基于多源数据的巢湖蓝藻水华时空分布及驱动因素分析

富营养化和有害藻类水华暴发是全世界淡水湖泊共同面临的生态环境问题之一.巢湖作为典型的内陆淡水湖泊,其富营养化水平和蓝藻水华暴发面积常年居高不下,且在各湖区表现为一定的时空分布差异.为认识和了解不同阶段巢湖蓝藻水华发生和发展基本规律,利用巢湖水上综合观测平台和卫星遥感等多源数据,获得2015~2020年水体中藻密度和水华面积的时空分布信息,并采用基于增强回归树的机器学习算法,定量评估不同阶段各环境因子对蓝藻水华影响的重要程度及相互作用关系.结果表明：①巢湖蓝藻水华表现出较大的季节变化特征,蓝藻细胞在春季开始复苏,主要在巢湖西半湖和沿岸地区形成轻度水华,水体藻密度在夏、秋季达到最大,该季节发生中等程度以上的水华频率较高.②非暴发期间,巢湖藻密度变化受物理和化学因素影响较大,二者对解释藻密度方差变化的贡献率可达80.3%,水体中高浓度溶解氧、弱碱性pH值（7.2~7.6）和适宜水温（3℃）是藻类细胞生长繁殖的有利环境条件,巢湖蓝藻水华首次暴发一般在气温稳定通过7℃初日11 d前后出现.③暴发期内,巢湖蓝藻水华发生主要受藻类生物量和气象条件的综合影响,气温、藻密度、日照时数和风速的累计贡献率为95%,各因子均存在一个有利于蓝藻水华发生的最适区间.多因子交互作用分析结果显示,在水体藻密度大、气温适宜和微风的综合作用下,巢湖蓝藻水华发生概率较高.上述研究成果分析和揭示了不同阶段巢湖蓝藻水华的时空分布特征及其主导影响因子,可为巢湖蓝藻水华防控和预测、预警提供科学依据.     

水华生消过程对巢湖沉积物微生物群落结构的影响

水华对湖泊水体和沉积物理化和生物学性质的影响已进行了较多研究,但鲜见水华生消过程对湖泊沉积物微生物群落结构的影响.本研究以巢湖为对象,通过PCR-DGGE方法分析了水华形成、持续和消亡阶段对沉积物微生物群落结构的影响.结果表明,巢湖水华形成期为5月15日~6月20日,持续期为6月20日~9月5日,之后进入水华消亡期.PCR-DGGE分析表明,非水华区沉积物微生物的种类、Shannon-Wiener指数、Simpson指数随时间变化较小,微生物相似度较高,温度可能是影响非水华区微生物群落结构波动的主要因子;在水华区,沉积物微生物的种类、Shannon-Wiener指数在水华形成期和消亡期较低,在水华持续期较高,而Simpson指数则呈相反趋势,微生物相似度相对较低,表明水华形成、持续和消亡过程对微生物群落结构、优势种有不同影响,温度和水华导致的水体性质变化可能是沉积物微生物变化的主要因子.本研究表明,水华生消过程对湖泊沉积物微生物有不同的影响,这对深入评价水华对湖泊水生生态系统的影响和利用微生物防治湖泊水华有重要意义.     

颗粒直链藻水华生消对婆罗异剑水蚤（桡足类）种群动态的影响

近年来,国内外学者对湖库型水华的发生机理和生态效应都做了大量研究,但有关水华生消对浮游动物群落结构影响的研究还很少.因此,本研究利用两个室外水泥池在中等尺度上考察了颗粒直链藻水华生消过程对婆罗异剑水蚤(桡足类)种群动态的影响,以及后者摄食对水华生消的下行调控作用.结果发现,颗粒直链藻水华发展迅速,仅5 d时间叶绿素浓度就从(21.24±0.75)μg·L-1上升到(240.34±11.00)μg·L-1;随后水华进入快速消退期,3 d后叶绿素a浓度下降到(53.63±0.47)μg·L-1.婆罗异剑水蚤的摄食压力对颗粒直链藻水华具有明显的抑制作用,水华生消期间含有婆罗异剑水蚤的藻液叶绿素a浓度比对照组低20μg·L-1左右,最大差异为26.08μg·L-1.期间婆罗异剑水蚤的丰度也由接入时的(56.50±4.32)ind·L-1增加到(142.11±6.35)ind·L-1,增加了1.5倍.该研究结果表明,在无鱼类摄食压力情况下,颗粒直链水华的爆发和消亡对婆罗异剑水蚤的生长和繁殖没有负面影响,反而促进了其种群数量的增加,这可能是由于水华期间为其提供了充足的饵料供应.     

三峡水库香溪河库湾夏季蓝藻水华成因研究

为探讨香溪河夏季蓝藻水华发生过程及主要影响因素,于2010年7月19日~8月30日在蓝藻水华暴发区域开展持续监测,并对水华过程进行分析.结果表明,水华持续25d,自7月23日暴发,8月16日逐渐消退,藻密度最高达到108.03′106cells/L,优势藻种为鱼腥藻(Anabaena);自身悬浮机制、固氮机制、能够产生藻毒素抑制其他藻类生长,是鱼腥藻成为优势藻种的主要原因;充足的营养物质、显著的水体分层是水华暴发的必要条件,水华期间蓝藻对硝氮利用显著;在具备充足的营养盐的稳定水体中,水温持续升高、混合层与真光层比值的降低是诱发蓝藻水华的关键因子,并且在混合层与真光层比值为0.5时对蓝藻增殖影响最大.     

湖泊蓝藻水华对连通河道水质的影响

为认知湖泊蓝藻水华灾害对连通河道的影响强度及其变化因素,以太湖梅梁湾连通河道梁溪河为例,在夏季水华期开展河道蓝藻颗粒物及氮磷和溶解氧等水质指标的逐日监测,结合河道水质指标空间变化调查,以及同期流量、温度和风场特征等水文气象因子数据,分析湖泊蓝藻水华物质对连通河道水质的影响特征.结果发现,夏季蓝藻水华暴发期间,水华颗粒物能够随水流大量进入连通的河道,进入河道的藻颗粒通量总量可观,夏季3个月梅梁湾进入梁溪河的蓝藻水华颗粒物总量达到9 733 t,与当年全湖的工程打捞量相近;由湖泊进入连通河道的水华颗粒物通量日变化很大,夏季调查期间进入梁溪河的藻颗粒通量介于75～496 t·d-1,平均值为105 t·d-1,通量大小主要受水文气象条件控制,水量、温度、风向是最主要的影响因素;携带大量蓝藻水华颗粒物的湖水进入河道后,在显著改善城市河道水体溶解氧、氨氮等指标的同时,也显著增加了河道颗粒态氮、磷等营养盐含量,对溶解态氮磷的影响较小;空间上,因蓝藻颗粒物带来的氮、磷浓度随离湖距离增加而下降,水体叶绿素浓度也迅速下降,汇入7 km之后的运河后,蓝藻颗粒物基本分解,水体颗粒态藻体叶绿素a含量由刚入河的152. 93μg·L~(-1)下降到1. 99μg·L~(-1).结果表明,受蓝藻水华问题困扰的湖泊对周边河道水质影响也很大,河湖连通过程尽管能有效缓解湖泊的湖泛灾害,解决城市河道黑臭的问题,但是对河道的营养盐等指标会产生较大影响;管理上应因河道和湖泊不同的保护目标,充分考虑湖泊水华情势及水文气象因素,制定机动灵活的调水方案,优化湖泊及河道的水生态服务功能.     

不同营养水平下沉水植物的抑藻效应

控制水体的营养盐浓度,尤其是磷浓度,可以控制藻类水华的发生.然而,经济成本很高.相对藻类而言,沉水植物对水体营养盐升高敏感性更低,且沉水植物的存在可以改变藻类的群落结构和生长速率.为探讨沉水植物在营养盐与蓝藻水华控制关系中的作用,本研究探讨了有无水生植物存在下,不同营养盐浓度(磷浓度分别为0.025、0.05、0.1 mg·L~(-1),对应地表水Ⅲ～Ⅴ类)下蓝藻水华暴发(chlorophyll-a10μg·L~(-1))的频率、强度和持续时间.结果表明,初始藻浓度为5μg·L~(-1)和10μg·L~(-1)情况下,3种磷浓度下都会发生水华,磷浓度的升高会导致蓝藻水华暴发的强度和持续时间增加.然而,在加入水生植物金鱼藻后,初始藻浓度为5μg·L~(-1)的条件下,没有形成水华.初始藻浓度为10μg·L~(-1)的条件下,各处理组在实验初始时会形成短暂水华,之后,各处理组的叶绿素a浓度均低于10μg·L~(-1),显示蓝藻生长受到抑制.因此,沉水植物存在情况下,在营养盐较高的水体,蓝藻水华也不会发生.     

产油小球藻与常见蓝藻共存的生长关系研究

将产油小球藻HQ(Chlorella sp.HQ)分别与蓝藻水华鱼腥藻(Anabaena flos-aquae)、惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)以不同初始接种密度比(1∶1、1∶5、5∶1)混合培养,发现等接种密度共存时水华鱼腥藻及惠氏微囊藻的生长能力均于培养第4 d起强于小球藻HQ;小球藻HQ与水华鱼腥藻共存时的生长能力(kapp=-23.45×104个/(mL·d))强于与惠氏微囊藻(kapp=-47.61×104个/(mL·d))。非等接种密度共存环境中,水华鱼腥藻和惠氏微囊藻的生长能力均强于与其接种密度相同的小球藻HQ。等接种密度共存环境中的小球藻HQ相比于非等接种密度共存环境具有更强的生长潜力(与水华鱼腥藻:rm1=(0.17±0.06)d-1,μ1=(0.22±0.11)d-1;与惠氏微囊藻:rm2=(0.75±0.13)d-1,μ2=(0.49±0.04)d-1)。不同初始接种密度比、不同混培藻种对小球藻HQ对数期的生长能力影响不明显(P>0.05)。该研究为小球藻HQ应用于水质深度净化与高价值生物能生产耦合技术提供数据参考。     

三峡水库香溪河库湾冬季甲藻水华生消机理初探

2010年1—2月在香溪河库湾上、中、下游各选取1个监测点对水体环境因子及藻类进行监测,对水温、营养盐含量等进行分析,探讨香溪河库湾冬季甲藻水华的生消机理. 结果表明:2010年冬季,香溪河库湾末端暴发了甲藻水华,持续44 d,优势藻种为拟多甲藻(Peridiniopsis sp.),最高细胞密度达到11.8×106 L-1;适宜的水温、充足的营养盐以及良好的光照、弱分层水体是香溪河库湾冬季甲藻水华暴发的主要原因;Zmix/Zeu〔Zmix(混合层深度)与Zeu(真光层深度)之比〕在2~3之间时有利于甲藻生长;库湾中下游因水体掺混强烈而在冬季未暴发水华;后期水体分层状态的加强及Zmix/Zeu的减小是甲藻水华消失的主要原因.      

湖泊蓝藻水华对连通河道水质的影响

为认知湖泊蓝藻水华灾害对连通河道的影响强度及其变化因素,以太湖梅梁湾连通河道梁溪河为例,在夏季水华期开展河道蓝藻颗粒物及氮磷和溶解氧等水质指标的逐日监测,结合河道水质指标空间变化调查,以及同期流量、温度和风场特征等水文气象因子数据,分析湖泊蓝藻水华物质对连通河道水质的影响特征。结果发现,夏季蓝藻水华暴发期间,水华颗粒物能够随水流大量进入连通的河道,进入河道的藻颗粒通量总量可观,夏季3个月梅梁湾进入梁溪河的蓝藻水华颗粒物总量达到9733 t,与当年全湖的工程打捞量相近;由湖泊进入连通河道的水华颗粒物通量日变化很大,夏季调查期间进入梁溪河的藻颗粒通量介于75~496 t·d-1,平均值为105 t·d-1,通量大小主要受水文气象条件控制,水量、温度、风向是最主要的影响因素;携带大量蓝藻水华颗粒物的湖水进入河道后,在显著改善城市河道水体溶解氧、氨氮等指标的同时,也显著增加了河道颗粒态氮、磷等营养盐含量,对溶解态氮磷的影响较小;空间上,因蓝藻颗粒物带来的氮、磷浓度随离湖距离增加而下降,水体叶绿素浓度也迅速下降,汇入7 km之后的运河后,蓝藻颗粒物基本分解,水体颗粒态藻体叶绿素a含量由刚入河的152.93μg·L-1下降到1.99μg·L-1。结果表明,受蓝藻水华问题困扰的湖泊对周边河道水质影响也很大,河湖连通过程尽管能有效缓解湖泊的湖泛灾害,解决城市河道黑臭的问题,但是对河道的营养盐等指标会产生较大影响;管理上应因河道和湖泊不同的保护目标,充分考虑湖泊水华情势及水文气象因素,制定机动灵活的调水方案,优化湖泊及河道的水生态服务功能。     

pH值及黏土密度对壳聚糖改性絮凝剂除藻效果的影响

研究了不同pH值的改性絮凝剂对不同pH值铜绿微囊藻的絮凝除藻效果.结果表明:不论是对于室内培养的铜绿微囊藻DS,还是对于野外发生的铜绿微囊藻水华,藻液絮凝后的终点pH值均为影响絮凝效果的关键因素,伴随藻液pH值的逐步升高,需要同步调低絮凝剂的pH值并使终点pH值为7.0~7.3才最有利于形成絮凝体;对于高浮力的野生蓝藻水华,需要提高絮凝剂中黏土的密度才能使絮凝体有效沉降.上述结果说明,在使用壳聚糖改性絮凝剂控制铜绿微囊藻水华时,应根据水体pH值及藻生物量而调整絮凝剂配方,且应优先选择在水体pH值和藻生物量较低时进行控藻.     

城市湖库蓝藻水华形成机理综合建模研究

蓝藻水华形成是诸多营养及环境因素相互作用的结果,因此,本文对城市湖库蓝藻水华形成(包括复苏、萌芽、生长、暴发阶段)这一复杂生态过程进行了综合建模研究.通过在阳光房中模拟湖库蓝藻水华形成过程,采用正交实验分析获得蓝藻生长的关键影响因素,并为蓝藻水华形成机理建模提供相应参量.在此基础上,构建了用于模拟湖库蓝藻水华形成过程的蓝藻生长机理模型,采用遗传算法对机理模型中涉及的参数进行优化率定;同时,考虑蓝藻水华暴发阶段具有突变特性,建立了描述蓝藻水华暴发状态的尖点突变模型,进而构建了城市湖库蓝藻水华形成各阶段的综合机理模型.实验仿真结果表明,该综合机理模型能较好地模拟城市湖库蓝藻从复苏到暴发整个过程的变化规律,且该模型结合了数学机理建模和智能方法的优势,克服了单一蓝藻水华机理模型的缺陷,为湖库蓝藻水华形成机理的深入研究提供了新思路.     

太湖蓝藻水华灾害程度评价方法

通过对太湖蓝藻水华灾害分析,借鉴赤潮灾害评价指标,采取蓝藻水华面积和Chla浓度作为灾害程度分级评价指标,应用层次分析法确定权重,结合隶属度函数,采用模糊综合评价建立太湖蓝藻水华灾度分级评价方法,定量描述蓝藻水华灾害程度.结合2008年太湖蓝藻水华灾害事件对该方法进行验证.结果表明,2008年太湖蓝藻水华灾害规模主要为小型、中型和大型,无重大和特大蓝藻水华灾害发生;其中小型蓝藻水华灾害在各月都有分布,中型和大型蓝藻水华灾害主要分布在5月和7~9月.评价结果表明该方法具有一定的科学性和适用性.     

化学氧化剂对水华蓝藻的控制研究

对比了过氧化氢（H₂O₂）、高铁酸钾（K₂FeO₄）和过碳酸钠（Na₂CO₄）3种氧化剂对自然水体中群体蓝藻生长和光合活性的影响.结果发现,3种氧化剂对蓝藻均有快速的抑制效应,且随着氧化剂浓度的增加抑制效果增强.相同氧化剂浓度下,H₂O₂对水华蓝藻的去除能力强于K₂FeO₄和Na₂CO₄,对蓝藻光合系统Ⅱ的最大光量子产量（F_v/F_m）和有效光量子产量（F_v'/F_m'）的抑制效果也更显著.H₂O₂对不同浓度水华蓝藻的控制实验结果表明,初始藻细胞浓度对H₂O₂控藻效果影响较大,细胞密度越大,H₂O₂降解率增加,抑藻效果急剧下降.当初始藻密度为10μg/L和100μg/L,5mg/L H₂O₂的48h降解率分别为64.9%和97.5%,对藻细胞F_v/F_m的抑制率分别为10%和1%.因此,实施H₂O₂控制蓝藻水华的措施应该尽量在蓝藻水华形成早期,即藻密度较低的时候使用.     

湖北枝江市石子岭水库蓝藻水华研究

2009年8月21日对枝江市作为饮用水源的石子岭水库浮游植物和水体营养盐状况进行了调查.结果表明,该水库已经发生了微囊藻水华;浮游植物群落结构定量分析和多样性指数计算表明石子岭水库明显富营养化,惠氏微囊藻是是群落中绝对优势种.同时浮游植物生态位测度值表明微囊藻等蓝藻在时下的生态因子作用下将呈现逐渐衰退,而绿藻种群扩张,水库中浮游植物明显呈现由蓝藻优势向绿藻优势群落演替趋势.测定叶绿素荧光参数,以了解微囊藻水华的生长状态,比较研究中午强光下和经过24 h暗恢复及与室内培养的惠氏微囊藻三者的差异,表明夏末秋初阶段水库中微囊藻受到了一定的光照胁迫.水库中营养盐分析表明过高的总氮、总磷浓度和适宜的N/P比可能是水华暴发的主要原因,同时也是导致石子岭水库浮游植物呈现特定的群落结构特征的关键因素.     

超声对蓝藻细胞生理影响的研究

蓝藻水华会使水体水质恶化,破坏水生生态系统,同时会增加水处理成本,产生臭味并释放藻毒素。蓝藻水华问题成为社会各界的关注热点。超声由于具有反应速度快,操作简便,在处理过程中不引入其他化学物质等优点,已被广泛应用于水处理领域,包括用于蓝藻水华的控制。总结了超声作用参数对蓝藻生长效果的影响,从藻细胞的光合活性、酯酶活性和抗氧化酶系统等方面探讨了超声对蓝藻生理方面产生的影响,分析了超声对藻细胞的作用机理,并对后续的研究进行了展望,以期为超声控制蓝藻水华的相关研究提供参考。     

水体富营养化及蓝藻水华预警模型研究进展

目前,水体富营养化及蓝藻水华污染已成为最为突出的世界性水环境问题之一,做好水华的预测预警工作显得尤为重要.预警模型是水体富营养化及蓝藻水华预警工作的前提与基础.文章讨论了主要预警参数因子的选择,包括物理因子、化学因子和生物因子;介绍了常用的水体寓营养化及蓝藻水华预警模型的研究进展,总结了各个常用模型的概念、优缺点、建模...     

基于ELCOM-CAEDYM模型的太湖蓝藻水华早期预测探讨

结合太湖蓝藻水华形成的"四阶段理论", 基于澳大利亚西澳大学水研究中心开发的ELCOM-CAEDYM耦合模型框架构建了太湖水华蓝藻生态动力学模型,对蓝藻水华的形成进行模拟,分析了太湖蓝藻水华早期预测的可行性.结果表明:该模型在较长时间尺度上对春季复苏阶段及生长上浮阶段蓝藻水华的形成模拟效果较好,蓝藻生物量模拟值与站点调查值的误差变化范围在1.0%~70.4%,平均误差为28.0%,与MODIS卫星反演值的误差变化范围在3.8%~83.9%,平均误差40.5%;但越冬阶段蓝藻生物量模拟输出值与站点调查值的误差变化范围在3.0%~143.6%,平均误差为40.1%,与MODIS卫星反演值的误差变化范围在9.7%~118.4%,平均误差为48.8%,表明模型对蓝藻越冬过程模拟能力还不强,应在蓝藻越冬机制模拟计算方面进一步改进,以满足蓝藻水华早期预测的需要.     

Modeling mitigation strategies for toxic cyanobacteria blooms in shallow and eutrophic Lake Kasumigaura, Japan

This paper explores mitigation scenarios for toxic cyanobacteria blooms in Lake Kasumigaura is located about 60–90 km northeast of Tokyo, in the southeast of Ibaraki Prefecture, Japan. Dominant species of cyanobacteria (Microcystis aeruginosa, Microcystis viridis and Microcystis ichthyoblabe) produce highly potent toxins as (Microcystin-(Leucine + Arginine, MC-LR), Microcystin-(Arginine + Arginine, MC-RR) and Microcystin-(Tyrosine + Arginine, MC-YR) in the Lake. Toxin production is generally the result of two major factors-natural processes and human interferences. Both factors have an extreme influence on the generation of cyanobacteria toxins within lake ecosystems. To address these factors, we propose two concepts for mitigation. The first concept is intended for examining the natural process of toxin production behavior within the lake and the second concept is used for evaluating inflow of wastes and nutrients from human activities that form toxins. Our research aims to combine both strategies to mitigate impacts of toxins, by examining trends of cyanobacteria nutrient sources, buoyancy regulations that influence bloom formation, and the environmental conditions that spur blooms. This study proposes a simple IMPACT (Integrating Mitigation Policies for Aquatic Cyanobacteria Toxin) model for diminution strategies of harmful algal blooms and their toxins. A mixed-methods approach is employed, nested within the Environmental Systems Analysis (ESA) tools e.g. scenario analysis and stakeholder analysis. The quality of the lake is assessed through a combination of observation and field study analysis. The findings suggest that successful mitigation of cyanobacteria toxins is highly dependent on multi-functional, multi-stakeholder involvement, and relevant intergovernmental policy. Without integrating approaches among different stakeholders, diverse socioeconomic activists, local-national policymakers and effective policy measures, prevention of cyanobacteria toxin production within lakes becomes extremely complex and difficult. The proposed IMPACT model could be a decision framework for identifying suitable policies that mitigate cyanobacteria impacts.     

金属营养元素与蓝藻的相互作用研究进展

水体富营养化所引起的蓝藻水华对自然环境及人类社会产生诸多不良影响,通过控制并降低水体中营养物质的浓度相对于其他措施更能有效地降低蓝藻水华的发生程度。在此以金属营养元素为重点,讨论了金属营养元素在蓝藻新陈代谢过程中的作用,综述了蓝藻与金属营养元素间相互作用:蓝藻可改变水体中金属营养元素的含量和分布,而金属营养元素的种类及含量变化也可影响到蓝藻的数量、种类与分布。调研了国内地表水体中金属营养元素的监控现状,建议政府部门加强金属营养元素的监控,以期为蓝藻的监控预警及重金属污染治理等工作开拓新的思路。