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氮、磷营养盐的大量输入是导致湖泊浮游植物快速生长,甚至形成水华的主要原因。同时,湖泊浮游植物对外源营养盐输入的响应可能受沉积物的影响。本文通过模拟实验研究了浮游植物对外源负荷的响应及其与沉积物营养盐释放与再悬浮的关系,同时分析了以鱼类调控和沉水植被重建为主的湖泊生态修复对沉积物再悬浮的影响。
本研究首先于2011年9-10月在太湖梅梁湾实验基地进行了中型生态系统(mesocosms)的沉积物再悬浮实验。实验设不同沉积物再悬浮程度(不扰动和扰动)和不同外源氮负荷(加氮,130μg N L-1d-1和不加氮)两因素、两水平、四种处理。考虑到硝氮是太湖无机氮的主要形态,氮采用硝酸钾KNO3。再悬浮由放置在沉积物表面潜水泵(功率12W,最大流速1200L/H)不间断运行模拟。实验结果表明,在无沉积物再悬浮的情况下,氮添加没有显著促进浮游植物生长;而在模拟沉积物再悬浮的情况下,氮添加显著促进了浮游植物的生长。此结果说明,外源氮负荷对浮游植物的影响受沉积物再悬浮的影响。
2011年的秋季(10月底)和冬季(12月底),通过在有关研究的基础上,在实验装置中引入沉积物,进行了两次微型生态系统的营养盐添加原位生物测试实验(in situ nutrient enrichment bottle bioassay),模拟研究了沉积物-上覆水间的相互作用对湖泊浮游植物营养盐限制状况的影响。实验设两个处理组,A组不添加沉积物,B组添加沉积物(S)。除了对照组(C和SC),两个处理组都分别设加氮(N)、加磷(P)、加氮磷(NP)处理,所以实验共设两个处理组(A组和B组),8种处理(C,N,P,NP, SC,SN,SP, SNP)。氮采用硝酸钾KNO3,磷采用K2HPO4·3H2O。最终的氮浓度为2.00 mg N L-1,秋季最终的磷浓度0.50 mg PL-1,冬季为0.92 mg P L-1。秋季A组实验结果表明,与对照组C相比,只添加磷(P)并没有显著增加Chla的浓度,而氮的添加(N)却导致Chla浓度的显著上升,且氮、磷的同时添加处理组(NP)的Chla和生长率都显著高于对照组(C)和氮(N)或磷(P)的单独添加处理组。冬季A组的实验结果表明,与对照组C相比,只添加氮(N)添加并没有显著增加Chla的浓度,而磷的添加(P)却导致Chla的浓度显著上升,但氮、磷的同时添加处理组(NP)的Chla和生长率并没有显著高于对照组(C)和氮(N)或磷(P)的单独添加处理组。B组的实验结果表明,不论冬季还是夏季,与对照组C相比,只添加氮(N)并没有显著增加Chla的浓度,而磷的添加(P和NP)却导致Chla浓度的显著上升,但氮、磷的同时添加处理组(NP)的Chla浓度并没有显著高于磷(P)的单独添加处理组,沉积物的添加总体都表现为对氮的释放和磷的吸收。生物测试实验结果表明,在没有沉积物的情况下,氮添加显著促进了秋季太湖梅梁湾浮游植物的生长,而磷的添加没有显著作用;氮添加对冬季浮游植物没有显著影响,而磷的添加有显著影响。在有沉积物的情况下,氮添加对秋、冬季梅梁湾浮游植物的生长都没有显著影响,而磷显著促进了秋、冬季浮游植物的生长。结果说明,浮游植物对氮、磷负荷的响应受沉积物的影响。
最后结合在太湖五里湖进行的湖泊生态系统修复工程,调查了沉积物再悬浮对湖泊生态系统修复的响应,探讨了湖泊生态系统修复过程中水质改善的机理。调查结果表明,与对照区相比,已实施鱼类调控和沉水植被重建的五里湖生态修复区氮、磷、悬浮物和叶绿素a等指标显著降低;同时,生态修复显著降低了沉积物再悬浮速率,该速率的降低是生态修复区水质改善的重要机理之一。
本论文研究结果表明,湖泊的沉积物通过与水体间的相互作用以及再悬浮,可显著改变水体营养盐浓度,从而影响浮游植物的营养盐限制状况,进而影响浮游植物的现存量。在进行湖泊浮游植物营养盐限制研究及湖泊生态修复时都应充分考虑沉积物及其再悬浮的影响。