湖泊科学

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易雨君, 叶敬旴, 丁航, 银森录

2024, 36(03): 657-669.

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水生态系统是人类赖以生存的基础,近年来气候变化和水资源开发、水体污染、过度捕捞等人类活动导致水生态系统严重受损,水生态系统的保护和修复已成为全球面临的重大挑战。科学合理的水生态评价方法是实现水生态系统稳定、健康和可持续管理的基本保障,也是目前我国各相关管理部门高度重视的关键问题,多个部门围绕水生态评价展开了积极探索与实践。本文系统回顾了水生态评价方法的发展历程并阐释了水生态评价的内涵,梳理了常用的水生态评价方法,明晰了各方法的基本理念和应用场景,分析了各方法的优点和不足,提出了基于生态完整性的水生态健康评价方法,最后对目前我国水生态评价需进一步完善的工作进行了展望。本文以期与相关领域研究者和管理者在水生态评价理论和方法方面进行探讨,为我国水生态考核工作提供理论支持。

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结合长时序遥感监测和机器学习算法预测藻类增殖风险时空变化

时晨燚, 刘凤, 祝铠, 张媛, 刘海

2024, 36(03): 670-684.

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饮用水源地藻类增殖监测和预测对于改善水生态系统环境和保护人类健康具有重要意义。利用多源遥感数据能够获取高时空分辨率的藻类动态信息,结合长时序遥感监测与机器学习算法能够适应藻类生长复杂的影响机制和非线性特征,实现藻类增殖风险时空变化的预测。本文利用Landsat与MODIS长时间序列卫星遥感数据,采用FAI与NDVI两种方法提取2000—2020年丹江口水库藻类浓度的时空变化信息,在此基础上分析藻类增殖对气象因子(气温、气压、相对湿度、风速和累计日照时间)的时间滞后效应。利用支持向量机、朴素贝叶斯与随机森林3种机器学习算法预测藻类增殖风险,并对3种算法的预测性能进行评价和对比。结果表明:丹江口水库藻类浓度年际变化呈现出先增后降的趋势,呈现出明显的季节性周期变化,春末夏初是藻类快速增殖时期。空间上入库支流和库湾等局部地区藻类浓度相对较高,为藻类增殖高风险区,丹江口水库藻类增殖风险预测模型能够较为准确地确定藻类增殖高风险区位置并反映短期内的空间变化情况,3种算法的预测结果呈现出整体上的一致性,其中支持向量机与朴素贝叶斯算法表现出更高的精度,提前4～5天是最佳预测时间。

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典型风力条件及水力调度下太湖藻华高频时空动态监测

胡明涛, 陈诚, 李港, 刘洋, 姚斯洋, 何梦男, 陈求稳

2024, 36(03): 685-694.

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湖泊藻华问题已成为全球水生态环境领域面临的长期挑战,风力条件变化和引调水工程的水力调度能改变湖体水动力结构,对藻类的生长和聚集过程产生影响,进行该过程的精细化监测和机制分析对于湖泊藻华预报预警和应急处置具有重要意义。本研究基于Hiamwari-8/AHI卫星遥感高频监测数据,对比分析了归一化差异植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)和浮游藻类指数(FAI) 3种不同指数对太湖藻华的反演效果,开展了典型风力条件下和水力调度下太湖藻华生消过程的持续监测分析。结果表明,FAI对藻华区域和非藻华区域的区分更加明显,其阈值提取的藻华面积与基于MODIS图像解译的藻华面积的相对误差最低,为-2.27%。当营养盐充足且水温持续保持在蓝藻大量生长增殖的阈值以上时,风力条件是导致太湖藻类迁移聚集的关键因子,风向主要影响藻类的水平迁移,使其进行方向性迁移并逐渐形成大面积藻华区域。风速主要影响藻类的垂向迁移并存在临界阈值,当风速低于约2.5 m/s的临界风速时,藻华面积随风速增加而增加;当风速高于临界风速时,藻华面积随风速增加而降低。水力调度对距离较近的贡湖湾区域具有显著影响,主要通过水动力扰动来影响藻类的垂向迁移,使藻类沿水深方向强烈掺混,导致区域藻华面积下降。此外,持续且更大流量的调水将不断增强水动力扰动,减小区域藻华面积。本研究揭示了典型风力条件及水力调度下太湖藻华分布特征和迁移机理,可为湖泊藻华的精确动态监测预警和科学管控提供重要技术支撑。

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云贵高原一座典型高原水库浮游植物群落演替特征及其与环境因子的关系

周帆, 陈晨, 徐韬, 杨阳

2024, 36(03): 695-707.

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浮游植物是水体的初级生产者,可以指示环境变化。高原水库由于其蒸发量大、雨季短、旱季长、抗污染能力差的特点,生态系统脆弱,其浮游植物群落的变化对环境条件更为敏感。为了解云贵高原地区乌江渡水库浮游植物的群落结构和演替特征,于2021年6月—2022年5月对乌江渡水库浮游植物群落进行调查,并应用功能群的方法对浮游植物进行分类。结果发现:1) 2021年6月—2022年5月,乌江渡水库表层水体中共鉴定出浮游植物106种,共8门67属,其中,生物量最高的为硅藻门,种类数最多的为绿藻门;2)乌江渡水库表层水体理化性质和浮游植物群落存在显著的季节性差异,而相同季节内不同位置差异不显著;3)乌江渡水库表层水体春夏秋季为中—轻度富营养状态,而冬季为中营养状态;4)乌江渡水库中共有浮游植物群落功能群24类,基于优势度,其季节性演替模式为B/C/L0/P(春季)→B/J/L0/P/S1/T(夏季)→B/L0/P/S1/T(秋季)→B/P(冬季),春季和秋季优势功能群关联显著,而夏季和冬季优势功能群关联不显著,相对独立,即浮游植物群落演替伴随着群落稳定性的变化;5)氮磷营养盐、温度和溶解氧是影响乌江渡水库表层浮游植物群落的关键环境因子。本研究提供了云贵高原地区典型高原水体中浮游植物群落结构的背景信息,并从功能群的角度分析了群落的特征及其主要影响因子。

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基于结构方程模型的三峡库区汉丰湖叶绿素a与其关键影响因子关系识别

杨保祥, 徐绮雯, 何丙辉, 赵秀兰, 李天阳, 付适, 钱田, 吴浩晨, 朱舜垚

2024, 36(03): 708-716.

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为明确三峡水库汉丰湖叶绿素a(Chl.a)的主要影响因素,分析了汉丰湖2018—2021年的Chl.a、pH、水温、透明度以及氮、磷营养盐等水质指标的变化情况,探讨了Chl.a与其余水质指标的相关性,并应用结构方程模型解析了Chl.a的关键影响因素。结果表明,汉丰湖水体Chl.a浓度在0.04～68.58μg/L之间变化,水温在9.62～32.10℃之间,pH在6.75～9.81之间,总氮、溶解性氮、总磷、溶解性磷的变化范围分别为0.58～4.68、0.25～3.99、0.02～0.76、0.01～0.44 mg/L。Chl.a浓度与水温、pH、总磷和总固体悬浮物呈显著正相关,与透明度、溶解性氮、碱度、亚硝态氮、硝态氮呈极显著负相关。结构方程模型结果显示,影响Chl.a浓度的因子中理化因子的路径系数为0.68,营养物质的路径系数为0.16,这表明影响Chl.a浓度的因子以理化因子为主,营养物质的作用相对较小。同时,理化因子通过营养盐间接影响Chl.a浓度(路径系数为-0.04)。各理化因子中,水温和pH的路径系数分别为0.51和0.41,水温是理化因子的主要表征指标;在营养盐指标中,总磷和溶解性磷的路径系数分别为0.82和0.71,而总氮的路径系数为0.36,说明磷是汉丰湖的限制性营养元素。

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太湖贡湖湾2-甲基异莰醇（2-MIB）时空变化特征及影响因子

任俊宏, 成小英, 石亚东, 吴东浩, 陈明馨, 马明, 殷燚杰, 李丰铎

2024, 36(03): 717-730.

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湖泊水体丝状蓝藻的大量出现会产生嗅味代谢物,引发由2-甲基异莰醇(2-MIB)主导的嗅味问题,威胁饮用水安全。太湖贡湖湾是苏州市、无锡市的重要饮用水源地,近年由2-MIB引起的水体嗅味问题时有出现,但相关研究鲜有报道。为掌握贡湖湾2-MIB时空变化特征及影响因子,研究分别于2022年3—12月和高温期间(7月29日—8月29日)开展逐月及高频调查。逐月调查结果显示,贡湖湾2-MIB浓度变化季节性差异显著,夏季浓度最高,可达124.3 ng/L。贡湖湾各点2-MIB的空间分布无明显差异。高频调查结果发现,高温期间贡湖湾入湖口附近水域2-MIB浓度变化剧烈,最高值可达1385 ng/L,超其嗅阈值(10 ng/L)近140倍。本文研究借助人工镜检及功能基因高通量测序技术,首次揭示拟浮丝藻是高温时段贡湖湾2-MIB的主要来源。主成分分析及相关性分析结果表明,水温、月均太阳辐射、总磷和叶绿素a是影响贡湖湾2-MIB逐月变化的关键环境因子。高温时段贡湖湾拟浮丝藻的时空变化主要受水温、日均太阳辐射、风力、硝态氮和溶解性总磷及微囊藻多个环境因子共同影响。

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长江中下游典型浅水湖泊表层水体微塑料时空分布特征——以湖北保安湖为例

汪浩, 王为木, 刘慧, 曹伽, 张晓瑾, 陈佳欣, 齐张蓉, 焦旭超, 朱娇娇

2024, 36(03): 731-740.

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以湖北保安湖为研究对象,分别于2021年4、7、10月和2022年1月采集表层水样,测定水体中微塑料丰度、粒径、形状、颜色和类型,探究浅水型湖泊表层水体中微塑料的时空分布特征及其影响因素。结果表明,保安湖表层水体微塑料的年平均丰度为(16.20±2.23)items/L。微塑料丰度呈现明显的季节性差异,其中夏季(采样时间7月)平均丰度最低,为(1.40±0.09)items/L。在所有微塑料颗粒中,粒径0.064～1 mm占比最大,为82.57%;黑色和无色微塑料占主导地位,占比分别为36.16%和21.31%;纤维状微塑料分布最广泛,占比达40.01%;聚乙烯(PE)和低密度聚乙烯(LDPE)是最主要的微塑料类型,两者之和占比达46.05%,其次为聚苯乙烯(PS,占比17.2%)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,占比8.33%)和聚乙酸乙酯(PVAC,占比8.31%)。统计分析表明,微塑料丰度与湖水水质无显著相关关系。该研究揭示了长江中下游地区典型浅水湖泊微塑料分布现状,为评估类似湖泊微塑料潜在污染风险提供了科学依据。

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阳澄湖入湖河道分类、污染特征分析及治理策略

刘帅, 谢茂嵘, 吕文, 宋娜, 杨惠, 杨文晶, 姜宇, 白瑞泉, 沈逸, 史书, 杨金艳

2024, 36(03): 741-755.

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为进一步揭示阳澄湖入湖河道的污染物来源,提出相应的治理对策,以2017—2021年阳澄湖入湖河道水质监测数据为基础进行分析讨论。依据入湖水量选取10条主要入湖河道进行分析,其中位于阳澄湖东岸的白曲港在七浦塘拓浚工程建成之前主导流向为出湖,工程建成后,通过Pearson相关分析证实了其流向与七浦塘引水时的水力关系,因此白曲港被选为主要入湖河道。采用距平系数法、系统聚类法和物元分析法将阳澄湖主要入湖河道分为3个类别:第1类别包括白荡、蠡塘河、北河泾、永昌泾4条河道,第2类别包括渭泾塘、界泾和施家斗港3条河道,第3类别包括南消泾、七浦塘和白曲港3条河道。使用因子分析法进行因子分析,第1类别河道的因子为高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、溶解氧(DO)和总磷(TP),第2类别河道的污染因子为NH3-N、总氮(TN)、pH、TP和DO,第3类别河道的污染因子为pH、TP、TN和DO。通过对上游河道水质情况分析、文件研究以及实地调查等方式得出第1类别河道区域的污染源主要为工业污染源和生活污染源,第2类别河道区域污染源主要为工业污染源与种植业污染源,第3类别河道污染源主要为陆地水产养殖污染源与种植业污染源。针对总体污染源情况,建议通过控制点源污染、削减面源污染、增强上游河道治理、开展生态治理修复以及加强巡查监管等方式对各类别河道区域进行针对性治理,以提高入湖河道水质,为阳澄湖的系统性和整体性治理打好基础。

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高原湖泊水质变化趋势及驱动因素研究：以四川邛海为例

任春坪, 郑丙辉

2024, 36(03): 756-769.

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邛海是四川第二大湖泊,地处高原,距离西昌市城区不足5 km,生态位置重要。本文以近20年邛海湖区主要水质监测数据为依据,采用M-K检验定量解析了水生态环境历史变化特征,建立邛海污染物浓度、营养状态指标的时空对应关系,分析其驱动因素,识别风险并提出对策建议。结果表明:(1) 1980s—2000年是有记录以来邛海水质最差的时期,总氮(TN)、总磷(TP)浓度远超地表水Ⅲ类标准;(2) 2003—2020年,邛海氨氮(NH_3-N)、高锰酸盐指数(COD_(Mn))年际变化总体呈下降趋势,TN、TP、透明度、溶解氧浓度年际变化趋势总体不明显,COD_(Mn)、TN、TP浓度在研究期间出现多个显著变化过程;(3) 2003-2020年,邛海营养状态整体为中营养水平,综合营养状态指数TLI(∑)为33.82±6.88,叶绿素a(Chl.a)浓度为(4.234±3.903)μg/L,TLI(∑)和Chl.a浓度年际变化没有显著趋势;(4)多年数据统计表明,邛海宾馆所在区域水质最差,邛海湖心水质最好,2003—2020年COD_(Mn)、TP等指标最大单月浓度均出现在邛海宾馆所在水域;(5) COD_(Mn)浓度在枯水期低于丰水期,NH_3-N浓度在枯水期高于丰水期,TP浓度高值和低值集中出现在枯水期,TN各月浓度没有显著差异,Chl.a浓度与COD_(Mn)、TP、NH_3-N浓度呈显著正相关,从水体中氮磷比来看,磷是邛海藻类生长限制性元素;(6)面源污染主要通过邛海大小支流入湖,环湖湿地对邛海面源污染削减效果总体有限,未来邛海发生水华的风险较大,建议以小流域为单元推进陆源污染控制,按照“游在邛海,吃、住在城区”的理念布局旅游发展,探索用“物理+生态”方式调控和预防邛海水生态系统失衡的问题。

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考虑空间尺度效应的云南异龙湖流域主要入湖河流污染源解析

袁梦祥, 赵洛琪, 高雨晗, 黄律, 马旭东, 沈春节, 刘嫦娥, 付登高, 段昌群

2024, 36(03): 770-781.

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定量解析污染源对水质影响的贡献是水环境精细化管理的重要基础。目前多通过水质和土地利用类型的关系以解析水体污染源的研究,忽略了空间尺度的差异性,引发景观配置不合理的后果。为此,本研究依据考虑空间尺度效应的污染源解析方法,基于异龙湖流域3条主要入湖河流的入湖口监测断面对雨季和旱季的水质数据进行研究。同时利用绝对主成分—多元线性回归模型(APCS-MLR)和bioenv分析揭示河道不同尺度缓冲区的土地利用变化对水质的影响并解析河流主要污染源。研究结果表明:(1)异龙湖主要入湖河流水质表现出季节性差异,旱季期间3条主要入湖河流的浊度、化学需氧量(COD_(Cr))、氨氮(NH_3-N)、总磷(TP)和总氮(TN)浓度平均值相比于雨季减幅分别为39.53%、39.93%、94.48%、38.29%和1.72%。其中,入湖河流水体中的TN在旱季和雨季的超标率分别为58%和74%,成为首要污染物;(2)在旱季,20 m缓冲区尺度内河流水质受耕地和裸地占比影响较大,随着空间尺度的扩大,至50～300 m缓冲区尺度时建设用地、林地及水体占比对水质的影响增加;在雨季,COD_(Cr)、NH_3-N、TP和TN受20～300 m缓冲区尺度下建设用地占比及200～300 m缓冲区尺度下的水体占比影响,溶解氧受20 m缓冲区尺度内建设用地占比及50～300 m缓冲区尺度下耕地占比影响;(3)异龙湖流域主要入湖河流在旱季的主要污染源是20 m缓冲区尺度内的裸地、20～100 m缓冲区尺度下的耕地、50～300 m缓冲区尺度下的建设用地以及100～300 m缓冲区尺度下的基塘—水库水体;雨季的主要污染源是20～300 m缓冲区尺度下的建设用地、200～300 m缓冲区尺度下的水库—基塘以及50～300 m缓冲区尺度下的耕地。本研究在污染源解析过程中提出考虑不同河道缓冲区的空间尺度,在一定程度上可以克服受体模型的主观性,提高污染源识别和分配的准确性。研究结果可以帮助管理者明确在不同空间尺度下污染防治的重点,为水环境管理工作提供新的参考。

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城市景观湖泊不同时间尺度CH_4通量特征及影响因素分析——以南京市莫愁湖为例

次珍, 谢舒恬, 张一泉, 柯凡, 尹一帆, 谢璇, 林晗琪, 陈新芳, 冯慕华

2024, 36(03): 782-793.

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城市景观湖泊对温室气体的收支发挥着重要作用。本文以南京市莫愁湖为研究对象,采用静态箱—温室气体分析仪法实时监测湖泊水—气界面CH_4通量,分析湖泊主要温室气体CH_4在日尺度和季节尺度上因冒泡和扩散排放方式不同对其通量的影响,探究影响湖泊CH_4通量的因素。结果表明:(1)在日尺度上,四季24 h内CH_4均呈排放状态,受白天冒泡影响,四季CH_4总通量均存在白天高于夜间的日变化特征。(2)在季节尺度上,莫愁湖CH_4排放通量呈现显著的时空异质性,受冒泡通量的影响夏季CH_4通量明显高于春、秋、冬三季;B区的CH_4总通量(6.04 nmol/(m~2·s))显著高于A区(3.82 nmol/(m~2·s)),水体的营养化程度和离岸距离是空间变化的主要影响因素。A、B两区CH_4排放夏季以冒泡排放为主,春、秋、冬以扩散排放为主。(3)在日尺度上,CH_4通量受气温、水温、辐射和风速等气象要素影响,与水质参数间的关系不显著;在季节尺度上,CH_4通量与温度(气温、水温)、水体营养盐水平、叶绿素a浓度及富营养化程度的时间变化相一致,也随着水体透明度、pH和氧化还原电位的减小而呈增加的趋势。本研究为准确估算城市湖泊CH_4排放量提供重要的数据基础。

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溶解性有机碳耦合营养状态解析河流CO_2动态及驱动因素

张羿, 王晗, 马永梅, 杜佳杰, 龙靖潇, 郎家锐, 倪茂飞

2024, 36(03): 794-806.

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为全面探索河流溶解性有机碳(DOC)与二氧化碳(CO_2)动态及驱动因素的相关关系,以我国三峡库区河流——澎溪河为对象,于雨季和旱季采集表层水体水样,分别通过原位和室内测定,明确水文参数(水温、pH、碱度和流速)、DOC浓度和营养元素(总氮(TN)和总磷(TP))浓度,并计算水体CO_2分压(pCO_2)、水—气界面CO_2交换通量和营养元素化学计量比(DOC:TN、DOC:TP和TN:TP)。以河流CO_2、DOC和营养状态动态变化为基础,通过对DOC、TN、TP、营养元素化学计量比和荧光峰(B、T、A、M、C、D和N)与河流pCO_2的多维分析建立及评估潜在的耦合关系,从而揭示特定区域河流CO_2的来源与驱动因素特征。结果显示,澎溪河水—气界面CO_2交换速率在3.75～22.9 m/d范围内,雨季((9.91±4.93)m/d)>旱季((6.69±4.30) m/(d),pCO_2在65.95～20642.41μatm范围内,F平均值为(629.4±1426.8)mmol/(m~2·d),河流总体表现为大气CO_2源。水体DOC总体在1.42～7.88 mg/L范围内,且旱季((4.50±0.17)mg/L)>雨季((2.87±0.18)mg/L),TN在0.176～1.917 mg/L范围内,旱季((1.205±0.353)mg/L)>雨季((0.665±0.306)mg/L),TP在0.0003～0.169 mg/L范围内。在该流域雨季,类酪氨酸、类色氨酸和土壤富里酸占比显著高于旱季,而类腐殖质、微生物衍生腐殖质和生物生产力占比显著低于旱季。旱季水体pCO_2与TP呈显著正相关,与营养元素化学计量比(TN:TP和DOC:TP)呈显著负相关,而雨季与生物生产力呈显著负相关,营养状态与pCO_2存在季节耦合关系。生物代谢过程是河流CO_2饱和的主要原因,而降雨能够促进这一内在联系。

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鄱阳湖湿地溶解性有机质的光化学属性对水体光活性中间体（PPRIs）季节性变化的影响

刘新, 尉艺, 李文康, 吴定桂, 金伟, 江和龙, 徐华成, 宋娜

2024, 36(03): 807-816.

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湿地的水文和水化学在时空尺度上会呈现显著差异,进而会引发光化学反应的变化,光活性中间体(PPRIs)是水体间接光反应的产物,具有极强的氧化性,对水环境中有机物和污染物的归驱具有重要的影响,因此迫切需要探究湿地中PPRIs的产生过程。本研究通过捕获剂法监测了鄱阳湖湿地4个季节水体中3种PPRIs(~1O_2、·OH及~3CDOM~*)的产生速率和稳态浓度的变化,并通过紫外吸收光谱、三维荧光光谱、以及傅立叶变换离子回旋共振质谱等技术对水体中可溶性有机质(DOM)组分的化学特征进行分析,揭示了鄱阳湖湿地不同季节水体中的DOM的光化学反应特性及与PPRIs产生的相关性。结果发现:鄱阳湖夏季和秋季水体的pH值、溶解有机碳(DOC)浓度较高,相反,硝酸盐、亚硝酸盐浓度在夏季和秋季较低。夏季和秋季的DOM中芳香族化合物丰度较高,并且木质素丰度明显高于冬季和春季。不同季节鄱阳湖水体有色可溶性有机物产生能力依次为秋季>夏季>冬季>春季。夏季和秋季水体中~1O_2和·OH产生速率和稳态浓度显著高于春季和冬季水体。pH、DOC、E2/E3、脂类、蛋白类及木质素类与PPRIs产生速率展现出了良好的正相关关系,尤其是其中的DOC与木质素类组分;另外在三维荧光指标结果中,荧光指数(FI)和新鲜度指数(β/α)与PPRIs呈现负相关关系,证明FI值越低即DOM陆源性越高、非新生DOM比例越高,则PPRIs产生速率越高。综上,PPRIs的光化学产生与植物源DOM密切相关。与春季和冬季相比,夏季和秋季鄱阳湖水体的有机质高,而其中DOM组分中芳香族化合物丰度较高,主要来自陆生植物和土壤有机质,其有机质的腐殖化水平较高,而在春季和冬季水体有机质主要来自湖泊本身和微生物产生的有机质,属于内源。淹水植物残体降解过程释放的有机组分,对夏、秋季DOM的来源和组成有着极易被忽视的影响和作用,而其中光化学活性较强的有机组分如木质素是造成其PPRIs产率更高的主要原因。

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澜沧江中下游泥沙微表面电荷特性与磷吸附关系研究

韩宜迪, 傅开道, 朱玘, 张年

2024, 36(03): 817-826.

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河流泥沙是水生态系统生源要素的重要附着载体,其微形貌及电荷特性直接关系着泥沙对溶解态营养盐或污染物的吸附能力。本研究选取澜沧江中下游干流及主要支流为考察对象,采集28个河流水库断面的悬移质泥沙,采用原子力显微镜测定泥沙微表面电荷量,探究澜沧江泥沙的微表面电荷性质,研究纳米尺度下泥沙的微表面特性。研究结果表明:(1)微观界面,形貌对表面电荷分布影响明显,在纳米尺度下电势图与相位差图均展现出明显非均匀分布特征;(2)在流域分布上,不同区域表面电荷存在较大差异,流域沿程变化对泥沙表面电荷产生重要影响,总体变化呈现先减小后增大的趋势,表面电势值变化范围为-201.47～35.34 mV,表面电荷密度范围为0.07～3.65 mC/m~2,不同区域电荷特性差别明显;(3)在梯级水电筑坝影响下,坝上坝下泥沙颗粒电势差与水库库容存在较好的线性相关关系,相关系数为0.8214,且坝下电势普遍高于坝上区域;(4)泥沙表面电势与磷吸附之间具有较强相关性,其相关系数为0.6657,同时表现出较好的线性拟合关系。研究结论对深入理解水电大坝建设对流域内污染物的迁移转化及解释泥沙的表面电性特征与污染物的吸附解吸机制具有重要科学意义,同时也可为流域水沙环境调控提供理论依据。

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青藏高原盐湖卤水中溴的分布特征及来源初探

蔚昊学, 李庆宽, 都永生, 秦占杰, 樊启顺, 唐发满, 杨佺忠, 甘仁香, 山发寿, 袁秦

2024, 36(03): 827-835.

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溴是完备工业体系的关键必备元素。盐湖卤水是溴的重要来源。青藏高原盐湖众多,富含钾、锂、硼等资源元素,开发潜力巨大。然而,目前针对青藏高原盐湖溴浓度、分布特征及其物源的研究仍然薄弱。本次研究采集了26个青藏高原盐湖表卤水样品并分析其溴浓度,进一步总结其他64个已报道盐湖数据,系统分析了青藏高原盐湖溴浓度分布特征,并进一步探讨了溴的可能物源。结果表明:青藏高原盐湖表卤水溴分布在0.5～246.8 mg/L之间,平均为41.1 mg/L,其中,碳酸盐型盐湖卤水平均溴浓度最高(47.0 mg/L),且集中分布在高原南部,而氯化物型盐湖平均溴浓度最低(30.1mg/L),盐湖溴浓度呈现自南向北降低的趋势;青藏高原盐湖中溴有多种来源,高原南部富溴盐湖溴的来源可能主要与热泉补给有关,而柴达木盆地盐湖高溴来源可能主要与深部地层水(如油田水、背斜构造裂隙孔隙水、砂砾孔隙卤水、气田水等)补给有关。

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鄱阳湖越冬雁类时空分布特征及热点区域识别

王晨溪, 夏少霞, 余定坤, 于秀波, 龚磊强

2024, 36(03): 836-845.

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鄱阳湖是东亚—澳大利西亚迁徙路线上重要的水鸟越冬栖息地,雁类是迁徙路线上的优势种群。然而,近年来迁徙路线上的雁类种群数量有所下降,识别越冬地雁类时空分布特征,确定分布热点区域是科学、精准保护的前提。本研究利用2018—2021年越冬期在鄱阳湖区域开展的共58次水鸟调查数据,提取了基于时间序列的白额雁(Anser albifrons)、豆雁(Anserfabalis)、鸿雁(Anser cygnoid)的分布数据,分析了3种雁类在越冬地的种群动态、时间和空间分布动态,评估了鄱阳湖各子湖的重要性,确定了雁类分布热点区域。研究结果表明,3种雁类在越冬地的种群数量表现出一定的年际波动,雁类种群总数量维持在27.9万～44.8万只;不同雁类迁徙的时间节律存在差异,本次地面调查数据显示白额雁、豆雁、鸿雁分别是在10月初至11月初、11月中旬、12月中旬到达鄱阳湖,其中鸿雁到达最晚;高峰期集中在11月底至次年2月初,持续时间约为100天;3种雁类分别在2月中旬、2月底和3月中旬开始迁离鄱阳湖。3种雁类空间分布范围有所差异,豆雁分布范围最广,白额雁分布相对集中,高峰期雁类的分布范围最大,对子湖的利用强度也最大。从空间分布特征来看,大湖池和大汊湖重要性最高,鄱阳湖保护区是雁类利用强度最高的区域,其次是都昌保护区。此外,雁类,特别是鸿雁,对保护区以外的子湖利用强度也较高。本研究对精准刻画鄱阳湖越冬雁类时空分布范围、针对性地开展栖息地保护和修复、加强子湖保护和管理具有重要意义。

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土地利用和水环境因子对大型底栖动物次级生产力的影响：以东北地区连环湖为例

窦乾明, 都雪, 王乐, 宋聃, 赵晨, 黄晓丽, 王慧博, 霍堂斌

2024, 36(03): 846-857.

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土地利用和水环境因子是影响湖泊生态系统的关键因素,探究大型底栖动物次级生产力受环境因子的作用机制,可揭示底栖动物栖息地的生态系统与外源环境的关系。为了解土地利用和水环境因子对大型底栖动物次级生产力的影响,2020年对连环湖13个主要湖泊的土地利用类型及6、8和10月的大型底栖动物、水环境因子进行调查,共采集到大型底栖动物75种,隶属于3门32科56属,其中优势种属及重要种属以摇蚊幼虫和腹足纲为主,前突摇蚊(Procladius sp.)为第一优势种。主成分分析表明,土地利用及水环境因子具备明显的时空梯度,而大型底栖动物次级生产力也存在明显的时空变化。春季、夏季、秋季次级生产力和P/B值分别为5.65、6.06、4.31 g/(m~2·a)和2.74、2.55、2.40 a~(-1),其中春季次级生产力集中于东北部湖区,龙虎泡集中于湖心区;夏季次级生产力逐渐向各湖区扩散,龙虎泡整体偏低;秋季次级生产力集中于西北部及东南部湖区,龙虎泡集中于东北部湖区。P/B值随季节的推移呈现由东部湖区向西部湖区逐渐递增的趋势,而龙虎泡始终集中于南部湖区。次级生产力和P/B值的结构分析表明,春季次级生产力主要由腹足纲构成,进入夏、秋季后以双壳纲对次级生产力的贡献最高。其中腹足纲、双壳纲、摇蚊幼虫和寡毛纲次级生产力主要集中于北部湖区、东南部湖区、中部湖区和龙虎泡,而甲壳纲仅出现于阿木塔泡。寡毛纲和双壳纲P/B值随季节的推移逐渐降低,摇蚊幼虫和腹足纲P/B值呈先升后降的趋势。通径分析表明,pH、人造地表和叶绿素a是影响年均大型底栖动物次级生产力的关键环境因子。典范对应分析表明,总磷和电导率是影响不同季节大型底栖动物次级生产力的重要环境变量。耕地、人造地表与总磷、电导率和悬浮物呈显著正相关,农业生产和城镇建设的增加是连环湖呈富营养化状态的重要原因,且此现象已对大型底栖动物次级生产力形成威胁。未来应通过控制农业面源污染、秸秆腐熟还田、鼓励粪便施肥、科学规划用地等措施改善连环湖流域的生态环境,以促进大型底栖动物资源合理的开发利用。

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江西省浅水湖泊大型底栖无脊椎动物多样性特征和影响因素

池仕运, 邓燕青, 胡菊香, 刘恋, 王瑞, 陈斯芝, 闵翔, 胡愈炘, 陈佳林

2024, 36(03): 858-869.

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2019年春、秋两季,对江西省76个湖泊的底栖动物进行了调查,在分析其群落结构和多样性的基础上,探讨了多样性与环境因子间的关系,旨在确定影响大型底栖无脊椎动物多样性的重要环境因子,以期为江西省湖泊的精准化管理提供科学依据和技术支持。两次调查共检出140个分类单元,以水生昆虫和软体动物为主,摇蚊类物种数占水生昆虫物种数的53.62%。富营养指示种(长足摇蚊属一种和摇蚊属一种)为春、秋两季的优势分类单元,湖沼典型种(长足摇蚊属一种、摇蚊属一种、石田螺属一种、苏氏尾鳃蚓和霍甫水丝蚓)的丰度变化导致了群落结构的季节变化。大型底栖无脊椎动物α多样性水平较低,基于PLSR和PLS-SEM的分析结果表明,影响大型底栖无脊椎动物多样性指标的环境因子既与藻类种群动态密切相关,也与水质状态有关。大型底栖无脊椎动物多样性与藻类种群状态存在稳定的联系,不受季节因素的影响,过高的藻类丰度不利于大型底栖无脊椎动物多样性的提高,而较好的水质状况有利于大型底栖无脊椎动物多样性的提高。为保护江西省湖泊大型底栖无脊椎动物资源,应在具有渔业养殖功能的湖泊和城镇湖泊中进行水生植物的修复工作,使藻型湖泊向草型湖泊方向演化;对一些富营养化程度较高的水体进行系统治理,控制面源污染,促进传统渔业养殖模型向生态渔业模式转换,并有针对性地开展一些生态修复措施;应在控制藻类和改善水质的基础上,增强湖泊的连通性和水体交换能力,充分发挥自然修复功效。

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基于耳石微化学特征的鄱阳湖刀鲚永修群体的关键栖息地识别

肖百义, 杨健, 姜涛, 刘洪波, 陈修报

2024, 36(03): 870-880.

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随着长江禁渔国策的持续实施,长江干流和沿线通江湖泊中刀鲚资源及其关键栖息地将有可能得到恢复。为了确证长江禁渔后的2020年在鄱阳湖永修瓢头水域所采集到21尾刀鲚的洄游履历和资源类型,本研究采用电子探针微区分析技术(EPMA)对其耳石元素锶(Sr)和钙(Ca)的微化学特征进行了测定和分析。结果显示,所有个体耳石的Sr/Ca值变化较为复杂。自耳石核心至边缘Sr/Ca值分别出现了对应淡水生境的低值(<3)和对应河口半咸水或海水生境的中高值(>3),最后边缘部分再次出现了对应洄游返回淡水生境的低Sr/Ca值(<3)。Sr含量面分析图中也呈现出了对应淡水—河口半咸水—海水—淡水的蓝色—黄绿色、红色—蓝色变化的图谱;证明上述个体均具有明显的江海洄游特征,为典型溯河洄游型刀鲚。鄱阳湖永修瓢头水域是一处尚未曾正式报道过的洄游型刀鲚分布区。根据性成熟度和摄食情况可将瓢头水域刀鲚分为产卵场群体和非产卵群体两类。通过与鄱阳湖其他水域刀鲚情况的比较分析可以推定,两类刀鲚可能起源于鄱阳湖内两个不同区域的产卵场。对于产卵场群体而言,瓢头水域可能更主要起到产卵场的作用;而对于非产卵群体来说,瓢头水域更多地起到洄游通道的作用。本研究可为了解长江禁渔对刀鲚资源和关键栖息地的恢复效果提供最新的基础信息。

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鄱阳湖洲滩湿地植物演替对土壤微生物量的影响

温秀婷, 郑博福, 陈晨晨, 龚磊强, 詹慧英, 余定坤, 朱致睿, 沈瑞昌

2024, 36(03): 881-889.

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湿地植物演替对土壤微生物量具有显著影响,但不同土壤理化环境下的植物演替对湿地土壤微生物量影响的具体差异还不清楚。以鄱阳湖土壤理化性质不同的4个碟形子湖(包括相对肥沃的东湖和白沙湖以及相对贫瘠的蚌湖和大湖池)为研究对象,运用空间代替时间的方法,在泥滩带、湿生植被带(苔草)和挺水植被带(南荻或芦苇)采集0～10 cm表层土壤,分析不同土壤理化性质条件下植物群落演替对土壤微生物量的影响。采用土壤微生物量碳(MBC)和微生物熵(qMB)指示土壤微生物量。蚌湖、大湖池、东湖和白沙湖洲滩湿地表层土壤MBC的平均值分别为1077.27、888.29、942.45和1162.46 mg/kg,土壤qMB的平均值分别为6.07%、6.17%、3.60%和3.79%。在泥滩—苔草—南荻植物演替洲滩,土壤MBC先增加后减少;但是在泥滩—苔草—芦苇植物演替洲滩,土壤MBC持续增加。植物演替没有显著改变土壤qMB。尽管植物的生长会增加所有洲滩湿地的土壤MBC,但增加的幅度在相对贫瘠的蚌湖和大湖池明显强于相对肥沃的东湖和白沙湖。蚌湖和大湖池的土壤qMB也显著高于东湖和白沙湖。在植被演替梯度上,洲滩湿地土壤MBC和qMB普遍受到土壤碳、氮、磷含量和pH的影响,但是不同洲滩湿地影响微生物量的关键元素并不相同。这些结果证明植物演替对湿地土壤微生物量的影响不仅与植物物种有关,还受土壤理化环境的影响。本研究将为认识湿地土壤微生物量的变化机制和科学管理长江中下游湖泊湿地提供依据。

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三峡水库水面蒸发年内滞后效应分析

王晓春, 闫金波, 吕超楠, 王伟杰, 林涛涛, 韩松俊

2024, 36(03): 890-900.

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水面蒸发在季节变化上相比净辐射等气象要素的相位延迟反映了水体储热对水面蒸发的影响,量化这一对气象要素波动的滞后响应对理解和估算深水水库(湖泊)蒸发非常重要。三峡水库等河道型深水水库的水位和面积具有显著周期性变动,使得其水面蒸发的响应模式更为复杂,而目前对其认识非常薄弱。本文利用2013年8月—2020年7月三峡水库巴东站水面蒸发场和陆面蒸发场的蒸发和气象观测数据,分析了水面蒸发的季节变化及其年内滞后效应。结果表明:水面蒸发场蒸发量在年内的8和12月呈现双峰变化,与只有8月单峰值的陆面蒸发场蒸发量显著不同。水面蒸发场蒸发量相对净辐射、平均气温和水面温度分别存在4、3和2个月的滞后,而陆面蒸发场蒸发量相对滞后时间均在1个月以内;水面与陆面蒸发场相比,水温、蒸发量和水面与大气饱和差之间的滞后时间分别为1、3和4个月,而平均气温和净辐射之间不存在滞后。本文揭示出三峡水库巴东段水面蒸发年内滞后效应主要受到水库水温引起的水面与大气饱和差在季节上滞后的影响,需通过深入分析水温的时空变化来明确整个三峡水库的水面蒸发特征。

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1960—2020年千岛湖流域蒸散发演变特征及驱动因素解析

董颢, 杜军凯, 俞发康, 仇亚琴, 吕向林

2024, 36(03): 901-912.

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为探究淡水湖库及其所属流域蒸散发演变特征,以及气象因子对蒸散发的影响规律。以长三角地区最大的淡水人工湖和重要的水源地——千岛湖为研究对象,采用Penman-Monteith等方法与WEP-L分布式水文模型,分别计算千岛湖流域1960—2020年潜在蒸散发(ET_0)与实际蒸散发(ET_a),分析二者年际变化趋势及突变年份;采用偏微分方法分析气象因子对ET_0的敏感性和贡献度;采用归因分析法分析突变前后气象因子对ET_a变化的贡献度,并利用蒸发表面水分指数(E_(M1))解析流域蒸发互补关系。结果表明:ET_0与ET_a多年平均值分别为1021.7和857.5 mm,整体皆呈减少趋势,倾向率分别为-0.77和-1.03 mm/a,二者均在1980和2000年左右发生突变;ET_0对相对湿度变化最为敏感,ET_0增加的月份主要是由于相对湿度、平均气温的正贡献,风速呈负贡献但相对较小,ET_0减少的月份主要是由于日照时数和风速的负贡献,平均气温呈正贡献但相对较小;ET_a空间分布呈现东高西低格局,驱动因素按贡献率大小为相对湿度>风速>日照时数>气温;流域整体存在“蒸发悖论”现象,日照时数和风速的减小是引起ET_0近年来下降的主要原因;E_(M1)愈趋近于1时,反映流域ET_0和ET_a取值愈加接近,蒸散发互补理论在千岛湖流域适用。

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1987—2022年新安江水库（千岛湖）水面面积时空变化及其与水位、蓄水量的响应关系

王嘉诚, 李渊, 施坤, 朱广伟, 张运林, 李慧赟, 朱梦圆, 郭宇龙, 张芝镪

2024, 36(03): 913-926.

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水面面积、水位、蓄水量是水库水资源管理的重要基础数据,遥感是湖库水体提取、水位和蓄水量估算的重要技术手段。由于不同水体提取方法的适用性差异、测高卫星数据的有限时间覆盖度和开源数据集的时空分辨率不足等原因,湖库水面面积、水位、蓄水量的长时序、高频率时空变化监测仍存在一定挑战。本研究以新安江水库为研究区,结合多源遥感、气象、水文和土地利用等数据,基于Google Earth Engine云平台,运用水体指数法,分析1987—2022年新安江水库水面面积时空变化特征,构建水位—水面面积、水位—蓄水量和水面面积—蓄水量响应关系,探究水面面积时空变化成因。结果表明:(1)Landsat 5、Landsat 8和哨兵2号数据的最佳水体提取指数分别为AWEI_(sh)和GNDWI,F1-score分别为91.93%、91.03%和93.14%。相比于开放数据集GSWED(32.61%)、JRC GSW(76.17%)和ReaLSAT(69.76%),基于最优水体指数的水体提取结果具有最高的F1-score(91.26%);(2)时间上,1987—2022年新安江水库水面面积呈显著上升趋势(R~2=0.20,P=0.01),总体增长速率为0.96 km~2/a;空间上,永久性水体(淹没频率大于75%)面积占比为73.44%,主要分布在湖心等水体开阔区域;季节性水体(淹没频率>25%且≤75%)面积占比为10.17%,主要分布在湖汊区域;(3)三次多项式函数可以较好地模拟新安江水库水位—水面面积、水位—蓄水量和水面面积—蓄水量的响应关系;(4)千岛湖流域上游降水和人类活动导致的土地利用变化是影响新安江水库水面面积动态变化的主要因素。

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1990年以来柴达木盆地小柴旦湖扩张及影响分析

祝存兄, 樊启顺, 严应存, 校瑞香

2024, 36(03): 927-938.

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柴达木盆地盐湖对维系区域生态平衡、保障农业安全和国民经济发展具有重要的作用。受青藏高原气候暖湿化影响,盆地湖泊格局发生了一系列变化。为分析盆地盐湖变化特征,本文以小柴旦湖为例,基于长时间序列卫星数据,利用随机森林法提取盐湖水域范围并解构、评估“点—线—面”形态变化,同时构建矿化度指数表征盐湖资源禀赋。结果表明:(1) 1990—2022年小柴旦湖面积呈“缓减—缓增—快增”的阶段性变化特征,岸线长度呈阶段性变化(2016年后增长明显),湖泊质心总体向西北方向迁移,截止2022年湖泊质心累计迁移距离为2363.49 m。(2) 1990—2022年矿化度指数波动下降,呈“淡化”态势。(3)气象数据显示研究区年平均气温升高、年降水量增多、年潜在蒸散量下降,处于暖湿化轻度转型期,降水增多、蒸发下降、增温引起的冰雪融水增加综合叠加效应引起区域水资源增加,进而导致湖泊扩张和“淡化”。(4)小柴旦湖扩张和“淡化”对社会经济和生态平衡影响明显,一方面,影响湖区周边基础设施,近70 km~2区域受淹没直接影响,包括德小高速公路、柳格高速公路部分路段;另一方面,作为资源型湖泊,小柴旦湖盐湖矿产资源开发利用潜力下降,“淡化”或将引起湖泊生态系统失衡。(5)未来应适当调整小柴旦湖开发利用方向,挖掘“雪山—荒漠—盐湖—湿地—公路”视觉多元化立体景观资源,平衡盐湖“资源”与“生态”属性。本研究从湖泊动态变化研究的视角,结合多种方法开展了有益的尝试,分析结果可为柴达木盆地盐湖资源和生态环境保护及基础设施建设提供决策支撑。

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基于氡同位素的平原湖荡枯水期湖水地下水补排通量

卢小慧, 吴潮峰, 龚绪龙, 王梦瑶, 王磊, 张海涛, 卫岩曈, 严子豪, 武鑫

2024, 36(03): 939-950.

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水是人类生存之源,而湖荡被称为地球之“肾”,是河湖水系连接的关键缓冲节点,与人类生存和发展息息相关。长三角平原水系众多,河流纵横,天然湖泊与人工沟渠遍布,平原湖荡湖水与周边地下水的水力联系较为频繁,而地下水对湖泊水均衡贡献尚不明确,对平原湖荡地下水赋存和运移规律的认识不足。本研究以苏州吴江区元荡湖为研究对象,选取氡同位素作为湖水和地下水水力交换过程的示踪剂,建立氡箱模型,揭示元荡湖不同区段与地下水的水力联系过程和补给关系,并通过水位动态验证分析湖水—地下水交互关系。枯水期元荡湖水位和氡浓度空间分布特征指示研究区内地下水向湖水排泄,其中以湖泊西侧较为明显,地下水入流补给的氡为7.137×10~6 Bq/d,输入量源项占比为90%,地下水流入量为4540.801 m~3/d,地下水每日流入量对元荡湖水量的贡献率为2.551%。参数敏感性分析结果表明,风速与地下水~(222)Rn活度为特别敏感参数,取值差异较大时会导致计算误差急剧增大,改善测点布置和提高模型参数精度能有效提高模型计算结果的准确性和可靠程度。借助氡同位素示踪方法,建立湖泊氡箱模型,是研究平原湖荡内地下水补、径、排特征的有效方法。本研究在一定程度上加深了对平原湖荡区域水量均衡的认识,有助于了解平原湖荡水均衡和水循环机制,为平原湖荡水资源开发利用与环境保护提供数据支撑。

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基于随机森林模型的GRACE数据3种空间降尺度对比

褚江东, 粟晓玲, 张特, 雷逸甦, 姜田亮, 吴海江, 王芊予

2024, 36(03): 951-962.

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陆地水储量是赋存在陆地上各种形式水的综合体现,研究其时空变化对认识区域水循环过程和水资源调控等具有重要意义。然而现有陆地水储量变化数据实际分辨率较低,限制了其在中小流域或地区中的应用。针对这一问题,本文基于GRACE重力卫星和其后续卫星GRACE-FO反演的陆地水储量变化数据,首先采用随机森林模型,分别基于格点、区域(流域)和区域(全国)3种空间降尺度思路将GRACE数据降尺度至0.25°×0.25°,后结合GLDAS模型数据,基于水量平衡原理计算得到地下水储量变化数据,最后基于降尺度模型模拟效果和实测地下水位数据评估3种降尺度思路在全国的适用性。结果表明:随机森林模型能够较好地模拟驱动数据(降水、气温、植被条件指数和土壤水储量)与GRACE数据的统计关系,验证期格点降尺度思路的平均相关系数总体在0.6左右,区域降尺度思路的平均纳什效率系数、相关系数和均方根误差分别>0.5、>0.75和<6.6 cm,3种空间降尺度思路的模拟精度均满足基本要求;2003—2021年间,GRACE数据、格点降尺度、区域降尺度(流域)和区域降尺度(全国)得到的我国陆地水储量亏缺量分别约为119.5×10~8、62.4×10~8、121.1×10~8和121.8×10~8 m~3/a,地下水储量亏缺量分别约为230.0×10~8、171.8×10~8、235.6×10~8和236.4×10~8 m~3/a,受制于样本数较少等原因,格点降尺度结果精度较差;两种区域降尺度思路得到的水储量变化速率均和原始GRACE数据基本一致,模拟结果均优于格点降尺度,且细化到流域的区域降尺度对地下水储量变化验证精度有一定的改善。区域降尺度具有适用性强、模拟精度高、计算效率高的优势,研究结果可为流域水资源可持续利用以及水资源规划等提供精细化的水储量变化数据。

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近十年青海湖水生态系统生产总值变化及其影响因素

李沁园, 张思九, 林育青, 陈求稳, 冯韬, 陈默

2024, 36(03): 963-974.

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受气候变化和人类活动影响,湖泊水生态系统及其服务功能发生改变,研究湖泊水生态系统生产总值动态变化及其影响因素,对于维护湖泊健康生命、实现湖泊功能永续利用具有重要意义。选择位于气候敏感区和生态脆弱区的青海湖作为研究对象,根据青海湖水生态系统特征及当前保护状况,筛选调节服务及文化服务2类8个评估指标,构建湖泊水生态系统生产总值指标体系,核算2010—2020年青海湖水生态系统生产总值,分析其变化趋势及主要影响因素。结果表明,2010—2020年青海湖水生态系统生产总值总体呈波动上升趋势,变化范围为6903.47亿～7848.55亿元;调节服务是青海湖水生态系统主要的服务类型,占比高达91%。近十年,气候调节和水质净化价值有所减少,其他服务功能价值均呈增加趋势。水源涵养价值增加最多,增长760.70亿元;气候调节价值下降最多,减少658.59亿元。偏最小二乘回归分析表明,水温、水位是影响青海湖水生态系统生产总值的主要因素。气候变化影响下,水温升高引起初级生产力增加及鱼类数量增长,同时近年来水体矿化度下降有利于水生生物生长,提高了固碳释氧和物种保育价值。水位与水面面积增加引起水源涵养、洪水调蓄价值增长;蒸发量减少导致气候调节价值下降。人类合理开发利用与保护作用下,物种保育、休闲旅游和科研教育价值均得到了显著提升。本研究量化了青海湖水生态系统对人类的贡献,为变化环境下退化水生态系统修复、生态保护措施效果定量评价提供了科学依据。建议定期核算青海湖水生态系统生产总值,跟踪评估气候变化与人类活动共同影响下青海湖水生态系统变化,对维持青藏高原东北部生态安全具有重要作用。

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