草海湿地水质富营养化与生物多样性风险预警研究——以浮游植物和底栖动物为例

摘要

湿地湖泊中，水环境状态对生态系统起到了重要作用，开展水质评价、污染物时空变化特征研究是保护该类生态系统的重要前提。浮游植物与底栖动物分别是水生生态系统的初级生产者和初级消费者，两类生物的种类及多样性特征受系统内、外在因素的共同影响较为明显，同时也影响着系统的结构与功能，因此，以探讨水生生物多样性变化规律为核心，研究生物多样性及其生境关系对区域生物多样性的保护具有特殊意义。本文为揭示贵州喀斯特高原湿地草海湖泊生物多样性变化与水污染之间变化规律，掌握两者之间的作用关系和风险状态，在草海湿地湖泊共设置了15个采样点，于2014年08月、11月和2015年01月、04月，于四季进行水样、浮游植物与底栖动物采集，并完成相关分析。结果如下：
　　1、草海水环境时空变化及分区。以所测水质参数为基础，运用水质综合评价和GIS空间分析方法，研究草海湿地水环境质量时空变化，并基于营养状态对湖泊水体进行分区。研究表明：（1）草海 TP、TN、CODMn、Chl-a四种主要水质指标浓度在春季高于其他三个季节，浓度分别达到0.03 mg/l、0.98 mg/l、6.30 mg/l、0.025 mg/l，空间分布呈现由东至西逐渐降低的趋势，草海入水口及码头区域要明显高于湖泊其他区域；（2）草海湖泊整体营养状态为中营养级别，按四个季度的综合营养状态指数(TLI)平均值分为三个区域，A区为东北角入水口及西海游客码头长年处于富营养状态，为富营养状态区，53.9≤TLI≤63.0，水质处于Ⅳ与Ⅴ类等级；B区为临近县城及入水口的区域季节性富营养状态，为中营养状态区，41.2≤TLI≤46.6；C区为草海湖泊中心延续到阳关山的下游出水口区域，为贫中营养状态区，35.8≤TLI≤39.7；B区和 C区水质全年为Ⅲ类等级。（3）各区域主要污染物指标以Chl-a、TN为主。
　　2、草海不同污染区浮游植物多样性特征。分析不同水质污染区域浮游植物群落特征、分布情况及其与环境因子的关系，研究发现：（1）草海四次调查共鉴定出浮游植物7门63属250种，其中绿藻门24属145种，约占全湖种类总数的58.00％，绿藻门(Chlorophyta)的小球藻(Chlorell vulgaris）和裸藻门(Euglenophyta）的裸藻(Euglena caudata）在A、B、C三个区域均为优势种群；(2）A区特有优势种为胶网藻(Dictyosphaerium pulchellum)、镰形纤维藻(Ankistrodesmus falcatus)、绿囊藻(Chlorobotrys)、针状蓝纤维藻(Dactylococcopsis acicularis）、线形舟形藻(Navicula rhynchocephala），B区独有优势种为四角十字藻(Crucigenia quadrata)、颤动扁裸藻(Phacus osillans)、煤黑厚皮藻(Pleurocapsa fuliginosa)、微小平裂藻(Merismopedia tenuissima)、小颤藻(Oscillatoria tenuis)、极小拟小椿藻(Characiopsis sublinearis）、椭圆双眉藻(Amphora ovalis)，C区无特有优势种；（3）丰度与生物量在区域与季节之间均存在显著差异(P﹤0.05)，富营养状态A区分别为39.53 cell×106个/L、16.29mg/L，高于中营养状态B区的32.36 cell×106个/L、13.86mg/L，和贫中营养状态C区的30.08cell×106个/L、12.68 mg/L；丰度以绿藻门占绝对优势，其中，A、B区最大值出现于秋季，C区出现于夏季，三个区域季节最低值均出现在冬季；（4）S ha nno n-W ie ner指数（ H'）、Pielou均匀度指数（J'）、Margalef丰富度指数（D'）、多样性阈值（DV），春、冬两个季节中，各样区大小依次为C区﹥A区﹥B区；夏季和秋季中，4类指数值大小则为C区﹥B区﹥A区；（5）各季节对浮游植物丰量影响因子不同，夏季为 DEP、Chl-a，秋季为Chl-a、DO，冬季为CODMn、DO，春季则为pH、DO。
　　3、草海不同污染区底栖动物多样性特征。分析不同水质污染区域底栖动物群落特征、分布情况及其与环境因子的关系，研究发现：（1）四次采样共鉴定出底栖动物21种，隶属于3门6纲8目13科15属，软体动物(Mo llusc s)在密度和生物量上均为主要类型，椭圆萝卜螺(Hippeutis cantor)、摇蚊幼虫(Chironomidae)在各季节各区域中均为主要优势种；（2）种类分布上，水蚯蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)、铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)、中国淡水蚌(Novaculina chinensis)三类底栖动物只在A区采集到，长角涵螺(Alocinma longicornis)只在B区发现，而黄蜻(Pantala flavescens)、中国淡水蛏(Novaculina chinensis)则只在水质相对较好的C区采集得到；（3）底栖动物生物密度在各区域与季节之间存在差异显著（P＜0.05），生物量在各季节间存在差异(P﹤0.05)，在各区域间无显著差异(P﹥0.05)，富营养状态A区分别为640.07个/m2、86.90g/m2，高于中营养状态 B区的158.50个/m2、41.54g/m2，和贫中营养状态 C区的433.50个/m2、38.83g/m2；密度组成主要以软体动物为主，其中，最高值A、B区为冬季， C区为夏季，最低值A、B区为夏季，C区为冬季；（4）生物多样性指标空间上，Sha nno n-Wie ner指数、Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数在夏季和秋季中体现的特征分别为B区﹥C区﹥A区，A区﹥B区﹥C区，春季和冬季中，三个水质区域多样性指数最低值均出现在 C区；（5）分析各类环境影响因子，TP、Chl-a是影响草海夏季底栖动物群落最明显的环境因子，秋季为TP、CODMn，冬季为同时TP、Chl-a，春季则为WT、C hl-a；
　　4、草海不同污染区水质与生物多样性风险评估及预警。运用相关分析等方法进行指标筛选，选定透明度、溶解氧、总磷、总氮、叶绿素 a、浮游植物物种多样性指数、浮游植物物种均匀度指数、底栖动物物种多样性指数、底栖动物物种丰富度指数共9个指标建立风险评估体系。采用熵权法对各评价指标进行赋值，依据生态系统风险综合指数的计算方法（EHCI×100），及分级标准，对草海湿地湖泊各样点水质及生物进行风险评估预警。研究发现：（1）草海湿地水质与生物多样性整体风险值为53.57，中级预警等级；（2）A区年均风险评估值为42.82，中级预警等级，春、夏、秋、冬各季节风险评估值38.25、50.85、44.42、37.77；（3）B区年均风险评估值为58.09，中级预警等级，各季节风险评估值56.67、76.28、46.55、52.58；（4）C区年均风险评估值为59.80，中级预警等级，各季节风险评估值54.69、72.26、56.01、56.26。
　　5、草海水体生物多样性保护建议。风险值的大小是由水质污染状况、草海水生生物多样性综合决定，A区形成的主因是城市污水注入，B区形成的主因是农业面源污染，因此，A区建议减少城市生活污水的进入，同时合理控制湖泊周边农地农药使用、减少化肥施用量，减少水质污染的来源，置半潜流式人工湿地，构建包含浮水、挺水、沉水、大型水生植物在内的多种植物共同组成的人造湿地生态系统； B区与C区建议兴建相关水利配套设施，保证湿地水源来水供给，缩小因不同季节水量不同而形成的污染差异，也可适当增加适应该生态系统的草食性鱼苗的投放量，改进水生生态系统内、外部生物组成，形成较为丰富和完善的水生生态系统食物链，促进生态系统良性循环。

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中文摘要

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前言

1 研究综述

1.1 湿地湖泊水质污染的研究现状

1.2 生物多样性的研究

1.3 水质污染与生物多样性

2 立题依据及技术路线

2.1 立题依据

2.2 技术路线

3 研究区域概况及研究方法

3.1 研究地概况

3.2 采样点设置

3.3 采样与分析方法

4 草海湿地湖泊水质分区

4.1水质指标浓度变化及污染物质空间分布

4.2水体营养状态评价等级及分区

4.3水体各分区污染物特征

4.4 讨论

4.5 结论

5 草海湿地湖泊浮游植物与水质关系

5.1浮游植物群落结构及组成特征

5.2浮游植物物种多样性特征

5.3浮游植物组成结构与环境因子的关系

5.4讨论

5.5结论

6 草海湿地湖泊底栖动物与水质关系

6.1底栖动物群落结构及组成特征

6.2底栖动物物种多样性特征

6.3环境因子与大型底栖动物组成结构的关系

6.4 讨论

6.5 结论

7 草海湿地湖泊水质与生物多样性风险评估及预警

7.1 风险评估指标的选取

7.2水质与生物多样性风险评估预警

7.3草海水质及生物多样性风险预警应对建议

7.4讨论

7.4 结论

8 结论与展望

8.1 研究结论

8.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

附录1：草海浮游植物名录

附录2：草海底栖动物名录

附录3：在校情况简介