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.     

中国长足摇蚊(Tanypus chinensis)幼虫底栖扰动对沉积物溶解氧特征及反硝化的影响

以中国长足摇蚊(Tanypus chinensis)幼虫对沉积物的生物扰动过程为研究对象,运用稳定同位素示踪及同位素配对技术,深入探讨长足摇蚊幼虫扰动对太湖梅梁湾沉积物硝酸盐界面迁移、溶解氧侵蚀深度及沉积物反硝化速率及两种不同反硝化过程(非耦合反硝化(DW)和耦合反硝化(DN))的影响.摇蚊幼虫扰动后,添加15N两种处理沉积物氧气消耗速率由355.49±131.49μmol/(m2.h)变化为546.39±261.41μmol/(m2.h),而未添加15N两种处理由313.57±61.63μmol/(m2.h)变化为554.17±184.36μmol/(m2.h),硝酸盐界面迁移结果表明:扰动显著加强了水体硝酸盐向沉积物迁移的速率,加强沉积物作为上覆水中NO3-N汇的作用,摇蚊幼虫扰动组的硝酸盐迁移速率从-33.75±29.25μmol/(m2.h)提高到-210.14±117.25μmol/(m2.h).同位素添加实验发现,摇蚊幼虫底栖扰动能显著提高沉积物总反硝化速率,与对照组相比,总反硝化速率从31.83±8.79μmol/(m2.h)上升到228.98±54.09μmol/(m2.h),增加了约6倍左右.利用同位素配对法计算对两种不同反硝化过程进行区分,发现非耦合反硝化速率从15.78±8.51μmol/(m2.h)上升到182.96±45.22μmol/(m2.h),耦合反硝化速率从16.04±5.63μmol/(m2.h)增加到46.01±8.97μmol/(m2.h),预示着底栖生物扰动能同时增加耦合和非耦合两种反硝化过程,而非耦合反硝化过程的增加强度远大于耦合反硝化.     

黄河上游近60年水沙变化特征及其影响因素

由于受人类活动及气候变化影响,黄河上游干流水沙特征发生显著变化。为探究黄河上游水沙变化情况,基于黄河上游5个水文站1964-2019年水沙、遥感影像等数据,利用Mann-Kendall检验法、滑动t检验法、累积距平曲线和双累积曲线等突变检验方法和小波分析法,对黄河上游水沙变化特征进行研究。利用水沙关系曲线及线性回归法等方法估算人类活动和气候对水沙变化的贡献率,并着重讨论梯级水库建设及土地利用变化对水沙的影响。结果表明:1)黄河上游玛曲-小川段流域内降雨量和径流量变化幅度不明显,贵德站、循化站、小川站1986-2019年年均输沙量分别减至1964-1985年的9.8%、24.6%、38.8%,输沙量大大减少。黄河上游玛曲-小川段径流量突变多在1986年,输沙量突变多在1969、1986、2004年,径流量存在8、16、22 a周期,输沙量存在4~8、18~21、27 a周期。2)1969年后,河流输沙能力增强,水沙关系显著改变。在不同时段内,人类活动对径流量变化在1987-2019年贡献率为66.3%,对输沙量变化在1970-1986、1987-2004、2005-2019年的贡献率为72.96%、70.73%、69.7%。人类活动对黄河上游干流水沙影响占据主导因素。3)刘家峡水库淤积最为严重,单库运行期水库淤积量为2.39亿t,排沙比变化范围为1.39%~10.7%。梯级水库联调使得径流量在1964-2004年间减少47.8%,1964-2019年间梯级水库减沙94.8%,梯级水库对输沙量影响远大于对径流量的影响。4)1980-2020年间,草地面积增加了1880.03 km²,增幅3.1%,有利于减少输沙量,草地拦沙效益大于截流效益。     

太湖流域上游水源性水库水体脱氮潜力时空变化特征及其管理意义——以天目湖沙河水库为例

氮是湖库富营养化的重要影响因子,水体溶解性氮气饱和度在一定程度上指征着水体的脱氮潜力。为探究太湖流域上游水源型水库脱氮潜力的时空变化特征,该研究选择天目湖沙河水库为研究对象,于2021年2月-2022年1月进行了为期一周年的逐月监测,采集不同点位分层水样,利用膜接口质谱仪结合氮氩比法测定水体溶解性氮气浓度,并计算氮气饱和度。结果显示,沙河水库年均氮气饱和度为0.997,总体处于氮饱和状态(氮气饱和度为1),从季节上看,除冬季外,水体氮气饱和度几乎均>1,且随着温度的升高氮气饱和度也升高;空间上,表现为下游＞中游＞上游,底层>表层,即下游以及底层沉积物表现出更强的脱氮能力。线性回归分析表明,潜在脱氮速率与氮气饱和度拟合效果较好,表明氮气饱和度在一定程度上可以反映沙河水库的脱氮速率;相关性分析与逐步多元线性回归分析显示,氮气饱和度与总氮呈显著正相关,与溶解氧浓度呈显著负相关,说明合适的环境条件有利于脱氮作用的进行,进而使得水体溶解性氮气过饱和。7月极端的降雨与采样前连续的高温天气使得该月成为夏秋季溶解氮气均过饱和的例外,氮气饱和度与水温也失去统计上的相关。在溶解氮气普遍过饱和的夏秋季节,脱氮过程使得水体氮浓度较低,藻类生长受到氮限制,在该期间应积极控氮以限制藻类生长,抑制水华的发生。     

蓄水初期三峡水库草堂河水-气界面CO2和CH4通量日变化特征及其影响因素

为查明三峡水库蓄水初期典型支流水-气界面CO_2和CH_4通量的日变化特征,采用LGR在线分析仪-通量箱法,于2015年9月初在库腹一级支流草堂河回水区开展连续24 h的定位观测.结果表明,24 h监测期内,支流库湾水-气界面CO_2通量变幅为-81.642~180.991 mg/(m~2·h),呈"昼吸夜放"特征,均值为17.346 mg/(m~2·h),总体为释放特征;CH_4全天均表现为释放状态,释放通量均值为0.064 mg/(m~2·h),呈"昼弱夜强"变化.相关分析结果表明,CH_4和CO_2释放通量与风速呈正相关,与表层水温、溶解氧浓度、叶绿素a浓度呈负相关,说明风速物理扰动、浮游植物光合作用是控制草堂河水-气界面气体通量最重要的环境因素.同时,干-支流相互作用形成的特殊水环境(如异重流、水温分层)也与水-气界面温室气体通量过程密切相关,但是其作用机制更为复杂,应开展进一步系统观测和深入研究.     

太湖上游低山丘陵地区不同用地类型氮、磷收支平衡特征

不同用地类型的土壤氮、磷收支平衡决定了氮、磷在土壤的富集,进一步影响氮、磷的流失强度,分析该过程有助于揭示不同用地类型对区域的环境效应.以位于太湖上游低山丘陵地区的天目湖流域为研究区,采用农户调查问卷、土壤和植被生物量实验分析、文献调研和氮、磷表观平衡模型的方法,选择研究区的茶园、水田、马尾松林和竹林四种典型用地类型,系统分析了氮、磷的输入要素,包括肥料输入、大气沉降、秸秆返田/枯枝落叶、生物固氮、人畜排泄物返田,以及输出要素,包括植物生长吸收、氨挥发、反硝化,并比较不同用地类型氮、磷收支特征.在此基础上进一步与土壤表层氮、磷含量比较,揭示太湖流域上游丘陵山区主要用地类型的水环境效应.研究结果显示:土壤氮、磷盈余量大小顺序为茶园 > 水田 > 马尾松林 > 竹林,分别是648.6、248.9、115.5、53.6 kgN/(hm²·a)和319.9、29.7、1.2和-3.4 kgP/(hm²·a);氮、磷利用效率以竹林最高,茶园的氮、磷利用效率均最低,仅为15.0%和3.1%;土壤氮盈余量与表层氮含量未能呈现出一致的关系,土壤磷盈余量与表层磷含量比较类似,并由此得出竹林比马尾松林更有利于水环境保护,而茶园对水环境的不利影响超过水田.     

太湖常见3种沉水植物附着生物的生物量及潜在反硝化速率

反硝化作用是将氮素从湖泊中彻底去除的重要途径之一,对于减轻湖泊富营养化具有重要意义。为了探究太湖沉水植物附着生物的生物量、潜在反硝化速率变化规律及其与环境因素的关系,在沉水植物生长盛期(7月),以太湖沉水植物主要分布区域东部湖湾作为采样区域,研究了太湖常见的3种沉水植物上附着生物的生物量,并利用乙炔抑制法测定沉水植物上附着生物的潜在反硝化速率,分析了太湖沉水植物附着生物的生物量及其潜在反硝化速率的主要影响因素。结果表明,太湖常见的3种沉水植物单位体表面积附着生物的生物量(AFDM)在0.037~0.789 mg/m²之间,均值为(0.389±0.261) mg/m²,沉水植物上附着生物的生物量存在空间差异,最大值出现在贡湖湾G1采样点((0.794±0.007) mg/m²),最小值出现在胥口湾X1采样点((0.041±0.005) mg/m²)。太湖沉水植物单位体表面积附着生物的潜在反硝化速率在3.09~58.80 μmol/(m²·h)之间,均值为(24.75±5.96)μmol/(m²·h)。太湖沉水植物附着生物的潜在反硝化速率存在空间差异,其中最大值出现在贡湖湾G1采样点((58.80±20.20) μmol/(m²·h)),最小值出现在胥口湾X1采样点((3.09±1.79) μmol/(m²·h))。相同条件下,沉水植物附着生物的生物量及潜在反硝化速率因植物种类的不同而存在差异,狐尾藻(Myriophyllum spicatum)上的附着生物的生物量及潜在反硝化速率显著高于苦草(Vallisneria natans)。相关性分析结果表明,沉水植物上附着生物的生物量与水体氮磷浓度相关。沉水植物附着生物的潜在反硝化速率与附着藻类的生物量、水体溶解有机碳及pH存在显著相关关系,这3种因子可以解释81.2%的沉水植物附着生物潜在反硝化速率变化,本研究结果可为进一步研究浅水湖泊脱氮过程及富营养化治理提供一定的理论依据。     

环太湖江苏段入湖河道污染物通量与湖区水质的响应关系

基于2008-2018年环太湖江苏段入湖河道污染物通量及湖区水质数据,从时空变化及相关关系两个方面探讨了入湖污染物通量与湖区水质的响应关系,并分析了污染物进入湖体影响水质的主要因子.结果表明:太湖污染减排已见成效,氨氮、总氮、高锰酸盐指数和化学需氧量入湖污染物通量整体呈下降趋势,年均下降率分别为8.0%、2.0%、1.6%和2.2%,湖体氨氮和总氮时间格局响应较好,年均下降率分别为2.1%和2.3%.湖体氨氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数和化学需氧量与入湖污染物通量整体由西北部、西部湖区向东南部、东部湖区递减,空间格局上响应基本一致.全湖区年尺度总氮、氨氮浓度与入湖河道污染物通量分别呈显著正相关、极显著正相关关系;影响湖区总氮、氨氮的主要因子为入湖河道的总氮、氨氮浓度,其次为入湖河道浓度与原湖区水质差值,因此亟需加强入湖河道水质浓度的控制.     

太湖流域西氿湖沉积岩芯中重金属污染及潜在生态风险

通过对太湖流域西沈湖沉积物岩芯XJ2中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr等5种重金属元素总量的分析,结合测年结果,揭示了不同时间段重金属污染物的分布特征,并利用Hakansen潜在生态风险评价法对沉积物岩芯的污染状况及潜在生态风险的历史变化进行了研究.结果表明岩芯受Cd元素污染最重,其它4种元素较Cd则轻得多,因此Cd元素是影响该地区沉积物潜在生态风险的绝对主导因素.从20世纪初叶开始,沉积物中的重金属元素污染及其相应的潜在生态风险开始上升,并且上升幅度不断加剧,到20世纪90年代达到最大值,沉积物污染及潜在生态风险级别均为很高,随后便开始迅速下降,然而直到2004年这两个参数仍然维持在很高级别.     

太湖梅梁湾水土界面反硝化和厌氧氨氧化

运用无扰动芯样实验室内流动培养、稳定同位素示踪、同位紊气态产物测定及同位素配对技术,对太湖梅梁湾北部到南部的4个梯度样点的水土界面反硝化和厌氧氨氧化速率进行研究.结果表明,梅梁湾内及湾外开敞湖区4个样点的水土界面反硝化脱氮速率为(46.36±13.26)-(16.34±22,74)μmol/(m~2·h),厌氧氨氧化脱氮速率为(7.50±2.21)-(2.05±2.90)～mol/(m~2.b).梅梁湾北部河口区水土界面总脱氮能力明显高于梅梁湾南部及开敞湖区.通过对脱氮过程的进一步研究发现.北部脱氮过程主要以上覆水硝酸盐为底物的非耦合反硝化过程(D_w)为优势过程,而梅梁湾外开敞湖区则以沉积物硝化过程耦合控制的反硝化(D_n)为主.影响D_n、D_w在反硝化中比重的主要因素是沉积物溶氧侵蚀深度和上覆水NO_3~-.浓度的差异;梅梁湾厌氧氨氧化脱氮比例占总脱氮比例为12%-14%,湾外开敞湖区则占11%,影响其比例差异的主要因子是反硝化强度的大小及其反硝化中间产物--亚硝酸盐含量的差异.     

太湖西北部典型疏浚/对照湖区内源性营养盐释放潜力对比

通过采集太湖西北部闾江口、八房港、月亮湾和竺山湾疏浚区与未疏浚对照区8个样点共32根沉积物柱状样于室内进行内源负荷模拟研究和沉积物基本性质分析发现,除闾江口疏浚区沉积物总磷和可交换态磷含量高于未疏浚区外,其余指标如烧失量、总氮、可交换态氮等均表现为未疏浚区沉积物高于疏浚区沉积物的特征,说明疏浚区沉积物营养盐的释放潜力低于未疏浚对照组.八房港、月亮湾以及竺山湾疏浚区沉积物铵态氮、正磷酸盐的潜在释放速率均比相应未疏浚对照区沉积物低,疏浚区沉积物铵态氮的潜在释放速率分别是未疏浚区的65.3%、88.8%和21.9%,正磷酸盐的潜在释放速率分别是未疏浚区的-26.6%、11.3%和50.2%.而闾江口疏浚区沉积物铵态氮和正磷酸盐的潜在释放速率却远高于未疏浚区(疏浚区分别为未疏浚区的2.6倍和6.4倍),这可能与闾江口水体呈现弱还原环境及沉积物中有机质含量高有关,另外也可能与闾江口沉积物污染物的赋存深度和疏浚工程的疏浚深度有关.     

太湖流域昆承湖春季颗粒物和有色可溶性有机物吸收特性

利用2010年4月23日在昆承湖采集的水体吸收系数数据,对总悬浮物颗粒物、浮游植物色素颗粒物、非色素颗粒物和有色可溶性有机物的吸收特征进行研究.结果表明,春季昆承湖水体除675 nm附近具有叶绿素吸收峰的红光波段外,非色素颗粒物吸收系数大于浮游植物色素颗粒物吸收系数,总颗粒物吸收系数光谱分布与非色素颗粒物的吸收光谱类似...     

太湖流域滆湖底泥重金属赋存特征及其生物有效性

为了探讨太湖流域滆湖底泥重金属(Cd、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb)的赋存特征及其生物有效性,对底泥重金属总量、形态以及生物富集量进行了分析.结果表明,6种重金属含量的空间分布表现为北部湖区最高,其次为南部湖区,中部湖区最低,重金属Ni、Cu、Zn和Pb含量显著高于沉积物背景值,分别是背景值的4.77、3.89、2.96和2.76倍,重金属总量与沉积物中的黏土成分含量具有显著相关性.采用三级四部提取法对重金属形态进行分析表明,6种重金属的生物有效态(弱酸结合态、可还原态和可氧化态之和)含量顺序为CdCuZnPbNiCr,其中Cd、Cu、Zn和Pb的生物有效态含量分别占总量的84.15%、78.47%、76.50%和64.29%.Cu和Zn在铜锈环棱螺中富集含量要显著高于其他金属元素.相关性分析表明,6种重金属中仅Cr和Pb的生物富集量与有效态含量具有显著相关性,这表明,重金属在生物体内的富集不仅与有效态含量有关,还与底泥重金属总量有关.因此,评价滆湖重金属的生态风险时需要综合考虑重金属的总量及生物有效态含量.     

太湖流域池塘养殖污染排放估算及其空间分布特征

池塘养殖是农业源污染的重要来源之一,尤其在水网密布、渔业发达的太湖流域,控制池塘养殖过程中氮、磷、化学需氧量等污染物的排放,对于减轻水体富营养化程度、恢复水质健康、维持地区社会经济可持续发展具有重要意义.基于野外采样、入户调查、遥感解译等多种手段,结合GIS软件技术,对太湖流域池塘养殖污染物的排放进行了估算.结果表明,2014-2015年太湖流域总氮、硝态氮、铵态氮、总磷、可溶性磷、CODCr的年排放量分别为6.1×10⁶、1.1×10⁶、1.7×10⁶、1.3×10⁵、1.1×10⁵和8.0×10⁷kg.其中鱼类池塘养殖排放系数分别为69.5、12.4、20.1、1.6、1.3和919.8 kg/hm²;虾类池塘排放系数分别为3.0、0.5、0.9、0.07、0.06和39.3 kg/hm²;蟹类池塘排放系数分别为6.4、1.2、1.9、0.2、0.1和84.9 kg/hm².太湖流域池塘...