基于PSR模型的太湖流域生态健康评价及主要影响因素

压力—状态—响应(PSR)模型能反映社会经济状况对湖泊水体生态环境带来的影响。基于PSR模型,构建包含人口密度、流域植被指数、换水周期、浮游植物多样性指数等18项指标的评价指标体系,评价太湖流域生态健康状况。选取1999年、2007年作为历史对照年份,将2011—2020年流域健康状况与对照年份进行比较,分析太湖流域生态健康状况变化。结果显示:1)所构建的指标体系状态层、压力层、响应层权重分别为0.418、0.291、0.291,对太湖流域生态健康产生较大影响的指标主要为大型水生植被覆盖度、湖泊总磷达标率、环保投资占GDP比例、湖泊综合营养状态指数(TSI)、水资源利用开发率及浮游植物多样性指数,其总贡献率为51.74%。2)1999年、2007年太湖流域生态健康评价结果为不健康,2011—2020年处于一般健康至健康状态,其中2015年、2017年生态健康评价指数降低,但总体上2011—2020年流域健康状况呈好转趋势。2011年之后太湖流域健康状况好转主要得益于近十几年中央与地方合力进行流域治理、生态修复和综合管理。2015年、2017年流域生态健康指数波动主要归因于不利的气象因素。3)大型水生植被覆盖度、湖泊总磷达标率、湖泊TSI、浮游植物多样性指数这4项指标的变化与太湖流域生态健康评价指数的变化及健康水平相关性较高,近20年来环保投资占GDP比例的提高、水资源开发利用率的优化在一定程度上减缓了这4项指标下降对太湖流域生态健康带来的不利影响。

Ecological Footprint and Endogenous Economic Growth in the Poyang Lake Area in China Based on Empirical Analysis of Panel Data Model

In this paper, ecological footprint methods were used to calculate the ecological footprint of six cities （Nanchang, Jingdezhen, Jiujiang, Xinyu, Yingtan and Fuzhou） in the Poyang Lake Area, Jiangxi, China from 1991 to 2010. Ecological footprint was the input factor for ecological resources and the contribution of this and other factors such as labor and capital to economic growth were analyzed. The results showed that, from 1991 to 2010, ecological footprints in the six cities increased year by year. The amount of land for fossil energy, under cultivation and grassland influenced total ecological footprint in each city. The contribution of ecological resources, labor factors and capital factors to economic growth showed regional differences. Nanchang, Jiujiang, Xinyu, and Yingtan are capital-orientated and capital factor had a great influence on the economic growth rates, whereas, Jingdezhen and Fuzhou were labor-orientated. The contribution of ecological resources to economic growth in the six cities was the lowest of all three factors, meaning that efficiency of ecological resource utilization is low. Total productivity plays a key role in economic development; however, the overall level of total factor productivity for the six cities was low and indicates that the technological content of Poyang Lake Area’s economic growth is low and the utilization of input factors extensive. In summary, we suggest changing the mode of economic growth and developing tertiary industry in the region.

基于生态功能定位的太湖流域水生态安全评估

太湖流域水生态安全在维持长江流域生态安全格局中发挥重要作用。为阐明不同生态功能影响下太湖流域分区水生态安全状况,将太湖流域水生态功能分区与不同区域主导生态功能定位结合,构建基于主导生态功能定位的“压力-状态-服务”(PSS)模型并开展分区评估。结果表明,太湖流域整体生态安全形势为“较安全”和“基本安全”。太湖湖体生境状态因素最差,水质净化区、水源涵养区、水环境维持区和重要生境维持区的生境压力及生境状态为主要制约因素。太湖湖体Ⅱ-08、Ⅱ-10和Ⅲ-20水生态功能分区处于“不安全”水平,入湖河流污染负荷汇入影响突出。水环境维持区和重要生境维持区均受人类活动扰动影响较大。根据湖体与入湖河道水体、底泥氮磷浓度相关性研究结果,Ⅱ-03、Ⅲ-11、Ⅲ-12水生态功能分区水质与Ⅲ-20区域氮磷浓度关系密切,与总氮、总磷相关性显著(P>0.05)的入湖河道占比分别为50%、66.7%,应兼顾氮磷输入影响。Ⅲ-13和浙江省分别有100%、71.4%的入湖河道的TP浓度与湖体TP浓度相关性显著(P>0.05),应重点把控总磷输入风险,湖体总磷外源污染输入风险更大。入湖河道底泥中氮磷浓度较高,沉积物再悬浮导致N、P等污染物向上覆水释放并随之汇入太湖,影响太湖水生态安全。应重点关注Ⅱ-03、Ⅲ-11水生态功能分区入湖河道底泥N、P治理,重点强化Ⅲ-12、Ⅲ-13入湖河道TN去除。针对太湖湖体及环湖水生态功能分区生态安全异质性胁迫因素,因地制宜开展保护修复,推动太湖流域水生态安全有效提升。

城市内湖藻源污染及生态风险控制研究

针对城市内湖富营养化频发,导致水体生态安全遭到严重危害的问题,以西安市汉城湖为例,通过水动力和富营养化模型,借助边界条件的情景模拟,分析水质恶化原因并提出水质改善方案。结果表明:参数率定后模型拟合度高于0.8,较好地模拟了湖体水质的演变规律,湖体藻类生长受外界环境和营养物质影响,且无机磷对其生长起到重要作用;对水质改善措施效果较好的分别为净化补水水质、加大补水量、增加大型植物种植和浮游动物对藻类的捕获。结合实际情况,可通过调节补水水量、采取引水渠道的生态净化措施和生物操纵组合方案,保障汉城湖水质目标。当补水量不充足时,可将其水力停留时间控制在35 d为最优。

太湖藻类生长模型研究

本文提出了一个改进的藻类生长模型及其新颖的计算机模拟算法 .该模型不但考虑了水温、总氮、总磷、浮游动物和辐射等因素对藻类生长率的影响 ,而且根据水温、总磷和藻类浓度等因素对藻类死亡率进行了修正 ,从而能更加精确地描述藻类生长的过程 .在藻类生长模型计算机模拟中 ,稳定性和计算精度是至关重要的 ,因此 ,本文建立了具有绝对稳定性和二阶精度的数值算法求解藻类生长模型中的偏微分方程组 .此外 ,为了进一步验证该藻类生长模型的性能 ,本文采用了 1998年度太湖中有关采样点总氮、总磷、水温及日辐射量等的实测值进行模拟 .由于实测值为每个月中某一天的测量值 ,为了模拟过程能正确进行 ,本文采用样条插值的方法估计出每一天的总氮、水温及辐射量等数值 .由于在藻类生长模型中 ,藻类与总磷有直接的耦合 ,不能简单地用插值等方法 .本文提出了一种广义拟合的方法 ,使得总磷既符合藻类生长模型要求的变化规律 ,又较好地逼近实测值 .计算机模拟结果与测量数值基本符合 ,而在有明显差异的地方 ,文中作出了相应的解释 .结果表明 ,本文提出的藻类生长模型及其算法是有效的 。

太湖富营养化控制机理模拟

建立了一个将三维风生湖流模型,水质模型和富营养化模型耦合的数学模型,该模型不仅可以对太湖的风生湖流,总磷、总氮、COD等水质要素进行模拟,还可以模拟藻类在太湖中的生长和消亡情况以及其随风生湖流迁移的规律;在模型中,还考虑了水温、总氮、总磷和太阳辐射等环境生态因子对藻类生长率的影响,并且将模拟结果与1998年太湖的实测资料进行了对比,结果表明:该模型对风生湖流、总磷、总氮的模拟都是切合实际的,以叶绿素a浓度描述的藻类浓度的模拟值也能较好的拟合实测值。

太湖主体湖区对梅梁湾藻类影响定量化研究

针对太湖梅梁湾独特的地理位置和富营养化严重的问题,利用太湖水量水质模型和梅梁湾藻类生长模型,在对模型进行了率定、验证的基础下,模拟了在东南风和西北风两种常见风向的条件下,太湖主体湖区对梅梁湾内营养盐浓度和藻类浓度的影响情况,并将其影响定量化。本次模拟较好地反映了太湖主体湖区在两种常见风场的条件下对梅梁湾内水质影响情况。模拟得到以下结果:在不考虑风场和流场的情况下,梅梁湾内部2001年8月藻类平均浓度为43.18mg/m3,总氮浓度为2.48mg/L,总磷浓度为0.248mg/L,只考虑东南风引起流场的情况下,藻类浓度为41.92mg/m3,总氮浓度为2.07mg/L,总磷浓度为0.231mg/L;考虑东南风风场和流场两个因素的情况下,藻类浓度为53.86mg/m3,总氮浓度为2.06mg/L,总磷浓度为0.229mg/L;同期,只考虑西北风风场的情况下,藻类浓度为42.55mg/m3,总氮浓度为2.19mg/L,总磷浓度为0.232mg/L;考虑西北风风场和流场两个因素的情况下,藻类浓度为50.71mg/m3,总氮浓度为2.17mg/L,总磷浓度为0.233mg/L。结果表明,梅梁湾内部的氮、磷等营养盐浓度受到由太湖主体湖区的风场变化引起的湖流扰动的一定影响;太湖主体湖区对梅梁湾内部藻类浓度的影响主要是由藻类漂移引起的,由营养盐浓度改变而引起的藻类浓度变化非常小。

太湖生态补偿方法及机制研究

针对太湖流域自然特征和社会经济条件,在分析太湖生态补偿驱动因素的基础上,提出了太湖生态补偿范围和内容,分析了太湖开发利用与生态保护的损益关系,以生态补偿基金为媒介简化了太湖生态补偿关系,基于共建共享理念构建了太湖生态补偿测算模型,依据现有太湖管理模式提出了太湖生态补偿模式、机制及政策的建议。

镜泊湖藻类生长和湖泊富营养化预测初探

作者在分析了影响镜泊湖藻类生长的主要因素的基础上，建立了镜泊湖藻类生长模型，利用实验数据和有关资料对镜泊湖藻类生长和湖泊富营养化趋势迸行了预测。作者认为：在镜泊湖藻类的生长季节（５—１０月），Ｎ浓度始终不是主要限制因子；在藻类生长旺盛的７、８两月，Ｐ浓度成为主要限制因子；在５、６、９、１０四个月中，Ｐ浓度和温度均可能成为主要限制因子，但随着Ｐ浓度的提高，温度成为主要限制因子，客观上河湖泊富营养化的发展起着遏制作用。通过检验，本文模型的输出能反映镜泊湖藻类生物量随时间变化的一般规律。

基于遥感技术的太湖放养凤眼莲的生长模型

根据从卫星遥感影像或全球定位系统获得的凤眼莲面积变化数据,对在开放水域中大面积放养凤眼莲面积变化的研究,建立了放养凤眼莲生长的Logistic动力学模型来估算凤眼莲面积。在太湖竺山湾凤眼莲放养试验表明:从2009年8月4日到10月15日,凤眼莲面积从54 250.34 m2增加到135 525.66 m2,建立的估计凤眼莲面积的Logistic模型的环境容量k s为2 697 210.03,面积增长率rs为0.012 4,对试验数据的拟合优度检验R 2为0.975 3,F检验为78.93,均方根误差RMSE为2 705.55,表明该模型准确模拟了凤眼莲生长的动力学特征。

植物生长与营养物转化耦合模型研究

植物生长对流域营养物质迁移转化有重要影响。在分析营养物与水循环机制以及生物生长过程与环境变化过程互动耦合的基础上,根据植物生长动力学模型和土壤氮、磷、碳等营养物转化模型理论,建立了植物生长与土壤营养物质迁移转化耦合模型。利用所建立的模型,模拟了太湖滆湖水系内生物量和营养物(污染物)迁移转化的动态变化过程,并与实测结果进行了比较。结果表明,模型具有较高精度,可为流域面源污染物负荷的预测提供参考。

太湖流域典型土地利用类型生态耗水分量的比较研究

[目的]对太湖流域典型土地利用类型的生态耗水分量进行比较研究,为优化土地利用结构、提高流域生态系统水量调节能力提供理论基础。[方法]应用田块尺度土壤—水—大气—植物模型(SWAP),在太湖流域水汽通量监测试验基础上对林地、茶园和耕地的生态耗水进行数值模拟。[结果](1)林地蒸腾量占据耗水量的87.80%,在林地生态系统调节水量过程中起着重要作用,生态耗水呈以8月为峰值的单峰曲线;(2)茶园茶株蒸腾和株间蒸发占据耗水的94.86%,两者比值大约为3∶1,茶株的人工修剪对各分量的年内变化有影响;(3)耕地作物蒸腾和棵间蒸发占据了耗水量的94.73%,两者比值约2∶1,并呈现麦季(1—5月)和稻季(6—11月)2个时段特征;(4)流域竹林枯枝落叶层厚,树林冠层厚实,园地茶株由于修剪后枝叶还未恢复,耕地小麦和水稻作物有生长初始阶段,所以林地相比园地和耕地土壤蒸发偏低。[结论]3种不同土地利用类型的植被在不同生长阶段的叶面积指数、人工修剪作用对耗水量年内变化可能也会产生一定的影响。

格网分辨率对太湖生态动力学模型模拟结果的影响

以2009年4月太湖生态学实验数据为基础,研究了15、20、25、30m格网分辨率下NPZD生态动力学模型模拟结果的差异性。结果表明,格网分辨率和平均浓度及浓度均方根之间存在较复杂的关系,难以用统计方法加以描述。总体而言,格网分辨率的不同,生态动力学模型计算得到的磷浓度、悬浮泥沙浓度和叶绿素a浓度的平均值、均方根和空间布局也将不同。在实际应用中,应该选择适宜的格网分辨率进行生态学参数模拟,进而实现对太湖水体状况的正确模拟与预测。

基于系统水平的湖泊流域生态风险评估

为实现流域范围内的生态环境管理和生态风险控制,在生态风险评估框架基础上,基于相对风险模型构建了系统水平的湖泊流域生态风险评估模型.模型分析了社会经济系统与生态系统的耦合方式,将生态系统整体作为风险受体、生态系统服务作为评估终点,通过风险组分及其关系的分析量化实现了区域相对生态风险水平的表征,并以太湖流域上游区域为例进行了试算.结果表明：研究区内无锡-江阴区域（沿江水系）生态风险最高,溧阳-宜兴、常州-金坛、湖州-德清和长兴-安吉区域风险值分别为无锡-江阴区域的73.2%、78.8%、74.4%和59.9%;长兴-安吉区域（西苕溪水系）生态风险最低.不同区域风险主要来源不同,湖州-德清区域主要受水利设施影响,长兴-安吉区域各风险源贡献率较为均衡,其他区域主要风险源为工业、种植业和水产养殖业,其风险贡献率分别为13%~18%、12%~19%和8%~15%;研究区域内,水产品、水质净化等生态系统服务的产出受到较大影响.

太湖流域生态安全格局构建与调控——基于空间形态学-最小累积阻力模型

构建生态安全网络是在快速城镇化和生态环境恶化的背景下保护生物多样性的重要举措。以典型跨界的太湖流域为地理研究单元,使用多源空间数据,采用空间形态学方法(Morphological spatial pattern analysis,MSPA)和最小累积阻力模型(Minimal cumulative resistance,MCR)以及地理学统计方法建立“生态源地-活动廊道-保护网络-阻力特征-分区调控”的生态安全模式。研究结果显示:(1)太湖流域20个具有保护生物多样性功能的生态源地主要分布在浙西区和湖西区,包括大型湖体和丘陵森林等;(2)流域内重要性廊道贯穿太湖连接大型湖体和森林,一般性廊道集中分布在浙西-湖西区,将生态源地两两相连;(3)根据节点-廊道-源地网络分布,参考生态阻力和生境质量的空间性特征,构建流域“四区一带”生态安全格局并提出分区管控措施,为经济发展快速但生境脆弱的太湖流域生态体系建设与生物多样性保护提供参考。

湖泊藻类动态模型数据同化模式的改进

以太湖为研究区域,采用2014—2016年的水环境生态监测数据,率定了三维水生态动力学模型(3DHED),模拟了太湖蓝藻生物量的时空变化;通过融入遥感数据建立了基于集合卡尔曼滤波(EnKF)的蓝藻生物量预测数据同化(DA)模式,同时提出了一种改进数据同化(mDA)的策略,降低了遥感数据不确定性的影响,显著提升了模型模拟精度。结果表明:相比3DHED蓝藻生物量的模拟结果,DA模拟结果的均方根误差均值降低了10.4%,IOA均值增加了48.8%;mDA在DA基础上对蓝藻生物量的模拟精度进一步提升,其均方根误差均值为1.16 mg/L,在DA基础上降低了8.6%,IOA均值为0.71,在DA基础上增加了10.9%,并有效提升了对蓝藻生物量峰值的捕捉能力,表明提出的mDA方法能有效减小原DA模式中遥感观测数据误差的影响,提升水华模拟精度。

关于完善太湖流域生态补偿模式的思考

流域生态补偿模式是水资源有偿使用制度的重要内容之一,也是生态补偿机制中的一部分。当前太湖流域生态补偿模式主要问题是:补偿责任不明确,补偿标准不合理,融资渠道单一。完善太湖流域生态补偿模式的关键是:明确流域生态补偿的主体和对象,确定科学合理的补偿标准,开拓多渠道的补偿途径。

太湖流域平原水网城市生态补水措施研究

太湖流域独特的平原河网特性决定了其水环境治理和水生态保护的复杂性,为探究生态补水对平原水网中心城区河道流速和水质改善效果,以苏州市古城区为例,基于MIKE模型构建生态补水模型,并模拟3种不同生态补水方案对研究片区水动力和水质的改善程度。结果表明:通过新增补水水源、提升补水水量、增设生态堰坝等生态措施,可优化中心城区多源补水格局,完善补水体系,提升活水保证率,古城区重点河道断面水质均得到有效改善,且大部分提升至Ⅲ类及以上水平,可为改善平原水网中心城区河道水动力创造有利条件。

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.

基于生态系统服务的生态足迹模型构建与应用

生态足迹(EF)自提出以来得到了世界各国学者的广泛关注。然而,核算内容的不完整导致其无法全面衡量人类活动对生态系统造成的各种影响。本文完善了基于生态系统服务的生态足迹(ESEF)概念与通用模型,并拓展出基于资源供给和废弃物吸纳两大类服务的足迹模型。案例研究则利用基于废弃物吸纳的足迹模型,对太湖流域上游常州市和湖州市水污染物排放的环境影响进行评估。研究表明,就水污染物吸纳而言,当地水环境处于不可持续状态;氮磷营养盐的累积对当地水环境造成的压力远远大于有机物。这些信息能够为当地水环境管理政策的制定提供参考。ESEF概念的提出与模型的建立,有助于实现足迹方法对人类活动影响的全面衡量,并推动足迹理论的进一步发展与完善。