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内陆水体好氧甲烷氧化过程研究进展 总被引：1，自引：0，他引：1
内陆水体是全球碳循环的关键组成部分,是大气中甲烷(CH_4)的重要来源,每年从内陆淡水与自然湿地排放进入大气的CH4约为185～357 Tg/a.通常,内陆水体中CH_4主要由分布于水层底部的厌氧区或沉积层内的产甲烷菌介导产生,其向水层表面传输的过程中易被甲烷氧化菌所氧化.甲烷氧化菌可分为好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌,有氧条件下,由好氧甲烷氧化菌介导的好氧甲烷氧化过程是水体中甲烷氧化过程的主要形式,湖泊底部产生的CH_4总量中约有99%可以被上覆水体中的好氧甲烷氧化过程所消耗.本文收集文献综合分析阐明,好氧甲烷氧化过程是由水环境因子、水文条件以及不同内陆水体的生态系统特征共同调控,同时也表现在了好氧甲烷氧化菌的生境偏好上.复杂的调控过程构建了内陆水体向大气输送CH_4的动态平衡,并最终反映在内陆水体对全球CH_4循环、碳循环作出的贡献上. 相似文献
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草海是由喀斯特盆地积水发育而形成的一个完整的、典型的高原湖泊湿地生态系统,同时也是中国面积最大的岩溶构造湖.甲烷氧化菌作为一类能够将甲烷氧化为CO2和水的独特微生物,其活动与生态系统中能量流动和元素循环的关键步骤密不可分.为了解贵州草海喀斯特高原湖泊湿地中甲烷氧化菌的群落结构特征及功能,利用宏基因组技术对浅水沼泽、莎草湿地、深水沉积物进行研究.结果表明,草海湿地中主要的好氧甲烷氧化菌为Methylobacter和Methylomonas,主要的厌氧甲烷氧化菌为Candidatus_Methylomirabilis_oxyfera,属于NC10门的反硝化型厌氧甲烷氧化菌.所研究的4种代谢功能基因种类多样性表现为碳代谢＞氮代谢＞硫代谢＞甲烷代谢;基于KEGG数据库共注释到6大类功能和18条与碳、甲烷、氮、硫相关的完整代谢路径.PCoA分析表明浅水沼泽和莎草湿地中甲烷氧化菌的种类和功能相似,且与深水沉积物存在差异.物种与功能相关性网络分析结果显示Methylacidiphilum_fumariolicum和Methylacidiphilum_kamchatkense与草海湖泊湿地中的各个代谢功能均具有较强的相关性.显著影响草海湿地中大多数甲烷氧化菌的群落结构的环境因素是硝酸盐、电导率、总磷和有机质. 相似文献
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浅水湖泊湖泛(黑水团)中的微生物生态学研究进展 总被引：5，自引：5，他引：0
"湖泛"是指湖泊水体中(包括沉积物)富含大量藻源性(或草源性)的生物质,在微生物的分解作用下,大量消耗氧气,出现厌氧分解,微生物在还原条件下,促进许多"黑臭"物质的形成,进而影响水质和湖泊生态系统结构与功能乃至造成环境灾难.与湖泛发生时的环境特征(如低溶解氧,低p H,高有机质,高总磷、总氮)相对应的是其简化的食物网结构和特殊的微生物类群.本文将主要针对湖泛中的微生物群落及其在物质循环中的作用展开综述.研究显示湖泛水体中主要微生物类群,如真菌、细菌厚壁菌门的梭菌以及产甲烷古菌等,在有机质的快速分解和厌氧矿化过程中发挥着重要作用;沉积物中主要的微生物功能群,如硫酸盐还原细菌、铁还原细菌、甲烷厌氧氧化菌和反硝化细菌等,是湖泛致黑物质形成的关键.缺氧及厌氧条件下碳、硫和铁等元素生物地球化学过程的相互关联以及多种微生物之间形成的互营共生可能是湖泛过程中功能微生物的重要特征.湖泛中微生物功能的进一步研究,亟需借鉴海洋低氧区及深海沉积物的经验,引用先进研究手段,提出可靠的生物地球化学证据.浅水湖泊湖泛(黑水团)中的微生物生态学探索将有助于从机理上揭示湖泛黑臭的成因. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2018,(12)
甲烷是潜在的高效清洁能源,同时也是重要的温室气体,对全球气候的变化和调节有重要影响.海底沉积物中蕴藏着大量的甲烷,主要包括有机质热裂解与生物成因气两种来源,一般以水合物的形式较为稳定地储存在深部沉积物中.海洋每年向大气中释放的甲烷仅占大气中甲烷总量的1～5%,海底大部分的甲烷被海洋中的甲烷代谢微生物消耗.海洋中甲烷的生物转化(微生物代谢)影响并控制了海洋释放到大气中的甲烷通量.在全球气候逐渐变暖的背景下,解析海洋环境中甲烷的生物转化机制有助于理解和评估海洋-大气甲烷通量对全球气候变化的影响.文章综述了海洋环境,尤其是海底沉积物中甲烷生物转化机制研究的最新研究进展,主要介绍已知甲烷代谢微生物的种类、分布和甲烷产生和氧化的代谢机制;探讨海洋中甲烷的生物转化对全球气候变化的影响,并且提出了甲烷代谢机制的未来研究方向和对其他科学研究的意义. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2015,(5)
甲烷渗漏及相伴随的甲烷厌氧氧化活动(AOM)能造成孔隙水中多种地球化学参数的异常.本研究开展了冲绳海槽西部陆坡两个站位孔隙水地球化学研究,研究发现两个孔存在甲烷渗漏及相关的地球化学异常,与背景孔相对比,甲烷渗漏A孔和C孔孔隙水存在随深度增加硫酸盐浓度线性梯度亏损、甲烷浓度显著增加和硫化氢浓度增加、总碱度浓度增加等特征,上述异常高值特征指示了两个研究站位A孔与C孔甲烷厌氧氧化的发育,基于硫酸盐浓度线性梯度亏损,利用硫酸盐浓度外推法识别甲烷-硫酸盐界面(SMI)深度分别为4.9和5.4mbsf,该较浅的SMI分布和线性的硫酸盐浓度亏损指示了下伏地层中较强的甲烷通量和强烈的甲烷厌氧氧化. 相似文献
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城市非点源污染向水生生态系统中输入大量的溶解有机物(DOM),对生态系统健康产生重要影响. 有色可溶性有机物(CDOM)是广泛分布于自然水体中的一类成分和结构复杂、含有多种高活性化学官能团的大分子聚合物,是DOM的重要组分,对水生生态系统健康、能量流动及生物地球化学循环有重要影响. 光化学反应和微生物代谢过程被认为是控制水体CDOM转化、降解和循环的主要影响因素. 然而,对城市化如何影响CDOM组成以及光化学和微生物如何相互作用影响城市水体CDOM动态的理解是不足的. 因此,为评估光化学过程和微生物代谢对不同城市水体CDOM降解与转化的贡献,解析不同城市水体CDOM光化学/微生物降解作用机理,本研究在英国伯明翰选择3类具有典型DOM来源的水体样本,通过实验室9 d受控培养实验,对比分析光化学以及微生物影响下CDOM来源和组成的变化. 结果表明：(1)城市河流由于接受上游污水排放及较短的水力滞留时间,含有丰富的芳香性碳,其CDOM光化学活性明显高于湖泊,光化学降解率为16.60%;(2)城市湖泊CDOM受人类活动影响,自生源类荧光成分富集,生物活性高,在微生物培养过程中CDOM增加了62.16%,而相较于城市湖泊,非城市湖泊由于接受周围景观土壤输入的大量腐殖质类CDOM,光照对其降解转化作用较为明显; (3)光化学过程促进了陆源CDOM中大分子类腐殖质物质降解成为生物活性高的小分子化合物,刺激微生物代谢生成类蛋白质类有机物; 以类蛋白质组分为主导的CDOM在光照过程中被转化为难降解状态,生物活性降低,CDOM微生物代谢过程被抑制. 研究成果为城市水体不同CDOM来源及活性差异特征研究提供了新的思路,有助于城市河流的可持续开放与管理. 相似文献
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HQ-1PC站位位于琼东南盆地中部,对该站位沉积物孔隙水的地球化学分析发现其3～4m处有明显的盐度异常,说明该站位在沉积物浅表层有明显的高盐度流体加入.其他地球化学特征也显示在该深度有一亏损硫酸盐、富含碘的流体加入,这种流体特征与水合物形成时排放的高盐流体相似.在4m以下,HQ-1PC站位则表现出了明显的甲烷厌氧氧化特征,主要表现为浅的硫酸盐还原界限、高硫酸盐通量、高自生碳酸盐沉积等特征,同时在该深度以下碘也表现出了异常高的通量,暗示HQ-1PC站位所在区域具有高的有机质含量,微生物活动强烈,可为水合物的形成提供充足的气源.再结合明显的盐度异常特征,推测在该站位浅表层附近很有可能有天然气水合物生成,水合物在形成过程中排出的高盐流体及散逸出的甲烷气引起了一系列的地球化学异常现象. 相似文献
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微生物参与下的氮循环是富营养化湖泊十分重要的生物地球化学循环过程.采用基于amoA功能基因和16S rRNA基因的荧光定量PCR、PCR-DGGE与高通量测序等分子生物学技术,调查秋季太湖不同水体和表层沉积物中氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)群落丰度和组成,探讨影响硝化微生物分布的关键环境因子.结果表明,中度富营养化的梅梁湾湖区水体表层、中层和底层水样和表层底泥中AOA amoA基因的丰度分别低于轻度富营养化的湖心区,而不同层水样中AOB amoA基因的丰度分别高于湖心区.梅梁湾湖区和湖心区水样中AOA群落组成基本相似,2个湖区表层沉积物样品中AOA群落组成亦基本相似,水体中AOA群落组成与表层沉积物中AOA群落组成有差异,AOA群落丰度显著受硝态氮、pH和DO影响;表层沉积物中AOB群落丰度有明显差异且显著受总氮含量影响,表层沉积物中NOB群落丰度也有明显差异且显著受亚硝态氮含量影响.太湖梅梁湾湖区和湖心区水体与表层沉积物AOA群落包括Nitrosopumilium和Nitrosotalea两大属;表层沉积物AOB群落主要包括亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)和亚硝化螺菌(Nitrosospira)两大属,NOB群落主要包括硝化刺菌(Nitrospina)和硝化螺菌(Nitrospira)两大属,其中硝化螺菌属是淡水湖泊中比较少见的亚硝酸盐氧化菌.影响太湖水体和沉积物中AOA和AOB丰度的最主要环境因子为总氮、总磷与铵态氮.研究表明典型富营养指标(总氮、总磷、铵态氮、硝态氮和硝态氮等)是影响太湖梅梁湾和湖心区水体和沉积物中AOA或AOB丰度以及硝化微生物群落丰度的重要因素. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2018,(12)
在世纪时间尺度上,甲烷的全球增温潜势大约是二氧化碳的30倍.甲烷排放被认为导致了地球史上多次全球气候变化事件的发生和大规模的物种灭绝现象.因此,研究甲烷生成过程对于理解全球气候变化至关重要.长期以来一直认为,海洋中可检测到的生源甲烷完全是由低氧和无氧环境中产甲烷古菌的厌氧代谢活动产生的.但是,有众多研究报道显示,全球海洋范围内的许多含氧表面水体和近表水体中的甲烷是过饱和的,由此造成向大气甲烷净排放.含氧海水生成甲烷的现象被称为"海洋甲烷悖论".尽管该悖论仍未完全得到解决,但是最近的研究已经提出了一些有关含氧海水中甲烷生成的科学假说.文章将对甲烷在全球气候中的重要性的理解进行总结,并分析含氧海水环境中甲烷生成的生物过程及其机理.此外,我们将初步探讨相关微生物代谢过程与气候及海洋环境的全球性变化之间的关系. 相似文献
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城市河流沉积物中氮素与好氧甲烷氧化菌群落特征响应关系 总被引：1，自引：0，他引：1
由于人类活动的影响大量未经处理的废污水汇入城市河流,高浓度的污染物影响了河流中微生物对生物地球化学物质迁移和转化的介导作用.本文选取典型的城市河流——北运河作为研究区域,分析了北运河沉积物中氮素形态以及含量的空间和季节差异性,并结合克隆文库分子生物学的方法,探讨了氮素形态和含量的差异对好氧甲烷氧化菌(aerobic methane-oxidizing microorganisms,MOB)群落特征的影响.结果表明:北运河沉积物中铵态氮(NH_4~+-N)为氮素的主要存在形态,存在显著的空间差异,其含量在下游显著高于上游,但季节差异不显著.NH_4~+-N含量的空间差异对MOB的群落结构和群落分布有显著影响,对群落多样性影响不显著.NH_4~+-N含量的空间分布特征与MOB的群落聚类特征一致,NH_4~+-N对MOB群落分布的影响显著高于其他形态的氮素,其含量越高,则与MOB群落分布的响应关系越紧密.北运河中NH_4~+-N的来源影响了沉积物中MOB的主要来源,MOB高同源性菌群的来源与NH_4~+-N等主要污染物的来源一致.沉积物中MOB物种之间联系的紧密程度依赖于氮素的主要存在形态及其含量水平.NH_4~+-N含量较高的下游沉积物中微生物彼此之间关系及集聚程度更强,受外界环境变化的干扰程度更强,受人类活动引起环境变化的敏感程度更高.城市河流中氮素的形态和含量差异对甲烷的氧化过程有显著影响.探究城市河流沉积物中高含量的NH_4~+-N对甲烷产生及消耗的影响过程是控制河流温室气体排放的关键. 相似文献
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A.W. Dale P. Van Cappellen D.R. Aguilera P. Regnier 《Earth and Planetary Science Letters》2008,265(3-4):329-344
A simplified version of a kinetic–bioenergetic reaction model for anaerobic oxidation of methane (AOM) in marine sediments [Dale, A.W., Regnier, P., Van Cappellen, P., 2006. Bioenergetic controls on anaerobic oxidation of methane (AOM) in coastal marine sediments: a theoretical analysis. Am. J. Sci. 306, 246–294.] is used to assess the impact of transport processes on biomass distributions, AOM rates and methane release fluxes from the sea floor. The model explicitly represents the functional microbial groups and the kinetic and bioenergetic limitations of the microbial metabolic pathways involved in AOM. Model simulations illustrate the dominant control exerted by the transport regime on the activity and abundance of AOM communities. Upward fluid flow at active seep systems restricts AOM to a narrow subsurface reaction zone and sustains high rates of methane oxidation. In contrast, pore-water transport dominated by molecular diffusion leads to deeper and broader zones of AOM, characterized by much lower rates and biomasses. Under steady-state conditions, less than 1% of the upward dissolved methane flux reaches the water column, irrespective of the transport regime. However, a sudden increase in the advective flux of dissolved methane, for example as a result of the destabilization of methane hydrates, causes a transient efflux of methane from the sediment. The benthic efflux of dissolved methane is due to the slow growth kinetics of the AOM community and lasts on the order of 60 years. This time window is likely too short to allow for a significant escape of pore-water methane following a large scale gas hydrate dissolution event such as the one that may have accompanied the Paleocene/Eocene Thermal Maximum (PETM). 相似文献
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适宜生态水位作为反应湖泊水文情势的重要指标,是维持湖泊生态系统稳定的关键要素。已有研究大多集中于水文过程对生态系统影响,缺乏耦合考虑湖泊营养负荷的全季节生态水位阈值研究。本研究在刻画恢复天然水位情势的基础上,综合考虑了人类活动导致湖泊营养负荷的季节性波动以及冰封期的最小生态水位,构建了适用于季节性冰封湖泊全季节的适宜生态水位阈值获取的综合框架,确定了年内不同时期适宜生态水位阈值。结果表明,查干湖入湖口非冰封期的总氮(TN)浓度与平均水位均呈上升趋势,总磷(TP)浓度呈下降趋势;6月湖内TN和TP滞留量最高,分别达到1044.36和23.61 t;确定了查干湖全季节不同时期的适宜生态水位,冰封期(11月—次年4月)为129m,汛期(6—9月)为130.15～130.86 m,非汛期(5和10月)为130.08～130.57 m。研究结果可为季节性冰封湖泊的适宜生态水位研究提供方法支撑,也可为湖泊的水环境管理提供理论支撑。 相似文献
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The Chirripó hydrological research site (CHRS) is located within the Chirripó National Park, Costa Rica (between 3100 and 3820 m asl) whereby ~100 km2 are covered by Páramo, a high-elevation tropical grassland ecosystem. A lake district with approximately 30 lakes of glacial origin is also protected in this area. The CHRS has been monitored since April 2015 with the aim of establishing the first water isotope baseline for the Central American Páramo. At a regional scale, the water isotope ratios (δ2H and δ18O) in precipitation and surface water at CHRS are useful for describing the governing moisture transport from the Caribbean Sea and Pacific Ocean and the complex rainfall producing systems across the N–S mountain range of Central America. These data are also providing unique information about the evaporation and water balance conditions of tropical glacial lakes and the formation of orographic and convective precipitation in high-elevation tropical ecosystems. Current data sets from CHRS include continuous lake water temperature and meteorological conditions (i.e., precipitation amount, air temperature and relative humidity), as well as water stable isotopes in precipitation, stream water, and lake water (daily to biweekly sampling frequency). Stream water is collected at several locations across the topographic gradient whereas lake water is sampled in the three main lake systems of CHRS. CHRS serves as a reference site for conducting pilot isotopic research in high-elevation ecosystems to advance the atmospheric, hydrogeological and ecohydrological studies in these understudied biomes. All data from April 2015 to November 2020 are publicly available. 相似文献
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Ziqiang Xing Huojian Huang Yuanyuan Li Shanshan Liu Ding Wang Yong Yuan Zhongnan Zhao Lisheng Bu 《水文研究》2021,35(5):e14192
Hydrologic regime plays an important role in maintaining aquatic ecosystem structures and biogeochemical processes of endorheic salt lakes. Due to joint influences of regional climate change, runoff regulation and water withdrawal, ecological water deficiency has been increasingly prominent in endorheic salt lakes in Northwest China, especially in the Inner Mongolian Plateau. Previous studies mainly focused on establishing and applying methods to determine ecological water levels of lakes, while much less attention was paid to a more important problem – how such water levels could be reached under changed watershed hydrological processes. Solutions of this gap were explored in this study using the Dalinuoer Lake as an example. This lake is a typical endorheic salt lake located in the Inner Mongolian Plateau. It is a critical source to provide important ecological services and economic values for locals. Its ecological water level to maintain the optimum salinity threshold was first calculated by applying a statistical analysis of relationships between the phytoplankton biomass, salinity and water level of the lake. Potential measures to preserve the ecological water level of the lake were subsequently evaluated based on a hydrological process analysis of the watershed. The results indicated that the optimum salinity threshold was 5.7 g/L. This value should be also valid for other endorheic salt lakes in this region. According to a function between the water storage and the mean water depth of this lake, the ecological water level was determined to be 10.28 m with an ecological water deficit of 2.5 × 108 m3. A basin water balance analysis using the results proposed measures to maintain a sustainable ecological water level, including controlling local water consumption and infusing ecological water. The results of this study could be extrapolated to other similar conditions to provide guidance for policy-makers, so that better decisions could be hopefully forged to protect eco-hydrological processes of endorheic salt lakes in the Mongolian Plateau, as well as other comparable scenarios. 相似文献
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C. J. Schubert F. S. Lucas E. Durisch-Kaiser R. Stierli T. Diem O. Scheidegger F. Vazquez B. Müller 《Aquatic Sciences - Research Across Boundaries》2010,72(4):455-466
The build-up of methane in the hypolimnion of the eutrophic Lake Rotsee (Lucerne, Switzerland) was monitored over a full year. Sources and sinks of methane in the water column were characterized by measuring concentrations and carbon isotopic composition. In fall, high methane concentrations (up to 1 mM) were measured in the anoxic water layer. In the oxic layer, methane concentrations were much lower and the isotopic composition shifted towards heavy carbon isotopes. Methane oxidation rates peaked at the interface between oxic and anoxic water layers at around 8–10 m depth. The electron balance between the oxidants oxygen, sulphate, and nitrate, and the reductants methane, sulphide and ammonium, matched very well in the chemocline during the stratified season. The profile of carbon isotopic composition of methane showed strong indications for methane oxidation at the chemocline (including the oxycline). Aerobic methane oxidizing bacteria were detected at the interface using fluorescence in situ hybridization. Sequencing the responsible organisms from DGGE bands revealed that aerobic methanotrophs type I closely related to Methylomonas were present. Sulphate consumption occurred at the sediment surface and, only towards the end of the stagnation period, matched with a zone of methane consumption. In any case, the flux of sulphate below the chemocline was not sufficient to oxidize all the methane and other oxidants like nitrate, iron or manganese are necessary for the observed methane oxidation. Although most of the methane was oxidized either aerobically or anaerobically, Lake Rotsee was still a source of methane to the atmosphere with emission rates between 0.2 mg CH4 m?2 day?1 in February and 7 mg CH4 m?2 day?1 in November. 相似文献
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湖泊生态水位计算新方法与应用 总被引：6，自引：4，他引：2
水位是湖泊水文情势的主要特征指标,对湖泊的水量、水质和生物的栖息地等有直接或间接的影响,被认为是湖泊生态系统健康的关键影响因素.如何确定合理的湖泊水位以保证生态系统健康成为湖泊科学研究的重要科学问题.根据湖泊天然水位情势,从天然水文变化中识别多项反映完整水位过程的指标,构建了湖泊生态水位的计算方法.从湖泊天然水位情势中提取出高、低水位的历时、发生时间和变化率等水位指数来表征其生态水位.该方法弥补了传统湖泊生态水位计算方法仅给出最小生态水位的不足,体现了湖泊生态系统健康对水位过程的要求.基于提出的生态水位计算方法和鄱阳湖都昌水位站1952-2000年共49年的日均监测数据,计算了鄱阳湖的生态水位目标值区间,以期为鄱阳湖水利工程生态调度提供决策依据. 相似文献
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生态需水是湖泊生态系统的重要指标,维持着湖泊生态系统的良性循环.以内蒙古中部半干旱湖泊岱海为研究对象,对湖泊动态生态需水进行分析.本研究在遥感和气象数据的基础上,获得1975-2020年长时间序列高精度水文要素数据,分析岱海水文要素时空演变规律;通过天然生态水深分析法、水深经验频率分析法和湖泊形态分析法分析岱海的水深随面积变化的关键水深;构建基于生态耗水规律的湖泊生态需水模型,计算自然状态下岱海生态需水动态变化范围.研究结果如下:岱海地区6-9月为丰水期,10月至次年5月为枯水期;45 a以来岱海水面面积呈显著下降趋势,近年来下降速率减缓;枯水期岱海适宜生态水深为8.72~9.92 m,丰水期为9.40~10.69 m,适宜生态需水量为5.62亿~7.71亿m3,适宜湖面面积为70.92~84.77 km2.本文构建了长时间序列气候水文数据库,确定岱海动态生态需水范围可以实现对湖泊生态健康的实时监测,为相关规划与管理提供科学依据及可操作性指导,从而为岱海湖泊治理提供理论参考. 相似文献