三峡水库运行初期小江回水区藻类生境变化与群落演替特征研究

摘要

三峡水库成库后，大多数支流回水区水华的频繁暴发已成为当前最严重的生态环境问题之一。同湖泊相比，物理边界的不稳定使得支流回水区水华成因具有特殊性和复杂性。本文以库区中段支流——小江流域为研究对象，对其回水区段展开了为期2年(2007年5月～2009年4月)的定位观测研究。以藻类群落生境选择学说和生态功能分组为基础，从以下3个层面探究水库运行初期小江回水区藻类生境季节变化对群落演替的影响，以期为“后三峡”时期支流回水区的富营养化管理和水华预测提供基础数据和科学分析。
　　 (1)藻类生境的总体特点与季节变化过程
　　 在HEC-RAS平台上建立了小江回水区一维水动力模型，对其水动力特点进行了分析。小江回水区水体滞留时间变化范围为3.8～157.0d，呈过流型(水体滞留时间小于20d)水库特征的时段占15.6％，主要集中在5～8月的夏季主汛期，处于过渡型状态(水体滞留时间为20d～300d之间)的时段约占84.4％。小江回水区倒灌现象主要集中于9月下旬至11月上旬蓄水期间，最远影响范围约2km。
　　 研究期间，总氮(TN)、总磷(TP)、溶解性硅(DSi)浓度均值分别为1623±30μg·L-1、75.9±2.5μg·L-1和7982±130μg·L-1，总体呈中营养状态。以硝态氮(NO3--N)为主的溶解态无机氮(DIN)是氮素的主要赋存形态，颗粒态磷(PP)是磷的主要赋存形态。氮、磷含量及其不同赋存形态构成受水库调蓄和降雨径流过程影响显著。入汛后，NH4+-N相对丰度显著增加，水体所表征出的还原性特点越强；颗粒态磷(PP)在降雨、径流作用下，随无机颗粒物一起输入水体，成为TP的主要组分。在高水位运行状态下，无机氮素形态更倾向于向NO3--N转化，NH4+/NO3-显著降低；水体滞留时间延长促进了PP的沉淀，且水质理化特性的改变使SRP成为TP的主要赋存形态。2年观测期内TN/TP总体呈下降趋势，小江回水区藻类生长总体受磷限制，但在冬末至夏初季节易出现氮限制的状态。
　　 研究期间，小江流域太阳辐射年值分别为4007.98MJ·m-2和3542.76MJ·m-2，光合作用有效辐射(PAR)在太阳辐射中所占比重约为0.522。水下光学衰减系数(Kd(λPAR))、真光层深度(Deu(λPAR))、透明度(SD)和上层水温均值分别为0.916±0.037m-1、6.64±0.22m、170±7cm和20.52±0.39℃，季节变化显著。采用因子分析和多元回归分析方法对真光层深度的主要影响因素进行分析发现，春季、夏季和秋季(变水位、低水位)无机悬浮颗粒(PIM)是影响真光层深度的主要因素。冬季高水位下，悬浮生长的藻类成为影响真光层深度的主要因素。
　　 (2)藻类群落演替的生态学特征
　　 研究期间，藻类细胞密度、生物量分别为(59.285±7.853)×105cell·L-1、4589±652μg·L-1，峰值出现的时间大致在冬末春初(2～3月)、春末夏初(4～5月)和夏末初秋(8月下旬～10月上旬)，而谷值多在冬季(12～1月)。共检出藻类8门117属320种，春、夏季蓝藻、甲藻占优，秋、冬季则以硅藻、隐藻为主。
　　 小江回水区共有26个藻类生态功能组，代表性功能组为J/F/H1/P/LO/LM/B/Y/G/C。功能组季节演替存在差异，但C-R-S生长策略季节演替存在重现性，基本演替特点是：春季开始，S-CS型藻类占优，在夏季汛期易出现CR/CS频繁交替的混生型藻类群落特点，秋末开始逐渐向R-CR型藻类群落演替，于次年2～3月中旬在短时间内演替为S-CS型藻类占优的群落格局。在全年的观测尺度上，小江回水区藻类群落结构具有演替阶段明显的特点。
　　 (3)藻类群落季节演替对生境变化的响应特点
　　 相关性分析发现，藻类生长对NO3--N、磷酸盐(SRP)等无机营养物的摄取利用过程明显，受太阳辐射、水温的影响显著，但其对TN、TP、TN/TP的生态响应却尚不明晰。研究建立了表征水动力条件下真光层内的藻类可利用能量Ef指数，并根据水体滞留时间形成了E*f和E*f-SD指数，藻类群落丰度与E*f-SD指数的相关性优于其同水温的相关性。
　　 利用典范对应分析(CCA)建立了藻类群落结构与环境变量的相互关系。研究发现，水库运行水位、水体滞留时间和太阳辐射强度、水温是影响该水域藻类群落结构的主要环境因素。在低水位条件下水中悬浮颗粒物浓度(TPM)和NH4-N对群落结构的影响显著，高水位条件下太阳辐射强度、水温和径流量的改变对群落结构的影响明显。以藻类生态功能分组为基础的CCA模型对藻类-环境变量关系的解释能力显著优于以藻类生物学分类为基础的CCA模型。
　　 对水库调蓄下的水动力条件、营养物浓度及赋存形态、水体光热传输特点和藻类群落丰度季节变化等环境生态要素进行聚类分析，获得水库调蓄下小江回水区藻类生境变化与群落演替8个典型时段，分别为4月下旬～5月(或6月上旬)、6月(或中旬)～7月下旬(或8月上旬)、8月～9月、10月上旬、10月下旬～12月上旬、12月下旬～2月上旬、2月下旬～3月上旬、3月下旬～4月上旬。在藻类生态功能分组基础上，尝试建立了水库运行初期小江回水区藻类群落演替的宏观生态模式。
　　 本研究的创新点包括：
　　 (1)在三峡水库支流水华的研究中，首次引入藻类生境选择学说和生态功能分组概念分析、探究藻类群落结构的生态特征与演替过程。在物理边界不稳定的过渡型生态系统中，建立了藻类生态功能组同环境变量的多元统计模型并进行了有效性验证，拓展了藻类生境学说和生态功能分组的运用范围。
　　 (2)提出藻类可利用能量指数的概念，并对其进行概化；尝试将微观状态下水体扰动改变藻类受光条件同宏观条件下水体滞留时间变化相结合，以阐释水体滞留时间对藻类生长和群落演替的影响。
　　 (3)总结并划分了水库调蓄下三峡水库小江回水区藻类生境变化与群落演替的典型时段，在藻类生态功能分组基础上，首次提出了水库运行初期小江回水区藻类群落演替的宏观生态模式。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1淡水藻类群落生态研究进展

1.1.1富营养化、水华释义与藻类群落生态研究的基本科学问题

1.1.2资源竞争理论和TN/TP学说

1.1.3藻类群落演替的生境选择学说与藻类生态功能分组

1.2三峡支流回水区富营养化和水华研究进展

1.3研究思路、内容设置与技术路线

1.3.1研究总体思路、目的和意义

1.3.2研究内容、方法与技术路线

1.3.3拟解决的关键科学问题

2研究区域与采样分析方法

2.1小江流域概况

2.1.1流域地理位置与地形地貌特征

2.1.2气候、气象特点与水文径流概况

2.1.3输沙量和水土流失概况

2.1.4小江流域基本特点

2.2采样分析方法

2.2.1监测布点与采样方案

2.2.2测试指标与分析方法

2.2.3数据来源与分析、处理方法

3水库运行初期小江回水区藻类群落季节演替特征

3.1小江回水区藻类细胞密度、藻类生物量和叶绿素a的季节变化

3.2小江回水区藻类群落的物种组成、结构特点与季节变化

3.2.1小江回水区藻类群落物种组成与常见藻类

3.2.2小江回水区藻类群落结构季节变化与物种演替过程

3.2.3藻类群落生态功能分组及演替过程

3.3小江回水区藻类群落多样性和演替速率季节特点

3.3.1关于藻类群落多样性与演替速率的基本认识

3.3.2小江回水区藻类群落多样性和演替速率的季节变化

3.4小结

4小江回水区藻类生境的水动力特征

4.1小江流域降雨、径流季节变化特点

4.2基于HEC-RAS的小江回水区一维水动力模型建构

4.2.1 HEC-RAS模型基础与应用现状

4.2.2基于HEC-RAS的小江回水区一维水动力特征概化与模型建构

4.3小江回水区总体水动力特点与水体更新交换规律

4.3.1典型河段水力学基本特征

4.3.2小江回水区水体滞留与更新交换特点

4.4小结

5小江回水区营养物的季节变化与输入、循环特点

5.1小江回水区主要营养物赋存形态与季节特征

5.1.1小江回水区氮素赋存形态与季节变化特点

5.1.2小江回水区磷、硅的赋存形态与季节变化特点

5.1.3小江回水区水中颗粒态物质的季节变化特点

5.2小江回水区营养物限制性评价研究

5.2.1天然水体营养物限制性评判方法的分析

5.2.2小江回水区营养物限制状态与季节特点

5.2.3营养物相对丰度间的相互关系

5.3小江回水区营养物输入、循环特点

5.3.1小江回水区磷、硅的输移转化特点

5.3.2小江回水区氮素形态改变与循环特点的初步分析

5.4藻类群落丰度对营养物含量与形态变化的响应特点

5.5小结

6小江回水区藻类生境的光热输入、传递季节特点

6.1小江流域太阳辐射特点与光合作用有效辐射的气候学估算

6.2小江回水区水体光学特性季节特点及其主要影响因素

6.2.1水下光学衰减系数与真光层深度的界定和计算方法

6.2.2小江回水区水体光学特性的季节特点

6.2.3小江回水区水体光学特性的主要影响因素

6.3小江回水区水温季节变化与热力学特征的初步模拟

6.3.1小江回水区水温的季节变化特点

6.3.2小江回水区水温模型的建立与初步演算分析

6.4藻类群落丰度对水体光热条件的响应特点

6.4.1小江回水区藻类群落丰度同水温的相关关系

6.4.2水动力条件下藻类可利用能量指数的提出与概化

6.4.3小江回水区藻类生长对可利用能量指数的生态响应特点

6.5小结

7小江回水区藻类生境变化对藻类群落演替的影响

7.1梯度分析的基本原理及其在藻类生态研究中的运用

7.2藻类生态功能分组的验证与藻类生境要素对群落结构的影响

7.2.1小江回水区藻类生态功能分组有效性和适用性的验证

7.2.2小江回水区藻类生境变化对群落演替的总体影响

7.2.3不同水位状态下藻类群落结构对生境要素的生态响应特点

7.3研究期间水华现象的比较分析与潜在诱因的初步辨识

7.4小江回水区藻类生境变化下群落季节演替的宏观生态模式

7.5小结

8结论与建议

8.1主要研究结论

8.2创新点

8.3进一步研究的建议

致谢

参考文献

附录