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。     

湖泊富营养化模型研究进展

自多湖泊富营养化引起人类注意以来,科学家们就设法通过使用数学模型来模拟湖泊富营养化的发生,预测湖泊对不同管理措施的响应,以便批出合理的治理措施。总的来说,湖泊富营养化模型大概经历了以下三个发展阶段：（1）单限制因子模型,如磷模型;（2）多限制因子模型,如浮游植物初级生产力估测模型;（3）生态－动力学模型,它是目前也是以后发展的主不充。随着人们对湖泊生态系统认识的提高和计算机技术的发展,生态与水动力耦合模型、面向对象模型和神经网络模型等具有良好的发展前景。     

磷的生物有效性对山地生态系统的影响

磷(P)的生物有效性对山地生态系统的发育和稳定至关重要。由于大气CO_2浓度升高和N沉降增加,生态系统C、N和P的化学计量比失衡,P的生物有效性受到更多关注。近年来山地系统中P的研究不断深入,2004—2013年间ISI Web of Knowledge中相关研究论文几乎是此前近百年的3倍。总结了山地生态系统中P的生物有效性的特点及其对植物物种多样性和初级生产力的影响。山地生态系统P的生物有效性因垂直高差和地形梯度空间变异明显,快速物质运移和生物过程是控制山地生态系统P的生物有效性的关键因素。P的生物有效性可以影响山地生态系统物种多样性和初级生产力,其对初级生产力的限制存在于全球范围内的山地生态系统。当P的生物有效性发生改变时,山地生态系统的结构越复杂,其植物物种多样性和初级生产力的响应可能会越平缓。全球变化的重要驱动因子(如增温和N沉降增加)可以直接或间接地改变山地生态系统P的生物有效性,因此需要在山地生态系统中加强长期监测和养分控制实验,并结合新型P分析技术,以期认识山地生态系统P的生物有效性的现状、变化趋势和对生态系统的影响,从而为适应全球变化背景下山地生态系统养分状况的改变提供依据。     

小型城市湖泊生态系统预警技术--以武汉市汉阳地区为例

城市湖泊正面临着水体污染和生态系统退化的双重压力 ,对湖泊生态系统的状态进行预警是判定湖泊演化趋势以及制定相应控制对策的重要途径和手段。本文以武汉市汉阳地区的 6个小型城市湖泊为例 ,结合国内外的研究进展 ,从水生生态系统、湖滨生态系统和入湖沟渠生态系统 3方面入手 ,结合生物监测、生物标志物技术 ,综合考虑水文、水质和生态系统以及污染物扩散等因素 ,设计出汉阳地区湖泊生态系统的预警技术体系。该技术体系主要分 5步 :湖泊生态系统现状调研、生物标志物和关键指示因子确定、水质 -生态系统模拟、系统输出和灵敏度检验以及生态系统状态预警及对策、措施     

水华杀藻微生物的分离与分子生物学鉴定

正除藻方法一般分为工程物理方法、化学药剂法和生物方法三大类。作为庞大的富营养化湖泊的藻类控制技术,利用工程物理方法和化学药剂法显然是行不通的,对环境友好的生物控藻技术受到越来越多的关注,国内外许多富营养化湖泊水华的控藻技术的研究热点转向生物控藻技术。在利用生物控藻上,目前主要有三个方面,一是以鱼类控制藻类的生长;二是以水生高等植物控制水体富营养盐及藻类; 三是以微生物来控制藻类的生长。其中由于微生物易于繁殖的特点,使得微生物控藻是生物控藻里最有前途的一种控藻方式。这些杀藻微生物主要包括细菌(溶藻细菌)、病毒 (噬藻体)、原生动物、真菌和放线菌等五类。国内外对杀藻微生物的分离和鉴定有一些报道,但都不够系统和全面, 本文以本实验室的工作为基础,较全面、系统地介绍前三类水华杀藻微生物的分离与纯化及其分子生物学鉴定方法。       

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。     

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。     

中国典型生态脆弱区生态化学计量学研究进展

在人类活动和自然环境变化的相互作用下,生态脆弱区生态系统随之变迁,荒漠化、盐碱化、水土流失、植被生产力下降等是生态脆弱区面临的重要问题。生态化学计量学作为当前多学科交叉研究的热点领域,强调从生态系统能量与元素平衡角度,揭示元素生物地球化学循环和生态系统对环境变化的调控机制。为了促进对生态脆弱区碳（C）、氮（N）、磷（P）生态化学计量的深入理解,本文重点总结了近年来有关我国典型生态脆弱区植物、凋落物、土壤和土壤微生物量C、N、P生态化学计量及其对环境变化响应的研究成果,并展望未来研究方向,以期促进生态化学计量学的发展和生态脆弱区生态保护与恢复研究。研究表明,植物-凋落物-土壤-土壤微生物系统C、N、P化学计量具有较强相关性,并受土壤因子、气候因子、生物因子和人类活动的显著影响。在生态脆弱区,我国北方荒漠及荒漠化地区由于较高的N∶P比值易受P限制,而青藏高原脆弱区、西南岩溶石漠化地区和黄土高原脆弱区等生态脆弱区更易受N限制;随着植被恢复,养分限制逐渐由N限制向P限制转变。生态脆弱区相对较低的养分含量和C∶N∶P比值或许可在一定程度上解释植被生产力较低的原因,而具有较高N、P化学计量内稳性的植物在贫瘠环境中具有较强竞争力和更高稳定性。今后可加强多尺度、不同生态系统植物-凋落物-土壤-土壤微生物系统生态化学计量和长期、多因子交互控制实验的研究。     

附着生物在浅水富营养化湖泊藻-草型生态系统转化过程中的作用

不同营养盐水平下附着生物对水生植物影响的实验结果表明, 随营养盐浓度的升高, 附着生物的生物量随之增加, 且对水生植物光合作用的抑制作用也相应增强. 结合其他研究的风浪、光照、营养盐形态和鱼的牧食对水生植物的影响, 得出在浅水富营养化湖泊中, 草型生态系统与藻型生态系统互相转化的先决条件是营养盐水平, 当其浓度发生变化时, 对生态系统造成胁迫, 导致生态系统不稳定, 此时, 外部的任何一点扰动(如风浪、高水位、鱼等)就有可能使得原来的生态系统发生崩溃, 新的与环境相协调的生态系统得以建立. 从理论上解释了湖泊生态系统在草型和藻型之间转化的机理, 为湖泊富营养化治理与生态修复提供了理论依据.     

淡水湖泊附着藻类生态学研究进展

附着藻类是淡水生态系统初级生产者的主要组成部分,对淡水生态系统营养盐循环及沉水植物分布具有重要的影响。本文对近年来淡水湖泊生态系统中附着藻类群落组成、生态功能以及主要影响因子进行了分析,从附着藻类种群结构入手,指出附着藻类通过改变群落中优势种的组成来适应不同的环境,阐述了附着藻类在湖泊生态系统营养盐循环中的作用及其与沉水植物之间的关系。针对淡水湖泊富营养化问题,提出了今后附着藻类生态学研究应侧重于:主要因子(如弱光、高浓度的营养盐等)的交互作用对附着藻类的影响,原位实验方法弄清楚附着藻类在湖泊生态系统碳、氮、磷生物地球化学循环中的作用,以及富营养湖泊附植藻类与沉水植物相互作用的机理。     

经典与非经典生物操纵理论及其应用

湖泊是我国的重要水资源之一,为人类提供了无法替代的生态及社会服务功能。但我国湖泊富营养化日趋严重。以食物网为基础的经典与非经典生物操纵成为湖泊富营养化修复的重要理论支撑。论文综述了经典与非经典生物操纵理论的原理、发展与应用,分析了鱼类(肉食性、滤食性)、浮游动物在控制藻类数量上发挥的功能,并讨论了两种理论的适用条件及实际应用中遇到的问题,以期为我国富营养化湖泊修复工作提供参考。经典与非经典生物操纵理论均是通过改变食物网结构控制藻类,分别利用浮游动物、滤食性鱼类控制藻类数量,但两者都未降低水中N、P含量。因此,实施有效的藻类水华生物操纵应与其它修复措施联合使用。     

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。     

富营养化水体生物净化效应的研究进展

水体富营养化治理已成为当今世界性难题,解决水体富营养化问题的关键是调控水生生态系统结构,使其恢复自然、健康和稳定的水生生态系统功能,提高水生生态系统的生物净化能力,水生高等植物及水生植被是水生生态系统中最重要的初级生产者,它们个体大、生长周期长、吸取和储存营养物质的能力强,保持和恢复一定数量的水生植物种群可抑制浮游植物的生长,提高系统的生物多样性,使水生生态系统结构更加稳定,水生动物在水生生态系统物质和能量循环中处于十分重要的地位,浮游动物和底栖动物可直接捕食浮游植物,控制浮游植物的数量;而改变鱼类种群结构可提高浮游动物的生物量,从而间接控制浮游植物的大量繁殖,达到治理水体富营养化的目的,我国的生物净化研究还处于起步阶段,今后在水生高等植物及水生植被生物净化的关键技术及优化水产养殖新模式技术研究方面有待提高,这将对我国水体富营养化治理及水体可持续利用有着重要的意义。     

湖泊生态恢复的基本原理与实现

当前我国湖泊污染及富营养化问题非常严重。湖泊治理的一个有效途径就是恢复水生植物,通过草型湖泊生态系统的培植来达到控制富营养化和净化水质的目的。但是,迄今为止,只有在局部水域或滨岸地区获得成功,恢复的水生植物主要是挺水植物或漂浮植物。鲜有全湖性的水生植物恢复和生态修复成功的例子。原因是对湖泊生态系统退化及其修复的机理了解甚少。实际上,环境条件不同决定了生态系统类型的不同,只有通过环境条件的改变才能实现生态系统的转变。利用草型湖泊生态系统来净化水质,其实质是利用生态系统对环境条件的反馈机制。但是,这种反馈无法从根本上改变其环境条件,因此其作用是有限的,不宜过分夸大。以往许多湖泊生态修复的工作之所以鲜有成功的例子,原因就是过于注重水生植物种植本身,而忽视了水生植物生长所需的环境条件的分析和改善。实施以水生植物恢复为核心的生态修复需要一定的前提条件。就富营养化湖泊生态恢复而言,这些环境条件包括氮磷浓度不能太高,富含有机质的沉积物应该去除,风浪不能太大以免对水生植物造成机械损伤,水深不能太深以免影响水生植物光合作用,鱼类种群结构应以食肉性鱼为主等等。因此,在湖泊污染很重或者氮磷负荷很高的情况下,寻求以沉水植物为核心的湖泊生态恢复来改善水质是不切实际的。为此,提出湖泊治理应该遵循先控源截污、后生态恢复,即先改善基础环境,后实施生态恢复的战略路线。     

提高水体净化能力控制湖泊富营养化

建立了湖泊污染物质动力学方程,根据我国湖泊和美国O keechobee湖资料,确定了控制藻类暴发的总磷阈值为0.035m g/L,总氮阈值为0.350m g/L(滇池)和1.050m g/L(太湖);用实测资料,计算得到需要削减的外污染源滇池为总磷、总氮各78%,太湖为总磷69%、总氮56%。提出通过提高水体净化能力可以控制湖泊富营养化的理论依据和如下技术路线:提高湖泊净化率,使其超过输入的污染率,在湖内实现浓度低于控制藻类水华暴发所需要的磷、氮阈值;因地制宜综合运用到太湖、巢湖、滇池等一类大、中型湖泊,加强管理,就可以在占湖泊7%(滇池)和4%(太湖)的湖面上,依托科学布设控制其生长的凤眼莲,将其规模化地加工为有益产品,从而有效地去除湖泊中的营养盐,将水体综合净化率比现有净化率在滇池提高4.6倍,在太湖提高2.1倍,实现控制湖泊富营养化目标,并同步地在约3~4倍相应面积上修复健康水生态系统。     

不同水生动植物组合对富营养化水体的净化效应

随着城市经济的快速发展,湖泊、水库等水生生态系统的富营养化已成为世界普遍存在的环境问题之一。水体富营养化源于流入水体中的过量营养物质(如N、P等)。在温度和光照作用下,富营养化水体中的藻类大量繁殖,致使水质下降,水体功能退化,甚至失去资源和景观价     

面向湖泊生态系统健康维护的生态管控分区研究——以红枫湖流域为例

以湖泊生态系统健康维护为目标的生态管控分区成为水环境保护与治理的重要手段,有助于全面掌握流域生态状况,对流域生态经济可持续发展具有重要参考价值。以红枫湖流域为例,从水文水资源、物理结构、水质、生物、社会服务功能5个方面对湖泊生态系统健康进行评价。运用ArcGIS空间分析工具,以200 m×200 m格网为评价单元辨析流域生态敏感性和生态服务功能空间分异特征,进而运用SOFM聚类方法优选聚类方案,划定生态管控分区。结果表明：1）红枫湖湖泊生态系统健康评分为68.4分,属健康状态,物理结构是当前威胁红枫湖湖泊生态系统健康的主要因子;2）红枫湖流域生态敏感性及生态服务功能空间差异明显,生态环境脆弱,生态服务功能较低;3）红枫湖流域生态管控分区划为优先控制区、重点控制区、缓冲控制区及一般控制区,应实施差异化管理,重点任务是调结构、转方式,逐步修复生态系统。     

鲢鳙控藻排泄物生态效应研究进展

利用鲢鳙控藻非经典生物操纵来控制蓝藻水华至今还存在分歧,主要集中在可能引起水体浮游生物个体小型化和微型藻类生物量激增等生态问题。这一现象的产生是由多种因素引起的,其中排泄物的影响不容忽视。根据国内外文献,综述了鲢鳙控藻排泄物的物质组成、未消化藻类的生长和光合活性以及消化部分在养殖水体中的迁移转化和对水体营养盐的直接贡献。由于养殖水体营养物质来源和生物转化过程的错综复杂性,往往很难用传统的方法来界定排泄物来源的氮对生态系统群落结构与功能改变的贡献及其传递过程。针对目前研究现状,建议借助叶绿素荧光成像系统和同位素示踪技术,从鱼类排泄物的角度评价鲢鳙控藻的生态后效及各自影响程度的差异,为非经典生物操纵的机理探讨和可行性分析提供参考依据。     

天敌昆虫控害机制与可持续利用

天敌昆虫是自然生态系统内抑制害虫种群的重要因子,利用天敌昆虫控制农业害虫是安全有效的害虫控制策略,也是未来害虫管理发展的方向.本文在系统总结国内外研究进展的基础上,提出害虫治理要从“被动应急控制”转变为内部助增的“主动促进自然调控”的新理念,创新多种天敌昆虫协同控制多种害虫的“网式协同调控”新途径,建立一个自我维持并可有效降低害虫种群水平的农业生态系统.未来的研究应针对“天敌昆虫调控害虫的内在机制”与“天敌昆虫在农业生态系统中持续发挥作用的生态学基础”等关键科学问题,从基因、个体、种群、群落和生态系统不同层次,重点开展:1)天敌昆虫寄生和捕食害虫的行为与适应机制;2)天敌昆虫大量繁育的营养与生殖生理基础;3)寄生性天敌昆虫与寄主互作的免疫机制;4)天敌昆虫协同控害的生态学机制;5)天敌昆虫可持续利用的生物防治新模式等方面的研究.     

长江中下游四大淡水湖生态系统完整性评价

长江中下游地区是我国淡水湖泊集中分布区域,研究该区域湖泊生态系统完整性对于湖泊生态系统保护和恢复具有重要意义。物理、化学和生物完整性指标已经广泛应用于河湖生态系统健康评价,但是缺少物理、化学和生物完整性的综合评价方法。以历史调查状况为主要参照系统,构建了基于物理、化学和生物完整性的多参数湖泊完整性综合评价指标体系,结合近年来长江中下游四大淡水湖(洞庭湖、鄱阳湖、巢湖、太湖)生态系统调查数据,对四大淡水湖生态系统完整性进行了评价。结果表明,洞庭湖、鄱阳湖、巢湖和太湖的综合得分分别为66、71、57和57。根据评价等级划分标准,洞庭湖和鄱阳湖生态系统完整性状况都达到"好"的等级,而巢湖和太湖则处于"一般"等级;结果显示,该指标能够表征人类活动对于湖泊生态系统完整性不同方面的干扰,且能够反映四大淡水湖生态系统完整性历史变化状况。因此,该方法可以作为长江中下游淡水湖泊生态系统完整性综合评价的工具并能够为湖泊生态系统的保护和恢复提供科学支撑。