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...     

阳澄湖近代沉积物的古湖泊学研究

对阳澄湖两上短柱状样进行了地上代以及各种环境指标分析。结果表明,湖底沉积物由被长期沉积间断所分割的３个岩性层组成：下部层Ｃ属再沉积的更新世晚硬土层;中部层Ｂ为全新世沉积;上部层Ａ为近１００年以来的表层沉积。对层Ａ的详细分析显示,本世纪以来,特别是７０－８０年代以来,金属元素,营养元素和色素的沉积通量明显提高,说明湖泊重金属污染和富营养化程度的不断加重。     

湖沼学是研究内陆水体的多学科整合科学——兼论我国湖沼学发展面临的挑战与机遇

湖沼学是研究内陆水体的多学科交叉综合性科学,自从Forel F.A.于1892年首次对湖沼学做出定义以来已有近130年历史.湖沼学的主要分支学科包括地质湖沼学(包括古湖沼学)、物理湖沼学、化学(生物地球化学)湖沼学和生物湖沼学.湖沼学的关键自然属性是通过跨学科的整合,从水生态系统水平综合分析相关过程与机理,并对生态系统变化进行预测.因此,湖泊学也是支撑水资源与生态系统保护、管理与修复的核心科学.然而,目前我国湖沼学发展面临分支学科发展不平衡、研究碎片化等问题,而人类活动加剧和气候变化对内陆水体生态系统的影响及管理对策是湖沼学研究面临的挑战与机遇.我国湖沼学研究亟需围绕人类活动、气候变化的影响,重点开展以下几个方面的工作:1)水动力与水文地貌特征变化及其环境生态效应; 2)营养盐和有机质生物地球化学循环及其环境生态效应; 3)食物网结构与功能; 4)外来入侵物种的影响与控制对策; 5)与水环境有关的传染病防治; 6)地表水生态评价; 7)生态系统演变机理与退化生态系统修复等.     

湖泊沉积物DNA在气候环境变化和生态系统响应研究中的应用

随着气候与生态问题的不断涌现,气候环境变化与生态系统响应研究的重要性日益凸显,而传统方法逐渐难以满足深入研究的需要.现代分子生物技术的快速发展使针对湖泊沉积物的DNA分析逐渐被引入相关研究中,有效弥补了传统研究方法的不足,为研究者提供了理解过去气候和环境变化、生态系统响应的新视角.湖泊沉积物中的DNA蕴藏着丰富的生物群...     

历史时期希门错湖泊沉积色素记录的古环境变化

湖泊沉积物中色素的含量,种类以及相应的参数是研究湖泊初始生产力和湖泊环境的有效手段之一。本文根据青藏高原东部希门错短柱岩芯ＸＭ９２０１沉积物的色素指标的综合判别,讨论了该地区过去２０００多年来的古环境变化过程和特点,对比分析我国东西部气候记载及冰芯研究,探讨了各气候事故表现形式的异同点。     

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.     

近30年来鄱阳湖生态系统服务变化

鄱阳湖是我国最大淡水湖,在维持区域生态安全和生态平衡中发挥重要作用.为了解近30年鄱阳湖生态系统服务变化情况,本文对已有文献与监测数据进行收集整理,直接获取鄱阳湖水资源供给、渔业资源供给、水环境净化服务数据,通过输沙量法、Berger-Parker优势度指数计算泥沙淤积调控和生物多样性维持服务,利用RMSD方法分析19922014年鄱阳湖生态系统服务关系.结果表明:(1)渔业资源供给和水环境净化服务不断下降,水资源供给和泥沙淤积调控服务在2010s有所恢复;(2)冬候鸟种类和数量增加,鱼类种群结构逐渐恢复,但Berger-Parker指数总体上升;(3)浮游植物、底栖动物多样性上升,浮游动物多样性下降;(4)不同时间尺度各服务间均为高权衡关系,水环境净化服务相对收益始终高于其他服务.     

湖泊沉积物有机质δ13C所揭示的环境气候信息

根据我国不同纬度和高海拔地区青藏高原东部地区湖泊沉积物有机质δ＾１３Ｃ组成特征的分析,就其揭示的环境气候意义作了探讨。研究表明,湖泊沉积物有机质δ＾１３Ｃ波动间接地反映气候冷暖的波动,但高原与平原地区湖泊沉积物有机质δ＾１３Ｃ值变化具有不同的环境气候意义。这与陆生植物Ｃ３及Ｃ４植物的分布密切相关,据此初步划分为三种有机质δ＾１３Ｃ古气候类型。     

利用泥质岩硼含量重建过去湖泊古盐度和湖面变化历史

根据封闭湖泊古盐度与湖面变化之间具有反向变化的特点,以沱沱河地区通天河剖面为例,利用泥质岩的硼元素含量作为古盐度计,重建了青藏高原北部地区晚渐新世-早中新世湖泊沉积的古盐度变化曲线,讨论了应用湖水古盐度变化曲线追踪过去湖平面变化历史的适用范围和局限.结果表明:雅西错组上部古湖泊水体的盐度一般处于咸水湖分布区,盐度变化于微咸水到超咸水范围内,指示渐新世晚期气候干燥,湖平面长期处于低水位期;但中新世早期五道梁组沉积期,高原气候开始向湿润方向发展,湖水古盐度明显下降,湖水位快速上升.     

湖泊生态系统的水鸟监测意义

水鸟的多样性及其变化趋势是保护水鸟必需的信息,也是其柄息湿地环境质量的指示因子之一.本文综述了水鸟与湖泊生态系统关系的研究成果,认为水鸟的物种多样性与丰富度可以快速反映湖泊的水生植物、鱼类的生物量和湖泊水位、营养状况的变化,集群繁殖的食鱼水鸟可用于湖泊生态系统中持久性有毒化学污染物的生态监测;同时阐述了水鸟通过取食水生...     

(火用)(Exergy)在湖泊生态系统建模中的应用

基于达尔文"适者生存"理论的热力学表述,本文把热力学概念"(火用)(Exergy)"作为一些重要模型参数的目标函数引入湖泊生态动力学模型.应用拥控制下的参数组合模拟程序实现了参数随时间的变化,并通过变化的模型参数来反映湖泊生态系统中物种组成和生态结构随时间的变化.这一改进克服了以往模型刚性较强、适应性差和生态系统特性考虑少的缺陷,该改进的湖泊生态动力学模型被成功用于滇池生态系统的模拟.     

Using recurrent neural networks to reconstruct rainfall‐runoff processes

Many novel techniques for reconstructing rainfall‐runoff processes require hydrometeorologic and geomorphologic information for modelling. However, certain information is not always measurable. In this paper, we employ a special recurrent neural network to reconstruct the rainfall‐runoff process by using collected rainfall data. In addition, we propose an indirect system identification to overcome the drawback of a traditional, time‐consuming trial‐and‐error search. The indirect system identification is an efficient method to recognize the structure of a recurrent neural network. The unit hydrograph can be derived directly from the weights of the network due to a state‐space form embedded in the recurrent neural network. This improves the link between the weights of the network and the physical concepts that most neural networks fail to connect. The case studies of 41 events from 1966 to 1997 have been implemented in Taiwan's Wu‐Tu watershed, where the runoff path‐lines are short and steep. Two recurrent neural networks and one state‐space model are utilized to simulate the rainfall‐runoff processes for comparison. The results are validated by four criteria: coefficient of efficiency; peak discharge error; time to peak arrival error; total discharge volume error. The resulting data from the recurrent neural network reveal that the neural network proposed herein is appropriate for hydrological systems. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

湖泊流域生态系统演化对人类世研究的重要意义

人类世可能成为一个全新的地质时期,以描述人类活动对地球环境造成极为深远的影响,目前已被广泛讨论。湖泊及流域生态系统作为与人类社会最密切的地球单元之一,受到人类活动显著影响,相关研究成果能为理解人类世做出贡献。本文从湖泊流域生态系统和人类世本身特征为切入点,讨论了湖泊及流域生态系统演化对人类世研究的重要意义。我们认为,湖泊具有相对独立的整体,清晰的内部作用关系、完备的理论支持和时空数据支撑,能够为人类世地球各圈层交互作用提供研究框架。湖泊流域生态系统演化的稳态转换与地球环境进入新的地质时期具有诸多相似之处,相关研究成果能够更好地界定人类世开始时间、总体特征以及演变过程和机制。本文指出人类世湖泊及流域生态系统演化研究依然面临诸多挑战,并提出了对未来相关研究的展望。     

湖泊生态服务生产函数构建研究——以博斯腾湖为例

湖泊生态系统服务（LES）在维持区域乃至全球生态安全格局中发挥重要作用,是目前生态系统服务研究的热点之一。由于湖泊面广量大、类型丰富、区域差异大及基础数据较为缺乏等原因,适用于LES定量评估且较为便捷、可行的模型方法较少。本文以博斯腾湖为例,基于生态系统最终服务与关键特征指标构建湖泊生态服务生产函数（LEPF）,用于定量评估湖泊生态系统服务价值（LESV）并甄别关键特征指标的贡献度。结果表明：（1）博斯腾湖1990 2019年生态系统最终服务年均价值量为2226.84亿元,总体呈“上升下降上升”的变化趋势,气候调节、防洪蓄水为主导生态系统服务;（2）LEPF拟合结果较好地反映了5类关键特征指标对LESV的贡献度,从高到低依次为：湖泊水位>蒸发量>面积>水生植被面积>综合营养状态指数;（3）5类关键特征指标中水位的产出弹性较高,表明水位波动与生态系统最终服务价值变化密切相关。     

洪泽湖健康水生态系统构建方案探讨

洪泽湖生态系统健康状态为中等,并呈逐年退化的趋势,因此开展洪泽湖健康水生态系统构建方案的研究十分必要.本文分析了洪泽湖水生态系统健康状态、水体分区特征以及存在的主要问题,根据水文条件和水生态状况的差异,将洪泽湖划分为3种具有典型特征的湖区:过水通道(从淮河入湖口至入江水道)、湿地保护区和成子湖区.针对不同湖区在水质、水...     

湖泊生态系统产甲烷与甲烷氧化微生物研究进展

湖泊生态系统是重要的大气甲烷来源,其甲烷释放量占全球自然生态系统的40%.产甲烷和甲烷氧化微生物在湖泊甲烷生产和消耗过程中发挥关键作用.本文综述了近期有关湖泊生态系统甲烷产生与氧化过程的研究进展,重点介绍产甲烷与甲烷氧化微生物在湖泊中的分布特征、代谢途径以及调控机制.现有研究表明,湖泊中甲烷的生成不仅仅依靠赋存于沉积物和水体厌氧层的产甲烷古菌,还可能来自有氧环境中其他产甲烷微生物的代谢作用.湖泊中的甲烷在脱离水体逸散至大气之前,被甲烷氧化微生物利用,转化成二氧化碳和小分子有机化合物(如甲醇、甲醛和甲酸等).除了传统依赖氧气作为电子受体的好氧氧化过程外,新近研究还揭示了多种厌氧甲烷氧化过程,包括依赖还原硫酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐以及Fe~(3+)/Mn~(4+)等金属离子的甲烷氧化过程.文献综合分析表明,反硝化型厌氧甲烷氧化过程主要发生在淡水湖泊中,而硫酸盐还原型主要发生在高盐度或者高碱度湖泊中.水体温度、溶解氧浓度可以显著影响产甲烷与甲烷氧化微生物的丰度与群落结构,其他湖泊环境条件,如盐度、pH和有机质类型等都可能改变产甲烷与甲烷氧化微生物的分布和代谢活性.不同湖泊类型的比较研究,有助于全面掌握影响湖泊产甲烷与甲烷氧化微生物的时空分布与代谢特征的主导因素.     

不同出露时间下洞庭湖洲滩土壤及生态系统呼吸特征

于2015年1月洞庭湖枯水期,针对不同出露时间下的洲滩,调查其土壤理化性质,并利用LI-8100便携式二氧化碳气体分析仪监测其生态系统呼吸.结果表明：在洞庭湖枯水期,洲滩出露后,洲滩土壤有机质、硝态氮、铵态氮和全氮含量随出露时间增长而先升高后降低.土壤溶解性有机碳含量是影响洞庭湖枯水期洲滩生态系统呼吸强度的最重要影响因子.溶解性有机碳含量随出露时间增长而提高,洲滩生态系统呼吸强度随之提高,并在洲滩出露约60天后达到最高值.出露洲滩生态系统呼吸通量均值为0.72±0.55 μmol/（m²·s）,超过杨树林地、芦苇地和农田地,成为洞庭湖区冬季CO₂排放最活跃的区域.