云南典型砷污染湖泊硅藻群落时空变化特征及其驱动因子识别

发布时间：2020-08-07 20:11

【摘要】：云南省是我国淡水湖泊的集中分布区之一,众多的湖库为社会经济发展提供了重要的资源和环境基础。然而,伴随人类活动的加剧和社会经济的持续发展,云南部分湖泊受到水体富营养化、重金属污染等环境压力的胁迫,出现了湖泊生物多样性减少、生态系统稳定性下降等生态环境问题,严重影响了湖泊生态环境功能的发挥。位于滇中地区的阳宗海是云南九大高原湖泊之一,是环湖及下游居民赖以生存与发展的重要水源保障。近年来,流域污染物输入负荷的增加导致湖泊水体污染程度日趋严重,尤其是2008年的阳宗海砷(As)污染事件,严重影响了湖泊水体环境质量、生态系统健康以及流域社会经济的可持续发展。目前对阳宗海生态系统健康评价的研究主要以水质分析为主且监测数据不连续,缺乏对湖泊水体环境季节变化、年际波动特征的识别,缺少对典型生物群落响应特征的甄别。硅藻作为淡水生态系统中重要的初级生产者,是影响湖泊食物链组成和生态系统功能的重要生物门类。硅藻生长周期短,对水体环境特征及其变化十分敏感,且具有物种丰富度高及分类系统完善等特征,已逐渐成为湖泊水质监测和生态评价研究中重要的生物指标。本研究以阳宗海为研究对象,运用湖泊现代调查方法对2015~2017年湖泊表层水体中现生硅藻的群落结构与水环境指标进行连续三年的监测,水环境指标包括总磷(TP)、总氮(TN)、砷(As)、钙(Ca)、镁(Mg)、钠(Na)、钾(K)、氯化物(Cl)、硫酸盐(SO_4)、铁(Fe)、锰(Mn)、铅(Pb)、镉(Cd)、水温(WT)、叶绿素a(Chl-a)、pH和电导率(Cond)。通过主成分分析(PCA)、冗余分析(RDA)、方差分解分析、Pearson相关分析、加权平均定量模型等多种数理统计分析方法,首先识别了阳宗海水环境与硅藻群落的时空变化特征,并进一步判别了驱动硅藻群落变化的主要环境因子及驱动强度,以期为砷污染湖泊的生态修复与环境保护提供重要的科学依据。研究结果表明:(1)主要水环境指标具有较为明显的季节性特征,而在空间尺度上的变化幅度较小。表层水体As浓度在7~129μg/L之间变化(平均值为50.71μg/L),2016年6月出现最大值,之后呈持续下降趋势且到2017年12月下降到20μg/L左右。水体TP、TN分别在18.78~57.51μg/L、0.45~1.83 mg/L之间变化,平均值分别为38.42μg/L和0.86 mg/L,氮磷比大于16:1,总体处于中营养水平且为磷限制型湖泊;TP、TN在冬春季偏高、夏秋季偏低。部分指标(如pH与WT)均在夏季偏高而冬季偏低。Chl-a浓度(均值为13.89 mg/L)在春秋两季含量偏高,硅藻生物量均值为0.32 mg/L,其变化趋势与Chl-a具有较好的一致性。湖泊垂直水体温度和温跃层动态变化特征表明阳宗海属于暖单次混合型湖泊,水体具有明显的热力分层现象,整体上从5月中旬至10月中旬处于分层状态,温跃层厚度最厚可达3.76 m,深度最深可达15.8 m。其它月份水体垂向温差较小,湖水处于混合或者微弱的过度阶段。(2)阳宗海水体中共鉴定出硅藻12属22种,且以浮游种居多。主要优势种为Achnanthes minutissima、Fragilaria nanana、Fragilaria ulna、Cyclotella pseudostelligera、Cyclotella comta、Stephanodiscus hantzschii、Cyclotella meneghiniana、Aulacoseira granulata,硅藻群落变化具有季节变化明显、空间差异不显著的特征。在水体处于混合的12~4月期间,主要为个体较大的硅藻种占优势,如F.ulna、C.comta、S.hantzschii和C.meneghiniana,重硅质的A.granulata也仅在4月份出现;而如A.minutisssima、F.nanana和C.pseudostelligera个体相对较小的硅藻种则主要在水体处于分层的5~10月期间占优。硅藻物种丰富度在4~15之间变化且平均值约为9,整体为冬半年偏高而夏半年偏低。(3)多元统计分析表明,阳宗海硅藻群落受多个环境压力的共同作用影响。主要影响因子包括水温(WT)、营养盐(TP、TN)、砷(As)及水化学离子(pH、K、Na、SO_4、Ca、Cond),分别解释了硅藻群落变化的12.9%、6.1%、6.0%和23.4%;其中,水温的驱动作用主要是通过影响湖泊的热力分层与混合特征对硅藻群落的构建产生影响。季节变化上,驱动阳宗海硅藻群落变化的关键环境因子具有差异性,春季为Ca、Na和WT,分别解释了硅藻群落变化的33.0%、21.4%和13.1%;夏季为Cond和K,分别解释了14.1%和9.3%;秋季为As和WT且分别解释了35.3%和29.0%;冬季为As、WT和TP,分别解释了45.1%、39.9%和27.1%。As和Ca是驱动硅藻物种丰富度变化的关键环境因子,分别解释了物种丰富度变化的23.2%和8.2%,且硅藻的物种丰富度与As和Ca呈单峰响应特征。Na和K是驱动硅藻生物量变化的关键环境因子,分别解释了硅藻生物量变化的19.7%和6.8%,且硅藻生物量与两者均呈显著正相关关系。此外,A.minutisssima、F.nanana、F.ulna、C.pseudostelligera、C.comta、S.hantzschii、C.meneghiniana、A.granulata均具有较高的TP和As耐受值,可作为中富营养水平或较高As浓度水体的指示性物种。总之,阳宗海水体环境和硅藻群落特征在2015~2017年期间呈现明显的季节性和年际变化特征。其中,水体砷浓度变化与水体热力分层的季节性波动和底泥污染物的释放过程明显相关,且随着砷污染治理强度的增加呈现波动下降的趋势。进一步的统计分析结果显示,硅藻群落结构仍然受到水体较高砷污染水平的明显影响,生物多样性仍然处于较低水平。因此,严格控制流域污染物的输入并促进水体砷浓度的持续降低,是维持阳宗海水环境功能与生态系统健康的重要前提和有效手段。
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X524
【图文】：

技术路线图,技术路线,论文,阳宗海

1.4 研究内容与目标动加剧，湖泊水体污染日趋严重的背景下，生态环境获取可靠有效的湖泊生态环境数据，为湖泊的生态修据。本研究选择典型砷污染湖泊阳宗海为研究对象，获得 2015 年 4 月到 2017 年 12 月的湖泊表层水体 6 个藻数据，并结合多种统计分析方法对所得数据进行系如下研究目标：别阳宗海水体环境、硅藻群落及生物多样性的变化特别阳宗海硅藻群落、物种丰富度及硅藻生物量变化的主别阳宗海硅藻优势种对主要环境因子的响应特征及耐内容和研究目标，本文采用了如下技术路线开展研究

阳宗海,地理位置,采样点

的修建及流域开发强度的增加，流域内的大气污染物、工农业污染物、生活污染物以及其它碎屑等大都经地表或地下径流输入湖泊，入湖污染物质不断增加，阳宗海的营养水平不断上升并出现明显的富营养化特征[110]。例如，20 世纪 90年代以前，湖泊水质能够达到Ⅰ类或Ⅱ类的地面水质评价标准[18]。黎尚豪等[107]在 1957 年对阳宗海的水质调查结果显示湖泊水体硝酸盐和磷酸盐含量较低且部分水体低于检测限，透明度可达 3~6 m。然而，由于生活污水、工业废水排放以及网箱养鱼等原因，20 世纪 90 年代开始水体营养水平明显升高，导致1997~1998 年湖泊水面多次出现大范围的藻类水华事件[18]。而 2008 年 6 月的砷污染事件对湖泊生态环境产生了更为严重的影响并带来了水产养殖与捕捞、饮用水源等公共安全问题。例如，当年 9 月，云南省政府便宣布了关于阳宗海的三项禁令，即禁止饮用湖泊内的水，禁止在湖泊内游泳，禁止对湖泊内的水产品进行捕捞。目前，虽然三禁已经解除，砷污染治理也已取得一定成效，但水体砷浓度仍然维持在 50 μg/L 左右[14,16,17,111]。这对阳宗海湖泊生态系统及水体利用仍然存在长期而持久的影响。

变化特征,环境因子,阳宗海

1阳宗海各环境因子变化特征

【参考文献】