白洋淀蓝藻水华防控生态阈值研究

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湖泊富营养化及其伴随产生的藻类水华是国内外普遍关注的重要环境问题。蓝藻水华是我国分布最广、发生频率最高的藻类水华类型。当前富营养化和蓝藻水华治理手段主要为控源截污、削减内源营养盐浓度等,然而实践表明通过控制营养物浓度限制藻类生长的治理方法普遍失灵。一些研究指出生物操纵技术能够更有效限制藻类的过度生长,该技术的核心目标是通过食物链下行效应限制藻类过度生长,其中浮游动物捕食是其中最受关注的一种下行效应。虽然众多文献分析了一些浮游动物物种与藻类生物量或密度之间的负相关性,但少有文献对二者之间的非线性关系,以及其他因素与二者的交互影响有做深入研究。白洋淀是华北平原最大的淡水湖泊,被称为“华北之肾”,但近几十年以来白洋淀经历了数次严重的干淀,加之上游工业废水和淀中村生活污水排入,白洋淀产生了严重的富营养化以及蓝藻水华问题。雄安新区设立后,白洋淀富营养化与蓝藻水华治理问题得到空前重视。本研究依据生态阈值的理论和方法,检测白洋淀浮游动物控藻阈值,并基于阈值提出蓝藻水华的预警方法,并通过分析其他主要干扰因素的交互影响,评估干扰对浮游动物控藻效果的影响,探讨白洋淀基于生物操纵技术防控蓝藻水华的有效途径。主要研究内容和结果如下:(1)开展了枝角类控藻阈值的检测分析。证实了枝角类与蓝藻具有最为显著的非线性关系,枝角类是控制蓝藻密度最有效的浮游动物功能群。得到白洋淀枝角类有效控制蓝藻密度的生态阈值约为9ind·L-1(枝角类),即当枝角类密度大于9ind·L-1时,枝角类捕食作用可以将蓝藻密度稳定控制在较低水平。华北地区其他样点数据的分析结果验证了检测方法的有效性以及白洋淀检测结果的可靠性。(2)进行了白洋淀蓝藻水华爆发风险的预警分析。通过枝角类密度的空间插值分析,发现2019年白洋淀枝角类密度接近或低于阈值的水域集中分布在南部区域,因此当前白洋淀蓝藻水华防控工作重点区域是南部水域。(3)开展了底栖动物控藻阈值的检测分析。发现白洋淀椭圆萝卜螺(Radix swinhoei)与蓝藻密度之间存在明显的阈值,证实了野外生态系统中某些底栖动物对蓝藻的有效控制作用。得到椭圆萝卜螺控藻(蓝藻)阈值约为2ind·m-2(椭圆萝卜螺)。发现椭圆萝卜螺普遍存在时,枝角类对蓝藻的控制阈值关系似乎消失,因此本文认为在水质改善后,椭圆萝卜螺控藻阈值提供了另一种可能适合预警蓝藻水华爆发风险的途径。(4)分析了白洋淀椭圆萝卜螺、浮游动物、浮游植物之间食物网存在的可能性。发现椭圆萝卜螺与浮游动物不同类群之间存在不显著(P>0.05)的负相关性,同时结合散点分布特征表明白洋淀水生态系统中可能存在椭圆萝卜螺、枝角类、蓝藻的食物网。鉴于螺类对沉水植物的牧食作用,本文认为投放椭圆萝卜螺并不适宜作为控制蓝藻密度的有效途径。(5)分析了沉水植物、总磷、椭圆萝卜螺、温度对枝角类控藻效果的协同影响。协同影响分析结果显示,提高沉水植物生物量、降低总磷浓度、降低椭圆萝卜螺密度、更低的温度均会使能够有效控制蓝藻所需的枝角类密度减小,即促进枝角类对蓝藻的控制作用。(6)评估了以削减总磷浓度为主要目标的治理策略在白洋淀的应用潜力。评估结果显示,总磷浓度继续降低,对控藻的贡献十分有限。因此需要考虑基于强化浮游动物控藻作用的生物操纵技术在白洋淀富营养化治理和蓝藻水华防控管理中的应用。本研究确定了野外水生态系统中枝角类对蓝藻的控制阈值,提出了一种有效预警蓝藻水华爆发风险的方法。椭圆萝卜螺与浮游动物、浮游植物之间的数量分析结果为丰富和全面理解水生态系统食物网提供新的证据。干扰对目标压力-响应关系的协同效应分析为理解系统复杂关系和动态提供了依据,并为富营养化和蓝藻水华有效管理对策的提出提供了科学参考。
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