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随着经济社会的飞速发展,湖泊富营养化问题口益严重,已经成为了全球性的环境问题,湖泊生态系统的服务功能严重退化。底栖动物作为一个重要的功能类群,在湖泊生态系统物质循环和能量流动中起着重要的作用。本文以长江中下游浅水湖泊(太湖、巢湖和武汉市周边湖泊)为研究对象,系统研究了底栖动物群落结构的空间分布格局,进一步研究了底栖动物群落结构与环境因子之间的关系。浅水湖泊内源营养盐的释放机制备受关注,底栖动物的生物扰动作用在沉积物-水界面营养盐的交换过程中起着重要的作用,本文采用室内模拟试验的方法研究了长江中下游浅水湖泊优势种底栖动物的生物扰动作用对营养释放的影响机制,为控制湖泊水体内源营养释放、富营养化的治理和生态建模等提供了重要的理论依据。具体的研究结果如下:
1.太湖富营养化程度的分区现象异常明显,不同湖区可大致可以归属于三种状态,即清水草型稳态、浊水藻型稳态以及介于二者之间的过渡状态。2009年对太湖9个采样点进行逐月份底栖动物的调查研究,共记录3门7纲22科49种。聚类分析的结果表明,不同湖区底栖动物的群落结构差异显著,草型湖区的生物多样性和物种均匀度最高,优势种为腹足纲螺类(如纹沼螺和椭圆萝卜螺);藻型湖区生物多样性最低,密度最高,优势种为耐污性强的霍甫水丝蚓和正颤蚓,藻型湖区不同采样点软体动物的优势种不同,其中大浦口软体动物的优势种为瓣鳃纲河蚬,竺山湾软体动物的优势种为腹足纲铜锈环棱螺;过渡湖区生物多样性略高于藻型湖区,底栖动物的优势种为河蚬、多毛类寡鳃齿吻沙蚕和小头虫。典范对应分析的结果表明,富营养化程度、大型水生植物的存在状态和沉积物性质(颗粒组成和氧化还原电位)是导致太湖大型底栖动物群落结构空间分布异质性的重要因因素。用频数分析的方法给出了太湖不同湖区的特征参数如下,
(1)草型湖区:透明度(SD)＞0.65m,沉积物总氮(TN)＜2.5gkg干土-1,问隙水铵态氮浓度(NH4+)＜1.6mg1-1,Shannon-Weiner指数(H)＞2,颤蚓科密度(DT)＜1000ind.m-2,多毛类密度(Dp)＜128ind.m-2;
(2)藻型湖区:SD＜0.65m,TN＞2.5gkg干±-1,NH4+＞1.6mgl-1,H＜2,DΥ＞1000ind.m-2,Dp＜128ind.m-2;
(3)过渡湖区的阈值特征为SD＜0.65m,TN＜2.5gkg干土-1,NH4+＜1.6mgl-1,H＜2,Dr＜1000ind.m-2,Dp＞128ind.m-2。
2.2010年,巢湖30个采样点,共记录3门5纲8科20属23种。其优势种为菱跗摇蚊、小摇蚊、霍甫水丝蚓、长足摇蚊、正颤蚓、苏氏尾鳃蚓和铜锈环棱螺,东部湖区和西部湖区的优势种差异显著,东部湖区主要以菱跗摇蚊和小摇蚊占优势,西部湖区主要以耐污性更强的霍甫水丝蚓、正颤蚓和长足摇蚊占优势,西部湖区底栖动物的总密度明显高于东部湖区,但是东部湖区和西部湖区在物种数目、生物多样性、和物种均匀度指数方面并无明显的差异。与太湖相比,巢湖底栖动物物种数目明显较少,对比分析表明两者主要差别在于腹足类软体动物的种类数目上,太湖总共采集到腹足类软体动物7种,而巢湖仅1种,太湖软体动物腹足类主要集中分布在东太湖水草区,因此,推断巢湖大型水生植物的消失是造成底栖动物物种数目锐减的重要原因。
3.2011年对武汉周边的17个湖泊进行大型底栖动物群落结构的调查研究,并运用TSI指数、Shannon-Weiner多样性指数、Wright生物指数和BI生物指数进行水质评价,共记录到大型底栖动物3门4纲9科22种,底栖动物的优势种为霍甫水丝蚓、苏氏尾鳃蚓和长足摇蚊。水质化学(TSI指数)评价的结果为:龙阳湖、青菱湖养殖区、南太子湖和三角湖污染最为严重,梁子湖、严东湖、青菱湖水草区、后官湖污染最轻,其余9个湖泊为为中度污染,3个生物学指数中,BI生物指数评价的结果与实际的情况吻合率最高,故能较好地反映武汉周边湖泊的水质状况。
4.分别以太湖和东湖为研究对象,用室内模拟试验的方法研究了大型底栖动物的分泌排泄作用对沉积物-水界面营养盐交换(N、P)以及碱性磷酸酶活性的影响。底栖动物分泌排泄营养盐的释放速率及碱性磷酸酶活性与底栖动物的类群及其食物的来源有关,霍甫水丝蚓和摇蚊幼虫分泌排泄营养盐的释放速率最高且促进碱性磷酸酶的活性,软体动物长角涵螺、椭圆萝卜螺、铜锈环棱螺和河蚬分泌排泄营养盐的释放速率较低,且抑制了碱性磷酸酶的活性,太湖多毛类寡鳃齿吻沙蚕和小头虫对营养盐的释放速率和碱性磷酸酶活性的影响较小。太湖霍甫水丝蚓和摇蚊幼虫提高了有机磷细菌的数量,而软体动物河蚬和环棱螺明显降低了有机磷细菌的数量。底栖动物通过改变有机磷细菌的数量进一步导致不同处理组碱性磷酸酶活性的显著性差异。底栖动物分泌排泄引起的营养盐的交换通量与其种类组成以及各组分的生物量关系密切。东湖底栖动物分泌排泄的溶解反应性磷(SRP)约占上覆水SRP的36％;太湖藻型湖区底栖动物分泌排泄的SRP和铵态氮的释放通量分别为111.7±49.6molPm-2dq和1037.7±602.8molNm-2dq,是草型湖区和过渡型湖区的15-20倍。因此,底栖动物分泌排泄的铵态氮和SRP对内源营养氮磷释放起着至关重要的作用。
5.通过室内模拟实验的方法分别研究了大型底栖动物河蚬、羽摇蚊幼虫的生物扰动作用对有机质(藻类碎屑)分解及营养盐快速补充机制的影响,藻类碎屑的添加在最开始的6-9天引起二氧化碳释放速率(TCO2)、沉积物耗氧速率(SOD)、铵态氮和SRP的释放通量快速增加,铵态氮和SRP的释放通量与TCO2、SOD关系密切。而且铵态氮和SRP的释放通量呈现正相关的关系,说明具有共同的释放来源,归因于藻类碎屑细胞内营养盐的快速溶出,因此,有机质是营养盐快速释放重要的源。河蚬为滤食性底栖动物,其引入明显加快的藻类碎屑的清除表明河蚬对藻类的控制具有重要的作用。河蚬处理组二氧化碳的释放速明显增加,表明河蚬促进了有机质的降解,河蚬在自身呼吸耗氧之外,增加了沉积物耗氧速率约2倍,表明河蚬的生物扰动作用促进了底栖微生物的电子传递系统的活性(Ets),同时河蚬的引入明显促进了硝化反应与反硝化反应之问的耦合。太湖河蚬的密度和生物量在水华暴发的夏季达到峰值,其壳长-频数分布的周年变化表明河蚬为一年生底栖动物,其繁殖期主要在4月份,最大频数对应的体长范围的峰值出现在7月份,为17-18mm。羽摇蚊幼虫营穴居生活,在沉积物表面筑U型巢,其生物引灌作用可以起到“泵”的作用,增大了沉积物-水界而营养盐的交换通量,摇蚊幼虫的引入明显促进了铵态氮和SRP的释放,在曝气的情况下,羽摇蚊幼虫明显促进了硝化反应的进行,在未加摇蚊幼虫的处理组,曝气明显抑制了铵态氮和SRP的释放,表明厌氧是营养盐快速释放的机制之一。