基于松嫩平原湖泊群硅藻-总磷转换函数的湖泊营养演化重建

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湖泊富营养化是我国乃至全球湖泊当前面临的一个主要的环境问题,而氮、磷等营养元素的过量富集则是引起湖泊水体富营养化的根本原因。松嫩平原湖泊群是我国湖泊密度最大的地区之一。近年来,该地区湖泊盐碱化日益严重,富营养化加剧,针对松嫩平原湖泊群生态环境的现实问题,急需开展该地区水质变化的机理研究。本文通过整理分析2008年6-8月采集的松嫩平原湖泊水样数据,对各样点的硅藻物种进行鉴定、计数,对样点水体进行水化学类型的划分,并建立了两个数据集:区域80个采样点数据集,以及由71个采样点组成的重碳酸盐类钠组I型水(CINa)数据集,分别定义为数据集Ⅰ和数据集Ⅱ。利用典型对应分析(CCA)分别研究两个数据集的浮游硅藻分布与环境参数的关系,明确两个数据集中影响硅藻属种分布的关键环境因子,并选择合适的数据集来建立硅藻-关键环境因子转换函数。利用该转换函数,在测年技术的支持下,对查干湖历史时期的关键环境变量进行定量重建,得到其演变序列,辅以其他指标记录分析,对推导的环境演化过程进行验证,并进一步对其演化的驱动因素进行分析探讨。获得的主要结论如下:(1)经鉴定计数,用于建立数据集Ⅰ的硅藻(至少在2个采样点出现且至少在一个样品中含量大于1%)有91个物种;用于建立数据集Ⅱ的硅藻有88个物种。两个数据集中,优势种都为Aulacoseira granulata,Aulacoseira ambigua和Cyclotella meneghiniana,它们经常出现在富营养化的水体中。(2)对两个数据集的浮游硅藻与各种环境梯度进行一系列的排序分析,结果显示浮游硅藻的属种分布表现出对环境梯度的响应。其中,一些耐营养盐的种类如Nitzschia austriaca,Pinnularia microstauron var.brebissonii,Navicula cuspidata,Gomphonema parvulum,Nitzschia levidensis var.salinarum和Fragilaria brevistriata与总磷梯度呈正相关。(3)基于两个数据集的排序分析都表明:15个环境指标中总磷解释了硅藻属种的最大变率,是影响硅藻属种分布的一个最重要且显著的环境参数,两种情况下(基于数据集Ⅰ和基于数据集Ⅱ)从总磷的边界效应方差解释值和属种的单峰响应程度来看,应使用数据集Ⅱ71个采样点的数据来建立硅藻-总磷转换函数更为合适。(4)利用数据集Ⅱ71个采样点中的数据,采用加权平均回归(WA)方法及偏最小二乘加权平均回归(WA-PLS)方法建立硅藻-总磷转换函数,WA-PLS(组分5)提供了较高的实测值与推导值的相关系数(R2Jack=0.759),成为最佳建模方法。在删除异常样品后,硅藻-总磷转换函数的推导误差减低(RMSEP=0.169),实测值与推导值的相关系数提高(R2Jack=0.823)。因此经过残差成分提取后的WA-PLS(组分5)模型为最终确定的理想模型。与世界上其他的区域硅藻-总磷转换模型相比,本研究中得出的转换函数推导能力较强。(5)将构建的松嫩平原硅藻-总磷转换函数应用于查干湖的沉积岩芯,在测年技术的支持下,定量重建了查干湖19世纪50年代末期-2016年间的总磷含量,这150多年来推导的查干湖湖水总磷浓度在0.088-2.073mg/L间波动,变化幅度较大。(6)将查干湖150年来营养水平的定量重建结果结合粒度组分特征、该区域局部时间尺度下的水质监测记录、气候研究记录及人为干扰因素进行对比论证,分析探讨重建的水体营养态的变化趋势。进一步结合部分年份(1984、1985及2002-2016年)查干湖水体总磷浓度实测值与推导值的拟合结果,证明构建的区域硅藻-总磷转换函数具有适用性,推导结果具有可靠性。经过验证的总磷浓度推导值指示了这期间湖泊水质由Ⅴ类演变为劣Ⅴ类再逐渐演变为Ⅳ-Ⅴ类的变化过程;湖泊营养状态演化经历了由轻度富营养化演变为过营养化,之后又恢复为目前的轻度富营养化状态。(7)分析查干湖的外源磷负荷和磷的内部再循环对湖泊水体营养演化产生的影响,着重对比了查干湖水体中磷浓度的推导值与沉积物磷实测值的变化趋势,探讨了在不同的环境条件下,磷在沉积物与水体间的循环过程及湖泊水生生态系统的自调节机制。
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