,并在5月初达到最大值．浮游动物的存在并没有对蓝藻的生长造成显著的影响．对底泥蓝藻释放和水柱生长进行比较,底泥释放的蓝藻只占藻类生长量的很小一部分(<2．5％)．所以,水柱中蓝藻的生长对其优势的确立和水华的形成具有重要的作用,今后的研究将主要集中在水柱中蓝藻的动态变化     

太湖蓝藻水样中藻蓝蛋白提取方法比较

以2011年8月20日采集的太湖梅梁湾的夏季蓝藻水华为研究对象,通过12个样点平行样的藻蓝蛋白实验提取,基于光谱吸收特征和浓度值,对反复冻融法、超声波法、溶胀法、丙酮法的提取效果进行比较评价.结果表明:4种方法获取的藻蓝蛋白提取液在620 nm附近出现吸收峰,其中,反复冻融法的峰高最强,超声波法最弱,说明反复冻融法的提取效果优于其他方法;反复冻融法、超声波法、溶胀法获取的部分蓝蛋白提取液在670 nm附近具有次吸收峰,与藻蓝蛋白标样的吸收曲线存在差异;反复冻融法、超声波法提取的藻蓝蛋白浓度值变异系数小于0.6,表明这两种方法较其他方法稳定;反复冻融法提取的藻蓝蛋白浓度值高于其他3种方法,可推荐作为太湖蓝藻水样中藻蓝蛋白的提取方法.     

基于生态模型的太湖蓝藻生长因子解析

基于生态模型对2009年4月-2010年11月太湖监测数据进行逐月解析,结果显示太湖蓝藻生长率在时间与空间上都表现出显著的差异性,1-4月及10-12月蓝藻生长率表现为低水平,6-9月为高水平,5月年际差异较大,湖西岸相对于湖中区蓝藻生长率优势较明显,水面至水深1 m之间为蓝藻生长活跃区域.蓝藻的生长与消亡主要受水温、光照、磷三种影响因子控制,这三种因子表现出较明显的季节性特点,并且对蓝藻生长率的影响具有相互交替作用的动态变化特征,其中水面附近为温度及磷限制,水深0.5 m处为温度、磷及光限制交替作用,水深1 m及以下为光限制.计算结果表明在研究时段内营养盐总体表现为磷限制,夏秋季局部水域也存在氮限制.     

太湖蓝藻爆发与水温的关系的MODIS遥感

利用MODIS高光谱遥感数据动态监测太湖地区蓝藻水华发展过程,并结合水温环境因子,探讨蓝藻爆发的环境条件.首先,通过简单的比值植被指数,实现蓝藻生物量的遥感估算;根据六期遥感估算结果,监测太湖蓝藻动态发展过程.然后,利用MODIS热红外波段(31和32),采用分裂窗算法,同步反演出的太湖表面水体温度,探讨蓝藻爆发的水温条件,及蓝藻生长与水-温度之间的关系.研究结果表明,在水体富营养化前提下,水体温度是影响蓝藻生长的重要环境因子;合适的水体温度(24-30℃)是蓝藻爆发的必要条件;大于30℃的高温,对蓝藻的生长有明显的抑制作用.     

巢湖、太湖蓝藻湖靛及其提取物的动物毒性初步研究

对国内淡水湖泊巢湖、太湖中的蓝藻湖靛及其提取物（藻胆蛋白）,进行了动物毒性实验。实验动物为昆明种小白鼠,采用灌胃法给药。给药后小白鼠均无中毒症状,一周内无死亡。说明巢湖、太湖中蓝藻湖靛及其提取物,对以小白鼠为代表的哺乳类动物消化系统,基本不产生毒性。这对于开发两湖中的蓝藻作为鱼、家禽等饲料和提取其中的植物蛋白（藻胆蛋白）作为营养食品添加剂等有一定意义。     

太湖越冬蓝藻空间分布的初步研究

为确定2007-2008年冬季蓝藻在太湖各个湖区的分布及其变化规律,在冬季逐月对太湖主要湖区14个位点采集底泥和水样,应用荧光分析法测定样品中藻蓝素含量,以确定冬季太湖各个湖区的藻蓝素分布状况,比较冬季太湖各个湖区水体和底泥中蓝藻的分布差异.实验结果说明与夏季情况不同,相对于西南太湖水域,2007-2008年冬季北太湖水体和底泥中的蓝藻含量均较低,而西南湖区部分区域12月仍出现了蓝藻的聚集,底泥表面的藻蓝素含量也较高,说明调查期间,冬季越冬蓝藻主要分布于西太湖和南太湖.     

气温对太湖蓝藻复苏和休眠进程的影响

利用2005 2014年每日的卫星数据、气象站和浮标站观测资料研究复苏期和休眠期的平均气温、稳定通过界限温度初终日、周有效积温与太湖蓝藻休眠和复苏时间的关系,探讨气温是否是影响蓝藻休眠和复苏时间进程的关键因子.分析结果显示:太湖蓝藻复苏早晚与春季(3 5月)气温密切相关,春季气温越高,蓝藻复苏时间越早;太湖蓝藻休眠时间与秋、冬季(11次年1月)气温密切相关,秋、冬季气温越高,蓝藻休眠时间越晚.此外根据分析结果发现,太湖首次出现蓝藻水华的时间一般是气温稳定通过9℃初日之后的1个月左右,但上一周期的休眠与下一周期的复苏之间气温异常偏高会导致蓝藻水华首次出现时间早于稳定通过9℃初日;最后一次蓝藻水华出现时间与气温稳定通过4℃的终日相近;在复苏期,湖水中的叶绿素a浓度随周有效积温变化而变化,二者相关系数为0.9.     

蓝藻对太湖底泥反硝化过程的影响和机理分析

通过模拟实验,研究了因自然或人工沉降的太湖蓝藻在厌氧条件下作为碳源对底泥微生物反硝化脱氮的促进作用.通过对底泥总氮、化合态氮素、挥发性脂肪酸(VFAs)、COD、电位和pH等指标的监测,发现藻体中大量的生物可降解碳素在厌氧消解后产生挥发性脂肪酸等一些可供反硝化菌直接利用的小分子物质,2×藻组VFAs含量可达2232.96μl/L,1×藻组可达1263.36μl/L,最高可达42.1%,为对照组(无添加蓝藻)的2.43倍,从而促进了硝态氮和亚硝态氮还原成N2和N₂O的过程,提高氮素的去除率.但底泥中沉降蓝藻需要一定的降解时间,前4天添加冷冻干蓝藻粉的处理组COD降解率较低,电位处于正值,体系中产生硝态氮,随后COD持续降低,添加2×藻组COD最大去除率为42.08%,1×藻组为32.93%,对照组仅为14.46%,表明藻细胞中的碳素已开始被利用.本研究表明沉降蓝藻细胞能够为底泥中的反硝化过程提供可利用碳源,并深入揭示了沉降蓝藻作为碳源促进底泥反硝化过程的机理和对底泥中C、N的影响,为在湖泊治理中降低氮素的内源污染提供了新的科学依据.     

巢湖蓝藻水华藻胆蛋白的分离与鉴定

在高温季节,巢湖等国内淡水湖中蓝藻大量繁殖常形成蓝藻湖靛(主要由微囊藻组成),它含有丰富的蛋白质、氨基酸、脂肪等营养成分.本文对微囊藻中氨基酸的组成及含量进行了测试,并从其中提取、分离纯化了藻胆蛋白(指其中的藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白),最后运用紫外可见光谱对其进行了检测,取得了较为满意的结果.这也为进一步开发利用巢湖湖靛提供了依据。     

太湖蓝藻水华暴发机制与控制对策

湖泊蓝藻水华暴发由于引发水生态系统的灾害和饮用水安全风险而成为国内外研究的热点之一.太湖蓝藻水华暴发原因多样,其中蓝藻自身的特性是水华暴发的内因,太湖的地理、水文和气象特征为蓝藻水华暴发提供了合适的温度和水动力条件,是蓝藻水华暴发的外因,湖泊草-藻型生态系统的转变以及氮、磷营养盐的高负荷输入更利于蓝藻生长,湖泊氮、磷营养盐四重循环是蓝藻水华不断暴发的维持机制,蓝藻水华暴发与氮、磷营养盐浓度之间存在交互作用关系.太湖蓝藻水华的控制应以陆源控源截污为基础,增加湖泊营养盐输出为重点,实现疏堵有机结合,其中恢复水生植被,重建草-藻结合型水生态系统是太湖湖泊生态修复的关键所在.     

太湖蓝藻水华的年度情势预测方法探讨

在太湖、巢湖、滇池、洱海、三峡水库等我国重要湖泊和水库,蓝藻水华时常发生但年际之间藻情往往有较大差异,给蓝藻水华的防控物资及人员投入、湖库水源地水质安全保障带来较大的挑战,亟待探索周年尺度的蓝藻水华强度预测方法.本文收集了太湖连续15年的蓝藻水华情势观测数据和同步的气象、水文数据用于构建蓝藻水华预测模型,提出了利用遥感反演的蓝藻水华面积(A_BL)及人工观测的水体浮游植物叶绿素α浓度([Chl.a]_LB)共同表征的蓝藻水华强度指标(BI).分析了太湖年尺度的BI值与环境条件的关系,提出了基于年初能够掌握的气象、水文、营养盐等综合环境指标进行年度BI预测的统计模型.结果表明,太湖年度BI值与冬季及初春(12-3月)日均水温(WT_12-3)、冬春季有效积温(AT_12-3)、前一年降雨总量(RF_YB)等环境因子呈显著正相关,与冬季及初春的水体总氮(TN_12-3)、溶解性总氮(DTN_12-3)、总磷(TP_12-3)及溶解性...     

基于通径分析法的太湖蓝藻水华定量气象评估模型

利用2005-2017年太湖周边区域气象观测资料和基于遥感解译的蓝藻水华信息,基于信息量权数法构建太湖蓝藻水华影响程度指数（简称为蓝藻指数）,应用通径分析法,分析年平均气温（T_y）、1-3月平均气温（T_1-3）、年降水量（R_y）、6-7月降水量（R_6-7）和年高温日数（D_Tmax）5个气象因子对蓝藻水华影响的直接效应和间接效应,在此基础上构建太湖蓝藻水华气象评估模型.结果表明,2007年蓝藻指数值最大,为0.759,2017年其次,为0.709,2009年最小,仅为0.113,蓝藻指数与实际情况基本相符;直接通径系数中T_y和T_1-3为正值,其余为负值,表明T_y和T_1-3对蓝藻水华的发生发展具有正效应,而R_y、R_6-7和D_Tmax具有负效应,总通径系数绝对值排序为：T_y > T_1-3 > R_y > R_6-7 > D_Tmax,由此可以反映各气象因子对蓝藻水华影响程度的权重.根据模型计算的综合气象指数与蓝藻指数之间的相关系数达0.826,通过0.01显著性检验,根据百分位法将蓝藻指数和气象指数进行等级划分,分类总精度为84.6%,其中中度以上达90.9%,表明模型能够较好地反映综合气象因子与蓝藻水华发生发展程度的关系,在水体富营养化程度没有明显改善的情况下,可用于太湖蓝藻水华定量气象评估.上述研究结果有助于更好地理解环境因子、尤其是气象因子在蓝藻生长和水华形成机制中所起的作用,从而为太湖蓝藻水华的监测、预测预警和精细化防控提供理论依据.     

Dynamics of dissolved organic carbon after a cyanobacterial bloom in hypereutrophic Lake Taihu (China)

To establish the influence of the cyanobacterial bloom collapse on the characteristics of dissolved organic carbon (DOC) in Lake Taihu, high-molecular-weight dissolved organic matter (HMW-DOM), with sizes between 1 kDa and 0.5 μm, were collected using cross-flow ultrafiltration, from three different eutrophic regions. Isolated HMW-DOM was further characterized by atomic carbon to nitrogen ratio and neutral sugars composition by gas chromatography and mass spectrometry. The results indicated that the cyanobacterial cell lysis induced by nitrate depletion is the likely mechanism for DOC release. The relatively high DOC level was associated with the high chlorophyll a concentration in Meiliang Bay, one of the most eutrophic bays in the northern part of the lake. However, no significant correlations were observed between chlorophyll a concentration and HMW-DOC concentration during the demise of the cyanobacterial bloom in Lake Taihu. No significant differences were found in the HMW-DOC concentration among the three sampling sites, which were selected to represent different eutrophic status. However, a significant difference in the HMW-DOC concentration was found between October 2009 and January 2010 in all three sampling sites (p = 0.02). The HMW-DOC release may be attributed to the cyanobacterial cell lysis after the peak of summer bloom. The similarity in neutral sugar composition between the HMW-DOM and cyanobacterial exopolysaccharides suggests that the cyanobacterial bloom is the source of HMW-DOM. However, the significant correlation between the carbon to nitrogen ratio in HMW-DOM and chlorophyll a concentration was only observed in Meiliang Bay, which implies that apart from the cyanobacteria-derived DOC, a fraction of DOC was from riverine input. The decline of the cyanobacterial bloom also changed the overall DOM pool, leading to a shift in the component of HMW-DOM from a C-enriched material to an N-enriched material, as revealed by the variation in the carbon to nitrogen ratios. Overall, these results demonstrate that the quantitative and qualitative DOM is affected by the post-cyanobacterial bloom in Lake Taihu.     

太湖蓝藻水华发生风险区划

湖泊水华是全世界面临的严重生态环境问题之一,对人类和生态系统健康都有重大影响.以太湖为研究区域,基于近年的蓝藻水华及水环境监测数据,结合自组织特征映射神经网络和模糊风险评价方法,对太湖不同监测点蓝藻水华的发生风险进行综合评价,并借助GIS地学统计分析方法对全太湖蓝藻水华发生风险进行区划,绘制太湖蓝藻水华发生风险区划图.结果表明:太湖被分为重度风险区、中度风险区、轻度风险区、微风险区,各风险区基本呈带状分布.从各风险区面积来看,重度风险区、中度风险区、轻度风险区的面积约各占太湖总面积的1/5,而微风险区约占太湖总面积的2/5;从各风险区位置来看,重度风险区主要分布在西北部区域,且从整个湖区来看,蓝藻水华的发生风险等级自西北到东南依次递减.本研究揭示太湖水华灾害风险的空间分布规律,对支撑水环境监测和水华灾害防治方案的制定具有一定的意义.     

太湖水华成因及控制途径初探

1990年8～12月对太湖水华9次调查表明,水华主要由漂浮性蓝藻—微囊藻组成,夏季SE风时其漂移集聚是西北湖区形成严重水华的主要原因。这种漂移使得藻类所含营养物逆吞吐流方向传输,形成了一种“生物营养滤器”,加速了太湖尤其是西北湖区的富营养化进程。太湖外源N、P负荷量分别为12.0和0.85g/(m~2·a),足以引起富营养化;表层5cm底泥中含丰富的N、P,其释放也成为湖水中部分营养的来源。因2～8月藻类总生物量的增长基本遵守Logistic方程dN/dt=N·r(1—N/K),故对藻类控制可从N、r入手,即通过收获藻类达到控制藻类总量和营养输出的双重功效;提高水位增加非光合层厚度,有效地降低水柱中藻类生产力;建立有水生植被的水质保护区也是一种局部藻类控制方法。     

利用MODIS影像提取太湖蓝藻水华的尺度差异性分析

有效地提取蓝藻水华信息对分析蓝藻动态分布有重要意义,然而低空间分辨率数据提取的蓝藻水华会产生尺度误差.本文以太湖为研究区,利用2005年10月17日和2010年12月3日两景MODIS(250和500m)数据,采用浮游藻类指数(FAI)法提取太湖蓝藻水华面积;通过将FAI50均值化为FAImean(500 m),然后与...     

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.     

前期风场控制的太湖北部湖湾水动力及对蓝藻水华影响

为明确前期风场对太湖北部湖湾水动力及蓝藻水华分布的影响,对2008年9月梅梁湾及贡湖湾水文、水质及气象开展了同步观测,结果表明:受前期东北风影响,梅梁湾及贡湖湾表层、中层及底层湖流流向均顺风向自湾内流向湾外,两个湖湾均不存在补偿流.表层湖流对风场变化响应敏感,而中场及底层流场对风场变化响应存在显著滞时.在偏南风作用下,梅梁湾表层湖流能快速形成顺时针环流.在偏西风作用下,贡湖湾表层湖流流向虽未发生偏转,但是湖流流速显著减小并导致流速沿水体垂向呈递增分布.观测期间水动力强度对太湖北部湖区叶绿素a浓度垂向分层及蓝藻水华水平漂移均具有重要影响.在水动力滞缓水域,蓝藻水华易在水表发生漂移堆积.在水动力强度较大水域,强烈的垂向混合作用能使蓝藻沿水深方向混合均匀,降低水华暴发风险.相对于水动力条件,营养盐对叶绿素a浓度空间分布的影响较弱.