淡水湖泊生态系统退化驱动因子及修复技术研究进展

目前我国多数淡水湖泊污染、退化问题非常严重,诸多修复技术也已初见成效。影响淡水湖泊生态系统退化的驱动因子众多,既有生物因素也有非生物因素,它们之间相互联系,相互作用,且作用机理错综复杂。首先介绍了淡水湖泊生态系统退化的含义及形式;其次,分析、总结了淡水湖泊生态系统退化的驱动因子,从退化的生态学完整性意义和退化修复的技术手段上看,淡水湖泊生态系统主要受物理、化学和生物三大驱动因子影响,且基本遵循"环境变化-驱动力-压力(阈值)-状态-响应"原理;再次,在厘清湖泊生态系统退化驱动原理的基础上,从淡水湖泊生态系统功能模块和湖泊生态系统修复实践经验总结的角度出发,构建了淡水湖泊生态系统修复模块技术体系,并就湖泊富营养化和湖滨湿地生态系统退化修复的技术进行了讨论和对比;最后,对淡水湖泊生态系统修复的环境变化驱动因子的作用机制、作用途径和修复技术的长效机制等方面进行了展望。     

1987-2016年武汉城市湖泊时空演变及其生态服务价值响应

城市湖泊面积萎缩、水体污染及流域生态系统功能退化已成为影响城市生存与发展的重要环境问题,明确城市湖泊时空演变特征及其生态系统服务价值响应能强化人类对城市湖泊的保护认知,对维护湖泊及流域生态系统稳定、确保城市湖泊资源可持续利用有着重要意义。选取武汉市现主城区1987、1996、2007和2016年遥感影像,提取湖泊及流域水面信息,探讨武汉城市湖泊时空演变特征及其驱动力;并结合不同时期社会经济、自然环境等实际,进行湖泊水域生态功能服务价值定量估算,探讨其对人类活动及湖泊时空演变的响应规律。主要结果如下：（1）29年间,武汉主城区湖泊水域面积共缩减82 km²,减少了56.9%;越靠近城市建成区,湖泊面积缩减越明显;湖泊面积越小,填占现象越严重;湖泊水系由1987年纵横交错的网络格局发展为2016年相互分散的独立斑块。（2）农业生产和城市建设是造成湖泊面积减少的主要原因,相关保护政策及条例的实施是湖泊面积增加的驱动因素,城市不同发展时期主要的驱动因素各异。（3）1987-2016年,武汉主城区湖泊水域生态系统服务价值由20.95亿元减少到6.78亿元,共减少了67.64%;城市建设与发展需要导致的湖泊水域面积减少和水质恶化是武汉主城区湖泊水域生态功能退化、生态服务价值降低的主要原因。（4）各生态服务功能的估算价值依次为：调蓄洪水 > 净化水质 > 涵养水源 > 提供生物栖息地 > 文化娱乐 > 教育科研 > 调节气候 > 固碳 > 释氧 > 扬尘削减,其中湖泊及流域所特有的调蓄洪水、净化水质及涵养水源等服务功能生态价值巨大,有着其他生态系统不可替代的优势。     

生物操纵理论与技术在富营养化湖泊治理中的应用

近年来,全球范围内湖泊富营养化问题日趋严重。以生物操纵理论为指导,采用水生食物网调控、改善水质、抑制藻类的生物修复方法,为解决这一问题提供了可行的途径。论文综述了生物操纵理论的产生、发展和应用,阐述了富营养化水体生态系统中肉食性鱼类、滤食性鱼类、浮游动物、沉水植物和细菌等的作用,并针对当前生物操纵技术应用中存在的差异性问题,提出了不同湖泊应根据其特性采取不同的组合技术并重点采取相应措施的建议。     

基于管理目标的湖泊生态系统动力学

基于生态系统管理的目标,在对相关研究分析的基础上,依据生态系统生态学、淡水生态学的理论,提出了湖泊生态系统动力学研究的2个理论基础：生态系统管理和生态系统特征.在此基础上,分析得到湖泊生态系统动力学的研究方法体系,主要包括研究内容与技术路线、关键问题识别和动力学模拟、湖泊生态系统的适应性管理决策等部分.其中,湖泊生态系统结构和过程、湖泊中食物网营养动力学研究、生源要素循环、湖泊中关键过程的生态作用以及湖泊生态系统动力学模拟是研究的核心问题.此后,以P为主要的生源要素,将生态系统分为3个子过程：入流、出流和内部反馈,并以此建立了湖泊生态系统动力学的模型框架,以辅助于湖泊的生态系统管理.     

湖泊生态系统弹性系数理论及其应用

在湖泊生态系统健康评价的基础上,分析城市湖泊营养状态的特殊性,论证得出响应型和非响应型湖泊的生态系统健康指数(EHI)与营养状态指数(TSI)近似呈二次函数关系.提出湖泊生态系统弹性系数,对生态系统健康指数(EHI)做出适当改进.改进后的生态系统健康指数(EHI′)能够更好地反映各类型湖泊的健康状态,完善了Xu等的EHI理论并扩展了其应用范围,是目前最为接近Costanza对HI定义的可量化计算的数学公式和方法,并成功用于厦门杏林湾生态系统健康评价.     

雄安新区多尺度生态安全格局构建框架

维持城市所处的生态系统格局与过程,使得城市生存和发展所依赖的关键生态系统服务实现供需平衡是保障城市生态安全的根本要求和基本前提。因此,城市生态安全不仅是城市本身的问题,还涉及到城市所处的流域、区域、国家等多个不同的空间尺度,具体由支撑城市及其发展的关键生态系统服务所涉及的生态过程所决定。对生态安全概念及研究进展进行了梳理和分析,在此基础上,提出了一个城市生态安全保障的生态系统服务研究框架,将维持城市生态安全的关键生态系统服务需求分为3个层次：一是水资源供给、食物生产、水质净化等城市生存所依赖的基础资源与基本环境维持相关的服务,二是土壤保持、水源涵养、防风固沙、固碳释氧、生物多样性等生态系统稳定和可持续性维持相关的生态系统稳定和调节类服务,三是生态休闲、微气候调节、降尘减噪、文化审美等人居环境与文化类服务。进而利用该框架,从不同需求层次分别对雄安新区生态安全保障的生态系统服务需求进行了分析,结合其自然地理特征和新区建设的社会经济发展情景,从新区城市、大清河流域和京津冀区域三个尺度提出了雄安新区生态安全格局构建框架,以及相应的保障对策和建议,包括从多尺度进行生态环境调控和管理,打破行政和地域边界限制;关注各尺度各关键生态系统服务的过程,加强生态环境要素的监测和预警;重视新区在人居环境改善层次的生态系统服务需求等。     

微生物调查与湖泊生态健康的研究

湖泊生态系统是人类赖以生存和发展的生态基础,湖泊生态系统在提供给人类所需要的各种物质资源的同时也遭到了人类的破坏。本文针对微生物多样性指标在水生态健康评价体系中的重要性进行阐述,微生物与湖泊水质具有较强的相关性,水体中的氮、磷循环以及有机污染物的降解、重金属的富集都与微生物有密不可分的关系,它是环境中物质循环和能量循环的重要参与者,在水体净化过程中起着主导作用,微生物具有数量大、分布广、代谢能力强、方便检测等优势使微生物指标在湖泊生态健康评价体系中发挥重大作用。     

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.     

基于环境DNA-宏条形码技术的水生生态系统入侵生物的早期监测与预警

外来生物入侵是继生境破坏后造成生物多样性丧失的第二大威胁因素, 已对入侵地的生态安全、经济和社会发展及人类健康等造成严重负面影响, 成为21世纪五大全球性环境问题之一。作为水产养殖、航运和水生宠物交易大国, 我国水生生态系统的生物入侵问题尤为严重。研究表明, 系统地构建并应用早期监测预警技术是防控水生生态系统生物入侵最有效的途径。和陆生生物相比, 水生生物群落的物种繁多、群落结构复杂、生物形体微小且在入侵初期群体规模极小、隐匿于水下、可用于物种鉴定的外部形态缺乏, 使得在水生生态系统中构建并应用早期监测和预警体系在技术层面更具挑战。随着高通量测序技术的快速发展, 环境DNA-宏条形码技术成为构建水生生态系统入侵生物早期监测与预警技术的首选。本文主要综述了基于环境DNA-宏条形码技术的水生生态系统入侵生物的早期监测与预警技术方法; 解析了环境DNA-宏条形码监测系统的应用现状、技术优势; 着重探讨了影响监测结果准确性的I型和II型错误及其产生原因, 并为避免两类错误提供了可行的优化/改进方案; 最后对该方法在水生入侵生物监测中的应用前景进行了展望。     

城市土地利用异质性对湖泊水质的影响

土地利用类型与水体水质之间存在显著相关关系,这种相关关系受到土地利用类型及其空间分布的影响.人类活动造成流域中不同汇水单元间土地利用异质性,进而影响和改变了汇水单元水质状况.在自然或半自然区域内,采用多个汇水单元的综合分析能够体现出流域土地利用类型与水质的相关关系.然而,在城市区域中,可能存在由于土地利用特征差异而导致这种相关关系的抵消和降低,致使分析结果与实际存在偏差.为证实这一现象的存在,选取武汉市汉阳地区龙阳湖等4个湖泊流域为研究对象,分别从汇水单元综合分析、以影响水质的主要用地类型作为变量进行聚类分析和以湖泊流域为对象的分析等3个角度,分析汇水单元间的土地利用特征差异对水质的影响,结果显示土地利用异质性影响甚至改变了土地利用类型与水质的相关关系.因此,在研究城市土地利用与水体水质相关性时,需要同时考虑土地利用类型的特征和格局.     

洞庭湖区三个湖泊水生植物多样性的比较研究

比较研究了洞庭湖区华容县东湖、益阳市大通湖和岳阳市郊南湖水生植物多样性的现状,讨论了30年来3个湖泊水生植物多样性丧失的情况及与其所受人为干扰的关系,探讨了野菱、密齿苦草和菹草对人为干扰的适应机制、大通湖和南湖水生植物多样性及其退化水生态系统恢复的途径。主要结论如下：（1）199－2000年东湖、大通湖与南湖各分布有水生植物61种、56种和32种,其分别隶属于29科43属、26科39属和20科27属;各有水生植物群丛8个、6个和4个;水生植被覆盖率分别为26．17％、10．60％和9．99％。（2）30年来三个湖泊分别有3种、9种和13种水生植物消失,2个、5个和5个水生植物群丛类型消失。（3）水生植物多样性的现状是：东湖＞大通湖＞南湖,多样性下降的程度与其所受干扰强度成正相关。     

How to know about waters? Finnish traditional knowledge related to waters and implications for management reforms

Finnish lakes, rivers, the Baltic and wetlands–our aquatic ecosystems–are surveyed, assessed and studied using natural sciences and ecological data. We argue that this approach is leaving out a key repository of information–the traditional knowledge of waters. By reviewing aspects, qualities and depth of knowledge across Finland from mid-boreal ecosystems in Eastern Finland to large Saimaa lake system to Western Finnish lakes we demonstrate a potentially reformative approach to aquatic assessments. Cultural indicators, baseline data from oral histories, linguistic diversity and behaviour of species on lakes based on traditional knowledge observations have the potential to greatly enhance our understanding of ecosystem health. Of special importance are the spawning locations of fish known through traditional knowledge, but often ignored by science-based assessments.

     

Distribution and faunal richness of Cladocera in western Uganda crater lakes

In this study, we analyse the distribution and species richness of epibenthic and planktonic Cladocera (Crustacea: Branchiopoda) in 62 Uganda crater lakes, spread across the climatic gradient between the sub-humid shoulder and semi-arid floor of the East African Rift Valley. Together, these lakes cover large environmental gradients in salinity, trophic conditions and depth. In total, 36 species of Cladocera were encountered in the freshwater lakes (<1,500 μS/cm), whereas only a single species was found in the true saline lakes (>10,000 μS/cm). Cladoceran species richness in individual lakes was found to be determined primarily by the presence of a well-developed littoral belt of submerged and emergent aquatic macrophytes, pH and salinity. The highest species richness occurred in fresh but eutrophic shallow waters, with relatively low pH (6.5–7) and dense aquatic macrophyte growth. As identified by multivariate statistical analysis, the distribution of Cladocera species among the Uganda lakes was most strongly determined by nutrient availability (measured as total phosphorus), the presence and diversity of aquatic macrophyte habitat, pH, mean annual temperature and the fraction of the crater catchment that is currently under agriculture. Since Cladocera play an important role in aquatic food webs, and as such contribute to the ecological integrity of aquatic ecosystems, an increased understanding of the environmental controls underlying their distribution provides valuable information on aquatic ecosystem functioning needed for management and conservation. The significant turnover of cladoceran species composition along the sampled environmental gradients demonstrates their potential as biological indicators for water quality and ecosystem health in East African lakes. Our results suggest that changes in land use are the greatest threat to natural ecosystem functioning in these African lakes, and particularly so in the shallower lakes.     

硅藻重金属污染生态学研究进展

硅藻是水生生态系统健康的指示生物之一,对环境变化极为敏感,某些典型硅藻已应用于指示水体重金属污染.本文围绕地表水重金属污染,从毒性效应、生物吸附和累积、生态适应机制及生物指示与生态修复作用等方面,综述了硅藻重金属污染生态学研究进展,阐述重金属污染下硅藻的生长趋势和硅壳形态的变化,硅藻对重金属生物吸附和生物累积的差别,硅藻对重金属的表面络合和离子交换等生态适应机制,以及硅藻对水体重金属污染的指示作用和生态修复作用,为水生生态系统的重金属污染防治与预警技术提供科学依据.     

Human Health-Related Ecosystem Services of Avian-Dense Coastal Wetlands Adjacent to a Western Lake Erie Swimming Beach

EcoHealth - Wetlands provide many valuable ecosystem services, including water quality improvement to protect downstream aquatic ecosystems such as lakes, rivers, and estuaries. However, their...     

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.     

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。     

Effect of lead on the reaction of O-demethylase in p-nitro anisole in the cladoceran Moina macrocopa

The presence of the Mixed-Function Oxydase (MFO) system, in Moina macrocopa was detected through the transformation of p-nitroanisole to para-nitrophenol. The presence of this enzymatic system suggested that this cladoceran participates in the biotransformation of xenobiotics in aquatic ecosystems. This capacity, in conjunction with the aquatic flea's high tolerance to environmental stress, suggested that M. macrocopa could be used in bioremediation efforts to increase ecosystem health. The effects of lead on the MFO system in M. macrocopa, were also studied. Lead acted as an inhibitor of the enzymatic complex. Therefore, induction of MFO-activity as an early warning may not work in waterbodies affected by both inducers of MFO and inhibitors like lead.     

湖泊水位变动对水生植被的影响机理及其调控方法

水位的高低及其变动范围、频率、发生的时间、持续的时长和规律性等是影响湖泊水生植被的核心因子.水位变动有短期、年内季节性和年际变动3种,对湖泊水生植被有不同的影响机理.水位短期变动通过对水体中的悬浮物、透明度、光衰减系数等的影响而对水生植被产生作用;周期性的年内季节性和年际水位变动可对水生植被的生态适宜性产生影响,并进而改变其时空分布;长期的高水位和低水位以及非周期性的水位季节变动会破坏水生植被长期以来对水位周期性变化所产生的适应性,从而影响了植被的正常生长、繁衍和演替.植被的极端深度和物种多样性是水位调控的核心表征指标,可通过经验数据分析法、生态模型法和参照法等方法来确定湖泊的适宜水位变动范围和时间.研究对象选择、研究方法、管理中的应用以及重要环境变化所产生的影响等是今后相关研究的核心问题.     

城市湖泊富营养化成因和特征*

城市湖泊的功能主要体现在旅游、如愿、洪涝调蓄排水、调节气候以及改善城市生态环境等方面。根据湖泊所处地理位置和湖泊水质退化现象,阐述了城市湖泊水体从贫营养到富营养转变的主要原因;从水质的理化指标、底质污染物含量和水生态系统等方面初步时论了城市型浅水湖泊富营养化的特征。同非城市湖泊相比:大部分城市湖泊的水体透明度下降,污染严重的湖泊还会出现水体发黑或出现水华;水质和底质的氮磷及其它污染物含量较高,水生态系统急剧退化,水生植物以浮游植物为主,藻类大量繁殖,高等水生植物不断消亡。根据综合营养度指数对我国主要城市湖泊进行分级评价的结果表明,我国城市湖泊均达到了富营养化或严重富营养化程度。