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富营养浅水湖泊藻积层形成及其对水环境的影响

祁闯  
【摘要】:浅水湖泊沉积物有机质累积和内源释放问题已引起广泛关注。区别于缓慢的自然沉积过程,富营养条件下,湖泊藻类和水生高等植物碎屑经过快速搬运、堆积沉积形成的藻积层特征、物质组成及其对水环境质量的影响尚不明确。选择富营养浅水湖泊典型生境,通过原位调查和室内模拟实验,采用微电极界面监测、微量化学检测、分子生物学等技术,研究富营养浅水湖泊藻积层分布及结构特征,分析藻类堆积腐解过程中藻积层的物质组成,探讨有机碎屑沉降和再悬浮对湖底藻积层形成的影响,解析藻类沉降与湖底堆积层耦合作用过程,阐明藻积层形成发育过程对湖泊水环境的影响。主要研究发现如下:(1)界定了藻积层的概念、物质组成及其分布特征在太湖藻类水华聚集沉积区域,选择典型生境的藻积层,原位测定藻积层的厚度、颜色等,采集柱状样品,分层测定含水率、碳氮有机物等。结果表明:藻积层是以藻类有机碎屑为主的生源物质淤积而形成的特殊堆积沉积层,主要分布在富营养浅水湖泊中的一些特殊区域,如湖湾、湖滨带、侵蚀漕和挺水植物群丛内。藻积层淤积厚度从20~100 cm不等,以湖滨带侵蚀漕内的藻积层最厚;整体表现为厌氧强还原特征,表层0~10 cm含水率高达65.3%,碳氮比范围在6.3~11.6,沉积物中生物易降解有机质占总有机质比重介于46%~77%之间,物质组成上表现为脂类糖类蛋白质。相比之下,以水生高等植物碎屑沉积为主的草积层,碳氮比范围在22.4~29.3,生物易降解有机质占总有机质比重仅为20%~47%。(2)探明了有机碎屑沉降和再悬浮对湖底藻积层形成的影响针对大型浅水湖泊水动力条件复杂、干扰因素多等问题,自主设计了适用于浅水湖泊的时间序列沉积物捕获器。基于野外不同季节悬浮物浓度及有机质组成特征,结合高频气象数据,明析了太湖西北湖区典型生境有机碎屑的沉降与再悬浮过程。结果表明:太湖西北湖区典型生境主要以湖滨沉积和风生沿岸流沉积为主,有机碎屑的沉降和再悬浮过程具有明显的时空差异性,空间上,开敞湖区藻类堆积区河口区,开敞湖区再悬浮速率高,导致藻类等有机碎屑很难在开敞湖区沉降形成藻积层,沉降的藻类有机碎屑在风浪作用下再悬浮,并随湖流向下风向聚集,最终在湖滨带、湖湾等区域沉降,形成藻积层;时间上,春季和夏季的沉降速率高于秋季和冬季。整体表现为沉降速率大于再悬浮速率,近70%的再悬浮物质来源于已经沉降的物质。在沉降过程中,有机碎屑表现出较强的吸附性,加速藻积层的形成过程。(3)揭示了藻类聚积量和温度叠加导致藻积层形成过程加快基于室内模拟实验,测定藻类聚积厚度对藻类腐解、沉降过程中水体理化指标,同时测定上覆水和沉积物中营养盐和有机质组成,研究分析藻类碎屑分解和沉降的动态过程,探讨藻类聚积量和温度对藻积层形成的影响。结果表明:藻类聚积量越大,氮、磷释放量越高和释放持续时间越长。温度升高,可以加速藻类腐解过程,促进氮、磷营养盐释放过程,TN和TP的最大释放速率分别为6.40和0.63 mg/(L d)。藻类腐解过程不仅向水体释放大量营养盐,而且大量藻类碎屑的沉积增加了沉积物营养盐负荷。藻类腐解初期表现为分解速率大于沉降速率,糖类、蛋白质和色素等活性较高的有机质优先降解,水体营养盐含量迅速上升;腐解中期,随着有机碎屑逐渐增加,沉降速率加快,逐渐达到短暂的分解速率与沉降速率相等的平衡阶段;腐解后期较难降解有机质逐渐累积增加,主要以沉降过程为主,沉降速率大于分解速率,水体营养盐含量缓慢上升,沉积物营养盐负荷不断增加,促进藻积层形成。(4)阐明了湖泊藻积层有机质腐解过程中营养盐和嗅味物质的释放特征在原位调查和室内模拟实验的基础上,构建藻积层形成和腐解的概念模型,进一步分析藻积层有机质腐解对典型生境水质状况、沉积物营养盐负荷和嗅味物质释放的影响,评价生态健康状况。结果表明:藻积层有机质腐解不仅增加了富营养浅水湖泊内源负荷,同时产生致黑致臭物质。嗅味物质组成上,以β-环柠檬醛(β-Cyclocitral)和β-紫罗兰酮(β-Ionone)为主,土嗅素(Geosmin)和二甲基二硫醚(Dimethyl sulfide,DMDS)含量最低,藻类堆积区β-Cyclocitral和β-Ionone的含量分别是嗅味阈值的1.24和93.79倍。上覆水中嗅味物质含量受沉积物中嗅味物质含量影响,藻类堆积区湖水中嗅味物质含量显著高于开敞湖区和河口区,沉积物中嗅味物质具有向上覆水释放的潜在风险。在气候变暖和富营养化的共同影响下,大型浅水富营养湖泊藻类水华不断聚积、淤积于沉积物表层,形成以藻源性有机质为主的藻积层。年复一年,藻类水华及其残体聚集不断增加,在温度较高的季节,表层松散的藻类碎屑分解速度加快,耗氧量增加,底层逐渐进入缺氧状态,厌氧发酵加剧,甲烷、硫化氢、二氧化碳、嗅味物质等不断积累,达到过饱和状态后冲破上层松散沉积物,连同分解产生的溶解态物质释放到上覆水中,导致水体呈现黑臭状态,严重的甚至引发“湖泛”和“黑水团”现象。因此,在评估、控制和预测藻类水华暴发对湖泊生态系统的影响时,藻积层的形成发育过程对水环境质量的影响不容忽视,这一过程是否会加速湖泊演替过程有待进一步研究,这对于调控富营养水体内源污染、管理水生生态系统及保障饮用水安全具有重要的理论和实际意义。


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