论文部分内容阅读
本论文对南水北调中线水源区汉江上游流域的底栖硅藻的时空格局、影响其格局的环境因子、指示物种及其指示值等河流的生态学问题进行了研究，同时利用硅藻群落计算出常用硅藻指数，筛选出了适合于汉江上游流域亚热带河流的硅藻指数，并运用适用的硅藻指数对此流域的水体健康进行了评价。同时，研究了工程的调水地丹江口水库水体中浮游植物群落的生态学特征，并利用浮游植物进行了丹江口水质及生态安全评价。主要研究结果如下：
(1)底栖硅藻的空间格局及其影响因素对2007年11月采集的29个样点的底栖(附石)硅藻进行研究，共鉴定31属，194种(变种)。Achnanthes biasolettiana var.biasolettiana，A.biasolettiana var。subatomus两种曲壳藻的密度分别占所有总类的17.9％和11.1％，密度超过5％的另外还有Navicula minima(8.7％)，A.minutissima var.saprophila(8.1％)和A。minutissima var.minutissima(7.4％)等三种。对理化指标的PCA分析提取了六个特征根大于1的主成份，共解释总变异的88.1％。前两轴的变量(解释了53.4％的总变异)和水体离子浓度(SO42-、NO3-、Mg2+)及营养盐(氮和磷)水平直接相关，第三轴主要反应DOC梯度变化。利用典型对应分析研究了影响底栖硅藻群落结构的环境因子，前两轴的因子载荷分布在总磷(TP)、可溶性有机碳(DOC)和主要离子浓度上，共解释了群落组成变异的24.9％。因此，DOC、TP和主要离子如K+、Na2+、Cl-、F-是影响硅藻群落空间格局的主要因素。采用双向指示物分析对底栖硅藻的空间格局分析，其结果将采样点分成两组，干流采样点除9号样点外都属于一组，支流则在另一组。经过MRPP验证，两组差异显著(p<0.001)。对每个样点的硅藻群落分别进行Shannon-Wiener指数、均匀度及丰富度计算，干流组平均值依次是2.9、0.8和47.6；支流组平均值依次为2.1、0.6和33.3。经过方差检验，两组间差异显著。
(2)底栖硅藻群落结构时间动态及其影响因素对2007年到2010年间7次采样进行底栖硅藻种群演替特征的研究，共观察到底栖硅藻185个种(包括变种)。Achnanthes biasolettiana var.biasolettiana、A。biasolettiana var.subatomus、A.minutissima var.saprophila、Nitzschia dissipata在所有采样点的7次采样中是绝对优势种，其平均相对丰富度分别为11.87％、12.67％、6.83％和5.90％，其余种类的平均丰富度均未超过5％。优势种的出现具有明显的季节特征。A.biasolettiana var.biasolettiana、A.biasolettiana var。subatomus在两年内的所有采样中均为优势种，而Diatoma vulgaris、Gomphonemaminutum、Navicula capitatoradiata仅在1月份为优势种，Cymbella minuta、Melosiravarians仅在4月份占优势，Navicula seminulum仅在7月份占优势，Cocconeisplacentula var.euglypta和Navicula minima在11月份占优势。
底栖硅藻的丰富度具有明显的季节变化趋势，但Shannon-Wiener多样性、均匀度指数变化不显著。物种的丰富度值变化幅度较大，14～61，平均物种丰富度为30。11月份的物种丰富度明显高于其他季节(p<0.01)。从时间动态来看，底栖硅藻密度、底栖藻类的叶绿素a(Chla)及无灰干质(AFDM)的最大值都出现在枯水季节(1月和4月)，分别为3.10×1010个/m2、105.91mg/m2和18506.57mg/m2；最小值出现在丰水季节(7月和8月)，分别为1.4×109个/m2、16.14 mg/m2和3899.75mg/m2。方差分析表明，底栖硅藻密度、底栖藻类Chla和AFDM的时间间隔间的差异显著(p<0.01)。理化因子具有明显的时间动态，丰水季节(7、8月份)的温度(t)、高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、DOC、硅(Si)和F-值最高；而HCO3-、SO42-、Mg2+三种离子表现为11月份最高。其他指标比如TP波动较大，没有显示出明显的变动规律。利用db-RDA研究了影响底栖硅藻群落时间动态的环境因子。总体看来，有机氮污染梯度、即各种形式的氮元素合并其他因素影响底栖硅藻群落结构的种群演替。
(3)底栖硅藻与环境因子的定量关系研究运用了加权平均回归模型对理化因子与底栖硅藻的关系进行了定量研究，并计算出指示种的指示值。加权平均回归和校准计算出了非常好的pH，TN，TP，DOC，SRP、Na+、F-和TDS预测模型，其预测值与实测值相关性最好的模型是pH值加权回归模型，并且残差均匀，R2=0.82，RMSE=0.11。其他模型的R2值都在0.7以上。由加权回归模型，同时计算出物种对环境因子的指示值(包括最适值和耐受值)。在本研究区域，有三种曲壳藻是潜在的高TN指示物种，括号中为最适值，分别为：Navicula subminuscula(TN2.64 mg/L)、Naviculacryptotenella(TN2.20 mg/L)、Nitzschia palea(TN2.12 mg/L)。另外两种为高浓度总磷的指示物种，包括Cymbella minuta(TP0.11mg/L)和Nitzschia dissipata(TP0.12mg/L)。指示高浓度DOC的物种仅有一种，为Cyclotellapseudostelligera(DOC1.74 mg/L)。
(4)底栖硅藻指数的筛选及其应用Pearson相关分析发现，硅藻指数之间有很好的相关性。除了IDAP指数外，其他的14个硅藻指数之间都存在明显相关。EPI-D、IBD和WAT三个指数显著正相关(p<0.01)。我们利用逐步回归分析去筛选本研究区域合适的硅藻指数。预测模型显示备选硅藻指数能够预测河流中的营养水平和离子浓度。在所有备选的指数中，WAT、IBD和EPI-D回归模型中相关系数R最高，并能预测多种水化因子，如DO、TP、NH4-N、NO3-N和离子浓度。组A(干流点)处于中富营养水平(meso-eutrophy)，组B(支流点)处于贫中营养水平(oligo-mestrophy)。两组之间差异显著(p<0.01)。
(5)水源区浮游植物时空格局及其应用通过对丹江口水库2009年到2010年的水质和浮游植物的调查，分析了浮游植物群落的时空动态，利用典型对应分析法(CCA)研究了影响群落时空格局的环境因素，同时运用细胞密度及群落多样性指数等进行了水质综合评价。结果表明浮游植物群落种类组成中硅藻门占51.08％，其次是蓝藻(18.39％)。浮游植物群落结构、密度及生物多样性指数都具有明显的季节变化特征，夏季蓝藻为优势藻类，占42.24％，春、秋和冬季硅藻均为绝对优势种类，分别占77.13％、61.29％和50.91％，因此丹江口水库已成为硅藻-蓝藻型水库。除Margalef指数(Dm)外，Shannon-Wiener指数(H’)、Simpson指数(D)、Pielou指数(J)季节变化趋势一致，秋季、夏季、春季到冬季依次减小。指数H’、D、J秋季都达到最大，分别为2.08、0.77和0.65；在冬季值最小，依次为0.85、0.32和0.28。丹江口水库的丹库和汉库两个库区浮游植物群落物种的多样性、丰富度及均匀度指数的空间差异不显著。典型对应分析表明，除秋季外电导是丹江口水库各个季节影响群落结构的最主要因素。从浮游植物细胞密度评价丹江口水库水体为贫营养水体；从多样性指数分析来看，水体介于β-中污染带到寡污染带之间。