CN102628857A

CN102628857A - 一种划分草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法

Info

Publication number: CN102628857A
Application number: CN2012100757421A
Authority: CN
Inventors: 孟睿; 何连生; 席北斗; 刁晓军; 袁东海; 孟繁丽; 刘增超; 宋博宇
Original assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2012-08-08

Abstract

一种划分草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法，主要采用时间序列法和比较湖沼学方法分别确定同一草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法，并将时间序列法和比较湖沼学两种方法确定的营养盐阈值进行比较分析，最终确定该湖泊不同稳态状态下营养盐阈值。本发明可以针对草型湖泊自身的特点，利用有效的现场调查数据，确定草型清水稳态和藻型浊水稳态分别对应的限制性营养盐因子的浓度值，进而为湖泊的生态修复技术提供一定的理论基础。

Description

一种划分草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法

技术领域

本发明属于环保领域水生态系统分类范畴，具体涉及一种划分草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法。

技术背景

湖泊是指陆地上洼地积水形成的水域宽阔、水量交换相对缓慢的水体。根据研究目的的不同，存在多种湖泊类型划分方法。例如，从湖泊水深来划分，湖泊可以分为浅水湖泊和深水湖泊；从稳态转换角度划分：湖泊可以分为清水稳态和浊水稳态；从营养物响应来看，湖泊主要分为草型湖泊和藻型湖泊两类，草藻混合型应视为过渡型。

生态系统时常具有一系列的波动趋势，即其可以被突发性的变化打断从而转变为另一种状态。水体生态系统稳态转换，就是非生物组分、生物组分，系统功能等保持相对稳定或在一定范围周期性波动，不发生本质的不可逆变化。

稳态转换取决于不同的机制，诸如系统的动力影响，某些重要外在因子的逐级变化。然而在系统状态转变过程中，在一些重要的营养盐临界值周围常发生敏感反应。对这一现象的解释可以归结于：系统在一系列状态范围内，主要限制性因子的作用。在这些生态系统中，如果湖水足够的清澈，沉水植物就会丰富；同时，大型水生植物的存在也会影响一些可以提高水体透明度的反应。确定稳态转换营养盐阈值的方法主要有四种：时间序列法、比较湖沼学方法、实验湖沼学方法和模型研究。

一些学者通过大量的研究，利用沉水植物/浮游藻类干重的比值定义草型湖泊和藻型湖泊。

由于湖泊所具有的状态对人类提供的生态服务价值差异很大，草型清水状态湖泊比浊水状态能提供更多服务功能和经济价值。所以，对浅水湖泊稳态结构的研究更具有现实的经济意义和生态保护功能的统一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种划分草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法。采用本发明提供的方法，可以针对草型湖泊自身的特点，利用有效的现场调查数据，确定草型清水稳态和藻型浊水稳态分别对应的限制性营养盐因子的浓度值，进而为湖泊的生态修复技术提供一定的理论基础。

为实现上述目的，本发明提供的划分草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法，主要采用时间序列法和比较湖沼学分别确定同一草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法，并将时间序列法和比较湖沼学两种方法确定的营养盐阈值进行比较分析，最终确定该湖泊不同稳态状态下营养盐阈值。

所述的方法，其中，营养盐中的限制性营养盐因子为总氮、总磷、叶绿素a、COD_Mn及溶解氧。

所述的方法，其中，比较湖沼学进行判定草型湖泊的稳定状态是：

沉水植物与浮游藻类干重的比值r＞＝90～100时，定义为沉水植物占主体的草型清水稳态；

沉水植物与浮游藻类干重的比值r＜＝1～10时，定义为浮游藻类占主体的藻型浊水稳态；

沉水植物与浮游藻类干重的比值r介于上述两个比值之间时，定义为中间过渡类型的湖泊状态。

所述的方法，其中，时间序列法通过同一湖泊差异性显著的不同区域的历史数据，以表征浮游植物生物量的叶绿素a作为标准从小到大对时间状态进行排序，其余各营养盐样点依据叶绿素a的排序序列进行相应的变化；以时间为横坐标，营养盐浓度为纵坐标制定各营养盐曲线图，从曲线图上的拐点确定草型清水稳态和藻型浊水稳态下的不同营养盐限制性因子的阈值。

所述的方法，其中，营养盐曲线图上若没有明显的跃迁，可结合现场调研实际情况和查阅其他文献的方法，最终确定该区域是草型清水稳态还是藻型浊水稳态，并选择合适的拐点作为营养盐阈值。

所述的方法，其中，不同区域的历史数据需要至少10年以上。

本发明的特点是：

1)主要针对草型湖泊的特点，利用比较湖沼学方法和时间序列法，从空间差异和时间差异的角度进行分析确定主要限制性营养盐的阈值。

2)利用表征浮游植物生物量的叶绿素a作为标准进行从小到大对样点状态排序，从排序曲线图上的拐点可以确定草型清水稳态和藻型浊水稳态下的不同营养盐限制性因子的阈值。

附图说明

图1是本发明实施例1中的2009年6月水生态系统参数跃迁分析图。图a是按照叶绿素a浓度由低到高的顺序将采样进行重新排序，图b是以这个采样点的顺序为横坐标，每个点相对应的营养盐浓度为纵坐标作图，进而得出营养盐浓度的阈值。

图2是本发明实施例2中的南刘庄水质参数年际变化图。根据年份为横坐标，营养盐浓度的均值为纵坐标作图，进而得出营养盐浓度的阈值；

其中，图a为溶解氧年际变化图、图b为COD_Mn年际变化图，图c为总氮年际变化图、图d为总磷浓度年际变化图。

具体实施方式

本发明主要采用时间序列法和比较湖沼学两种方法来确定草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法。最后，结合被研究湖泊的实际情况，将两种方法确定的营养盐阈值进行比较分析，最终确定该湖泊不同稳态状态下营养盐阈值。这样，可以从时间差异和空间差异两种角度分析确定被研究湖泊的不同稳态状态下营养盐阈值。根据草型湖泊自身的特点，本专利提出，该类型湖泊主要营养盐限制性因子为总氮、总磷、叶绿素a、COD_Mn及溶解氧。

(1)比较湖沼学方法：比较湖沼学就是利用同一地域在同一时间内不同的湖泊可能处于不同的状态，来代替同一湖泊区域在不同时间段呈现不同状态的方法。比较湖沼学方法第一步就是要判定湖泊的稳定状态，本专利提出，对于草型湖泊来说，当沉水植物与浮游藻类干重的比值r＞＝90～100的定义为沉水植物占主体的草型清水稳态，比值r＜＝1～10的定义为浮游藻类占主体的藻型浊水稳态，其余的则定义为中间过渡类型的湖泊状态。

本发明提出，当确定一个草型湖泊营养盐阈值的时候，可以选取具有空间差异性的不同区域代替不同状态的湖泊，再利用同一时间不同区域的调查数据，以表征浮游植物生物量的叶绿素a作为标准进行从小到大对样点状态排序，其余各营养盐样点依据叶绿素a的排序序列进行相应的变化，然后以样点为横坐标，营养盐浓度为纵坐标做出各营养盐曲线图。从排序曲线图上的拐点可以确定草型清水稳态和藻型浊水稳态下的不同营养盐限制性因子的阈值。曲线图上若没有明显的跃迁，可结合现场调研实际情况和查阅其他文献的方法，最终确定该区域是草型清水稳态还是藻型浊水稳态，并选择合适的拐点作为营养盐阈值。调查数据至少包括水生植物生长旺盛的3个月的数据。

(2)时间序列法：时间序列法就是通过研究一些差异性显著的不同区域的长时间监测的水质变化趋势，力图找出湖泊水生生态稳态结构变化跃迁点的方法。与比较湖沼学方法类似，通过同一湖泊差异性显著的不同区域的历史数据，利用表征浮游植物生物量的叶绿素a作为标准进行从小到大对时间状态排序，其余各营养盐样点依据叶绿素a的排序序列进行相应的变化，然后以时间为横坐标，营养盐浓度为纵坐标做出各营养盐曲线图。从排序曲线图上的拐点可以确定草型清水稳态和藻型浊水稳态下的不同营养盐限制性因子的阈值。曲线图上若没有明显的跃迁，可结合现场调研实际情况和查阅其他文献的方法，最终确定该区域是草型清水稳态还是藻型浊水稳态，并选择合适的拐点作为营养盐阈值。不同区域需要至少10年以上的历史数据。

最后，结合被研究湖泊的实际情况，将两种方法确定的营养盐阈值进行比较分析，最终确定该湖泊不同稳态状态下营养盐阈值。

以下结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

利用北方典型草型湖泊-白洋淀，作为实例进行不同稳态状态下营养盐阈值的确定。

请参阅图1，是本发明于2009年6月水生态系统参数跃迁分析图。

1)比较湖沼学方法

选择2009年6月和2010年7、9月的3次夏季的数据来代替不同状态的湖泊。

a)稳态判断

在白洋淀湖泊区域，当沉水植物与浮游藻类干重的比值r＞＝100的定义为沉水植物占主体的草型清水稳态，比值r＜＝10的定义为浮游藻类占主体的藻型浊水稳态，其余的则定义为中间过渡类型的湖泊状态，对白洋淀进行稳态判定：叶绿素a＜20ug/L为草型清水稳态，叶绿素a＞100ug/L为藻型浊水稳态，其余的则定义为中间过渡类型的湖泊状态。

b)稳态营养盐阈值的确定

根据2009年6月份不同样点叶绿素a的浓度大小进行排序后，这些样点便相当于同一湖泊在不同时间点的状态。从而得到稳态营养盐临界阈值其中：

草型清水区：叶绿素a＜20ug/L，总磷＜0.06mg/L；

藻型浊水区：叶绿素a＞60ug/L，总磷＞0.36mg/L；

介于二者之间的样点区域为过度区。

以此类推，结合2010年7、9月数据，利用比较湖沼学方法最终确定的：草型清水区阈值：叶绿素a＜20ug/L，总氮＜0.76mg/L，总磷＜0.036mg/L；藻型浊水区阈值：叶绿素a＞100ug/L，总氮＞6mg/L，总磷＞0.4mg/L。

2)时间序列法

利用白洋淀3个典型区域：南刘庄、枣林庄和烧车淀为研究对象，各个区域在20年时间尺度上的监测数据来确定不同稳态状态下营养盐阈值。

以南刘庄为例(图2所示是南刘庄水质参数年际变化图)。

总氮、总磷从198～2009年间没有发生明显的跃迁显现，溶解氧在2006年前后发生了一定的跃迁显现，COD_Mn在1998年发生了明显的上升，在2007年有降低趋势。南刘庄藻型浊水稳态阈值为：总氮＞17mg/L，总磷＞0.9mg/L，COD_Mn＞18mg/L，溶解氧＜4mg/L。

以此类推，结合枣林庄和烧车淀20年监测数据得出：

白洋淀草型清水区阈值：总磷＜0.05mg/L，总氮＜1.1mg/L，COD_Mn＜6mg/L，溶解氧＞9mg/L；

藻型浊水区阈值：总磷＞0.9mg/L，总氮＞17mg/L，COD_Mn＞18mg/L，溶解氧＜4mg/L。

综合其他研究者的成果，提出了白洋淀草型清水稳态及藻型浊水稳态维持的阈值：

清水稳态阈值：叶绿素a＜20ug/L，总氮＜0.76mg/L，总磷＜0.036mg/L，COD_Mn＜6mg/L，溶解氧＞9mg/L；

浊水稳态阈值：叶绿素a＞100ug/L，总氮＞17mg/L，总磷＞0.9mg/L，COD_Mn＞18mg/L，溶解氧＜4mg/L；介于两者之间的为过渡态。

Claims

1.一种划分草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法，主要采用时间序列法和比较湖沼学方法分别确定同一草型湖泊不同稳态状态下营养盐阈值的方法，并将时间序列法和比较湖沼学两种方法确定的营养盐阈值进行比较分析，最终确定该湖泊不同稳态状态下营养盐阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，营养盐中的限制性因子为总氮、总磷、叶绿素a、COD_Mn及溶解氧。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，比较湖沼学进行判定草型湖泊的稳定状态是：

4.根据权利要求1所述的方法，其中，时间序列法通过同一湖泊差异性显著的不同区域的历史数据，以表征浮游植物生物量的叶绿素a作为标准从小到大对时间状态进行排序，其余各营养盐样点依据叶绿素a的排序序列进行相应的变化；以时间为横坐标，营养盐浓度为纵坐标制定各营养盐曲线图，从曲线图上的拐点确定草型清水稳态和藻型浊水稳态下的不同营养盐限制性因子的阈值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，营养盐曲线图上若没有明显的跃迁，可结合现场调研实际情况和查阅其他文献的方法，最终确定该区域是草型清水稳态还是藻型浊水稳态，并选择合适的拐点作为营养盐阈值。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，不同区域的历史数据需要至少10年以上。