我国常用湖泊营养状态指数研究进展与展望

湖泊(包括自然湖泊和人工水库)富营养化已成为世界性的环境问题,营养状态指数是目前最流行的富营养化水平量化方法。然而,不同营养状态指数的基本逻辑和适用水体等方面存在明显差异,不当选取可能会造成营养水平和相关水华风险的错误估计,并引发湖泊保护和修复措施的错位。鉴于此,本文对我国常用营养状态指数的构建思路、共性和差异以及不确定性来源等进行了综述。总体来看,营养状态指数基本构建思路分3种:1) Carlson指数型(如TSI),以透明度(SD)为核心参数,使用SD的2倍变化对应指数的10分差值,假定SD 为64 m时记为指数值0分;2)改良TSI指数型(如TSIm),以叶绿素a(Chl.a)为核心参数,使用Chl.a的2.5倍变化对应指数的10分差值,假定Chl.a 1000 μg/L对应该指数100分;3)营养足迹指数型(如TFI),该指数亦使用Chl.a指示藻类生物量,Chl.a的e倍关系对应藻类生物量的二倍变化和指数10分差值,假定Chl.a为10 μg/L时对应该指数50分。根据上述假设得出对应的基础参数评估方程,然后均以基础参数(SD或Chl.a)与衍生参数间的经验方程 “直接替换”获得衍生参数的评估方程。如上可知,营养状态指数均体现了数值增大表征藻类初级生产力和伴随的水华风险提高的共性,同时本文也从:1)数据集属性和基础指标评估方程获取的方法;2)衍生指标评估方程获取的统计原理;3)分项指标的权重设置方式3个方面分析营养状态指数之间的差异性。未来展望方面,首先,鉴于当前营养状态指数均属于通用性指数,因而建议未来基于上述3种基本类型开发因地制宜的营养状态指数,实现湖泊藻类生产力和水华风险的精准指示;其次,营养状态指数的生态学依据是藻类限制因子理论,营养状态指数各分项指标(即基于总氮、总磷、SD和Chl.a)的差异可以指示初级生产力的限制因子,建议未来开展营养状态指数分项指标差异机制研究,以指导藻类水华防控措施精准施策;再次,除富营养化外,湖泊生态健康受损往往也与其它压力有关,建议未来开展湖泊生态健康对富营养化和其他压力的综合响应机制研究,制定服务于湖泊生态系统健康提升的精准调控路径。本文目的并非将营养状态指数的通用属性“复杂化”,而是旨在阐明营养状态指数的“前世今生”,进而为广大湖泊富营养化相关人员使用指数时提供参考,也希望为我国湖泊营养状态精准量化、后续保护和修复措施的精准实施提供科学依据。     

三峡水库小江回水区水华暴发期浮游植物群落结构及其与环境因子的关系

三峡水库蓄水以来,支流水华频发,尤以小江情况最为严重,给三峡库区的生态安全带来较大隐患。为探究支流水华暴发特征和主控因素,于2014-2021年小江水华暴发期间在小江高阳江段进行浮游植物及环境因子调查,并使用单因素方差分析、聚类分析、百分比相似性分析以及基于距离的线性模型等方法,对小江水华暴发期间浮游植物和环境因子在不同年份不同水层间的差异以及二者的关系进行研究。结果表明:小江水华暴发期内,浮游植物的种类数在43~70种之间,其中2015年蓝藻种类数明显减少,2018年以后硅藻种类数明显减少;采样期间浮游植物平均细胞密度在0.66×10⁶~61.28×10⁶ cells/L之间,同期表层细胞密度明显高于中层和底层;各层水体间水华微囊藻、铜绿微囊藻、不定微囊藻等10种藻的密度存在明显差异,是主要差异种;显著影响表层、中层和底层浮游植物群落结构变动的环境因子是水位的日平均变幅;水位的日平均变幅与藻类优势种拟合关系显示,当日水位下降幅度在0.5 m以上时,浮游植物平均密度会呈指数级减少。研究结果可为三峡库区支流水华的防控提供数据支持。     

三峡水库神农溪2008年夏季铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)水华暴发特性

对三峡水库一级支流神农溪2008年夏季蓝藻水华进行调查,结果表明神农溪蓝藻水华优势种是铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa),暴发水域面积约0.2 km2,持续时间约50 d.本次水华暴发与水体总磷浓度呈正相关,温度、降雨、光照和营养盐等对水华暴发具有重要影响.研究发现尽管神龙溪水域总体处于中-富营养状态,但局部水域由于水流缓慢、水体滞留时间长、营养稀释扩散速率小,在夏季出现富营养化状态,这是蓝藻水华暴发的根本原因.建议开展包括流域综合治理在内的环境整治,确保神农溪水体生态环境的稳定.     

2017年太湖水华面积偏大的原因分析

太湖流域及湖区经过一系列综合治理之后,截至2015年,水华面积逐渐减少,治理效果初见成效.然而,2017年太湖出现了前所未有的大面积水华（1403 km²）,其原因成为各方面关注的热点问题.2011-2017年,在太湖贡湖湾和梅梁湾布置的6个采样点,每月2次分层采集水质和微囊藻密度数据、全太湖的营养盐和微囊藻密度数据、气象数据和水华面积数据,进行了水华面积偏大的原因分析.结果显示,2011-2017年期间,全太湖总氮（TN）的7年平均浓度为1.89 mg/L,总磷（TP）为0.076 mg/L,而2017年TN浓度为1.60 mg/L,TP浓度为0.083 mg/L,比7年平均TP浓度回升了9.0%.气温方面,2011-2017年7年平均气温为17.3℃,2017年比7年平均气温高出0.7℃.全太湖7年平均微囊藻密度为0.53×10⁸ cells/L,而2017年为1.18×10⁸ cells/L,比7年平均值高出1.21倍.在这样一个数据背景下,全太湖年均值和风速区间比例冗余分析表明TP的回升、气温的偏高与水华面积也表现出明显的正相关关系,且5-9月1~2 m/s弱风天数与水华面积呈显著正相关,而风速超过4 m/s则会显著造成水华的消失.综合以上数据及分析,2017年出现巨大面积水华是由于全湖TP浓度的上升和气温偏高使微囊藻密度增长,为微囊藻聚集形成水华提供了丰富的物质基础,而在微囊藻大量繁殖季节风力较弱,1~2 m/s左右风速易于使微囊藻聚集形成薄层大面积水华.     

三峡水库水环境与水生态研究的进展与展望

伴随着举世瞩目的三峡工程全面竣工,三峡水库于2010年正式进入年水位落差达30 m的正常运行阶段.水库湖沼学可为环境友好型大坝建设和水库可持续管理提供科学依据.本文在三峡成库8 a以来生态系统长期监测与研究的基础上,对三峡水库水环境现状进行了归纳和总结,分析了水环境动态的时空异质性、水库纵向分区与群落组成、垂向分布及藻类水华的成因和动态,并对三峡水库藻类水华预警与生态-水文调控机制展开了论述.最后,本文尝试给出以下两方面的展望:1)大型水库湖沼学观测研究应有长期的策略;2)近期研究应重点关注水华暴发水动力学机制的量化和水华预警模型及生态水力调度平台的耦合.     

三峡澎溪河高阳平湖高水位时碱性磷酸酶活性及其动力学特征

三峡水库汛末蓄水后易出现支流回水区磷累积现象,并在冬季末期常出现硅藻水华现象.为研究汛末蓄水的磷积累与冬季末期硅藻水华的相互关系,分析2013年1 3月三峡澎溪河高阳平湖库湾水体中碱性磷酸酶活性、磷形态的转化和藻类生长的协同过程.结果表明,总碱性磷酸酶活性(TAPA)及其最大反应速率(Vmax)、特异性碱性磷酸酶活性(PAPA/Chl.a)及PAPA与TAPA的比值(PAPA/TAPA)随着时间推移总体呈先增加后减小而后再增加减小的双峰趋势,分别在2月中旬和3月中旬达到峰值.根据冬季末期水华暴发程的特点将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个阶段.Ⅰ阶段为诱导期,水体活性磷主要来自藻类碱性磷酸酶分解的有机磷,藻类对磷过度摄取.Ⅱ阶段为过渡期,温度低,水体碱性磷酸酶活性相对较低.Ⅲ阶段为水华时期,水中碱性磷酸酶主要来源于细菌,叶绿素a浓度达到最大,溶解态反应性磷浓度达到最低;Ⅳ阶段为水华末期,水体叶绿素a浓度逐渐下降,溶解态反应性磷浓度回升,水中碱性磷酸酶主要来源于细菌.     

太湖流域水库型水源地硅藻水华发生特征及对策分析

基于溧阳市天目湖沙河水库2009—2014年的硅藻群落结构及水质调查,以及宜兴横山水库等硅藻水华期藻类和水质调查数据,分析了太湖流域水库中硅藻水华群落结构特征及受气温、水位、营养盐等环境条件的影响.结果表明,太湖流域硅藻水华的主要发生期为5—7月,快速生长期发生在气温为16~26℃期间,当气温超过26℃时,硅藻的生物量开始下降.硅藻的优势属包括针杆藻、曲壳藻、小环藻和颗粒直链藻.其中沙河水库和横山水库中针杆藻是主要危害,其生物量主导了硅藻总生物量.大溪水库有时以针杆藻为主,有时以颗粒直链藻为主.当总氮浓度低于1.0 mg/L的Ⅲ类水上限时,水体氮浓度能大大限制硅藻生物量,当总磷浓度低于0.025 mg/L的Ⅱ类水上限时,也可能对硅藻生物量产生限制.高于此营养水平,硅藻水华的严重程度主要受气温、降雨等因素影响.研究表明,对于处于中营养水平的太湖流域水库而言,硅藻生物量既受气温、降雨、水位等气象水文条件的控制,又受氮、磷、硅等营养盐供给的影响.硅藻水华的防控既要关注气候和气象条件,也要尽量削减氮、磷营养盐入湖通量,维持较低营养盐水平是确保硅藻水华不形成危害的关键.     

太湖藻源溶解性有机质光化学降解研究

蓝藻水华暴发过程会产生大量的溶解性有机质——藻源溶解性有机质(A-DOM);A-DOM的光化学降解影响其迁移转化和在湖泊中的功能.本研究从太湖藻华中提取A-DOM,利用三维荧光光谱-平行因子分析法(EEMsPARAFAC),研究A-DOM中各组分的光化学降解;再研究不同光照强度、溶解氧浓度、A-DOM浓度、波长对A-DOM的降解的影响.结果显示,A-DOM中含有4种EEMs-PARAFAC组分:C1(UVC类腐殖质)、C2(UVA类腐殖质)、C3(类色氨酸)和C4(类络氨酸),对总荧光强度的贡献比例分别为22.2%、8.6%、68.1%和1.1%.当DOC初始浓度为10 mg/L、反应温度为28℃、pH=8.0时,经500 W汞灯(391.7 W/m~2)光照12 h,A-DOM的总光化学降解率(以a_(355)计)为70.4%;荧光组分C1、C2和C3的降解率分别为96.1%、85.4%和99.2%,三者的光反应性为C3C1C2.条件控制实验显示溶解氧的增加和光强的增强均有助于A-DOM的降解;A-DOM光化学降解主要发生在紫外区,可见光不能使C1和C2得到降解.结果表明A-DOM的光化学降解速度较快,且能通过控制光强、照射光波长和引入溶解氧等条件控制降解速度.实验结果可为湖泊蓝藻水华暴发时的应急处理和保障饮用水安全提供理论依据.     

太湖、巢湖、滇池水华与相关气象、水质因子及其响应的比较(1981-2015年)

比较了太湖、巢湖、滇池（"三湖"）1981-2010年间的气象要素,1987-2015年间的水质要素,2000-2013年间的年内水华起始日期与持续时间,以及与水华相关的已有研究情况.其中,气象要素包括气温、日温差、风速、风向、气压、降水、相对湿度等;水质要素包括水温、总氮浓度、总磷浓度、水体综合营养指数等.对比结果表明,云贵高原湖泊滇池因其冬、春季节气温较高且日温差较大等气象特征,以及总磷浓度较高等水质特征,相比于东部平原湖泊太湖、巢湖而言更易发生水华,且在"三湖"中水华年内起始日期最早,持续时间最长.然而,目前有关滇池水华的研究相对于"三湖"中的太湖却远远不足.鉴于滇池所处湖区的独特气象、水质特征,平原水华湖泊的研究结果难以有针对性地指导其水华控制,亟需提高滇池水华研究的系统性与深度.只有因地制宜,方有希望逐步有效控制、减轻、乃至消除滇池水华.     

太湖富营养化现状及原因分析

根据2005-2006年太湖湖泊生态系统研究站的监测结果,结合历史监测记录,评价了近5年来太湖富营养化的趋势.结果显示,从2000年以来,太湖的富营养化状况有加重趋势.主要表现在:1)与历史监测资料对比,近5年来无论梅梁湾还是湖心区,夏季水体TN、TP含量均呈增高趋势,如1992-2001年,太湖湖心区夏季(6-8月份)水体TN的平均值为1.706 mg/L (范围1.238-2.266mg/L),而2002-2006这5年间该平均值为2.344mg/L(范围1.924-2.717mg/L),明显高于前10年(p=0.005),另外,同期湖心区夏季的水体透明度则明显下降(1992—2001年夏季平均值为0.63 m,而2002-2006年则为0.34 m,p=0.003); 2)从野外调查看,太湖夏季水华暴发的范围越来越大,从2000年以前的梅梁湾、竺山湾及部分湖西区为主,发展到2006年的整个西太湖,夏季暴发水华的面积占太湖总面积的一半以上,且一年中出现水华的时间越来越长,水华出现的频率越来越高,微囊藻水华为特征的藻型生态系统在大太湖似乎越来越稳定;3)近年来太湖沉水植物分布区的面积有所下降.研究表明,太湖近年来富营养化的现状不容乐观,原因可能与近几年异常的气候和水文条件有关,也可能与水草区的不断破坏而减弱了微囊藻水华的生态竞争有关,应引起有关部门重视.