滇东湖泊水生植物和浮游生物碳、氮稳定同位素与元素的地理分布特征研究

发布时间：2020-04-12 21:39

【摘要】：浮游植物、浮游动物、高等水生植物作为湖泊生态系统中主要的初级生产者和初级消费者,在湖泊生态系统碳、氮等元素循环过程中起到了重要的吸收与传递作用,其稳定同位素组成及元素变化特征有助于辨别湖泊食物网的基本组成与生物地球化学循环的传递过程。本研究通过对云南东部地区10个湖泊的空间调查和4个湖泊的季节调查,利用统计分析方法识别滇东湖泊四类典型生物沉水植物、漂浮植物、浮游植物及浮游动物碳、氮同位素和元素的时空变化特征,并探讨其与生态环境因子之间的响应模式,研究结果可为云南湖泊的生态系统评价与生态修复提供重要的科学依据。本研究的主要结果和结论如下:(1)滇东湖泊四种类别水生生物碳、氮同位素具有显著差异。沉水植物碳同位素值最大(-12.04±4.57‰),漂浮植物碳同位素值最小(-28.99±0.86‰);浮游植物碳同位素值与浮游动物相似,平均值分别为-21.88±2.97‰、-20.85±2.70‰。结果表明碳源是导致湖泊生物碳同位素差异的主要驱动因素。氮同位素结果显示同为初级生产者的漂浮植物(5.58±7.38‰)、沉水植物(5.43±5.84‰)和浮游植物(7.26±3.83‰)并不存在显著性差异,而作为初级消费者的浮游动物氮同位素(11.02±3.18‰)显著高于浮游植物,反映了湖泊生物随着营养级的增加出现氮同位素富集效应,富集系数约为3.46‰。(2)空间尺度上浮游动物和浮游植物碳同位素变化趋势基本一致,碳同位素组成与水体温度、pH值呈正相关关系。水温影响了水体中溶解无机碳的组成和水体pH,湖泊水体中溶解CO_2浓度随着水温升高而减少,HCO_3~-离子浓度增加,pH值升高,浮游植物更多地利用水体中相对富集~(13)C的HCO_3~-作为碳源,导致浮游植物碳同位素偏正。同理,浮游动物主要以浮游植物为食,浮游植物是浮游动物的主要碳源之一,因此,浮游动物碳同位素也间接受到水温、pH值的影响。此外,浮游动物碳同位素还受采样点水深控制,不同的湖泊水深会存在浮游动物栖息地生境的差异,导致浮游、底栖碳源对生物的贡献比例不同,进而影响浮游动物碳同位素组成。沉水植物碳同位素与湖泊的透明度有关,富营养湖泊浮游植物生物量高、水体透明度低,浮游植物吸收利用大量水体中溶解的CO_2,沉水植物则被迫吸收更多HCO_3~-,导致在透明度低的水体中,沉水植物δ~(13)C出现偏正的分布特征。氮同位素组成方面,浮游植物、浮游动物和沉水植物的氮同位变化具有一致性,随着湖泊水体营养水平尤其是水体总磷、总氮指标的升高而逐渐增大,表明湖泊生物氮同位素信号可作为评价湖泊、水库富营养化状况的代用指标。(3)时间尺度上4个湖泊中浮游植物和浮游动物碳同位素具有明显的季节变化趋势,雨季(6月、9月)浮游生物的碳同位素普遍偏正于旱季(12月、3月)。浮游植物碳同位素的季节变化可能与水温、生长速率相关。低温环境下水体溶解CO_2含量的增加,以及浮游植物生长速率变慢,也是导致浮游植物碳同位素信号偏负的原因。浮游动物碳同位素组成季节变化除受其食物浮游植物的影响外,还与降雨量、陆源无机碳、浮游动物的捕食习性等有关。雨季流域带来更多陆源的富集~(13)C的碳源,浮游动物在摄入陆源有机碎屑物和淋溶作用下流域中的HCO_3~-后导致其碳同位素偏正,而旱季降雨量较少浮游动物食物来源更多依赖于湖泊内的贫~(13)C的碳源(浮游植物),其碳同位素偏负。在氮同位素方面,春季浮游生物氮同位素最大,可能随着气温回升,受春旱的影响,降雨量持续几个月较少,空气干燥,多大风天气,气温回升较快,蒸发量较大,流入湖泊的人类生活污水在反硝化和氨挥发作用下,轻的δ~(15)N随着蒸发而逃逸,留下较重的δ~(15)N,从而导致水体氮同位素上升,生活在此环境中的浮游生物氮同位素也相应偏正。(4)沉水植物、漂浮植物体内碳元素百分含量显著高于浮游植物与浮游动物,而氮元素百分含量则相反,碳氮比值均显著高于浮游植物和浮游动物,这是由于高等水生植物与浮游生物体内组织不同所导致的。滇东湖泊沉水植物C、N等元素百分含量比长江中下游地区整体偏高,反映了云南地区独特的环境背景,受喀斯特基岩的影响,水体富含碳酸盐导致水生植物吸收水体中更多的碳元素,同时云南地区强的太阳辐射导致水生植物吸收更多水体中的营养物质,造成氮元素含量偏高。在季节变化上,夏季浮游植物、浮游动物总碳百分含量最大,春季最小,可能反映了夏季生物生长快促使对水体中常量元素的吸收,使得碳元素呈现出明显的季节变化;浮游生物氮百分含量无明显季节变化;浮游植物碳氮比值具有明显的季节变化特征,夏季碳氮比值最大,秋季、冬季逐渐减少,春季达到最小值。元素含量时空分布特征表明,浮游植物更容易受到外部气候、环境因子的影响,体内化学稳态性较浮游动物低,并且内源有机物高等水生植物和浮游生物的碳氮比值均小于20。
【图文】：

位置分布,高原湖泊,位置分布,阳宗海

空间调查的湖泊是星云湖、大屯海、杞麓湖、草甸海、长桥海、异龙湖、三角海、月湖、差黑海、长湖，季节调查的湖泊有抚仙湖、阳宗海、长桥海、大屯海，总共涉及12个湖泊，具体位置如图2.1所示。其中抚仙湖、阳宗海、杞麓图2.1 研究区域12个高原湖泊位置分布图湖、星云湖、异龙湖属于云南高原九大湖泊之一，湖泊面积大于30 km2，，其余湖泊的面积较小。其中差黑海因云南2008 ~ 2013年极端干旱天气的影响，湖泊面积缩小，一段时间出现干旱，但本次调查时水位回升。季节调查4个湖泊中，阳宗海降雨量数据选用昆明气象站，抚仙湖降雨量数

稳定同位素,质谱仪,工作原理,云南师范大学

同位素计算公式为：N或13C，Rsample为样品15N/14N或13C/12C，Rstandard度＜0.1‰。样品测试均在云南师范大学高原地理与分析对数据进行正态分布检验，选择合适的数据转换数据差异显著性检验通过Student`s t-test检验[61]据之间差异不显著；当P < 0.05时，表示两列数在R软件[62]和Grapher 9中进行，湖泊采样点图11000RRδX‰）standardsample× （=
【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】：Q178.1

【参考文献】