鄱阳湖湿地碟形湖-河流水稳定同位素变化特征及其指示意义

为深入认识鄱阳湖湿地区域水循环过程,于2019年112月在鄱阳湖国家级自然保护区对降水、河流水、主要碟形湖水进行系统采集,综合分析碟形湖-河流水稳定同位素的动态变化特征及其指示意义。结果表明,鄱阳湖湿地修河和赣江的同位素组成具有明显的季节性变化规律,4月河水同位素最为富集,57月逐渐贫化,之后呈现出不断富集的变化趋势,整体上与降水同位素的时间变化特性相似。在空间分布上,各段河水的同位素组成均具有相对稳定的沿程分布特征,赣江在修河汇入点上、下游的同位素特性在大多数月份没有呈现出明显变化。碟形湖水同位素的年内变化范围比河水大,并且相对富集。主要碟形湖水的δ2 H-δ18 O关系接近当地大气降水线,具有更小的蒸发线斜率以及系统性偏离的特征,反映碟形湖主要受到当地降水补给,经历了一定程度的蒸发作用。基于指数模型方法估算修河和赣江水体的平均滞留时间(mean residence time,MRT)分别为1.54和0.81年,赣江较短的MRT表明鄱阳湖流域具有不同水体组分相互快速转化的水力条件,修河上游柘林水库的调蓄作用导致其MRT明显大于赣江。通过假定碟形湖水的蒸发过程遵循瑞利分馏模型,全年的同位素监测结果揭示蚌湖、沙湖、大湖池的年平均蒸发损失量分别为15.5%、15.0%、14.1%,不同碟形湖之间蒸发程度的差异可能与地形、植被和水动力条件等因素的综合影响有关。

鄱阳湖碟形湖浮游植物群落结构特征及水质健康状况评价

为了解鄱阳湖碟形湖浮游植物结构特征与水质健康状况,于2021年3月对鄱阳湖8个碟形湖采集水样,分析鄱阳湖的水质和浮游植物群落结构,并对浮游植物进行功能群划分。研究区域内共检出6门35种浮游植物,优势种为鱼腥藻(Anabaena spp.)和栅藻(Scenedesmus spp.)。研究区浮游植物可划分为17个功能群,其中A、D、J、MP、N、P、X1、X2和X3功能群出现频率较高,MP为优势功能群。Pearson相关性分析结果显示,ORP、TDS、pH值、DO和NO 3-N是影响鄱阳湖碟形湖浮游植物群落结构的关键环境因子。基于传统综合营养状态指数法得出,各碟形湖TLI(∑)介于3~39.8之间,平均值为17,说明碟形湖水质整体为贫营养状态;基于浮游植物功能群计算Q指数得出,各碟形湖生态指数值介于1.24~4.44之间,平均值为3.79,说明鄱阳湖碟形湖水生态状况整体处于“好”状态。

鄱阳湖湿地碟形湖泊沿高程梯度土壤养分及化学计量研究

在鄱阳湖南矶山湿地自然保护区的碟形湖区,沿高程梯度采集岗地、高滩、低滩和泥沼土壤,对碳、氮、磷及其化学计量特征进行了研究。结果表明,表层土壤(0~10 cm)有机碳含量在岗地土壤最低;总氮和总磷含量均表现为岗地>高滩>低滩>泥沼,且总氮和总磷含量呈显著正相关。土壤有机碳和总氮含量均表现出随土层加深而减少的趋势。表层土壤C/N、C/P和N/P的平均值分别为11.17、52.74和5.03,且随着高程梯度和湖泊的变化,C/N保持相对稳定,而C/P和N/P的变化较大。铵态氮含量表现出岗地<高滩<低滩<泥沼,硝态氮含量表现出高滩<低滩<岗地<泥沼。有效磷与总磷含量呈极显著正相关。总之,受到鄱阳湖季节周期性水文变化的影响,研究区湿地土壤养分有较大差异,其中氮是N/P比的主要控制因子。

鄱阳湖洪泛区碟形湖域与地下水转化关系分析

湖水-地下水转化关系研究对水资源调节与分配具有重要理论和实践意义。以鄱阳湖洪泛区碟形湖域(蚌湖和沙湖)及其洲滩为研究对象,利用水文学、热力学和水动力学方法来综合分析碟形湖-地下水转化关系与交换通量。研究发现,碟形湖与洲滩地下水的水位变化过程呈明显季节动态性,两者水位变化在春夏季节基本保持同步,而秋冬季节地下水位变幅要明显大于碟形湖水位变化,两者水位差约1~6m;碟形湖与洲滩地下水的水温变化范围分别为3-30℃和15~18℃,两者在春夏季节水温差异可达14℃,秋冬季节可达20℃;应用VFLUX 2模型与地下水达西定律,发现碟形湖-地下水之间的垂向交换在季节尺度上存在相互转化,两种方法估算结果在量级上比较吻合,碟形湖-地下水交换通量约8.6~43.2cm/d。

鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统地表地下水交互作用

洪泛系统具有复杂动态的水文环境,在季节性洪水脉冲影响下,地表-地下水交互转化对洪泛区水循环和生态环境保护等方面具有重要意义.本文采用野外试验、统计分析和达西定律等研究方法,开展了鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统(河流-洲滩湿地-碟形湖)地表-地下水文学特征、相互作用和交换通量研究.数据资料显示,在地形地貌影响下,研究区洲滩地下水位明显低于碟形湖水位,但总体上略高于周边河流水位,统计结果进一步表明,在控制洪泛湿地的地下水动态方面,河流水文情势变化对地下水的影响作用要强于碟形湖水文变化.就河流-地下水转化关系而言,研究区湿地系统的地下水与周边河流水体之间存在动态转化关系,地下水对河流的补给通量以及河流对地下水的补给通量分别约为0.4和0.2 m/d.就湖泊-地下水转化关系而言,碟形湖一般来说补给周边滩地的地下水系统,但两者之间的交换通量基本小于0.1 m/d.在年尺度上,研究区地表-地下水之间的累积交换通量变化约介于7.5~48.2 m/a,其中河流-地下水的累积交换通量约是碟形湖-地下水的4~7倍,且秋、冬季的累积交换通量要明显大于春、夏季.本文研究结果可为洪泛区河湖系统的水资源联合管理、水环境整治和生态环境保护等方面提供科学支撑.

基于PCA-MIC-LSTM的碟形湖溶解氧含量预测模型研究

溶解氧浓度是湖泊生态健康评价中的关键指标,因浅水碟形湖的水文独特性,使得溶解氧(DO)愈加具有不稳定性和非线性特征。为准确预测碟形湖中的DO浓度,基于鄱阳湖典型碟形湖监测数据集,结合主成分分析法(PCA)、最大信息系数(MIC)和长短时记忆神经网络(LSTM)预测碟形湖DO含量的模型。结果表明:与支持向量回归(SVR)、LSTM模型相比,基于PCA-MIC-LSTM的模型预测精度显著提高,其确定系数高达0.99以上,均方根误差为0.039 mg/L,平均绝对百分误差为0.301%;其中,PCA降噪处理比MIC特征提取更能影响LSTM模型预测的效果,可以显著降低误差率。研究的PCA-MIC-LSTM模型可为同类型湖泊水体保护工作的开展提供参考。

鄱阳湖南矶湿地碟形湖泊大型底栖动物季节动态

碟形湖作为鄱阳湖的子湖,孕育了丰富的大型底栖动物生物多样性,而关于鄱阳湖碟形湖泊大型底栖动物的研究较少,于2017年1,4,7,10月对鄱阳湖3个碟形湖的大型底栖动物进行调查。共鉴定出大型底栖动物3门17科31种,其中软体动物最为丰富,14种,节肢动物12种,环节动物最少,5种。优势种为梨形环棱螺(Bellamya purificata),长角涵螺(Alocinma longicornis),曲旋沼螺(Parafossarulus anomalospiralis),粗腹摇蚊属(Pelopia sp.),羽摇蚊属(Chironomus sp.)及霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)。3个湖的大型底栖动物年平均密度和生物量分别为(65.78±11.73)ind·m-2和(46.29±11.83)g·m-2,其中战备湖密度最高为(92.67±29.18)ind·m-2,东湖生物量最高为(70.20±51.32)g·m-2。冬季的密度与生物量最高,夏季多样性指数最高。功能摄食类群中刮食者比例最高,撕食者比例最低,RDA分析显示总氮、叶绿素a、电导率和浊度显著影响大型底栖动物群落的空间分布。

碟形湖在鄱阳湖湿地生态系统的作用和意义

"碟形湖"是指鄱阳湖湖盆区内枯水季节显露于洲滩之中的季节性子湖泊,具有特殊的地貌特征和水文特性、复杂多变的湿地景观和丰富的生物多样性等特征.在碟形湖及其周边,湿生与水生植物群落有序分布、季节性演替;静水水域有利于底栖动物和鱼类生长育肥;缓慢下降的水位、逐渐伸展的泥滩为越冬候鸟持续提供丰富的食物和歇息环境,全湖80%以上的水鸟在碟形湖区域越冬.高低不一、分布广泛的碟形湖群有效地缓解了干旱、洪水灾害对鄱阳湖湿地生态系统的冲击,对于维护全球生态系统的完整性和生物多样性具有重要作用.最后提出了加强碟形湖保护和管理的对策.

南矶山碟形湖湿地植被群落分布特征与评价

为阐明南矶山碟形湖湿地植物物种多样性特征,采取了多样性指数等调查方法对代表性碟形湖优势植被群落进行了分析。结果表明,研究区域植物物种共有10科18属28种,其中丰富度依次为芦苇群落>南荻群落>苔草群落;多样性指数依次为芦苇群落>南荻群落>苔草群落;均匀度指数依次为南荻群落>芦苇群落>苔草群落;优势度指数依次为苔草群落>芦苇群落>南荻群落。在研究的3个群落中,丰富度、多样性指数、均匀度指数和优势度指数在不同群落中存在显著的差异,并体现出多样性指数以及丰富度高的群落往往优势度指数就小的一般规律。南矶山湿地碟形湖区物种多样性差异与湖泊水位、植物繁殖特性、物种种间竞争力是显著相关的,并充分体现出南矶山湿地生境的多样化特征。

赣江尾闾碟形湖水体季节性分布特征

碟形湖是鄱阳湖湿地的一类重要组成部分。赣江尾闾(中支)碟形湖分布广泛,地形和鄱阳湖水位变化共同造就了水体空间分布的季节性差异。为进一步了解碟形湖的形态特征和水体的空间分布情况,基于湖区5 m分辨率的数字高程模型提取了碟形湖地形,构建了主要碟形湖的水位-面积-容积曲线,以汛后期潴水型典型年2014年为例,基于Landsat 8遥感影像分析了典型水文时期赣江中支三角洲的碟形湖水体分布变化。结果表明:三角洲上游和下游的碟形湖形态差异明显;碟形湖四周高、中间低、深度较浅的地形特征导致其可以容纳的水量不及2亿m^(3);在秋季退水期和冬季枯水期,碟形湖水体占三角洲水体覆盖的70%~90%,是越冬候鸟栖息的重要湿生环境。

鄱阳湖保护区碟形子湖浮游动物群落季节动态研究

为了解鄱阳湖保护区子湖内浮游动物群落的季节动态变化,分别于2020年7月、10月和11月在江西鄱阳湖国家级自然保护区内的1个碟形子湖——沙湖进行了浮游动物定量采样调查.3个季节调查共采集到浮游动物77种,其中轮虫62种、枝角类9种、桡足类6种.浮游动物密度的季节变化为夏季高于秋季,秋季高于冬季;浮游动物生物量的季节变化为夏季高于冬季,冬季高于秋季.无度量多维排序(NMDS)和群落聚类分析显示,2020年沙湖浮游动物的群落结构可以明显区分为3个:夏季群落、秋季群落和冬季群落.与前期研究结果进行对比分析发现:长江流域的十年禁渔措施促使了鱼类种群数量的恢复,间接影响了浮游动物的组成和数量.

季节与水文影响下鄱阳湖碟形湖湿地沉积物氮去除功能变化

从水力学和生态学角度,碟形湖是鄱阳湖湿地中最具特点和最重要的生态功能区,不仅具有较高的生产力,而且具有重要的生态缓冲功能。受水位影响,碟形湖水力连通性具有明显的季节性变化特点,并直接影响氮去除过程,从而影响湿地沉积物对鄱阳湖氮负荷的去除贡献。采用沉积物柱样流动培养和稳定氮同位素配对技术,研究了鄱阳湖9个典型碟形湖丰水和枯水两种水文时段下湿地沉积物-水界面氮的迁移和去除速率,分析和讨论了季节与水文影响下鄱阳湖碟形湖湿地氮去除功能的变化。结果表明,丰水期碟形湖湿地与主湖区连通条件下,赣江西支周围碟形湖沉积物具有呼吸强、氮去除速率高的特征,修水河周围碟形湖沉积物氮去除速率相对较低,主要受到硝态氮(NO_(3)^(-))浓度水平的影响;而枯水期两个区域碟形湖沉积物表现出类似的氮迁移和去除规律,沉积物氮去除速率相比丰水期均显著降低。整体而言,丰水期各碟形湖沉积物氮去除速率均值为26.69±12.98μmol m^(-2) h^(-1),其中非耦合反硝化占总的氮去除的90%±11%,厌氧氨氧化仅贡献了约1%的氮去除,而枯水期沉积物氮去除速率较低,并且以耦合反硝化为主,其对氮去除的贡献达57%±17%,厌氧氨氧化对氮去除的贡献仍较小(4%)。通过对丰、枯水期沉积物氮去除特征的分析发现,丰水期碟形湖与高NO_(3)^(-)负荷的主湖区或入湖河流连通有助于充分发挥湿地的氮去除功能,从而提升碟形湖对入湖氮负荷的削减。研究结果表明保护鄱阳湖碟形湖湿地并保持其与主湖区的水力连通对降低鄱阳湖氮负荷具有重要意义。

鄱阳湖主湖区与碟形湖水位变化及其对水质的影响

水位作为鄱阳湖重要的水文因子,对鄱阳湖水动力过程和水质变化具有重要影响。根据2014~2015年鄱阳湖主湖区和碟形湖水位、水质监测数据,分析了主湖区和碟形湖水位及主要水质指标的年内变化特征,阐述了主湖区和碟形湖水质对水位的响应特征。结果表明:(1)丰水期碟形湖与主湖区联通,碟形湖水位与主湖区水位呈直线型相关,枯水期碟形湖水位高于主湖区,主湖区年内月平均水位变异系数为0.13,而碟形湖年内月平均水位变异系数为0.08;(2)丰水期,主湖区和碟形湖的氮磷比分别为19.29和46.27,枯水期主湖区和碟形湖水体的氮磷比分别为17.88和40.39;(3)鄱阳湖主湖区水质主要指标与水位的相关性显著强于碟形湖,主湖区总氮、氨氮、总磷和溶解氧均与水位呈负相关性,而碟形湖中只有p H与水位有相关性;(4)枯水季节,碟形湖水体具有较高的总氮,而鄱阳湖主湖区则具有较高的总磷和氨氮。总之,枯水期进行合理的水位调控能够有效降低富营养化风险。

鄱阳湖洪泛系统淹没动态时空异质性特征及驱动机制

基于ESTARFM(Enhanced Spatial and Temporal Adaptive Reflection Fusion Model)模型,重构2000—2020年鄱阳湖区高时空分辨率淹水数据,分析鄱阳湖洪泛系统淹没动态的时空异质性特征及驱动因素。研究发现,鄱阳湖洪泛系统主湖区与碟形湖区淹水面积多年平均值分别为1239 km2和407 km2,受湖泊淹水自然过程和人为干扰的影响,碟形湖区的淹没动态在3月和10月与主湖区存在明显差异。在空间上,鄱阳湖的淹水频率总体上呈“北高南低”的分布格局,主湖区和碟形湖区淹水频率分别为58%和36%。在时间上,鄱阳湖主湖区的淹水面积与淹水频率整体上呈减小趋势,但在碟形湖区内二者均呈微弱的上升趋势。这种相反的变化趋势主要归因于长江中上游来水减少、三峡工程运行引起的长江中下游河床降低,以及湖区大规模采砂活动引起的入江水道下切侵蚀等综合作用造成的湖泊泄流能力的增大和湖泊流域入湖流量的增加。

鄱阳湖不同湖区营养盐状态及藻类种群对比

在平水期、丰水期和枯水期对鄱阳湖典型天然碟形湖、人控湖汊和主湖区进行了水质、藻类和蓝藻毒素等对比调查,结果表明鄱阳湖各个湖区的水质与藻类种群等差异较大,蓝藻毒素浓度和底泥中铁含量的分布具有一定关联性.在各水文季节蓝藻均为人控湖汊藻类的主要优势种之一.平水期鄱阳湖藻类生物量(叶绿素a浓度)与水体的pH呈正相关关系,与采样点的水深呈负相关关系,碟形湖区水体营养盐浓度和藻类细胞密度均较其他湖区水体低.丰水期各湖区的水质差异相对较小,碟形湖藻类细胞密度仍低于其他湖区,但蓝藻已成为各湖区的优势种,该时期藻类生物量与水体总磷浓度及浊度呈正相关关系.枯水季鄱阳湖各水体藻类生物量与水体总氮浓度、铵态氮浓度及电导率呈正相关关系,碟形湖与主湖区发生了完全分离,水体流动性差,暴发蓝藻水华的风险较高.高温丰枯季节鄱阳湖水体蓝藻毒素浓度与底泥铁含量呈现一定的相关分布关系,底泥铁含量高的地方,其水体蓝藻毒素浓度通常比较高,应警惕鄱阳湖流域富铁红壤流失带来的湖区蓝藻水华风险加剧后果.上述研究结果将为鄱阳湖水环境的预警和污染控制提供科学指导.

鄱阳湖水利工程地理信息管理系统研制

以2011年鄱阳湖基础地理测量成果为数据源,在多源空间数据集成的基础上,利用Arc GISEngine进行二次开发,建立了一个以鄱阳湖湖区重点圩堤、穿堤建筑物、水系、湖区自然保护区等要素查询与分析为特色的水利工程地理信息管理系统,可为江西省防汛抗旱、水利工程设计与管理等提供技术支持,亦为鄱阳湖生态经济区的建设与可持续发展提供决策支持。

鄱阳湖丰水期水位波动对浮游动物群落演替的影响

为了解鄱阳湖夏季丰水期水位剧烈波动过程中浮游动物的群落演替特征,2012年夏季鄱阳湖水位剧烈波动期间,于6月24日、7月7日和8月27日当水位下降且接近17.6 m时,在江西鄱阳湖国家级自然保护区内的1个浅水碟形湖泊设置4个采样点进行采样调查。共发现浮游动物65种,其中轮虫52种,枝角类7种,桡足类6种,多为营浮游生活的广温性和嗜温性种类。单因子方差分析(one-way ANOVA)显示3个月之间浮游动物的密度和生物量均具有显著差异(P<0.05),7月份浮游动物密度(1030.17±68.18个/L)显著高于6月份(325.16±41.60个/L)和8月份(203.79±24.91个/L);6月份浮游动物的生物量(0.56±0.04 mg/L)显著低于7月份(1.22±0.11 mg/L)和8月份(0.99±0.11 mg/L)。基于浮游动物多度的聚类分析和自组织映射神经网络图均揭示夏季3个月份的浮游动物可区分为明显的3个群落:6月群落、7月群落和8月群落。蒙特卡罗检验发现水温、电导率、浊度和溶氧与浮游动物群落结构变化显著相关(P<0.05)。典型相关分析显示,6月份浮游动物群落与叶绿素a含量呈显著正相关关系,7月份浮游动物群落与水体温度呈显著正相关关系,8月份浮游动物群落与水深和电导率、浊度和溶氧呈显著正相关关系(P<0.05)。在3个月均为优势物种的盖氏精囊轮虫与叶绿素a含量呈正相关关系(P<0.05),与水温、pH、溶氧呈负相关(P<0.05)。夏季水位波动过程中浮游动物的群落结构在时间上(月份之间)发生明显演替,呈现轮虫密度逐渐降低,枝角类和桡足类密度逐渐增加的变化规律。水位波动引起环境因子的改变,从而对浮游动物的群落演替产生了重要影响。

鄱阳湖水利工程地理信息系统研究

以2011年鄱阳湖基础地理测量成果为数据源,在多源空间数据集成的基础上,利用Arc GIS Engine进行二次开发,建立了以鄱阳湖湖区重点圩堤、穿堤建筑物、水系、湖区自然保护区等要素查询与分析为核心的水利工程地理信息系统,为我省防汛抗旱、水利工程设计与管理等提供技术支持,亦为鄱阳湖生态经济区的建设与可持续发展提供决策支持。

长江中下游典型湿地沉积物-水界面硝酸盐异养还原过程

反硝化(Denitrification,DNF)和硝酸盐异化还原为氨(Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium,DNRA)是硝酸盐异养还原的2个主要途径.反硝化被认为是彻底去除水体氮负荷的主要过程;而硝酸盐异化还原为氨则将水体中的硝态氮转化为氨氮.2个过程均以硝酸盐为电子受体,并存在相互竞争关系.这2个过程的研究对理解湿地氮转化以及指导湿地氮污染修复具有重要意义.运用无扰动沉积物柱样流动培养、15NO-3-N同位素示踪实验,并采用氨氧化-膜接口质谱仪联用(OX/MIMS)测定氨氮同位素产物的方法,对鄱阳湖碟形湖湿地、巢湖重污染河流湿地、巢湖重污染湖泊湿地3种类型湿地沉积物-水界面的硝酸盐异养还原过程进行研究,结果表明存在显著差异.3种类型湿地DNF速率的范围为(6.36±2.57)^(99.98±14.05)μmol/(m2·h),DNRA速率的范围为(0.51±0.45)^(79.82±6.08)μmol/(m2·h).在3种类型湿地中,随着氮污染程度加重,DNF和DNRA速率均显著增加,且DNRA过程在总的硝态氮异养还原中所占的比重不断增大,说明较高的硝酸盐负荷、较高的沉积物有机质含量更有利于DNRA过程的竞争.而对反硝化方式的进一步研究发现,巢湖重污染河流、湖泊湿地主要以非耦合反硝化为主导过程,而鄱阳湖碟形湖湿地则更倾向于以硝化过程耦合控制的反硝化为主.