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渭河潜流带大型无脊椎动物扰动对重金属Cu迁移的影响研究

赵晓田  
【摘要】:大型无脊椎动物是河流潜流带的重要组成部分,其扰动作用对潜流带的生态过程和水体中污染物的生物地球化学循环有重要影响。本研究以渭河流域为研究对象,选取了渭河干流、泾河水系和北洛河水系共50个采样点,在2017年5月进行了渭河流域大型无脊椎动物调查采样。基于野外调查和室内鉴定分析结果,确定渭河流域大型无脊椎动物的群落分布及多样性特征。选取两种不同功能群的大型无脊椎动物优势物种水丝蚓和摇蚊幼虫为对象,进行21天的室内微宇宙模拟实验。分析了水丝蚓和摇蚊幼虫的不同密度的单一物种扰动及其组合扰动下沉积物和上覆水特性变化特征,进一步分析了生物扰动类型及密度对上覆水和沉积物间隙水不同深度重金属Cu浓度以及扩散通量的影响,揭示了生物扰动对重金属在上覆水和间隙水中迁移的影响机理。研究结果表明:1)渭河流域大型无脊椎动物种类丰富,群落组成及多样性的空间分布有较大差异。本次野外调查共采集并鉴定出大型无脊椎动物135种,属于3门6纲17目57科,由环节动物门、软体动物门及节肢动物门动物组成。节肢动物占渭河流域总物种的88.90%,并以水生昆虫为主。渭河干流大型无脊椎动物的物种数量多于泾河水系和北洛河水系。渭河干流共采集鉴定出大型无脊椎动物91种,泾河水系85种,北洛河水系最少,44种。流域内大型无脊椎动物的alpha多样性指数在泾河水系最高,其次是北洛河水系,渭河干流最低。而渭河流域beta多样性指数(βsor)在渭河干流(0.92)高于泾河水系(0.91),北洛河水系(0.83)最低。渭河流域大型无脊椎动物物种数量多,而优势物种数量少,水丝蚓和摇蚊幼虫为全流域优势物种,分布广泛。2)室内微宇宙模拟结果表明,水丝蚓和摇蚊幼虫扰动作用下,沉积物不同深度含水率,上覆水pH值和DO含量随实验时间变化。生物扰动显著增加了沉积物含水率,不同生物扰动方式及密度导致含水率变化情况不同。水丝蚓组含水率变化比摇蚊幼虫组明显,混合组含水率最高。通过设置水丝蚓和摇蚊幼虫的低、中和高密度,结果表明,密度对含水率的影响显著,水丝蚓和摇蚊幼虫高密度组含水率高于中、低密度组,对照组最低。无生物的对照组上覆水pH值高于生物组,相对变化平缓。生物组pH值随时间先增加后降低,而后趋于稳定,这可能与生物扰动强度有关。DO含量在各组明显变化,对照组DO在实验后期相对生物组变化平缓。生物扰动造成洞穴通水有效促进上覆水中DO含量降低,且在水丝蚓和摇蚊不同密度组有显著差异。水丝蚓和摇蚊幼虫组pH值和DO含量有显著差异,这与它们不同扰动方式有关。3)基于室内微宇宙模拟结果,水丝蚓和摇蚊幼虫的扰动及组合扰动促进沉积物中重金属Cu向水体释放,增加了上覆水和间隙水的Cu浓度。生物扰动对上覆水Cu浓度和间隙水Cu浓度随生物密度和沉积物深度变化影响不同。水丝蚓组和水丝蚓占优势的混合组上覆水Cu浓度变化显著,这与水丝蚓在沉积物-水界面持续的掘穴和摄食过程中的搬运作用有关,增加了Cu释放。生物扰动造成的上覆水特性的变化也会影响Cu浓度。水丝蚓组上覆水和间隙水Cu浓度与其密度呈正相关,摇蚊幼虫组和混合组间隙水Cu浓度与生物密度呈正相关,这可能是由于生物之间相互作用,扰动强度大,沉积物颗粒运动导致重金属释放。水丝蚓的垂直搬运和摇蚊幼虫的生物灌溉作用显著增加了Cu释放,但对Cu在沉积物中迁移影响不同。水丝蚓组间隙水Cu浓度随沉积物深度降低作用显著,这与减弱的扰动活动有关。摇蚊幼虫组间隙水Cu浓度升高,但各密度组间差异不显著,混合组中水丝蚓和摇蚊的相互作用和影响,促进了Cu再分布。摇蚊的间歇活动可能造成了Cu浓度随深度变化不明显。混合组水丝蚓和摇蚊在沉积物中竞争导致Cu浓度变化较大。4)室内实验结果表明,水丝蚓和摇蚊幼虫的扰动增加了Cu扩散通量量值,且与生物密度呈正相关,并造成扩散方向不同。水丝蚓组Cu通量方向为间隙水向上覆水,这会加剧河水污染;摇蚊组方向为上覆水向间隙水,减弱污染;混合组通量方向与摇蚊组相同,量值小于摇蚊高密度组,可能是摇蚊活动抑制了水丝蚓的搬运活动。根据优势物种水丝蚓和摇蚊幼虫不同的作用方式,可为潜流带重金属的防治提供依据。


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