浮游植物优势属演替和丝状蓝藻增殖的驱动因子研究——以千岛湖为例

为探究大型水库浮游植物优势属演替的驱动因子和丝状蓝藻增殖机制,研究了千岛湖2017—2021年浮游植物群落结构变化及其与环境因子之间的关系。研究发现,千岛湖浮游植物密度和生物量均呈逐年上升趋势,其中蓝藻密度显著上升。2021年,浮游植物年均密度和生物量分别达到1.54×10^(7)cells/L和2.23 mg/L,比2017年分别上升了161.02%和52.74%。2017—2021年千岛湖浮游植物蓝藻门优势属由微囊藻属(Microcystis)和长孢藻属(Dolichospermum)占优势,演替为假鱼腥藻属(Pseudanabaena)、细鞘丝藻属(Leptolyngbya)、尖头藻属(Raphidiopsis)和Dolichospermum等多种丝状蓝藻共同占优势。浮游植物功能群分析表明,由功能群M和有异形胞的丝状蓝藻H1功能群占绝对优势向功能群H1、S1和S_(N)等多种丝状蓝藻共同占优势转变。在监测期间,千岛湖全湖平均TN和TN/TP显著下降,而TP呈上升趋势。曼特尔检验(Mantel Test)和结构方程模型(SEM)分析结果表明,降雨形成的地表径流输入对TP升高贡献较大,浮游植物总生物量主要与TP、WT、DO、pH、SD和Temp显著相关,浮游植物总密度则受TN、WT、pH、SD和Temp驱动。其中,蓝藻密度和生物量的变化均受TN、WT、pH、SD、Pre和Temp共同驱动。通过冗余分析(RDA)表明浮游植物优势属和优势功能群变化由TN、TP和WT等共同驱动。丝状蓝藻Pseudanabaena、Raphidiopsis、Leptolyngbya与TN负相关,而Dolichospermu与TN正相关、Microcystis与TP正相关,研究表明,TN的降低是导致丝状蓝藻种类增加的主要原因之一。在营养盐较低的水库中,浮游植物群落结构较易受极端气候(暴雨、高温等)、营养输入和水体扰动等因素的影响。较强降雨导致水体混合增加和营养脉冲补给,可能诱发水库浮游植物生物量增加及丝状蓝藻增殖问题。研究结果对于贫-中营养水库蓝藻水华预测和防控具有重要的意义。

千岛湖(新安江水库)4种同域共存的鱼食性鱼类生活史策略比较研究

千岛湖(新安江水库)是我国大水面生态渔业发展的典型湖库,其渔业主要以鲢、鳙等滤食性鱼类增殖为主,对鱼食性鱼类资源的研究和关注相对匮乏。而鱼食性鱼类是水生食物网的顶级捕食者,对维持水生态系统结构和功能具有重要作用。近年来,受过度捕捞、生境退化等影响,千岛湖鱼食性鱼类资源下降明显。鉴于此,2021年3月—2022年12月,逐月在千岛湖收集4种同域共存的鱼食性鱼类样品1032尾,包括翘嘴鲌(Culter alburnus)、蒙古鲌(Culter mongolicus)、大眼鳜(Siniperca knerii)和斑鳜(Siniperca scherzeri),系统研究并比较了4种鱼食性鱼类年龄、生长、繁殖等生活史策略的分化特征。结果表明,千岛湖4种鱼食性鱼类优势年龄组均未超过3龄,说明其种群呈现低龄化现象。生长式型上,翘嘴鲌和蒙古鲌属正异速生长,而大眼鳜和斑鳜属负异速生长,说明4种鱼食性鱼类具有不同的生长策略。条件系数(CF)的变化趋势与繁殖活动密切相关,其中大眼鳜的条件系数最高(1.92%±0.03%),其次为斑鳜(1.72%±0.02%)和蒙古鲌(1.14%±0.01%),翘嘴鲌的条件系数最低(0.97%±0.03%)。繁殖时间上,斑鳜最早进入繁殖期(3月),其次为大眼鳜(4月)、蒙古鲌(5月),翘嘴鲌最晚(6月)。大眼鳜和斑鳜均出现了2次繁殖高峰(5月和7月),翘嘴鲌的繁殖高峰相对持久(6—7月),蒙古鲌繁殖高峰则最为集中(7月)。繁殖力上,翘嘴鲌((254±16)粒/g)和蒙古鲌((192±10)粒/g)的相对繁殖力较高,显著高于大眼鳜((88±19)粒/g)和斑鳜((88±10)粒/g)。翘嘴鲌和蒙古鲌卵径为单峰分布,推测为单批次产卵类型;而大眼鳜和斑鳜卵径为双峰分布,推测为多批次产卵类型。综上,千岛湖4种鱼食性鱼类在生长速率、生长式型、条件系数等生长策略以及性比、繁殖力、繁殖时间、繁殖方式等繁殖策略均出现了分化,支撑其实现了同域共存。研究结果对进一步理解鱼类同域共存机制,保护、恢复和科学利用千岛湖鱼食性鱼类资源,优化和完善鱼类群落结构具有重要意义。

暴雨径流对新安江入库总磷负荷量的影响

为定量揭示暴雨径流对大型水库外源总磷(TP)负荷量的影响,构建新安江模型,结合TP浓度高频在线监测数据,计算千岛湖主要入库河流新安江街口断面逐日TP负荷量,并在此基础上划分暴雨径流携带TP负荷量对新安江TP年总入库负荷量的贡献.结果表明:①近60年来,千岛湖流域年暴雨雨量占年降雨总量的28.1%,平均暴雨频次为6.2次/a,年暴雨雨量和频次均在0.001显著性水平上呈上升趋势;②基于逐日流量模拟和高频水质监测数据计算的入库TP负荷量为基于逐月常规监测数据计算结果的2.9倍;③典型年(2020年5月1日—2021年4月30日)通过街口断面进入千岛湖的径流量和TP负荷量分别为96×10^(8) m^(3)和1506 t,其中由暴雨产生的径流量和TP负荷量占比分别为47.9%和69.4%.研究显示,暴雨事件对水库外源磷负荷的贡献较大,暴雨径流携带高浓度磷的汇入对水库水质和生态系统健康构成较大威胁,采用高频监测网络与水文数值模型高效融合的方法,能有效提升水库TP外源负荷量的计算精度,可为加强认识水库磷污染过程、保障水库水质安全提供科技支撑.

基于NARX神经网络的千岛湖藻类短期预测模型构建

局部水域的藻类异常增殖现象逐渐成为千岛湖面临的水环境保护难题.构建以数据驱动的水华预测模型,实现对重点水域叶绿素a(Chla)浓度短期动态变化的预测,是快速应对潜在水华风险的有效手段之一.鉴于NARX神经网络在预测非平稳时间序列动态特征方面的优势,以千岛湖国控监测断面小金山2016—2019年Chla的高频时间序列作为研究对象,对Chla剖面数据进行沿深平均、缺失值插补后,分别以连续3 d和连续7 d的Chla浓度作为输入,构建了基于NARX神经网络的藻类预测模型,用于预测未来0.5~7 d Chla浓度的变化,探讨了相关参数设置、训练及评价方法,并针对不同的预见期分析了模型性能.结果表明:①模型预测性能稳定,预测值与实测值相关系数保持在0.8~0.9之间,均方误差在15~30之间.②随着预见期的变化,模型性能不同.其中,在未来0.5~4 d的预测中,使用连续3 d的Chla浓度作为输入的预测效果较好;在未来4.5~7 d的预测中,使用连续7 d的Chla浓度作为输入的预测效果较好.研究显示,该模型可以较为准确地预测未来0.5~7 d的Chla浓度,可为构建以数据驱动的千岛湖水华监测预警系统提供科学依据.

2002—2017年千岛湖浮游植物群落结构变化及其影响因素

为认识大型水库中浮游植物群落结构的演替特征及其驱动机制,以钱塘江流域新安江水库(下称"千岛湖")为例,基于2002-2017年16年的水库浮游植物数据,结合同期千岛湖水质与水文气象资料,分析了千岛湖浮游植物结构及优势属的长期变化特征,探讨了影响浮游植物群落结构变化的主要因素.结果表明:2002-2017年千岛湖共鉴定出浮游植物7门93属,主要由硅藻门、绿藻门、蓝藻门及隐藻门种类组成.16年间,浮游植物年均丰度和群落结构经历了4个阶段:2008年前丰度持续低值且蓝藻不是主要类群,2009-2012年丰度较高且蓝藻成为主要类群,及2013-2015丰度降低且蓝藻占比降低,2016-2017年丰度增加且蓝藻再次成为主要类群.浮游植物门类变化的同时伴随着优势属的变化:浮游植物年优势属从2002-2008年的小环藻属(Cyclotella)、隐藻属(Cryptomonas)和蓝隐藻属(Chroomonas)转变为2009-2012年的颤藻属(Oscillatoria)、小球藻属(Chlorella)、小环藻属和蓝隐藻属,2013-2017年又转变为鱼腥藻属(Anabaena)、束丝藻属(Aphanizomenon)、小环藻属、针杆藻属(Synedra)、直链藻属(Melosira)、栅藻属(Scenedesmus)和蓝隐藻属.冗余分析表明,气温、风速、水位、入库流量等气象水文因子和总氮浓度、电导率、氮磷比、透明度等水质因子与浮游植物群落结构变化关系密切.研究结果表明,在千岛湖这种大型贫-中营养水库,浮游植物群落结构不仅受来水营养盐负荷的影响,还在很大程度上受水文、气象条件的影响,给水库藻类水华等生态风险的预测以及水库水质管理带来了挑战.

夏季强降雨期间千岛湖有机碳的时空分布特征及影响因素

近年来,极端降雨事件在全球发生的强度和频率不断增加,这可能对大型深水水库水体有机碳的时空分布产生深远影响.为探究强降雨事件对千岛湖有机碳的时空分布特征及影响机制,于2020年5—8月逐月采集了典型大型深水水库——千岛湖100个调查点位水样,分析了千岛湖夏季水体总有机碳(TOC)、溶解性有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)浓度的时空分布特征和影响因素,重点探讨了强降水过程对有机碳浓度、通量和储量的影响.结果表明:①2020年5—8月千岛湖TOC、DOC和POC浓度平均值分别为2.06、1.73和0.33 mg/L,随着强降雨开始,5—7月TOC、DOC浓度呈逐渐上升趋势,而雨量急剧下降的8月(几乎无雨),浓度也随之显著下降;水平分布上,5—7月有机碳浓度高值在全库的分布范围逐渐扩大,整体具有河流区到湖泊区逐渐降低趋势.②新安江入库碳通量(F_(TOC)、F_(DOC)、F_(POC))约占全库25条主要河流总入库碳通量的69%,降雨期间5—7月总入库F_(TOC)分别是8月的11、36和41倍;5—8月有机碳储量(R_(TOC)、R_(DOC)、R_(POC))平均值分别为44611、38452和6159 t,6月、7月的总入库碳通量均占当月全库水体碳储量的1/5,所占比例分别8月的35和28倍.③DOC和POC浓度与叶绿素a(Chla)、悬浮颗粒物(SS)、有机悬浮颗粒物(OSS)、无机悬浮颗粒物(ISS)、COD_(Mn)和TP浓度均呈极显著(P<0.01)正相关,与透明度(SD)呈极显著(P<0.01)负相关.研究显示:千岛湖有机碳主要受浮游植物内源生产过程以及外源输入过程共同决定,而这两个过程受水文气象因素的综合影响,强降雨过程是千岛湖有机碳时空变化的关键驱动力;强降雨也是有机碳通量升高的关键控制因子,并且高入库碳通量会对全库水体碳储量产生强烈冲击.

千岛湖渔业产业化经营对策

千岛湖原名新安江水库，１９５９年蓄水，１９６２年成立新安江开发公司，渔业生产是千岛湖的一项主要产业。为进一步提高渔业经济效益，作者在调查研究的基础上提出了四项建议：一是发挥资源优势，抓住规模效益，搞好渔政管理；二是跟踪市场需求，发展名优水产品养殖；三是开展观光渔业，扩大渔业的多功能作用；四是深化改革，探索在多种经济成份下的现代化养殖企业的发展之路。