湖泊富营养化发生机制与控制技术及其应用

从湖泊富营养化的自然演化、湖泊沉积物中营养盐的释放及其内源污染机制、湖泊蓝藻水华暴发机理和湖泊富营养化控制与治理等方面进行了回顾与总结. 特别是围绕占中国淡水湖泊总数达70%左右的浅水湖泊富营养化机制与控制进行了探讨. 研究表明, 自然条件下湖泊也有可能富营养化, 特别是浅水湖泊更容易富营养化. 推断其原因可能与洪水有关. 浅水湖泊中的沉积物在风浪作用下发生悬浮, 致使沉积物中大量的营养盐释放出来并进入上覆水, 为生物生长所利用, 这是浅水湖泊内源污染负荷较深水湖泊重的原因所在. 蓝藻水华暴发是湖泊富营养化之后生态系统的一种异常响应, 其发生的原因与湖泊物理环境如光照(或透明度)、温度和适宜的水动力条件有关, 也与湖泊化学环境, 如氮、磷浓度及其氮、磷比值等有关, 还有形成水华的蓝藻本身的某些生理特性有关, 如伪空泡及抗拒紫外伤害的能力, 从而在对光照和营养盐的竞争中处于优势地位等特性, 这种竞争优势在浅水湖泊中尤为明显. 而浅水湖泊“水浅”的特性, 也使得营养盐负荷和蓝藻水华的控制难度加大. 对于湖泊富营养化的治理与控制应该遵循控源、湖泊生态修复和流域管理的原则. 对于湖泊沉积物中营养盐释放导致的内源污染控制, 既可以采用物理化学的方法、机械的方法和生物的办法, 甚至是仿水生植物的方法. 实施湖泊生态修复, 就是把富营养化的藻型湖泊生态系统转化为草型生态系统. 要实现这样的改变, 必须首先改善环境条件. 在现阶段, 把生态修复的重点放在水生植物种植上是有盲目性的, 而应该放在环境改善上. 由于各个湖泊类型不同, 因此, 各种治理的技术应该结合具体的情况来实施.     

长江中下游典型湖泊富营养化演变过程及其特征分析

通过对长江中下游典型湖泊水环境资料的分析得出, 湖泊富营养化是指湖泊由于营养元素的富集导致湖泊生态系统的退化进而使水质恶化的过程, 湖泊生态系统的演变、水质类别的变化均与湖泊营养水平的演化耦合良好, 进而提出湖泊富营养化概念模型, 并将湖泊状态分为10类, 据此对长江中下游典型湖泊富营养化过程进行分析. 结果显示, 以鄱阳湖为代表的大型过水吞吐型湖泊是由20世纪80年代以前的湖泊状态1演化到80年代以后的湖泊状态2, 以太湖为代表的大中型浅水湖泊是由60年代的湖泊状态1~2演化到80年代的湖泊状态8再演化到90年代的湖泊状态9, 以洪湖为代表的中小型浅水湖泊是由60年代的湖泊状态1演化到80年代以后的湖泊状态2, 以东湖为代表的城市(郊)小型湖泊是由60年代的湖泊状态2演化到70年代以后的湖泊状态9, 其中以鄱阳湖、洪湖和太湖为代表的不同类型湖泊进入中营养水平的关键转型期是80年代, 太湖进入富营养水平的关键转型期是90年代, 以东湖为代表的城市(郊)小型湖泊进入富营养水平的关键转型期则是70年代. 因而, 不同典型湖泊的营养演化序列是类似的, 然而营养演化过程并不是同步的, 这与湖泊流域不同的人文和自然条件驱动机制有关. 其中, 经济的发展引起了一定的水环境的负效应, 在发展经济的同时应保护湖泊水生态环境, 才可实现可持续发展. 湖泊富营养化概念模型的研究还可为长江中下游湖泊的生态修复提供相应的生物目标与化学目标.     

水生植被对富营养化湖泊生态恢复的作用

湖泊富营养化是指氮、磷等营养物质大量进入水体，浮游植物建立优势导致水生态系统的结构破坏和功能异化的过程，它导致水体的溶氧下降、透明度降低、水质恶化、鱼类及其他生物大量死亡。据调查我国湖泊普遍受到N、P等营养物的污染，1996年全国有80％的湖泊总N、总P超标，16个被调查湖泊有8个耗氧有机物超标，且情况仍在恶化，湖泊的治理成了当务之急。治理湖泊的方法有物理方法如疏浚底泥、机械过滤、引水稀释等；化学方法如杀藻剂杀藻等；物化法如木炭吸附藻毒素等；生物方法如放养鱼等，均取得一定的成效。但是水生高等植物与藻类同处于初级生产的地位，与藻类竞争营养、光照和生物空间等生态资源，所以水生植被组建及其恢复，对于富营养化水体的生态修复具有极其重要的地位和作用。     

冲绳海槽中部过去15 ka来浮游植物生产力和种群结构变化的生物标志物重建

生物标志物已经被广泛应用于重建海洋浮游植物生产力和种群结构变化. 本文将这种方法应用于冲绳海槽中部来重建冰消期至全新世浮游植物生产力和种群结构变化. 生物标志物总含量的变化表明冰消期海洋生产力高于全新世; 而生物标志物的相对比例变化显示浮游植物种群结构发生了改变, 冰消期期间颗石藻的相对比例下降, 而甲藻和硅藻升高. 冰消期初级生产力的增加与冬季季风加强有关. 另外, 相对低的海平面也会造成陆源营养盐输送增加. 陆源生物标志物(长链偶数正构醇)含量的增加也证明了陆源物质输送的增加. 同时, 冰消期期间营养盐输送的变化也改变了浮游植物的种群结构.     

科学拥抱多样性

<正>在生态学领域,生物多样性与生态系统功能的关系无疑是一个重大课题,尤其是作为人类生存与发展的基础,生物多样性正在丧失的当下。21世纪兴起的微生物组学又为生态学研究提供了新的落脚点,尽管有科学家对此颇有微词,认为存在过度炒作的嫌疑。人体内的微生物群落事关人类的健康和生存,因此人类微生物组计划仍需从多样性和整个生态系统出发,积极破解生命的规则。在科学研究的生态系统中,多样性同样值得关注。本期"科学与     

酸雨的功过

酸雨,被人们称为"天堂眼泪"或"空中死神",具有很大的破坏力. 酸雨会使土壤的酸性增强,导致大量农作物与牧草枯死;它会破坏森林生态系统;它还酸化河湖水,使微生物和以微生物为食的鱼虾大量死亡,成为"死河"、"死湖";它渗入地下,会导致地下水长期不能被利用.据统计,欧洲中部有100万公顷的森林由于受酸雨的危害而枯萎死亡,美洲的加拿大和美国也有近万个湖泊全部被酸化,成为"死湖".     

固定化营养剂与人工生态灶

生态系统研究是现代生态学的主要内容之一,水产养殖实际上是一个人工生态系统.在养殖水域生物群个体数量最大限度地增加时,大尺度海流和岸流到达养殖区域的营养盐不能满足生物生活的需要.因此,能否控制住营养盐便成了养殖成败的关键.固定化营养剂是一种理想的肥料,它可以用于局部施肥,达到高效利用的目的.由固定化营养剂制成的人工生态灶可为植物提供营养,也可为动物提供饵料,且可根据使用目的的不同而调整营养成分.     

青藏高原生态系统对气候变化的响应及其反馈

近几十年来,青藏高原正经历快速的气候变化,高原生态系统因此发生了深刻变化,并对周边地区产生了深远影响.本文围绕青藏高原生态系统结构和功能对气候变化的响应与反馈这一主线,系统总结了气候变化对物候、高山树线、生物多样性、植被生产力和生态系统碳汇功能的影响,阐述了青藏高原植被变化对区域气候的反馈及对亚洲季风的远程影响的研究进展.主要结论如下:气候变暖导致植被返青期总体提前,高原树线位置上升,高寒草原植物物种丰富度和多样性下降;气候变暖总体促进了高原植被生产力、增强了生态系统碳汇功能,但受限于土壤极大的空间异质性和对深层土壤碳动态理解的匮乏,目前对高原土壤碳库及土壤碳汇功能大小的估算仍具有较大不确定性.同时,青藏高原植被变化对近地表气温产生"负反馈"作用;植被活动增强还对东亚季风产生远程影响,导致我国东部夏季降水变化呈现"华南增加-长江黄河中间区域减少"的空间分异格局.未来的研究需要在完善观测体系基础上,加强对高寒生态系统对气候变暖的适应机理及生物地球物理反馈等过程的认知,为优化生态系统管理和保障青藏高原的生态安全提供理论基础.     

浮游动物与蓝藻水华

在富营养化的湖泊与水库中蓝藻常成为优势种类。由蓝藻过度繁殖而形成的水华严重影响了水质和环境。浮游动物在湖泊中是水生生物中的重要组成部分,浮游动物中的一些种类可以通过摄取蓝藻而直接抑制蓝藻的过度繁殖,也可以通过改变湖泊的环境因子与营养条件来间接地控制蓝藻水华的形成。实现用浮游动物来对富营养化湖泊进行生物治理,应该设法提高湖泊中浮游动物的生物量和向湖泊中引进能够有效地抑制蓝藻繁殖的种类。     

微生物猎杀场

生态系统是由植物、动物和微生物以及非生物组成的.生态系统内的生物会与环境相互作用,也会与其他生物相互作用.一个种群规模的变化会影响生态系统中的所有其他生物,这在捕食者和猎物的关系中得到了最有力的证明.     

青藏高原不同类型湖泊温度季节性变化及其分类

青藏高原广泛分布的湖泊是研究高原气候变化及其与全球气候系统相互关系的理想载体,但是目前对于高原湖泊现代过程研究仍然比较缺乏,在某种程度上制约了对过去气候环境变化记录的指标意义和湖泊生态系统演替的深入理解.本研究对青藏高原西部淡水湖泊班公错和中部咸水湖泊达则错开展了为期1年的湖水温度监测,讨论其湖水分层、翻转等水文物理过程.数据显示班公错属于典型的双季对流混合型湖泊(dimictic lake),而达则错属于半对流湖泊(meromictic lake),可能与达则错深部湖水盐度较高有关.利用湖泊模型Lake Analyzer进一步确认达则错不完全混合是由湖水盐度梯度所致.现代湖泊温度监测为高原湖泊分类提供有效数据,也为进一步深入研究过去气候变化和生态系统演替提供了水文物理学基础.     

中国荒漠与沙地生物土壤结皮研究

生物土壤结皮广泛分布于干旱半干旱区,其盖度占该区域地表活体覆盖的40%以上,是联结荒漠地表生物与非生物成分的"生态系统工程师"和荒漠/沙地生态系统健康的重要标志,也是干旱区地球表面过程研究中生物学与地球科学交叉研究的热点科学问题.21世纪初,相关研究绝大多数来自国外,且集中在热带荒漠、寒漠和欧洲草原,很少有来自中国和温性荒漠的报道.本文评述了2000年以来中国学者在这一研究领域开展的系列创新性研究,涉及生物土壤结皮组成、分布和演替,对环境胁迫及全球变化的生理生态学响应,与土壤生态、水文过程,与维管植物和土壤动物关系,对干扰响应和人工培养及在生态恢复实践中的应用等,介绍了中国学者对国际生物土壤结皮研究所做的贡献.     

生物多样性保护与监测

2022年是全球环保运动值得纪念的一个年份.这一年不仅是首个"联合国人类环境会议"召开50周年,也是《生物多样性公约》签署的第30个年头.1992年,具有历史意义的《生物多样性公约》正式签订. 从此,生物多样性的重要性和保护的紧迫性得到迅速而广泛的承认. "生物多样性"是指地球上所有生物及其变异体以及生态系统和生态过程...     

青藏高原冰缘植物多样性与适应机制研究进展

高山冰缘带紧邻雪线,位于高山生境的最前端,在山地植物垂直带谱中位居最高,是陆地生态系统中最为极端的生境之一.受到高原环境中多变的气候、多样的地形、独特的生物交流屏障和迁移通道等因素的综合影响,青藏高原孕育了全球最为丰富的冰缘植物多样性资源.这类极端环境下的生物多样性形成和维持机制一直是学界关注的热点和难点问题.本文总结了青藏高原冰缘生态系统植物多样性特征及物种生态适应、繁殖和维持机制的最新研究进展,并特别关注了冰缘植物的生态适应结构,植物种间互助以及植物与昆虫间协同进化对于维持冰缘生态系统物种多样性的重要性.已有研究表明,全球气候变化对于冰缘生态系统多样性维持和物种共存会产生重要影响.如何预测和判断全球气候变化背景下,青藏高原冰缘生态系统内生物多样性资源的命运及其对生态系统功能的影响,将是生态学研究者面临的新挑战.     

太湖蓝藻水华“暴发”的动态特征及其机制

湖泊富营养化和有害藻类水华是目前全世界普遍面临的水域生态环境问题.太湖是典型的大型浅水富营养化湖泊,其富营养化导致的蓝藻水华"暴发"常常呈现时间和空间上的高度变异与不稳定性.以往的研究,无论是国际上流行的光合作用调节的藻类细胞上浮与下沉,还是国内流行的蓝藻水华"暴发"四阶段理论,都无法很好地解释太湖蓝藻水华"暴发"的时空动态变化特性.本文基于对太湖多次的野外观测与模拟实验,提出了关于太湖蓝藻水华"暴发"的全新概念性解释.在蓝藻细胞生长阶段,营养盐、温度、光照等环境因素影响较为显著,决定了蓝藻生物量的多少,为蓝藻水华"暴发"蓄积物质基础;在蓝藻水华暴发阶段,则主要受蓝藻细胞(团)浮力作用与水动力湍流作用的共同影响,决定了蓝藻水华出现后的规模、范围及位置.野外调查显示,在太湖这样的大型浅水湖泊,风浪作用条件下蓝藻细胞(团)在水柱中呈均匀分布;而当风浪消失后,蓝藻细胞(团)即迅速上浮形成水体表面可见的水华.蓝藻颗粒的上浮速度随着细胞团的增大而加快,适度的扰动促使蓝藻细胞团碰撞而形成更大的细胞团,更容易在水动力消失后快速上浮形成水华.湖流的辐合辐散是蓝藻水华上浮后形成可见的斑块形状、位置、漂移和聚集的决定因素.正是太湖地区风场高度多变与不稳定,才导致太湖蓝藻水华"暴发"的时空分布呈现多变的动态特征.上述研究结果澄清了长期以来一直困扰人们的太湖蓝藻水华难以监测、无法防控的问题,为蓝藻水华监测、预测预警、防控及应对措施的制定提供了科学的理论依据.     

深海热液区化能自养微生物多样性、代谢特征与环境作用

热液生态系统是如何形成的?深海热液活动在地球生命起源与演化中贡献是什么?作为深海热液生态系统初级生产者,化能自养微生物在热液区从无机到有机的物质能量转化、元素生物化学循环、热液生命起源演化、热液共生体与生态系统形成发挥着重要作用.深海热液生态系统的能量来源主要是地幔岩浆房水岩反应所产生的还原性物质,包括氢气、硫化氢、甲烷以及还原性金属离子等.化能自养微生物广泛分布于羽流、烟囱壁及热液沉积物等各种热液区生境,通过氧化热液中所携带的还原性物质获得能量、固定二氧化碳,形成热液生态系统初级生产力.通过长期的生物与非生物过程的交互作用,演化形成独特的深海暗能量生态系统.热液微生物的多样性分布特征与影响因素、热液区极端环境适应性机制与环境作用,以及热液生物共生机制等仍是目前重要研究内容,相关研究将有助于认识深海暗能量生态系统的形成机制以及深部生命过程.     

全球变化下的地下生态学: 问题与展望

生态学100多年的探索和发展主要集中在地上部分. 然而, 当今的生态学家已经越来越强烈地认识到, 鲜为人知的地下部分已成为生态系统结构、功能与过程研究中最不确定的因素, 因而严重制约着生态系统与全球变化研究的理论拓展. 自1990年代后期以来, 伴随着全球生态学研究的深入, 一个新兴的生态学领域——地下生态学(belowground ecology)开始形成, 并得到了快速发展. 地下生态学从不同学科层次探索地下部分的结构、功能、过程以及与地上部分的关系, 并特别关注其对全球变化的响应. 它的研究对象包括植物根系、地下动物和土壤微生物. 分析了生态系统地上和地下部分的关联、根系生态、根系生物地理, 以及地下生物多样性等方面的主要研究进展和亟待解决的问题, 着重评述地下过程对全球变化响应的若干理论问题, 指出地下生态学将是21 世纪生态学的重要发展方向.     

喀斯特地表水生生态系统生物碳泵的碳汇和水环境改善效应

碳汇研究是全球碳循环研究的重要内容.近年来,陆地水生生态系统的碳汇日益受到重视,被认为是"遗失碳汇"的重要组成部分.最新研究发现,碳酸盐风化碳汇占岩石风化碳汇的94%,因此,喀斯特地表水生生态系统的碳汇显得尤为重要.生物碳泵效应作为一种稳碳和固碳过程,是形成长期稳定碳酸盐风化碳汇的重要机制,是碳循环的重要环节.生物碳泵效应的核心控制元素是碳元素,该效应在富含溶解无机碳(DIC)的喀斯特地表水生生态系统中发挥着重要作用.目前生物碳泵效应的研究主要集中在两个方面:(1)内外源有机碳的区分是准确评价和计算生物碳泵效应碳汇的关键;(2)发现生物碳泵效应影响水环境指标和水质状况.未来,一方面应精确地对陆地水生生态系统碳汇量进行估算,研究不同气候和土地利用对碳汇量的影响;另一方面,揭示生物碳泵效应与水环境的相互作用机制.重点包括以下4个方面:(1)验证地表水生生态系统"元素比值控制假说";(2)生物碳泵效应对水体元素化学计量比的调控潜力;(3)形成不同碳汇机制(生物碳泵效应和富营养化机制)的根本原因;(4)生物碳泵效应通过物理-化学-生物耦合作用改善水环境的可能机制.最后,探究微生物碳泵效应应用于陆地水生生态系统的可能性.     

美国湖泊富营养化的研究和治理

纵观全球 ,几乎所有的湖泊及其他娱乐水体都存在富营养化问题 ,而藻类的水华爆发则是许多富营养化了的湖泊和水体面临的挑战 .藻类是依靠光合作用产生能量的水生生物 ,它既能产生大部分人类需要的氧气也能产生大面积有害的赤湖 .因此对藻类特别是对有害藻类的控制受到国内外有关专家的重视 .     

“亚洲水塔”的近期湖泊变化及气候响应:进展、问题与展望

青藏高原分布的众多封闭湖泊是"亚洲水塔"的重要组成部分.最近几十年,青藏高原的升温速率是全球平均升温速率的2倍,并且呈现了明显的降水增长.作为中低纬度分布的最大冰冻圈系统,青藏高原的气温和降水变化对湖泊变化产生了深刻的影响.湖泊水量和盐度变化是气候变化下湖泊水量平衡形成的结果,是定量反映气候变化影响程度的重要指标,而变化的时空特征可能反映了西风季风环流对地表水循环的影响.湖泊水体的物理化学参数是影响湖泊生态系统的重要因素,其在气候变化下的改变深刻地影响着湖泊生态系统的组成与变化趋势.本文基于大量的青藏高原湖泊面积、水位、水量、水体物理化学参数与气候变化关系研究的分析,梳理了青藏高原湖泊变化对气候变化响应的研究进展,提出了第二次青藏高原综合科学考察研究任务中湖泊考察研究的主要目标和内容.