华东师范大学学报（自然科学版）

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基于机器学习的卫星遥感水质富营养化评价——以合肥市环城河为例

张勇, 王慧, 朱传华, 周浩, 詹宇, 李灿, 肖逸凡, 杨丽丽, 刘佳奇

2024 (1): 1-8, 112. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.001

摘要 ( 131 )

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PDF(1874KB) ( 89 )

以合肥市环城河为研究对象, 使用线性回归、随机森林、支持向量回归和套索回归等机器学习模型挖掘Landsat8卫星数据和水质参数之间的关系, 对遥感影像值的反射率和水质参数进行建模, 并比较了4种不同模型的表现. 结果显示, 随机森林模型的表现最好, 对TN、TP、NH₃-N反演模型的精度都能达到0.7以上; 反演的水质参数浓度分布图表明TN、TP在环城河东北段的污染最严重, 而NH₃-N则在西南段的污染最严重; 从水体富营养化分布图可以看出, 环城河东段水体呈现中度营养状态.

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缓释氧材料在河湖水体污染修复中的应用研究进展

曹洋, 顾敦罡, 李光辉, 黄民生, 何文辉

2024 (1): 9-16. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.002

摘要 ( 103 )

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PDF(623KB) ( 114 )

投加增氧剂作为一种提升水体溶解氧的重要手段常用于城市水环境的治理与修复, 研发具有缓释效果的增氧材料可使增氧剂在实际工程中更持久、更稳定地发挥作用. 本文梳理了近年来缓释氧材料的制备方法和释氧性能, 综述了投加缓释氧材料对河湖沉积物和上覆水中营养盐等污染物赋存形态与迁移转化的影响及作用机制, 最后对缓释氧材料在河湖水体污染修复中的应用研究提出了展望和建议.

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太湖沿岸浅水湖泊生态修复过程中生态系统健康评价

张勇, 李灿, 张华林, 詹宇, 王慧, 肖逸凡, 杨丽丽, 刘佳奇, 蒯正龙

2024 (1): 17-28. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.003

摘要 ( 61 )

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PDF(3506KB) ( 61 )

为评估生态修复过程中太湖沿岸浅水湖泊的生态系统健康状况, 于2022年对金墅港圩地水体进行了调查. 构建了水生态健康综合评估指标体系, 由目标层、准则层、指标层构成. 其中, 准则层由功能性、完整性、稳定性3项组成, 指标层由综合水质、营养状态等14个大项参数和pH值、温度、溶解氧等28个小项参数构成, 采用层次分析法分别确定了准则层和指标层的权重系数, 再使用比值法统一量纲. 结果表明, 在生态修复过程中, 功能评价指数在秋季达到最高, 完整性评价指数在秋、冬两季优于春、夏两季, 稳定性评价指数在夏季最高, 有70%的点位处于“健康”水平, 水生态健康综合评价指数持续上升. 说明生态修复工程有效地促进了水生态系统的重建与恢复, 这不仅对后续的修复和管理有重要意义, 而且能为其他湖泊的水生态修复和评价提供借鉴.

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水解酸化+A2/O+AO+芬顿氧化工艺处理工业园区污水

黄炎杰, 郑国益, 俞华勇, 朱晗彬, 俞阜东, 王晶, 孙许超, 尹继光, 安磊, 林媛媛

2024 (1): 29-35. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.004

摘要 ( 111 )

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PDF(880KB) ( 48 )

针对工业园区的污水排放企业种类较多、进水水量水质波动较大、污染物复杂且可生化性差、排放标准高的特征, 以浙江省德清县某工业园区实际污水处理工程为对象, 分析了水解酸化+A2/O+AO+芬顿氧化工艺处理以印染、食品制造、金属加工企业为主的废水排放的技术经济可行性. 实践结果显示, 出水水质的COD、NH₃-N、TN及TP能稳定达到《城镇污水处理厂主要染物排放标准》 (DB33/2169—2018) 中的限值, 其余指标达到《城镇污水处理厂染物排放标准》 (GB18918—2002) 的一级A标准; 工程投资金额为8200元/m³, 实际直接运行成本为2.39元/m³.

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无人机高光谱影像水面耀光去除及信息重构方法研究

王世瑞, 沈芳, 李仁虎, 李鹏

2024 (1): 36-49. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.005

摘要 ( 76 )

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PDF(3062KB) ( 58 )

抑制遥感影像水面耀光污染并重构影像信息, 是改善无人机遥感信息质量、扩大水环境监测区域的有效途径. 针对传统经典的耀光信息重构算法难以适用于无人机高光谱影像这一问题, 提出了一种耀光自动检测去除与信息重构算法, 即采用归一化水体指数提取水体, 以全波段总和灰度图像的最低值为阈值对耀光进行分割, 利用拉普拉斯算子提取水面耀光纹理, 通过多轮形态学膨胀与阈值更新迭代计算出两者面积差值, 以投票机制获得最小差值的出现频率, 并逆向获取最佳阈值自动去除耀光. 而后, 基于主成分分析确定匹配波段, 通过改进Criminisi算法对去除区域进行重构. 去除算法应用于四个真实耀光场景, 去除率均在99%以上. 重构算法结果在主观和客观上均优于其他算法, 耀光重构水体与正常水体各波段变异系数差值在1%以内, 具有良好的光谱应用能力.

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人工湿地技术对水源地雨水径流污染阻控的应用研究

刘婷, 朱雯淅, 曹承进, 王迪芳, 都皓辰, 李梦茁, 黄民生, 何岩, 张亚婷, 李心童

2024 (1): 50-57, 156. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.006

摘要 ( 48 )

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PDF(1697KB) ( 42 )

设置了不同基质 (砾石、加气混凝土) 及是否种植美人蕉的不同人工湿地结构, 通过小试实验对比各个工况对雨水径流污染的阻控效果. 研究发现, 加气混凝土与种植美人蕉的人工湿地组合成本略高 (4.20元/工况), 较其余工况高出1.00 ~ 2.90元/工况, 但在运行的两个周期 (交替运行30 h, 落干48 h) 内, 对${\rm{NH}}_4^+$-N、${\rm{NO}}_3^- $-N、TN、${\rm{PO}}_4^{3-} $、TP和COD_Cr的平均去除率分别为73.3%、47.0%、85.4%、56.4%、76.0%和65.5%, 平均高出其余工况10.9% ~ 18.8%, 效果最优, 性价比最高, 适于推广应用.

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基于多功能耦合的潮汐流稻田湿地生态净化系统研究

邹宏硕, 傅敏, 肖梦蝶, 盛世雯, 徐平, 陈雪初

2024 (1): 58-67. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.007

摘要 ( 47 )

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PDF(1215KB) ( 34 )

构建了基于多功能耦合的潮汐流稻田湿地生态净化系统, 处理罗氏沼虾陆基养殖尾水, 研究水质净化效果、CH₄排放情况、稻田节肢动物多样性和水稻生长状况, 并探讨潮汐流稻田湿地系统的综合效益. 结果表明: 潮汐流稻田湿地能够有效地净化陆基水产养殖尾水, 对溶解性无机氮和总氮的平均去除率分别为54.3%和44.9%, 对溶解性无机磷和总磷的平均去除率分别为42.9%和43.0%; 潮汐流稻田湿地的CO₂和CH₄排放通量与常规稻田相比分别减少了5.4%和92.5%; 与处于淹水期的常规稻田相比, 潮汐流稻田湿地的产甲烷功能基因mcrA基因丰度减少了82.3%; 潮汐流稻田湿地提高了节肢动物多样性及其天敌的种类数以及天敌多度/害虫多度, 抑制了害虫爆发, 具有较好的综合效益.

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基于能值的海岸带生态修复成效评估——以鹦鹉洲湿地为例

丁睿, 陈雪初, 由文辉, 屠佳雨

2024 (1): 68-78. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.008

摘要 ( 53 )

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PDF(956KB) ( 45 )

鹦鹉洲湿地自建成以来已开展了连续5年以上的实地调查和监测, 结合长期监测数据构建科学系统的修复成效评价体系对海岸带生态修复工程的评估具有重要的参考价值. 采用能值分析方法, 通过实地调研、科学监测和查阅文献, 搜集所需相关数据, 构建了湿地生态系统能量分析结构图和能值指标体系, 对自然资产、生态服务等主要能值指标进行了分析, 并比较了不同修复时期湿地的功能表现. 研究结果表明: 2021年, 鹦鹉洲湿地自然资产总能值为8.92×10¹⁶ sej, 相当于能值–货币价值22.47万元, 湿地生态服务总能值为8.88×10¹⁷ sej·a^–1; 实施生态修复后, 鹦鹉洲生态质量明显改善, 其自然资产和生态服务能值分别是修复前的5.01倍和5.73倍; 鹦鹉洲湿地生态系统的能值自给率(emergy self-support ratio, ESR)为0.47, 能值产出率(emergy yield ratio, EYR)和能值可持续指数(emergy sustainable index, ESI)分别为28.29和25.03, 表明湿地产出效率高且可持续发展空间较大. 研究显示: 基于长期监测数据, 采用能值分析方法可较好地反映海岸带生态修复工程成效, 所构建的评估体系及方法可为类似海岸带修复工程提供参考.

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水体微塑料的垂向分布及采样方法比较研究——以九龙江河口为例

蒋春华, 易津旭, 朱礼鑫, 刘凯, 宗常兴, 李道季

2024 (1): 79-89. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.009

摘要 ( 95 )

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PDF(1342KB) ( 83 )

由于受到潮汐过程的影响, 河口区微塑料的调查和研究存在着方法不统一、数据误差较大的问题. 2019年夏季使用泵采法在九龙江河口开展原位全水层微塑料采样, 对不同水层、不同站位间的微塑料丰度及其赋存特征进行分析, 并与其他在该河口的相关调查研究结果进行对比. 结果表明: 九龙江河口表、中、底层水体中的微塑料赋存量存在明显差异, 河流入海口及靠近污染源处表层水中微塑料丰度明显高于中、底层中, 在潮汐作用剧烈的河口区, 中、底层中微塑料丰度高于表层水中, 存在明显分层现象; 使用不同采样方法获取的微塑料数量浓度值存在较大差异, 泵采法相比拖网法能更有效地截留塑料纤维; 使用泵采法过滤水样体积、滤经筛网孔径大小都对收集到的微塑料丰度、尺寸有显著影响. 采样方法的不同将导致微塑料丰度结果的显著差异, 在潮汐河口进行微塑料监测有必要将潮汐作用考虑在内. 因此, 建议建立潮汐河口的微塑料业务化监测和通量观测, 并采用洪、枯季, 大、小潮的全潮时段的观测采样方法.

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长江流域梯级水库夏末秋初蓄水对河口盐水入侵和淡水资源的影响

金智, 朱建荣, 仇威

2024 (1): 90-103. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2014.01.010

摘要 ( 61 )

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PDF(6592KB) ( 48 )

流域大型梯级水库群, 夏末秋初蓄水, 来年枯季放水, 季节性改变了入海径流量, 会影响河口盐水入侵和淡水资源利用. 收集了长江流域大型梯级水库有效库容和南水北调工程跨流域调水的量值, 利用改进的河口海岸三维数值模式ECOM-si, 模拟和分析了长江流域重大工程对河口盐水入侵和淡水资源的影响. 截至2020年和2035年, 长江流域中上游已建和将建大型水库有效库容分别为706.11和943.88亿m³, 蓄水期9、10月间平均径流量分别减少13398和17909 m³/s. 基于大通实测水文站1950—2020年实测月平均径流量, 考虑截至2020年和2035年流域重大工程对径流量的调节, 给出了平均水文年和特枯水文年8—10月的月平均径流量. 数值模拟结果表明, 截至2020年和2035年流域梯级水库9—10月蓄水, 径流量下降, 导致盐水入侵加剧. 在平均水文年, 南支水源地4个水库9—10月所有时间均能取到淡水. 在特枯水文年, 9—10月东风西沙、太仓、陈行和青草沙水库取水口连续不宜取水天数截至2020年分别为28.75、24.99、29.63和37.47 d, 到2035年分别为46.53、44.18、47.56和50.75 d. 夏末秋初特枯和平均水文年情况下流域水库蓄水期间遇到强北风作用, 均会显著影响长江口水源地取水. 对于特枯水文年, 流域水库群应减少蓄水量, 甚至应该放水, 以保障长江口淡水资源的安全.

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长江河口水体暗碳固定的温度适应性

陈家明, 王世明, 杨荣荣, 陈子彦, 梁霞, 侯立军

2024 (1): 104-112. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.011

摘要 ( 57 )

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PDF(1260KB) ( 61 )

为了明确全球增温如何影响富营养化河口中基于碳氮耦合过程产生的暗碳固定, 以长江河口作为典型研究区域, 分别在河口近岸和近海不同盐度区域设置采样断面, 利用¹⁴C (NaH¹⁴CO₃) 标记方法结合烯丙基硫脲 (allylthiourea, ATU) 抑制剂法, 对不同温度和氮营养盐添加条件下的水体总暗碳固定 (dark carbon fixation, DCF) 和由氨氧化微生物驱动的暗碳固定 (DCF_AOB) 速率进行了研究. 结果表明, 长江河口水体中的DCF速率介于0.23 ~ 0.33 μmolC·L^–1·d^–1之间, 其中氨氧化微生物驱动的暗碳固定约占总暗碳固定的4.13% ~ 43.61%. 在最适温度范围内, 水体中的DCF速率随着环境温度的增加而显著上升, 但整体上低盐度条件下DCF速率受环境温度的影响更明显. 此外, 低盐度和高盐度水体的DCF速率最大值分别出现在30℃和25℃, 在该温度条件下添加氨氮可明显促进水体DCF速率的增加. 研究结果揭示了河口水体暗碳固定对环境温度变化的响应过程, 能够为全面认识和科学评估河口生态系统碳固定与碳汇通量提供理论支持与数据参考.

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长江口横沙岛不同发育年限盐沼植被生长特征及其固碳功能差异

张晓涵, 田慧敏, 陈雪初, 杨华蕾, 丁睿, 赵明明, 由文辉

2024 (1): 113-121. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.012

摘要 ( 64 )

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滨海盐沼湿地因长期淹水而具有较高的生产量和较低的分解率, 储蓄了大量的土壤有机碳. 随着新恢复盐沼湿地发育年限的增加, 其植被生长特性、土壤理化性质与有机碳含量也发生了变化, 进而影响到固碳增汇功能. 本文以长江口横沙岛新恢复盐沼湿地为例, 利用时空代换法, 分析新恢复湿地不同发育年限与不同植被群落类型的植被生长性状及土壤有机碳变化情况, 并分析影响新恢复湿地固碳能力的关键因子. 结果表明: 新恢复盐沼湿地在0 ~ 20年内有机碳含量随发育年限的增长而增加, 且土壤孔隙度和含水率变化可有效指示土壤有机碳的变化; 新恢复湿地具有较高的土壤碳密度, 发育8年的湿地0 ~ 20 cm土层的总有机碳密度为(21.49 ± 3.67) tC·hm^–2, 接近自然湿地; 芦苇恢复湿地植被长势和固碳能力高于海三棱藨草和芦苇–海三棱藨草交错群落.

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基于稻虾共作系统水稻收割后水体水质及沉积物重金属风险评估

李志福, 吴永红, 刘雪梅, 李丹

2024 (1): 122-133. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.013

摘要 ( 60 )

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为探究稻虾共作系统中水稻收割后水体营养盐和沉积物重金属的分布特征, 评估其水生态风险, 通过监测4块稻虾田的种养后期水体中的理化指标, 评价了稻虾田中分子氨和沉积物重金属的毒性, 系统分析了种养体系中水体营养盐、重金属的生态毒性风险. 结果表明, 稻虾种养模式的水稻收割后, 水体pH值高, 达到9.25; 总氮、氨氮和COD浓度分别达到14.15、11.49和92.01 mg/L. 常年的稻虾共作系统中, 沉积物中的重金属ω_As(16.21 mg·kg^–1) 和ω_Cd(0.20 mg·kg^–1) 水平较高, 分别超背景值 2.35倍和 1.72倍, 其他重金属含量较低. 综合潜在生态风险指数和潜在生物毒性评价结果均表明, 稻虾共作系统中沉积物重金属的生态风险低, 这与克氏原螯虾 (Procambarus clarkii) 养殖需要矿物质元素有关. 综上所述, 稻虾共作系统具有潜在修复土壤重金属污染的能力.

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长江下游某化工园区公共区域土壤中重金属污染特征及源解析

李文超

2024 (1): 134-143. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.014

摘要 ( 41 )

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为了解长江下游某化工园区公共区域表层土壤中的重金属分布特征、污染现状及污染来源, 在某化工园区公共区域共采集了514个表层土壤样品, 检测了11种元素浓度. 基于GIS (Geographic Information Systems)进行重金属浓度分布平面表征, 采用单因子指数、潜在生态风险指数、主成分分析 (principal component analysis, PCA) 和绝对主成分得分多元线性回归受体模型 (absolute principal component score multiple linear regression receptor model, APCS-MLR) 进行了研究分析. 研究结果表明: 化工园区公共区域表层土壤中除Cr(Ⅵ)低于检出限外, 其他10种重金属均有检出, 且均存在超背景值区域, 占比分别为Cu (86%) > Cd (71%) > Co (53%) > Ni (50%) > Be (45%) > As (42%) > Sb (40%) > Pb (23%) > V (16%) > Hg (4%) , 主要位于火力发电厂和垃圾焚烧厂周边. 研究区域表层土壤中Cd元素和Sb元素的生态风险指数较高, 且均存在极强 (Cd占比1.7%、Sb占比1.5%) 和很强 (Cd占比1.0%、Sb占比0.2%) 生态风险等级的区域, 均位于园区西北侧大型化工企业附近. 表层土壤中重金属复合生态风险指数属于中等生态危害, 存在着一定的生态危害风险. 研究区域表层土壤中的重金属污染来源主要包括化工源和燃烧源、自然源、交通源, 载荷量分别为27.2%、17.0%、11.0%.

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福建三沙湾表层沉积物重金属分布对网箱养殖的响应

房易玄, 李茂田, 刘晓强, 宋艳, 林沐东, 姚慧锟

2024 (1): 144-156. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2024.01.015

摘要 ( 35 )

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PDF(3579KB) ( 27 )

近海养殖的快速发展对水环境的影响是生态环境科学研究的热点, 但是因重金属随盐度梯度变化产生复杂的保守性–非保守性行为, 导致定量评估水产养殖对沉积物重金属污染的影响一直是研究难点. 以全球最大的大黄鱼网箱养殖区域——福建三沙湾作为近海水产养殖的典型区域, 根据遥感影像提取的养殖数据, 结合33个表层沉积物的7种重金属含量与盐度的曲线, 定量分析养殖变化对沉积物重金属污染的影响. 结果发现, 近15年来, 三沙湾网箱养殖面积从9.1 km²增加到33.4 km², 每平方公里最大网箱养殖密度从3%增加到22%. 导致养殖区亲铜元素Cu、Zn、Cd、Pb平均含量分别比非养殖区增加了44%、11%、15%、17%, 盐度的回归线斜率分别减少了27%、35%、18%、2%; 同时养殖区亲铁元素Cr、Mn、Ni平均含量分别比非养殖区增加了16%、15%、29%. 潜在生态风险评价结果显示, Cd元素是三沙湾表层沉积物中环境污染的潜在元素, 三沙湾整体处于中等生态风险水平.

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