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第一课题报告湖泊富营养化驱动机制的反演和模拟研究中国科学院南京地理与湖泊研究所中国环境科学研究院2003－09－23国家973项目《湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发机理研究》根据项目整体要求，本课题设计目标为•反演历史时期典型湖泊营养水平的自然演化过程（地湖所）•研究人类经济活动对水环境的影响及反馈机制（地湖所）•在实验条件下研究湖泊富营养化过程中的关键驱动因子（环科院）•建立阐释富营养演化过程和趋势的模型（环科院）•课题研究工作进展•2003年下半年研究工作计划一、反演历史时期典型湖泊营养水平的自然演化过程长江中下游典型湖泊（太湖、龙感湖、洪湖）和10~15个面上湖泊野外调查，建立湖泊水体和沉积营养本底、钻孔分析资料数据系统，确定指标体系定量研究人类经济活动对湖泊富营养化的影响；建立100年来湖泊富营养化自然与人为影响下的变化序列初步完成相关湖泊（约45个不同营养类型湖泊）湖泊水样、沉积物及部分植物样品的采集；完成太湖、巢湖、龙感湖同位素样品系统采集（配合中国科学院长江项目）。目前共计采集水样230个、沉积物表层样70个、植物样20个。室内工作已完成所采样品的预处理工作；获得2003年夏季、秋季水化学资料；硅藻、δ18O、δ13C及δ15N正在进行中。面上湖泊调查研究－湖泊营养水平和沉积物代用指标关系典型湖泊沉积物钻取及分析•野外钻取了太湖、洪湖不同污染部位，沉积物短柱岩芯，获得了沉积物样品•沉积物样品已经分送有关实验室测试（包括沉积物定年、各类元素、重金属富集形态、Pb同位素比值等等）二、人类经济活动对水环境的影响及反馈机制•在太湖西苕溪流域，使用英国Bartington磁化率仪进行野外磁化率实地测试，共获取390个野外数据，对野外不同地质对象的磁化率背景值，重金属污染的分布范围、污染程度等，均有一定的初步认识。•下半年将进一步采集土壤、湖泊沉积物、植物等标本，用于实验室进一步地球物理、地球化学等指标的分析。收集流域各种社会经济资料；•研究流域人类活动－污染元素迁移－湖泊沉积物营养环境代用指标之间的定量转换关系。历史资料收集整理•系统收集了1950年以来长江中游洪湖地区人类活动、水文、水系变迁、植被变化、地形地貌及湖泊水质等统计资料和不同时期卫星影像图；收集了太湖流域的有关文献资料；•下半年继续收集资料，并开展流域历史资料和湖泊沉积钻孔分析结果的比较，运用各种统计方法，判定驱动湖泊营养环境变化的主控因子。流域气候－水文－营养盐耦合系统模拟模拟不同时段人与自然影响下湖泊营养环境变化和百年来典型湖泊水环境变化空间特征，诊断主控因子以及变化规律•搜集了太湖流域有关水文、植被、土壤、营养盐状况等基础地理信息。•根据太湖流域实际情况进行了水文－营养盐模型的调试工作。•进行了高精度、非静力平衡的区域气候模式的调试工作，现已能进行较长时间的稳定运算。下阶段数值模拟将进行的工作：•进行水文－营养盐模型的调试，并用有关观测资料对模型中有关参数进行率定，以提高对研究流域水文、营养盐状况的模拟。•补充搜集研究流域的地理信息状况，尤其是近100年来有关地理信息状况的变化情况，以作为流域营养化状况演变的驱动因子。•利用全球气候模式模拟的近100年气候状况及观测的下垫面变化状况来驱动区域气候模式，得到高精度的研究流域气候变化状况，并以此驱动流域水文－营养盐模型来研究流域富营养化演变的机理。湖泊营养状态重建及主控因子分析沉积学地球生物硅藻营养盐指标氮、磷、叶绿素重金属Pb、Cd、As、Zn、Cu、Ni、Co、Cr、V、Pb、Hg、Bi磁学磁性矿物,磁化率,剩磁多指标综合分析湖泊富营养化100年变化序列及主控因子数据库沉积营养盐C、N、P同位素δ13C、δ15N、δ18O文献资料地球化学社会经济状况资料区域气候-水文-营养盐数值模拟及营养驱动机制研究全球气候模式区域气候模式流域气候要素观测的现代气候、水文、营养物状况资料集时间连续的分布式水文-营养盐模型高分辨率的流域地形、地貌、土壤、土地利用等信息DEM、土地利用、土壤分类等数字化格点模型确定流域范围及物理/化学参数、子流域、水文响应单元、水流向、河湖网、水库、源排放及水文/气象站位置点源排放量、化肥、农药、杀虫剂使用量及其他污染物释放量计算N、P等营养物的产生、转化、输移计算地表/地下径流、侧流、蒸散发、汇流流域营养状况流域水文状况典型流域营养演化的动力机制及驱动因子Downscaling参数率定GIS转换InputSetLoad三、湖泊富营养化进程的模拟研究通过人工控制环境条件，如营养盐浓度N、P等，模拟湖泊典型的营养阶段及其发展过程，并分析湖泊在由贫-中-富营养状态发展过程中藻类优势种的演替，确定湖泊富营养化进程中的关键因子。三.典型浅水湖泊富营养化进程及蓝藻水华发的模拟通过人工控制环境条件，如营养盐浓度N、P等，在实验室内模拟湖泊典型的营养阶段及其发展过程，并分析湖泊在由贫-中-富营养状态发展过程中藻类优势种的演替，确定湖泊富营养化进程中的关键因子。研究不同理化条件,如水温、光照、营养盐等，对藻类生长的影响，揭示富营养化湖泊中蓝藻增殖机理。在上述试验的基础上，利用湖泊富营养化模拟装置，在最合适的环境因子条件下，在实验室内再现富营养化湖泊中蓝藻的水华。（一）、湖泊富营养化进程的野外围隔模拟研究研究内容:（1）不同营养水平湖水围隔内外微生态结构变化；营养盐水平及主要水环境因子变化。（2）稀土元素、铁、硅等对藻类种群结构的影响，对主要藻种的刺激或抑制作用。试验水体:南开大学校内新开湖，湖面长100m,宽80m，平均水深2.5m。试验装置:Ф0.7m×2m围隔装置三套，Ф1.0m×2m围隔装置三套，分批应用于新开湖。围隔装置由钢架、透明聚乙烯袋（内层）和保护性编织袋（外层）组成。2003年8月3日——9月3日，已完成第一批试验：主要研究氮、磷等大量元素的影响；2003年9月5日——10月5日，进行第二批试验：主要研究稀土元素（镧）的影响。(1)湖泊富营养化模拟装置的建设（2）实验室内铜绿微囊藻(纯种藻)增殖单因子试验（3）太湖藻类的分离、纯化及生长特征（4）藻菌界面相互作用对水华表面聚集体的影响（二）、实验室内藻类水华发生模拟(1)湖泊富营养化模拟装置的建设（已进入调试阶段）模拟装置简介：•无菌系统：•光照系统：•气压控制系统：•温控系统：•风浪控制系统：•试验对象：铜绿微囊藻（武汉水生所所购藻种）•试验目的：通过小试研究各种环境条件对铜绿微囊藻生长的影响。•试验方法：单因子小试，通过血球计数板检测铜绿微囊藻的生长情况，做出不同条件下铜绿微囊藻的生长曲线。（2）实验室内铜绿微囊藻增殖单因子试验•主要内容：研究各种因素对铜绿微囊藻的生长的影响：–因素组1：光照、pH、温度、微生物–因素组2：扰动、N：P、轻稀土元素（镧、铈）、微量元素（Fe）、底泥（1）pH=8.5时，达到对数生长期时生物最大；（2）pH对藻类生长的影响与藻类对水体中不同CO2形态的利用能力相关。铜绿微囊藻在高pH/低CO2浓度下具较强的竞争能力。主要结果：（3）太湖藻类的分离、纯化及生长特征蓝藻（微囊藻）绿藻藻（四尾栅藻）硅藻分离出来的藻照片蓝藻（微囊藻）（4）藻菌界面相互作用对水华表面聚集体的影响芽孢杆菌照片芽孢杆菌的表面电学特征下阶段工作•继续铜绿微囊藻增殖单因子试验•蓝藻、绿藻、硅藻混合培养的竞争•芽孢杆菌对微囊藻增殖与形成集合体的影响•四、湖泊富营养化发展趋势预测方法研究（一）主要研究内容有：•1.湖泊富营养化发展趋势预测指标体系在湖泊富营养化过程的反演、人类活动对水环境影响的研究以及富营养化过程中关键驱动因子的实验研究的基础上，对众多影响湖泊富营养化进程的因子进行分析，确立湖泊富营养化发展过程中的主要影响因素，建立长江流域湖泊富营养化发展趋势预测指标体系，并确定影响湖泊富营养化发展的关键因子。•2.湖泊富营养化趋势预测模型在确定预测指标体系的基础上，选择合适湖泊富营养化评价的方法和模型建立长江流域湖泊富营养化发展趋势预测模型并确定模型参数。应用该模型对长江流域湖泊在未来20-50年内的富营养化发展趋势做出预测。（二）本阶段已完成的工作•1.建立小型模拟装置，初步研究并确定浅水湖泊富营养化进程的主要影响因子。•2.收集人类活动及湖泊水质和生态群落变化的相关资料（二）下阶段的工作计划分别在小型、中型、及大型模拟装置中研究浅水湖泊富营养化进程的关键影响因子，为湖泊富营养化发展趋势预测指标体系和湖泊富营养化趋势预测模型提供基础。请专家指正，谢谢！湖泊沉积营养盐（C、N、P）及同位素（δ13C、δ15N、δ18O）研究调查湖泊流域系统（降水、径流、湖泊水体、沉积物、生物）同位素组成及其空间分布，构建同位素记录与主要营养盐关系的概念模型，获取各季节主要营养盐含量及同位素组成，确立湖泊营养化过程的同位素示踪模式；通过钻探获取湖泊深水处稳定沉积岩芯，进行多环境代用指标分析，结合同位素记录与主要营养盐关系模型，定量/半定量恢复湖泊富营养化历史。硅藻与营养盐指标、硅藻沉积历史序列分析硅藻与植物氮、磷、叶绿素与水环境关系以及水质恶化的敏感指示性硅藻种，确定控制硅藻分布的主要营养盐指标，采用硅藻-营养盐指标的转换函数定量恢复历史时期湖泊营养演化序列。137-Cs和210-Pb沉积年代对湖泊营养历史的鉴定，定量化确定不同时段湖泊环境的变率和人类活动对湖泊环境的时间特征；采用沉积物中碳球粒研究，作为对137Cs和210Pb的佐证和补充，以近代沉积年代高新发展技术在湖泊营养演化应用上有所突破湖泊沉积重金属及Pb同位素本底和沉积序列对典型湖泊的湖水、藻类、表层沉积物及短柱子岩心的采集，利用ICP-MS和ICP-AES系统分析重金属成分和含量（包括Pb、Cd、As、Zn、Cu、Ni、Co、Cr、V、Pb、Hg、Bi等）；分析富营养化过程中重金属元素的环境效应，恢复湖泊水体的TOC和pH状态，对湖泊富营养化过程及毒性重金属迁移、聚集对湖泊富营养化环境效应的示踪。通过流域地质和松散沉积物天然金属本底统计分析，进一步筛分人类活动下的富营养化贡献沉积物磁学湖泊营养化响应研究调查和测试湖泊沉积物岩心的磁性矿物种类、含量、粒度以及磁化率、剩磁等磁性指标数据。确立沉积物营养元素同磁性参量关系和沉积物营养盐的磁响应，通过对湖泊沉积物磁性矿物赋存、转化、迁移过程研究识别人类活动对湖泊富营养化的影响强度。流域人类经济活动对湖泊营养化通量研究调查水体农业生产量、湖区围垦以及湿地与水域变化、流域工业营养盐释放及其相关人文活动在流域生态量、人口历史、土地利用面积和性能、城市扩张等历史资料和不同时期遥感资料判读、转译和数据库建立；定量描述长江三个湖泊不同时期人类干扰下富营养化程度和变化速度，包括富营养化与长江河道变化和湖泊营养化元素的积累、流域自然侵蚀与湖泊营养化盐的沉积和输移、土地利用、流域和湖区植被生态发展和破坏等动力的关系；确立人类活动下的湖区围垦、土地利用/土地覆被变化、城市化和工业化发展以及营养化源排放等对长江三个典型湖泊的富营养化的响，评估各类人为因子对富营养化的贡献。