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在浅水湖泊生态系统稳态转换的驱动力研究中,磷被认为是最重要的因素之一,经过对磷排放的限制,许多湖泊的水质都得到了改善,但对一些湖泊的效果并不理想。工业废水,农业废水的排放中含有大量的氮素,远高于磷的排放量,但入湖排放过程中对氮的限制没有磷严格,因此,在磷浓度不可控制和更高浓度氮排放的现实条件下,深入研究无机氮在浅水湖泊生态系统稳态转换中的作用机制具有重大意义。本文在前人研究的基础上,从稳态系统各个组分入手,通过营养添加和构建模拟浅水生态系统的半自然实验手段,采用水化学、生物学和物理学实验方法,分析了无机氮的不同形态和浓度、不同输入模式以及不同磷浓度条件下对系统内浮游藻类、沉水植物、浮游动物等重要组分的影响,从而研究了无机氮对浅水湖泊稳态转换的作用过程。主要得出了以下结论:
1.对不同的NH4-N和NO3-N负荷下模拟浅水生态系统中初级生产者浮游藻类和沉水植物刺苦草的研究发现:水体Chl a的含量随氮负荷的增加而增加;NH4-N处理下,Chl a增长的速度更快。绿藻和蓝藻是整个实验过程中的优势藻类,总体上NH4-N处理的水体中,绿藻的优势度大于蓝藻。无机氮的添加对刺苦草的分株数没有显著影响,但是显著影响了其生物量。刺苦草的生物量随着氮浓度的上升而增加,当NH4-N和NO3-N浓度达到7.5mg/L时,刺苦草的生物量达到最大值,随后下降,当NH4-N和NO3-N浓度达到10mg/L时,两种氮处理下刺苦草生物量下降到对照水平。经过5个月的恢复生长后,10mg/L NH4-N和NO3-N处理中刺苦草的生长获得了恢复,其生物量显著高于对照。以上研究结果表明,在低磷条件下,高浓度的氮(10mg/L)对植物生长有影响,但可以恢复,并不会导致植物灭绝,因此对藻型稳态转换的驱动作用有限。
2.对高浓度NH4-N和NO3-N(10mg/L)条件下刺苦草、竹叶眼子菜和微齿眼子菜控制的模拟稳态系统中附植藻类、浮游藻类、浮游动物以及沉水植物自身变化的研究表明,高浓度无机氮对水体Chl a浓度影响不大,但是由于竹叶眼子菜的附植藻类Chl a浓度显著高于另外两种植物,因此相对其他两种植物,竹叶眼子菜的生长可能受到更高生物量藻类的遮阴影响。高浓度NH4-N胁迫下,竹叶眼子菜系统相对其他两种水生植物系统蓝藻和绿藻具有更快的增值速率,硅藻生物量比率则有所下降。从分株数和生物量来看,受到无机氮特别是高浓度NH4-N的长时间胁迫后,相对于刺苦草和微齿眼子菜,竹叶眼子菜更易出现衰退的趋势。三种处理中,桡足类及轮虫生物量均有所升高,刺苦草和竹叶眼子菜系统的优势种从枝角类(65%)变为轮虫类(61%)。以上结果表明,在高浓度的NH4-N和NO3-N输入条件下,不同沉水植物背景下的清水稳态系统的反应可能是不同的;相对于刺苦草,竹叶眼子菜和微齿眼子菜为主要组分的浅水生态系统可能更易从清水状态转变为浊水状态。
3.对无机氮的两种排放模式下模拟生态系统中浮游藻类、浮游动物和沉水植物变化的研究表明,每月输入比每周输入更会促进藻类的生长,降低水体透明度。每周输入促进了刺苦草的生长,而每月输入抑制了刺苦草的生长,促进了沉水植物的衰退趋势,而水体Chl a浓度的升高与刺苦草的生长没有显著的关联。相对于对照和每周输入处理,每月输入无机氮显著促进桡足类的生长。根据结果可以推断,在营养物质排放引起浅水湖泊水质恶化及植物衰退过程中,相同排放负荷条件下,不同的输入模式所造成的结果可能是不同的,应该选取合理的渐进分散而非集中的输入模式来作为湖泊管理工作的参考。
4.通过不同的氮磷浓度组合(N:对照,5,10,13和15 mg/L;P:对照,0.1和0.2 mg/L对两种植物背景清水稳态的影响研究发现,在TP浓度维持0.1mg/L的条件下,当TN浓度高于1.3mg/L时,水体Chl a浓度显著升高,浮游藻类占优势,同时沉水植物刺苦草显著减少;而在TP浓度维持0.2mg/L,TN浓度高于13mg/L的条件下,水体Chl a浓度同样显著升高,浮游藻类占优势,但沉水植物光叶眼子菜显著减少,浅水系统从清水稳态向浊水稳态转变。随着总氮浓度的升高,两种沉水植物系统中轮虫类的优势均被枝角类和桡足类取代,而鱼类花鲢通过捕食浮游动物对各营养级起到了平衡作用。