镜泊湖藻类生长和湖泊富营养化预测初探

作者在分析了影响镜泊湖藻类生长的主要因素的基础上,建立了镜泊湖藻类生长模型,利用实验数据和有关资料对镜泊湖藻类生长和湖泊富营养化趋势迸行了预测。作者认为：在镜泊湖藻类的生长季节（５—１０月）,Ｎ浓度始终不是主要限制因子;在藻类生长旺盛的７、８两月,Ｐ浓度成为主要限制因子;在５、６、９、１０四个月中,Ｐ浓度和温度均可能成为主要限制因子,但随着Ｐ浓度的提高,温度成为主要限制因子,客观上河湖泊富营养化的发展起着遏制作用。通过检验,本文模型的输出能反映镜泊湖藻类生物量随时间变化的一般规律。     

湖泊富营养化治理: 集中控磷, 或氮磷皆控?

关于湖泊富营养化的治理, 有充足的全生态系统实验和湖泊治理实践表明, 只控磷(P)就可使湖泊贫营养化。但也有不少人认为需要氮(N)和P皆控。由于N和P皆控的成本可达只控P的4—15倍, 故确定富营养化治理是否必须既控P又控N是一个重大而现实的科学问题。针对这个问题, 文章对所有相关观点及其证据的科学性进行了系统辨析。首先, 系统总结了关于富营养化营养驱动与控制的研究历史。其次, 对判定营养控制的主要依据——限制因子的概念发展及判定方法进行了全面回顾与分析, 明确指出该概念的目的是确定促进生物生长的因子。第三, 介绍了新概念——减控因子, 其定义是: 在生态系统管理中, 能够抑制生物个体、种群和群落过度繁盛的必需环境因子, 或直接减灭生物本身的物理(机械)、化学和生物因子, 且成本效益最大。随后, 举例说明了确定减控因子的五个步骤, 即必需性、可控性、可行性、成本分析及实验和应用验证, 证明非限制因子也可成为减控因子, 而限制因子不一定是减控因子。第四, 基于减控因子分析, 指出湖泊富营养化的减控因子是P; 进而, 总结了加拿大和中国的全生态系统实验及大量湖泊治理实践的系统证据。这些充分证明: 仅控P就可控制富营养化, 而减N无助于控制浮游藻类总量, 反而会诱导固氮蓝藻大量生长。第五, 对控N观点的逻辑和实验依据逐一批驳, 指出这些争论或将限制因子混同于减控因子, 或缺乏大尺度的实验证据。第六, 系统辨析了高N的生态效应, 初步确定: 只有总氮和氨氮>5 mg/L时, N才对水生植物等有一定的负面影响且可促进沉积物P的释放。建议先把地表水Ⅰ—Ⅴ类的总氮和氨氮标准限值均放宽至2 mg/L, 后逐步放宽至5 mg/L左右。最后, 指出富营养化治理必须采取系统对策, 以修复物理、化学、水文和生物完整性。在维护湖盆物理完整性的基础上, 最根本的措施是控制外源P负荷总量; 若内源P负荷较大, 则可采取钝化等方法。次之, 应开展水位调控, 以修复水生植被, 实现浊-清稳态转换。综上所述, 湖泊富营养化治理应采取“放宽控N、集中控P的策略”, 以大幅度降低治理成本。     

考虑气候因子变化的湖泊富营养化模型研究进展

气候因子是影响湖泊营养状态和进程的主要自然因素.在全球气候变化的趋势下,将气候因子的变化纳入湖泊富营养化模型中,可以为湖泊演化趋势分析和环境管理决策提供技术支持.本文首先分析了气温、降水、光照和大气等气候因子对湖泊富营养化的影响,进而对考虑气候因子变化的数理统计与分析模型、生态动力学模型、系统生态学模型及智能算法等的研究进行了综述.在此基础上,对完善气候因子变化下湖泊营养状态变化的模型研究进行了展望：1)加强气候因子作用于湖泊营养状态的机理研究;2)选择合适的气候模拟模型,合理设置气候变化情景,在不同模型嵌套时保证时空尺度的匹配;3)以水动力学模型为基础,耦合生态模型及智能算法等,并结合良好的气候模拟模型,以精确模拟预测气候变化下湖泊富营养化的演化过程和趋势.     

松花湖富营养化发生的阈值判定和概率分析

湖泊、水库富营养化是目前国内外环境科学领域关注的热点,也是我国面临严峻的水环境问题。选择松花湖为研究对象,以2002~2004年松花湖水体中与富营养化相关指标的特征为依据,运用多元相关分析和多元逐步回归分析以及室内藻类模拟实验和蒙特卡罗随机模拟的方法,围绕松花湖富营养化主要限制因子识别、富营养化发生的阈值判定和概率分析开展研究。结果指出:总磷和总氮是松花湖富营养化的主要限制因子,总磷是水体富营养化的第一限制因子;松花湖富营养化发生的阈值为:总磷含量0.065mg.L-1、总氮含量0.843 mg.L-1和叶绿素a浓度11.90μg.L-1;松花湖水体发生富营养化的概率为0.69,其中,无风险的区域占19.21%、一级的区域占9.79%、二级占20.31%、三级占16.5%、四级占25.8%、五级占8.39%,可见,松花湖大部分区域处于轻度富营养化阶段,小部分区域处于中营养阶段。该结论对全面、合理地了解松花湖富营养化的现状以及有效地预防和控制松花湖富营养化的发生和保护湖泊水质具有重要的参考价值,也为水体富营养化的定量化和制定富营养化的标准提供了可行的途径和方法。     

程海富营养化机理的神经网络模拟及响应情景分析

揭示湖泊的富营养化发生机制、定量了解关键生源要素与藻类爆发的因果关联对有效改善湖泊水质和富营养化状况具有重要的科学与决策意义。本研究以云南省程海为例,建立了基于神经网络的响应模型,对富营养化机理进行了研究,并从富营养化核心驱动因子识别、神经网络模型构建与架构分析以及叶绿素a(Chl a)与TN、TP浓度降低的响应模拟几个方面对面临的科学问题进行探索。模拟结果表明,神经网络模型必须在适当的架构下才能产生科学合理的结果;程海的富营养化机制由一个氮(N)、磷(P)共限制的营养盐-藻类动力结构主导,但在此主导结构下拥有氮型限制的次级结构。基于神经网络模型模拟,推导出一系列基于湖体水质控制的Chl a响应的非线性函数,为程海的富营养化控制提供了快速决策支持。     

湖泊生态系统动力学模型研究进展

从系统分析在湖泊生态系统动力学研究中的作用出发,对湖泊生态系统的动力学建模过程、方法和软件等进行了总结.在此基础上,综述了国内外湖泊生态系统动力学模型的发展.从1960年代至今,湖泊生态系统动力学模型从简单的零维模型发展到复杂的水质水动力学生态综合模型和生态结构动力学模型,如LakeWeb模型.中国的湖泊生态系统动力学模型研究始于20世纪80年代,主要集中在滇池、太湖、东湖和巢湖等富营养化严重的湖泊以及其他水体.目前,已经开发一些软件用于湖泊生态系统动力学模拟,主要有CEQUALICM、WASP、AQUATOX、PAMOLARE、CAEDYM等,以及用来模拟湖泊能流的软件ECOPATH.湖泊生态系统动力学模型还在监测、数据共享和模型结构、参数选取和不确定性分析等方面存在不足,需在今后的研究中加以改进.     

星云湖硅藻群落响应近现代人类活动与气候变化的过程

随着人类活动的增强与全球气候变暖的持续,近年来云南湖泊的生态系统功能持续退化,而目前对云南湖泊生态系统的研究还主要集中于单一环境压力的生态效应。以星云湖为研究对象,通过沉积物记录与现代监测资料,识别在湖泊富营养化、气候变化以及人类强烈干扰下硅藻群落结构响应的过程,并甄别驱动群落变化的主要环境压力及其强度。结果显示随着湖泊生产力水平(如沉积物叶绿素a浓度)的增加,硅藻物种组成发生了明显的变化,主成分分析表明了水体富营养化是驱动群落变化的主要环境因子(r=-0.63,P0.001)。简约模型与方差分解的结果表明近200年来(钻孔长度38cm),湖泊营养水平和水动力是驱动星云湖硅藻群落变化的主要环境因子,分别解释了群落变化的18.8%和2.9%;而1951年以后,湖泊营养水平和温度分别解释了硅藻群落结构变化的31.4%和26.8%。研究结果表明了硅藻群落长期变化的主控因子是湖泊营养水平,而人类活动及气候变化等可以通过改变湖泊水动力及湖水温度来驱动硅藻群落的演替,同时抚仙湖-星云湖的连通性也对硅藻群落的演替产生了一定影响。     

1995-2015年武汉城市湖泊景观生态安全格局演化

以1995、2005、2015年3期遥感影像为数据源,通过景观指数和GIS空间分析方法研究武汉中心城区湖泊系统景观格局的演化特征,进而构建湖泊景观生态安全评价模型,以揭示武汉中心城区湖泊系统景观生态安全格局演变规律,并探讨其驱动因素。研究结果表明：（1）近20年来武汉中心城区湖泊系统总面积呈现不断下降趋势,1995-2005年以年均2.4%的速率缩减了28.95 km²,2005-2015年以年均1.8%的速率缩减了17.47 km²。（2）研究期湖泊系统的斑块密度、分维数呈现不断降低趋势,这表明武汉中心城区湖泊破碎化程度在不断降低,湖泊形状趋于简化;而连接度呈现不断增加趋势,湖泊分布集聚趋势不断加强,空间结构趋于紧凑集中。（3）武汉城市湖泊系统总体景观生态安全呈现不断恶化趋势,而次级湖泊水系景观生态安全呈现不同的演化特征。城市建成区的迅速扩展、湖泊由农业生产对象转化为可利用发展用地、房地产事业成为支柱产业是湖泊系统遭填占最主要的动力,直接危害了其景观生态安全,而市民环境意识提高引发湖泊保护倡议和实践,对湖泊景观生态安全产生着积极影响。对湖泊景观生态安全格局演变特征及驱动因素的研究,可以为武汉制定行之有效的生态管理政策和环境治理措施提供重要支撑。     

草型富营养化湖泊生态恢复工程技术的研究--内蒙古乌梁素海生态恢复工程试验研究

在典型草型富营养化湖泊-内蒙古乌梁素海设立试验研究基地,进行较大规模生态恢复工程试验,研究表明,实施沉水植物收割工程与芦苇园田化生态管理工程是草型富营养化湖泊生态恢复的两项重要技术措施。以机械化方式收割沉水植物能够削减湖泊内源性营养物负荷的积累和释放,减少二次污染,抑制生物填平作用,改善水体环境;采用机械化技术控制芦苇蔓延、打开芦苇区通风道和通水道,可以重建湖泊绿色自然景观,提高全湖水流循环速度。有计划、合理地运用生态恢复工程不仅可以减轻草型湖泊所面临的巨大生态压力,延缓沼泽化演化进程。而且可以在实施生态工程的同时开发利用水生植物资源,使湖泊环境与湿地综合利用得到持续发展。     

气候变化与人类活动双重驱动的冷水湖泊富营养化

富营养化对水生生态系统造成的负面影响已在世界范围内广泛发生,尤其对淡水水源地湖泊的水环境质量影响深远,进而引起当地居民的饮用水安全与健康隐患。在人类活动和气候变化的双重驱动下,富营养化辐射的范围不断扩大,从过去主要集中于温带大型浅水湖泊已经扩展到寒冷地区的冷水湖泊。分析了近年来世界范围内高寒地区冷水湖泊富营养化的趋势特征与研究进展,探讨了气候变化、人类干扰(农业活动、畜牧业生产、管理措施不当等)在不同地区冷水湖泊富营养化进程中的作用。在未来的研究中,应进一步加强对冷水湖泊富营养化机制的探讨,并对已有富营养化症状的湖泊进行生态修复,以确保冷水湖泊生态系统健康并改善饮用水源地的环境质量。     

Quantile regression improves models of lake eutrophication with implications for ecosystem‐specific management

相似文献   

北京市北环水系富营养化因子分析

以北京市北环水系水体为例,利用聚类分析将研究区分为河流子系统和湖泊子系统.因子分析表明,河流子系统第一主成分富营养元素为总磷(TP)、总氮(TN)和氨氮(NH₄-N),第二主成分为温度(T)和溶解氧(DO);湖泊子系统第一主成分为总氮和氨氮,第二主成分为总磷、酸碱度(pH)、透明度(SD)和温度,第三主成分为溶解氧和叶绿素a(Chla),表明研究区的水体富营养化主要由富营养盐负荷引起.结合逐步回归分析方法,建立富营养水平预测回归模型,根据模型自变量选择证明河流子系统富营养化特征为磷限制型,湖泊子系统为氮限制型.从水量和水质上对营养盐浓度负荷变化分析表明,研究区年最小生态环境用水为4872×10⁴m³,1990～1998年,除1998年外,现实的生态环境需水均不能满足需求.随着流域人口的不断增长,生活污水、城市径流和固体废弃物淋溶液中营养物质进入水体,研究区营养盐浓度负荷有随时间不断增长的趋势,针对这种趋势提出了应对措施.     

评价湖泊富营养化的一个综合模型

湖泊富营养化的评价 ,即确定水体的状态属性 ,实际上是一个将定性问题定量化的多变量的综合决策过程 ,因此 ,对湖泊的富营养化程度进行评价应以综合评价为主 .在综述国内外若干综合评价方法的基础上 ,指出营养状态指数 (TSI)法应可作为湖泊富营养化评价的主要方法 ,因其可对湖泊的营养状态进行连续的数值化分级 ,从而为富营养化机理的定量研究提供坚实基础 .采用层次分析 (AHP)法确定综合评价指标中的权重分配 ,构建一综合评价模型 :TSI =W (Chla)×TSI(Chla) +W (Sd)×TSI(Sd) +W (TP)×TSI(TP)或TSIM=W (Chla)×TSIM(Chla) +W (Sd)×TSIM(Sd) +W (TP)×TSIM(TP) .此外 ,文中简要讨论了综合评价与其他统计方法如聚类分析的关系 .     

A Catastrophe Model for Water Bloom Prediction: A Case Study of China's Lake Chaohu

Using a case study of Lake Chaohu, the fifth largest lake in China, we constructed a cusp model for water bloom prediction that used TP (total phosphorus), T (temperature), Chla (chlorophyll-a), and DO (dissolved oxygen). These four parameters were assumed to be the most important factors in eutrophication and water bloom of the lake. The model was found to be accurate, because its relative error was around 10%. What is more convincing, according to the catastrophe discriminant of the cusp model, it could be judged that a discontinuous jump of the aquatic ecosystem occurred in July 2004, in Lake Chaohu. This conclusion is consistent with the fact that water blooms arose in August 2004. The cusp model also showed satisfactory precision when applied to forecast the eutrophication trend and prediction of water bloom in Lake Chaohu in 2005. The case study found that water bloom brought on by eutrophication can be fit and predicted by a catastrophe model. We suggest that catastrophe models would be a constructive approach to forecast and judge the outbreak of water bloom in lakes. In addition, by constructing and studying such catastrophe models, lake managers would be able to simulate the effects of different protection and mitigation projects and enrich the scientific basis for the optimization of these projects as well.     

Analyzing the mutual feedbacks between lake pollution and human behaviour in a mathematical social-ecological model

Does the adoption of environment-oriented actions by individuals necessarily improve the state of an ecosystem in the most effective way? We address this question with the example of eutrophication in shallow lakes. When exposed to fertilizers, such lakes can undergo a critical transition called eutrophication, resulting in a loss of biodiversity and ecosystem services. We couple a generic model of eutrophication with a best-response model of human behaviour, where agents can choose to pollute the lake at a high level (defection) or at a low level (cooperation). It is known that feedbacks between the interacting lake pollution and human behaviour can give rise to complex dynamics with multiple stable states and oscillations. Here, we analyze the impact of all model parameters on the shape of the nullclines. S-shaped nullclines are a condition for complex dynamics to occur. Moreover, we find that agents decreasing their pollution discharge into the lake is not necessarily the most effective way to reduce the pollution level in the lake. This is due to coexisting counterintuitive stable equilibria where the lake is in a clear state despite a high level of pollution discharge. We analyze the complex dynamics of the system and describe in detail Hopf, saddle-node, homoclinic and Bogdanov-Takens bifurcations. The complex dynamics with potential multistability and counterintuitive equilibria suggests that generic management recommendations holding for every level of pollution and of cooperation are impossible. Apart from the direct perturbation of an ecological variable, we identify three ways a management strategy can influence the social-ecological system: it can change the location, the resilience and the existence of stable equilibria.     

Periodic solutions of some ecological models

A result is given on the existence of an asymptotically stable periodic solution of a class of systems of periodic ordinary differential equations. The result is applied to a lake eutrophication model with seasonal effects, and some suggestions are made for the solution of such models.     

水华爆发的突变模型——以巢湖为例

面对湖泊水库富营养化的严峻形势,水华防治是当务之急,而根据富营养化现状对水华进行准确的判定和预报更是重中之重.从水生态系统的角度出发,综合考虑TP、T、Chla和DO等4个对巢湖富营养化乃至水华影响最为突出的因子,构建了巢湖水华突变的尖点模型,通过模型来模拟巢湖富营养化引发水华的情势.在对巢湖2000～2003年时间序列的监测数据进行数据拟合的基础上,发现南淝河入湖区断面处逐月TP、T、Chla和DO数据的演变规律符合突变理论的尖点模型特征.经检验,模型的相对误差控制在10%左右,具有较好的拟合精度.根据模型的突变判别,巢湖的水生态系统2003年7月在南淝河入湖区断面处发生了突变,这一模拟结论与该断面2003年8月爆发水华的实际情况相一致.研究表明,水华突变模型的建立,准确地反映了巢湖富营养化引发水华的实际情况,系统地勾勒出富营养化状态下水生态系统各要素间的动态响应模式,揭示了水华爆发的突变机理.通过水华突变模型的构建,不仅能够对巢湖水华的发生进行判断和预报,还可以对各项防治措施的实施效果进行预测和模拟,进而为综合整治方案的优化和统筹提供科学依据.水华的爆发是多诱因的综合作用结果,是营养物质长期累积、由量变到质变的演化过程,作为目前唯一的一种研究由渐变引起突变的系统理论,突变理论满足水华研究的数理要求,为水华现象的数值模拟提供了可行的解决方案.     

应用支持向量机评价太湖富营养化状态

根据湖库富营养化程度评价标准,随机生成大量学习样本,运用支持向量机（SVM）算法建立富营养化评价模型。采用太湖2012年7—9月的监测数据,分别应用SVM模型和线性插值评分法(SCO)对太湖33个监测点的富营养化状况进行了评价。结果表明太湖在2012年7—9月共出现3种营养类型,其中,中营养主要分布于东部湖区,轻度富营养主要分布于湖心区和东部沿岸区,中度富营养主要分布于西北部湖区,太湖水体整体表现为轻度到中度富营养水平。通过SVM和SCO结果的对比分析,发现两种评价方法的结果一致率为78.8%,出现不一致的个例均属于相邻营养等级,表明该SVM模型是有效的,能够应用于太湖的富营养化评价,且具有更好的收敛性和泛化性。     

Assessing the role of internal phosphorus recycling on eutrophication in four lakes in China and Malaysia

Internal phosphorus recycling (IPR) is an important nutrient source driving algal growth and eutrophication in lakes. The complexity of eutrophication behaviours caused by high IPR complicates lake management and undermines restoration efforts. Hence, knowledge about the possible types of bifurcation behaviours caused by high IPR is essential for effective and sustainable lake eutrophication management. For this purpose, numerical bifurcation analysis is performed on an algae‑phosphorus model to investigate how IPR drives complex and rich eutrophication behaviours in two tropical and two subtropical lakes. The two tropical lakes are Tasik Harapan and Sunway Lagoon in Malaysia, while the two subtropical lakes are Lake Fuxian and Lake Taihu in China. For each specified level of IPR, co-dimension one bifurcation analysis is performed by means of XPPAUT. Co-dimension two bifurcation analysis is then carried out by means of MatCont. At low IPR, Lake Fuxian exhibits reversible behaviour, accompanied by higher external phosphorus loading (EPL) thresholds. Lake Fuxian is also more conducive to stable equilibrium and its lake dynamics are easily predictable. At moderate IPR, Sunway Lagoon is likely to exhibit stable equilibrium, accompanied by possible shifting between two stable steady states (hysteresis behaviour) and oscillations. With higher IPR, Lake Taihu and Tasik Harapan are prone to irreversibility, accompanied by lower EPL thresholds. Because of increased complexity in lake dynamics in Lake Taihu and Tasik Harapan, small changes in EPL or in algal mortality rates could trigger various transitions in lake dynamics. Overall, high IPR can trigger unexpected sharp increases in algal concentration and can reduce the resilience of an oligotrophic lake. For shallow lakes, high IPR would cause unexpected sharp increases in algal concentrations, undermine resilience of lakes, complicate lake management, and delay lake recovery process.