太湖水域生态系统近代演化过程及其自净功能研究

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本文以生态学理论为指导,首次引入经典系统分析的方法,借助遥感手段,分析太湖水域生态系统的结构、功能和演化特征,并提出了太湖水域生态系统白净功能修复的建议。具体研究步骤、内容和结论如下: (一)国内外湖泊富营养化研究的焦点和难点主要集中于蓝藻水华的暴发机制和富营养化的整治措施两个方面。然而,人多数研究对于生物种群间相互作用的关系涉及较少,尤其缺乏对湖泊生态系统演化特征与蓝藻暴发的关系的研究,并且没能认识到湖泊的富营养化控制和治理是个典型的生态学问题。目前,生态系统理论和系统分析方法已经开始在太湖富营养化研究中崭露头角,但都没能透彻分析湖泊生态系统的结构,其在外界干扰下的演化特征,以及自净功能的变化规律。针对这些问题,提出了本文的研究思路。 (二)在太湖水域生态系统结构分析中,论文首先分析水平结构。选用1979年到2001年间的六个时相的Landsat遥感数据解译植被分布特征,将其划分为六个子系统:高等植物密集区子系统、高等植物中等区子系统、高等植物稀疏区子系统、水生植物稀疏区子系统、浮游植物中等区子系统、浮游植物密集区子系统。接下来进行垂直结构分析。按叶片主分布区所占据的空间范围的不同,可将水生高等植物的生境自上而下划分为三个层片,依次为挺水植物层、浮叶根生植物+漂浮植物层、沉水植物层。按矿质营养吸收器官的主体部分(根群、茎、叶片的主分布区)所占据的空间范围的不同,可将水体划分为两个层片,自上而下分别为漂浮植物层、沉水植物层,浮叶根生植物横跨两个层片;可将底泥划分为三个层片,自上而下依次为浮叶根生植物层、沉水植物层、挺水植物层。浮游植物群落通常只能划分出一个层片。最后从空间分布及主要物种、生境特点(水体透明度、水体营养盐、底泥)、植物群落的垂直结构三个方面,分析了各个子系统的结构特征。 (三)接下来,分析了太湖水域生态系统对N、P污染物的净化功能。首先指山净化功能由各子系统分工协作完成,并详细介绍了各子系统在N、P污染物净化中所起的作用。然后提出净化功能的概念,认为净化功能由系统结构和环境共同决定,取决于N、P污染物迁移过程与各子系统空间分布格局的契合程度,并分析了N、P污染物在系统内的迁移过程以及各子系统空间分布格局的特征。最后阐述各子系统如何分工协作完成对N、P污染物的净化。 (四)在结构、功能分析的基础上,分析了太湖水域生态系统的演化过程和原冈、机理。首先从子系统空间格局、子系统内部植物种群以及植物生境三方面分析太湖水域生态系统结构演化的特征,其中以高等植物密集区子系统面积的变化特征最具代表性。然后分析N、P净化功能的演化,用单位面积和单位质量高等植物所承受的污染负荷、未完成的净化任务来定量刻画净化功能的变化。最后从外部人为活动干扰和内部生物竞争两方面分析太湖水域生态系统演化的原因和机制。人为活动是外冈。人类直接排放N、P污染物、实施工程措施和渔业养殖等活动,不仅改变了太湖水域生态系统与外界环境间相互作刚的强度、方式和途径,也破坏了系统内部结构。高等植物和浮游植物对生境条件要求的差异,浮游植物“侵略性”和“排他性”的特征,是系统演化的内因。 (五)结合结构、功能、演化分析的结果,提出了太湖水域生态系统生态修复的思路。一方面,需要对N、P污染物排放实施总量控制。根据“允许排放总量”的概念,利用近代历史上的某一时期(此时太湖水域生态系统处于稳定状态,其输出终端的水质符合要求)太湖水域生态系统所承担的污染负荷,估算出N、P污染物允许排放总量区间(TN28000-30600吨/年,TP 1750-2000吨/年)。并提出对该总量进行分配时应遵循“舍人取小”、“入多山少”、“分散排放”、“点面结合”等原则。另一方面,需要调整太湖水域生态系统的内部结构。根据太湖水域生态系统的功能障碍,应当控制相对敞水区,并有针对性地恢复、重建、科学管理水生高等植被。 (六)最后,总结归纳了本次研究的主要结论,并就进一步的研究提出了相关建议。
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