风浪水动力扰动对太湖浮游生物的影响及其生态环境效应研究

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风浪水动力扰动作为天然水体的固有特征,在大型浅水富营养湖泊中发挥着重要作用,对其蓝藻水华形成和生态环境演化具有重要意义。本课题以大型浅水富营养化湖泊——太湖为研究对象,以风浪水动力扰动为主线,将野外观测和野外模拟实验相结合,探索了风浪水动力扰动在太湖中的生态效应。重点研究了风浪水动力扰动对太湖浮游生物生长和群落结构及其磷利用策略的影响,并探索了风浪水动力对微囊藻毒素和有害蓝藻水华的作用。根据太湖的风浪水动力情况(ε=6.01×10-8~2.39×10-4m2 s-3),实验设置了四个实验组:静止组(ε=0)和低(ε=1.12×106m2 s-3)、中(ε=2.95×10-5 m2 s-3)、高(ε=1.48×10-4m2 s-3)扰动强度组。主要研究结果如下:  (1)太湖野外监测发现风浪水动力显著影响浮游植物的空间分布,并控制和决定了其的群落结构。夏季时,在受风浪影响小的梅粱湾,微囊藻为绝对优势藻类;而在受风浪水动力影响剧烈的湖心,硅藻和绿藻取代蓝藻是浮游植物的主要优势藻类。野外模拟实验验证了风浪水动力扰动是导致太湖浮游植物群落结构变化的重要原因。风浪水动力扰动促进了浮游植物的生长并诱导浮游植物群落组成的变化。在风浪水动力扰动条件下脆杆藻(硅藻)快速生长并逐渐取代微囊藻成为浮游植物的优势种。然而,短期(6天内)的水动力扰动主要促进了微囊藻的生长,使其生物量快速增加。此外,在不同风浪水动力扰动条件下浮游植物群落结构发生显著变化的时间约为8~11天,表明硅藻成为优势藻类可能与水动力扰动强度(ε=1.12×10-6~1.48×10-4 m2 s-3)无关,而与水动力扰动持续的时间有关。  (2)短期(6天)的风浪水动力扰动促进了微囊藻的生长,特别是促进了产毒微囊藻的生长并短时间(3天)内提高了其竞争优势。该结果表明短期的风浪水动力扰动对有害蓝藻水华的暴发具有促进作用。与此同时,产毒微囊藻生物量的增加使得水体中微囊藻毒素(总、胞内和胞外微囊藻毒素)的浓度随之升高。此外,较强的水动力扰动(ε>2.95×10-5 m2 s-3)有利于胞内藻毒素的释放,增加了水生生物和人类接触藻毒素危害的风险。  (3)在太湖中,碱性磷酸酶活性是一个简单、有效的表征水体中磷是否缺乏的指标。实验期间,水体中碱性磷酸酶活性主要由浮游植物的碱性磷酸酶活性组成(66~93%)。风浪水动力扰动主要促进了浮游植物碱性磷酸酶活性的升高,其活性约为静止组的两倍。相反,水动力扰动降低了浮游细菌和水体中溶解性的碱性磷酸酶活性。总体而言,风浪水动力扰动提高了水体中总碱性磷酸酶活性,加速了磷的生物地球化学循环过程,有助于蓝藻的生长和蓝藻水华的暴发。  (4)风浪水动力扰动促进了浮游细菌的生长和活性细菌数量的增加。此外,虽然浮游细菌群落结构在实验4天后发生了显著变化,但在所有实验组中浮游细菌的群落结构却表现出很好的相似性,表明浮游细菌群落结构对水体的水动力条件不敏感。本研究结果表明在富营养化湖泊中浮游细菌群落结构作为环境变化的指示指标需要慎重采用。  (5)风浪水动力扰动不利于浮游动物的生长和生物量累积,并对浮游动物的种间竞争产生重要影响。具体而言,个体较大的桡足类和枝角类在静止和弱扰动条件下(ε<1.12×10-6m2 s-3)更具竞争优势,并能维持较高的丰度和生物量;而在强扰动条件下(ε>2.95×10-5m2s-3)只有轮虫能较好的生存,但长时间(9天)的强扰动也会对轮虫的生长产生不利影响。因此,在较强水动力扰动条件下,小型的轮虫逐渐取代大型的桡足类和枝角类成为浮游动物的优势门类,且这个过程大约需要3天时间。  随着全球气候的变化,风力条件在未来有增大的趋势,这将对自然水体的水动力条件产生重要影响。风浪水动力强度和范围的变化对湖泊生态系统的物理、化学和生物学特性均具有重要的影响和意义。本研究有助于更好的了解湖泊浮游生物对自然水体混合和风浪水动力过程的响应,特别是有助于更完整地了解湖泊蓝藻水华的形成机制。因此,为了更好的控制和管理富营养湖泊,不仅要考虑湖泊的化学和生物因子还要考虑常被忽视的风浪水动力条件。本研究为湖泊管理和有效的控制与治理湖泊蓝藻水华提供了理论和决策支持。
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