基于M-IBI和P-IBI的湖泊生态系统健康和生物完整性机制研究

摘要

湖泊的生态安全问题已成为制约区域社会经济可持续发展的重大环境问题，生态系统健康和生物完整性机制是当前湖泊生态学研究的热点。本研究以安徽省阜阳市颍上县八里河（淡水湖泊）为研究对象，于2016年11月和2017年4月在进行野外采样分析，借助生物完整性指数方法分别构建浮游生物完整性指数(P-IBI)和微生物完整性指数(M-IBI)生态系统健康评价体系，对淡水的生态系统健康水平进行评价，并分析了IBI方法在淡水生态系统健康评价中的适用性以及构建M-IBI和P-IBI评价体系过程中环境因子的选择，最后探讨了不同的环境因子对湖泊中浮游生物和微生物完整性机制的影响。主要结论如下:
　　(1)选取M4枝角类、桡足类单元数，M18绿藻丰度，M20硅藻商，M27浮游动物/浮游植物密度比4个参数建立了P-IBI生物完整性评价体系，评价结果显示:浮游生物完整性较差的区域出现在五里湖沟入湖口处以及上下湖连通过渡的区域。11月份浮游生物完整性顺水流方向呈增加的趋势，自研究区域上游河道的污染是造成浮游生物完整性降低的主要原因;4月份上游支流汇入的污染物浓度减少，人类活动带来的影响效果变得更为明显。
　　(2)P-IBI值与环境因子的相关性分析结果显示，P-IBI值与WT（水温）、C（电导率）、pH显著正相关(p＜0.05)，与NH4+-N（氨氮）和TP（总磷）极显著负先关(p＜0.0l)。浮游生物群落分布与环境因子RDA分析的结果显示所有环境因子一共能解释78.4％的浮游生物群落分布，其中第一排序轴解释了52.0％的物种数据方差及66.4％的物种与环境因子相关方差，说明第一排序轴代表了影响浮游生物群落分布的主要环境因子，对浮游生物群落分布的主要影响因子为WT、C、pH和TUR（浊度）。
　　(3)各采样点微生物样品绝对丰度排名前35的OTU（操作分类单元）矩阵与环境因子矩阵之间的Spearman相关性分析结果显示，STN（沉积物总氮）、NO2--N（水体亚硝氮）、TP、C、d（水深）、pH与微生物群落分布有显著关系，其中NO2--N和TP与火部分物种呈显著正相关，C、d、pH与大部分物种呈显著负相关。
　　(4)选取T14拟杆菌门相对丰度、T18β变形菌纲相对丰度、T20δ变形菌纲相对丰度、T31军团菌属相对丰度4个参数构建M-IBI生物完整性评价体系，评价结果显示:11月八里河的M-IBI值在2.1325～2.5913之间，微生物完整性顺水流方向呈增加的趋势，亚健康点(M12)和一般点(M6)分布在靠近湖岸的区域;4月八里河的M-IBI值在1.6407～3.2230之间，微生物完整性顺水流方向呈增加的趋势，M-IBI值最低的区域位于第三湖沟汇入湖泊的区域(M1、M2)，差点(M1、M2)和一般点(M5、M6、M7)主要分布在上湖。与浮游生物完整性指数评价结果相比，微生物完整性指数评价结果与之在整体变化趋势上一致，皆为沿水流方向生物完整性指数逐渐增加，在湖泊出水口处生物完整性指数最高，但在小范围内生物完整性优劣呈现一定差异。
　　(5)对2016年11月和4月在各微生物采样点出现频率＞1/3的103个纲水平下微生物相对丰度矩阵与12个环境因子组成的环境因子矩阵进行相关性分析，结果显示:M-IBI值与所有的环境因子均无显著的相关关系。RDA分析也显示12个环境因子对于浮游生物群落分布的解释量只有52.8％。将M-IBI与环境因子相关性分析的结果与沉积物微生物与环境因子RDA分析的结果综合起来，发现所选择的12个环境因子对沉积物微生物生物完整性的影响不大。
　　本文针对八里河建立了P-IBI和M-IBI生态系统建康评价体系，分析了关键环境因子对IBI值的影响方式，从IBI指数的角度出发探讨环境因子对浮游生物完整性的影响机制，可为湖泊生态修复和湿地保护提供理论依据。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 水体生态系统健康评价方法研究进展

1．2．1 指标体系法

1．2．5 指示物种法

1．3 浮游生物群落与水生态系统健康相关性研究

1．3．1 浮游生物对环境因子变化的响应

1．3．2 浮游生物在水生态系统健康评价中的应用

1．4 微生物群落与水生态系统健康相关性研究

1．4．1 微生物对环境因子变化的响应

1．4．2 微生物群落在水生态系统健康评价中的应用

1．5 研究目标与内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

1．5．3 主要创新点

第2章 研究区域与方法

2．1 研究区域概况

2．1．1 八里河流域概况与水污染现状

2．1．2 采样点布设

2．2 样品采集与处理

2．2．1 水质样品采集与指标测定

2．2．2 沉积物样品采集与指标测定

2．2．3 微生物DNA提取与高通量测序

2．2．4 浮游生物样品采集与处理

2．3 数据分析

2．3．1 生物多样性指数计算

2．3．2 生物完整性指标体系构建方法

2．3．3 统计分析

第3章 基于P-IBI的湖泊生态系统健康评价与生物完整性影响机制研究

3．1 浮游生物群落结构及多样性

3．1．1 浮游植物群落结构及多样性

3．1．2 浮游动物群落结构及多样性

3．2 P-IBI生物完整性评价体系建立

3．2．1 参考点与受损点的确定

3．2．2 候选浮游生物指标的筛选

3．2．3 评价体系标准确定与结果

3．3 环境因子对浮游生物完整性的影响机制

3．3．1 影响P-IBI值的关键环境因子阈值

3．3．2 浮游生物群落分布与环境因子的约束排序分析

3．4 本章小结

第4章 基于M-IBI的湖泊生态系统健康评价与生物完整性影响机制研究

4．1 沉积物微生物群落结构及多样性

4．1．1 沉积物微生物群落结构分析

4．1．2 沉积物微生物多样性分析

4．2 M-IBI生物完整性评价体系建立

4．2．1 环境因子敏感种和耐受种的确定

4．2．2 候选微生物指标的筛选

4．2．3 评价体系标准确定与结果

4．3 环境因子对微生物完整性的影响机制

4．3．1 影响M-IBI值的关键环境因子阈值

4．3．2 微生物群落分布与环境因子的约束排序分析

4．4 本章小结

第5章 结论

6．1 存在的问题

6．2 展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢