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.     

2007-2019年太湖藻型和草型湖区叶绿素a变化特征及影响因子

基于太湖31个站点的逐月监测数据,分析了2007-2019年太湖藻型湖区和草型湖区的叶绿素a变化特征,并分析研究不同环境因子对不同类型湖区叶绿素a的影响.结果表明,近年来太湖不同类型湖区的总磷浓度和叶绿素a浓度变化基本一致,均呈波动上升趋势.不同类型湖区的总磷浓度拐点均为2015年,叶绿素a浓度拐点均为2016年.最低月平均水温、前冬积温、年平均水温、年均风速与藻型湖区和草型湖区叶绿素a浓度均呈显著相关.沉水植物分布面积与草型湖区叶绿素a浓度之间呈显著相关.湖西区年内和年度降雨剧烈变化,湖西区年降雨量与不同类型湖区当年叶绿素a浓度的关系不明显,5日极端降雨量与不同类型湖区下年度叶绿素a浓度均呈显著正相关.太湖蓝藻水华强度在短期内可能仍会处于较高水平,迫切需要高度重视高温时段太湖蓝藻打捞处置工作,保障饮用水安全;同时,要进一步加强湖西区强降雨期间的非点源污染防控措施研究,推动入湖污染通量稳步降低,并探索东西山之间及东茭咀附近水域沉水植物生态修复技术,降低风浪扰动作用,尽快恢复相关重要水域的沉水植物.     

贵阳市百花湖近10年(2009-2018年)的水质时空变化

百花湖是贵阳市重要的城市饮用水源地,并且近年来经常发生水质异常现象.本文利用2009-2018年百花湖长时间序列的监测数据,采用综合营养状态指数法和Pearson相关性分析,研究了百花湖10年间的水质变化特征和影响因素.结果表明：1）库区叶绿素a（Chl.a）、总磷（TP）、总氮（TN）、高锰酸盐指数（COD_Mn）和透明度（SD）的浓度范围分别是3.43~39.72 mg/m³、0.034~0.115 mg/L、1.200~2.759 mg/L、1.41~5.51 mg/L和0.75~2.07 m,且高氮磷比（12~63）表明百花湖是磷限制型.2）在空间上,TP、TN、氨氮、COD_Mn和Chl.a浓度沿水体流向逐渐降低,SD呈相反变化趋势.3）10年来,百花湖水质由Ⅳ类转变为Ⅲ类,综合营养状态由轻度富营养化状态转变为中营养状态,水质整体向好.4）入库支流是影响百花湖库区水质的主要因素,长期以来,东门桥河、南门河水质TP和TN等超标严重,给库区水质稳定达标带来威胁.5）百花湖Chl.a浓度与气温、水位、风速和TP等指标显著相关,是受水文、气象及营养盐因素的综合控制.未来在百花湖水环境保护治理过程中,应加大对东门桥河、南门河等重点支流的污染治理,加强对水动力学、气候变化等水文气象因素影响库区水质（藻类水华）的机制研究.     

淀山湖氮磷营养物20年变化及其藻类增长响应

从淀山湖20年的监测数据和AGP试验结果人手,结合20年的遥感影像资料,分析淀山湖氮磷营养物的长期变化规律及其对藻类演替和增长的影响.从1985年第一次大规模藻类水华暴发,经过15年的营养物积累,在1999-2000年之间,淀山湖由中度富营养化湖泊逐渐转化为重度富营养化湖泊,1999年之后淀山湖水体氮磷营养物大量聚集.叶绿素a水平迅速提高.分别以1999年前的2.25倍、6.67倍和3.40倍的速率上升,其中以磷的上升速率为最快;透明度则以平均每年递减5cm的速度下降.藻类群落转化为以绿藻和蓝藻为主,藻类水华的频率为1999年前的2-3倍.当水体TN浓度超过3.5mg/L时,AGP试验不再有任何显著性反应.2002年的现场试验和藻类水华频次与高浓度TN出现概率的相关分析表明,夏秋季当水体TN浓度在3.5mg/L时,可以引起藻类大量增长;高浓度TN出现概率越高,藻类水华的次数越多.研究证明淀山溯已经具备暴发大规模、大面积蓝藻水华的条件,水体TN浓度超过临界值(>3.5mg/L)的频次越多,淀山湖爆发蓝藻水华的可能性越大.     

贵州红枫湖近10年来(2009-2018年)水质变化及影响因素

为更好地研究贵州红枫湖的水质变化情况,本文利用贵阳市两湖一库环境保护监测站2009-2018年对红枫湖7个代表性监测点的营养盐、叶绿素a（Chl.a）浓度和水温、气温、透明度、降雨量等水文气象条件逐月监测数据,分析红枫湖10年间水体营养盐和Chl.a浓度以及部分水文气象条件的变化趋势.运用综合营养状态指数（TLI）对红枫湖营养状态进行评价,采用Pearson相关系数法统计分析10年内Chl.a浓度与总磷（TP）、总氮（TN）等水化学组成及水位、气温等水文气象条件的相关性.结果表明,2009-2018年红枫湖水体逐月TN浓度有较大波动（0.56~2.80 mg/L）,春、夏季高于秋、冬季;水体逐月TP浓度为0.016~0.103 mg/L,夏季略高于冬季;逐月氨氮（NH₃-N）浓度为0.007~0.71 mg/L,春季 > 冬季 > 秋季 > 夏季;水体逐月Chl.a浓度呈季节性波动（0.8~38.9 mg/m³）,夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季,年内先上升后下降.TP、NH₃-N、Chl.a浓度整体呈下降趋势,10年间水质有很大改善.经计算红枫湖在这10年间处于中营养状态至轻度富营养状态,且营养状态指数呈逐年下降趋势,夏季TLI明显高于其他季节.统计分析表明,红枫湖水体Chl.a浓度与高锰酸盐指数、NH₃-N、TP浓度均呈显著正相关,与氮磷比呈显著负相关,与水温、pH、降雨量、气温、日照时数呈显著正相关,与透明度、气压呈显著负相关,与水位、湿度、风速无显著相关关系.表明这10年来红枫湖水体Chl.a浓度不仅受营养盐浓度控制,很大程度上还受控于气象和水文条件.     

基于Aquatox模型的洱海营养物投入响应关系模拟

针对洱海富营养化加剧以及蓝藻水华问题,应用Aquatox模型对洱海水环境进行模拟,确立了一套适用于洱海生态系统的特征参数,并将模拟结果与实测数据进行验证.验证结果表明模型较好地模拟了常规水质和藻类演替变化,与实际水环境状况大体吻合.以此为基础选取TN、TP和Chl.a指标对洱海营养物与富营养化状态的投入响应关系进行模拟研究.结果表明,洱海对于外界营养物输入比较敏感,对氮磷输入增减反应明显;外界氮磷的削减都对Chl.a含量有降低作用,TN的作用更加明显;氮磷的增加对于Chl.a含量都略有提升;同时调控氮磷具有协同作用,对Chl.a含量影响效果最明显;当水体TN浓度在0.34 mg/L的阈值以下水平,即洱海外源TN输入量削减比例达到43.3%以上时,藻类优势种由蓝藻变为硅藻,水体Chl.a含量大幅降低,有效抑制富营养化进程.     

基于NEB试验的不同湖泊夏季营养物投入与藻类响应关系的比较:以淀山湖、小兴凯湖和洱海为例

淀山湖、小兴凯湖和洱海分别处在不同的营养阶段,夏季都存在蓝藻水华现象,有效控制蓝藻水华应控氮还是控磷一直存在争议.本研究采用营养物加富生物测试的试验方法,研究和比较三个湖泊限制性营养元素(N和P)夏季对浮游藻类生长的刺激作用,并采用多因素方差分析和两两比较方法(LSD)检验试验结果的显著性.结果表明:淀山湖(TN/TP=10左右)、洱海(TN/TP=29左右)、小兴凯湖(TN/TP=9左右)在夏季分别表现出显著的氮响应、氮磷双重响应、氮响应;较低氮磷比的营养程度较高的湖泊(淀山湖和小兴凯湖)夏季应控制氮含量,若添加氮更容易引发蓝藻(微囊藻)水华,而高氮磷比的初期富营养化湖泊(洱海)夏季应同时控制氮磷含量,同时添加氮磷的交互作用容易引发蓝藻(微囊藻)水华.     

基于生态动力学模型的兴凯湖营养物入湖与富营养化状态响应模拟

针对兴凯湖富营养化的问题,应用生态动力学模型DELFT-3D对兴凯湖进行数值模拟,确立了一套适用于兴凯湖的特征参数,将模拟结果与实测数据对比进行准确性检验,结果显示DELFT-3D耦合模型较好地模拟了兴凯湖水质情况和藻类浓度动态,与实测数据基本吻合.在此基础上设置不同控制情景,模拟长时间序列下兴凯湖营养物投入与湖泊水质、藻类的响应关系.结果表明,小兴凯湖在惯性发展模式下TN、TP和Chl.a浓度迅速增加,Chl.a浓度的初始值为8.96 mg/m³,到2015年和2020年分别提高了32.37%和65.51%,尤其是在5月和8月的两个峰值区,小兴凯湖面临严峻的藻类水华风险;相对于TP,大、小兴凯湖Chl.a浓度随TN入湖量的变化趋势更显著.在满足Dillion模型计算的兴凯湖承载力基础上进一步加大削减力度,可以使小兴凯湖水质保持在Ⅲ类水水平,大兴凯湖保持在Ⅱ类水水平,小兴凯湖对大兴凯湖起到了缓冲带的作用,应增加Chl.a为兴凯湖富营养化控制标准,为藻类水华提供预警.     

调水前后南四湖藻密度及水环境要素变化特征

为探究大规模调水输入背景下南四湖生态环境演变特征,采用多种非参数统计方法综合分析2010—2020年南四湖藻密度、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮、叶绿素a（Chl.a）、五日生化需氧量（BOD₅）、高锰酸盐指数（COD_Mn）年际年内变化规律和影响因素.结果表明：2010—2020年南四湖上、下级湖水质综合污染指数年均值范围分别为0.759~0.945、0.719~0.926,水质总体逐渐改善,但TN单项污染指数存在超标现象,主要可能与入湖河流中高浓度氮输入有关.受南水北调东线工程运行初期与严峻旱情的影响,南四湖藻密度、TP、氨氮、Chl.a在2013—2015年发生突变,随后均呈增加趋势.南水北调东线工程的运行对南四湖藻密度的年内波动影响强烈,调水工程运行后每年10月份出现峰值,其中2016年上级湖藻密度高达520.0×10⁴ cells/L.湖区藻密度不仅与氮磷质量比（TN/TP）、TP、COD_Mn、Chl.a呈显著相关,还与降雨、水温密切相关.在南四湖生态环境保护治理过程中,应强化关键水质指标的污染监管与治理,完善调水方案和水生态危机应急管理办法.     

蒙新高原岱海夏季叶绿素a浓度空间分布及影响因子

基于2019年夏季(8月)对岱海水样的实测数据分析,通过运用克里金插值、相关性分析、多元线性逐步回归、主成分分析方法,探究了叶绿素a(Chl.a)的空间分布特征及其与水环境因子的相关关系,并讨论了相应的防治措施。研究显示:Chl.a空间分布呈现由岸边向湖心递减的趋势,总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH₃-N)、硝态氮(NO^-₃-N)、正磷酸盐(PO^3-₄-P)空间分布特征与Chl.a空间分布特征相近,采样期内岱海湖局部区域水质状况已达到富营养状态;Chl.a与浊度(Turbidity)、TP、TN、悬浮物(SS)、pH、NO^-₃-N、NH₃-N、PO^3-₄-P、蓝绿藻丰度(CYANO)呈极显著正相关,与溶解氧(DO)呈显著负相关,与电导率(Cond.)呈正相关、与氮磷比(TN/TP)呈负相关;各湖区Chl.a与环境因子相关关系不同,全湖逐步线性回归方程为Y_Chl.a=-21.42+8.658X_pH-0.865X_DO+0.779X_NH3-N+0.699X_Turbidity+0.502X_CYANO;岱海不同湖区因子对Chl.a浓度的影响存在差异,各湖区Chl.a与环境因子相关关系不同,通过岱海与我国其他湖泊Chl.a与环境因子的相关性关系对比分析,湖泊地理属性差异及营养物质输入浓度是影响Chl.a变化的重要因素;本研究岱海的TN/TP平均值为12.23,说明夏季岱海湖Chl.a变化为氮磷共同限制。     

高温干旱背景下太湖藻情变化特征及机制

2022年我国长江流域经历了长期的高温干旱,对湖泊水生态环境和湖内藻情态势产生了深远影响。但目前关于干旱环境下湖泊水华的响应特征研究较少。以太湖为例,基于2005—2022年湖体营养盐与叶绿素a浓度的长期监测数据,结合卫星遥感影像反演的蓝藻水华面积变化,探讨了2022年高温干旱对太湖蓝藻的影响特征及驱动机制。结果表明,2022年蓝藻水华高发季节(5—9月),太湖蓝藻水华的平均面积和最大面积均明显下降,其中5月的水华面积仅为近5年同期平均面积的20%;水样采集分析获得的水体叶绿素a浓度和微囊藻生物量在春季也明显下降。营养盐方面,2022年太湖的总氮和总磷均值分别为1.41和0.084 mg/L,较近5年均值分别下降了30.6%和27.3%,均为2005年以来的最低值。氮磷浓度空间分布的克里金插值显示,除西北湖区(竺山湾)受河流入湖影响外,大部分湖区的溶解态氮磷也都处于较低状态,冬季溶解性总磷浓度小于0.02 mg/L的水域面积占全湖面积的79%。随机森林分析表明,总磷、水温和风速是影响春季微囊藻和藻类生物量的关键因子。冬季湖体磷水平低,加上春季外源负荷较少,致使2022年春季太湖大范围湖...     

太湖蓝藻碎屑对水质及附着藻和水丝蚓生物量的影响

富营养化是现今各国面临的主要水环境问题,其中蓝藻水华暴发是全球富营养化水体最常见的现象之一.蓝藻水华将产生大量的蓝藻碎屑,其对水质及生物的影响还尚不清楚.本研究通过向中宇宙系统添加微囊藻碎屑,分析其对水体不同形态营养盐及水生生物生物量的影响.结果表明:微囊藻碎屑加入后,水体不同形态的营养盐浓度均在短期内迅速增加,其中水体总氮和总磷平均浓度最高分别达到3.86和0.36 mg/L;浮游植物生物量(用叶绿素a表示)在前9天随营养盐浓度的升高而增加,随后逐渐下降至实验初始水平.此外,附着藻类生物量在微囊藻碎屑加入后呈逐渐下降趋势,这可能与浮游植物快速增殖引起的水体透明度下降有关.微囊藻碎屑加入后,水丝蚓生物量随微囊藻碎屑的分解持续增长,在第20天达到生物量最大值.本研究通过模拟太湖梅梁湾生态系统,探讨微囊藻碎屑对水质及水生生物生物量的影响,结果有助于进一步了解蓝藻水华对水生态系统影响的途径及机理,为富营养化湖泊管理提供理论依据.     

太湖典型区2010-2017年间水质变化趋势及异常分析

自2007年太湖蓝藻水华引起无锡供水危机后,在太湖流域及湖区开展了一系列综合治理措施以改善太湖水环境质量.本研究在太湖梅梁湾和贡湖湾各设置3个采样点,自2010年4月起每月2次监测太湖水质.结合水文气象数据及无锡市环境监测站和太湖局的同期数据,明确太湖自2010年以来,水质整体良好,总氮浓度在波动中呈现下降的趋势,总磷浓度在2014年前也是在波动中呈现下降的趋势,但在2015和2016年有所回升,回升比例约为15%~20%.2015和2016年总磷浓度出现回升的主要原因是这2年的2次大洪水过程携带大量N、P进入太湖湖区,洪水消退过程中,N大多以溶解态排泄出湖区,而P则由于大多数以颗粒态存在,逐渐沉积到湖泊中,随着微囊藻生长消耗水体溶解态P以及水体pH和溶解氧的变化逐渐释放到太湖水体中.     

2005-2017年北部太湖水体叶绿素a和营养盐变化及影响因素

利用国家生态观测网络太湖湖泊生态系统研究站对北部太湖14个监测点2005-2017年的营养盐和叶绿素a浓度逐月监测数据,分析了北部太湖2005年以来水体营养盐和叶绿素a变化特征,探讨了叶绿素变化的影响因素.结果表明,2015年以来,北部太湖水体叶绿素a浓度呈现显著增高特征,特别是5-7月的蓝藻水华灾害关键期,水体叶绿素a浓度增幅更加明显;营养盐方面,氮、磷对治理的响应完全不同：水体总氮、溶解性总氮、氨氮的降幅很明显,甚至在春末夏初的蓝藻生长旺盛期出现了供给不足的征兆;但水体总磷降幅却不明显,加之蓝藻水华的磷"泵吸作用",近3 a来水体总磷浓度反而有升高趋势,溶解性总磷浓度也无明显下降趋势.不同湖区的营养盐变化也不相同：西北湖区溶解性总氮、溶解性总磷浓度显著高于梅梁湾、贡湖湾和湖心区,而且后3个湖区的水质呈现均一化趋势.统计分析表明,北部太湖水体叶绿素a浓度与颗粒氮、颗粒磷、总磷、高锰酸盐指数均呈显著正相关,与溶解态氮呈负相关;5-7月水华关键期北部太湖水体叶绿素a浓度与上半年（1-6月）逐日水温积温、总降雨量、年平均水位均呈显著正相关关系.从研究结果可以看出,近年来北部太湖水体叶绿素a浓度的波动很大程度上受水文气象因子的影响;2007年以来太湖流域一系列生态修复工程的实施,虽然明显降低了湖泊氮浓度,但由于流域和湖体的氮磷本底较高,磷的缓冲能力大,致使水体营养盐水平仍未降到能显著抑制蓝藻生长的水平,年际之间的水文气象条件差异成为蓝藻水华暴发强度差异的主控因素.为此,仍需加大对太湖流域氮、磷负荷的削减,使湖体氮、磷浓度降低到能显著影响蓝藻生长的水平,才能摆脱水文气象条件对蓝藻水华情势的决定作用.     

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.     

基于高频高光谱近感观测量化风对蓝藻水华的影响

全球气候变化显著影响湖泊理化环境和生态系统演化,对生态系统服务造成负面影响甚至引发生态系统灾变,其中风速下降可能促使富营养化湖泊蓝藻水华的暴发和水面漂浮集聚。以往由于较低的观测频次,往往很难精细量化风对蓝藻水华的影响。利用陆基高光谱近感观测技术,基于分钟小时尺度开展周年高频观测,通过对6—10月蓝藻生长期太湖表层水体叶绿素a浓度统计分析,量化蓝藻水华高频动态变化特征,确定蓝藻水华漂浮集聚的风速阈值。研究发现,随着风速的下降,水体表层叶绿素a浓度随之增加,蓝藻水华出现概率也随之增加。概率分析显示,当近地面风速小于2.5 m/s时,湖泊表层比较容易形成明显肉眼可见的蓝藻水华,藻华发生概率为55.1%。长时间持续的低风速容易诱发蓝藻水华形成和漂浮集聚,强风浪事件后低风速出现1～2天叶绿素a往往就能恢复以往较高水平,这为管理者有效防控蓝藻水华提供了新视角。长期气象观测显示,气候变化影响下太湖地区风速呈现显著下降趋势,增加了蓝藻竞争优势和发生概率,有助于其在表面漂浮集聚。在未来的气候变化情景下,如果风速继续呈现下降趋势,在营养盐条件不变情况下湖泊表层蓝藻水华发生概率可能还会上升,增加蓝藻水华防控...     

1980年以来太湖总磷变化特征及其驱动因子分析

磷是湖泊生态系统物质和能量循环的重要组成部分,是湖泊富营养化防治的重要控制性指标.为分析太湖富营养化与人类活动的关系,掌握总磷（TP）的时空变化规律及驱动因子,本文收集整理了1980—2020年太湖TP浓度数据并分析了TP的时序、时空和年内变化特征.结果表明,1980s经济社会快速发展之初,伴随着工业和三产用水量激增,废污水排放量和入湖负荷大增,1985—1995年太湖TP浓度急剧升高.随着治理与保护措施的实施,到1995年达到峰值后逐步走低,2009年后进入了窄幅波动期.从空间上看,不同时段TP浓度分布格局较好地反映了入湖污染物的输入分布.通过分时段对比分析可能影响太湖TP浓度变化的驱动因子,分别讨论了经济社会发展、用水量、废污水排放量,入湖水量、入湖河流TP浓度、入湖TP负荷,蓝藻水华、水温,高等水生植物,底泥释放,太湖换水周期变化等.结果表明,近10年来入湖TP负荷增加,蓝藻水华强度加大,水温升高,高等水生植物面积减少,这些因素会导致太湖TP浓度上升.2008—2019年净入湖TP负荷比1998—2007年增加了33.9%,而近10年太湖换水周期缩短了17.7%,在一定程度上抵消了影响太湖TP浓度升高的驱动因子的不利影响,太湖TP浓度不升反降.为此建议在新一轮太湖治理中积极开展控源截污、节水减排、水资源调控、高等水生植被恢复、重点污染湖区清淤疏浚等针对性措施以期获得更好的太湖TP浓度控制效果.