论文部分内容阅读
湖泊是地球水资源的重要组成部分，在提供饮用水源，调控洪水，供应各种资源，调节区域气候等多方面都发挥着重要的作用。湖泊中各种元素的生物地球化学循环过程的相互作用完成了湖泊生态系统中有机物代谢及元素的循环，维持湖泊水生态系统稳定，但是随着社会的发展和人类的活动等各种因素的影响，多种（营养）元素不断地汇入湖泊中，这必然会改变湖泊水体中的生物地球化学循环，打破水生态系统原有的平衡，造成蓝藻水华以及蓝藻衰亡导致的“湖泛”或“黑水团”等环境问题。因此，研究各种因素对湖泊生态系统中主要元素（铁、硫）的生物地球化学循环的影响有利于从机理上了解造成湖泊水环境问题的原因，为湖泊生态系统的管理和生态修复提供理论指导。 (1)本文首先研究了不同季节时太湖不同湖区（竺山湾、贡湖湾和东太湖）沉积物中铁、硫元素的分布，以及铁、硫还原过程在有机物厌氧代谢中的地位。结果表明，所有采样点沉积物中铁还原速率在夏季时最高，其中藻型湖区（竺山湾）沉积物中铁还原速率为4.416μmol cm-3 d-1，草型湖区（东太湖）沉积物铁还原速率为3.13μmol cm-3 d-1;草藻结合型湖区（贡湖湾）沉积物铁还原速率为2.87μmol cm-3 d-1。竺山湾沉积物中铁还原作用在有机物厌氧代谢中的比例达到66.46％;东太湖沉积物中铁还原和产甲烷作用在沉积物有机物厌氧代谢中的比例分别为33.57％和16.75％，硫还原很可能在东太湖沉积物有机物厌氧代谢中发挥着重要作用;贡湖湾沉积物中的铁还原作用在有机物厌氧代谢中的比例为43.71％。本研究表明，在太湖不同湖区中，可能由于沉积物有机物来源不同使得沉积物中铁还原作用在有机物厌氧代谢中的地位各异。 (2)在淡水湖泊中蓝藻水华时有发生，随后的水华蓝藻死亡沉降过程会消耗水体中的溶解氧，使得沉积物中发生厌氧代谢过程。另外，沉积物中的铁还原与硫还原过程相互作用能够影响沉积物中的磷释放，促使湖泊富营养化。为了更加深入地了解太湖富营养化造成的生态后果，本实验研究了水华蓝藻的衰亡和温度的变化对沉积物中铁、硫元素生物地球化学循环的影响。结果表明，蓝藻在沉积物中的分解过程不但会增强沉积物中的铁还原速率，而且会导致沉积物中的硫氧化转变为硫还原;在间隙水中产生大量的Fe(Ⅱ)会与硫化物反应形成FeS/FeS2。当蓝藻在沉积物中分解时，温度的升高会使得沉积物磷的进一步释放。另外，蓝藻的分解促使沉积物中的铁磷和残渣磷向铝磷、钙磷和有机磷的转化。水华蓝藻的衰亡和温度的升高促使沉积物中的磷释放。总之，本实验的结果表明，水华蓝藻在沉积物中的分解过程和温度的升高很可能加剧水体富营养化问题。 (3)虽然湖泊水体富营养化问题已经得到了广泛的关注，但是水体中硫酸根浓度的升高对淡水湖泊生态系统影响的研究还很不足。由于海洋中硫酸根浓度远远高于淡水湖泊，因此以往的研究更多的关注于海洋环境。近年来，由于人类的活动使得淡水水体中的硫酸根浓度不断上升，太湖中硫酸根浓度已经达到1mM，显著高于世界范围内其他典型淡水湖泊的水平。蓝藻水华衰亡过程中，水体中高浓度的硫酸根会改变湖泊中多种元素的生物地球化学循环，可能会造成除蓝藻水华问题以外的其他环境问题。因此，我们研究了太湖水体中硫酸根浓度的升高(100 mg L-1到170 mg L-1)对水柱中硫还原和沉积物中铁、硫生物地球化学循环的影响。结果显示，在没有蓝藻的情况下，沉积物长时间暴露在不同浓度硫酸根条件下并没有明显促进沉积物中磷释放，而水华蓝藻沉降衰亡过程促使了沉积物显著的磷释放。在蓝藻分解沉降过程中，逐渐升高的硫酸根浓度使得沉积物中磷酸根扩散通量从1.20 mg m-2 d-1升高到2.15 mg m-2 d-1。同时，本研究证明了太湖水体能够在蓝藻水华降解过程中发生硫还原，而且水体中硫还原过程产生的可溶性硫化物向沉积物中扩散。随着硫酸根浓度不断升高，表层0-1 cm沉积物中的AVS含量从1081.71±69.91 mg kg-1增加到1557.98±41.72 mg kg-1。 (4)相较于不同浓度硫酸根，蓝藻在沉积物中的分解过程对表层0-1 cm沉积物微生物群落结构的影响更加显著;蓝藻在沉积物分解的过程中，沉积物深度的不同对微生物群落结构的影响强于不同浓度硫酸根的影响。