本文選題：查干湖　切入點：富營養(yǎng)化　出處：《吉林大學》2013年博士論文

【摘要】：富營養(yǎng)化已經(jīng)成為全球性的生態(tài)危機，它不僅嚴重破壞水環(huán)境生態(tài)平衡，，而且還嚴重威脅到人類的生存與發(fā)展。隨著各國對富營養(yǎng)化的重視及相關治理，在外部污染源逐步受到控制和消除的情況下，淺水湖泊沉積物中的磷代替外源磷素污染物，成為引起富營養(yǎng)化的內(nèi)源污染源。沉積物中磷的不僅在常溫期或高溫期釋放，而且在低溫期也會持續(xù)釋放，這成為北方湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生的重要誘因。然而，對于低溫期北方湖泊的內(nèi)源磷在沉積物-水界面間遷移轉化規(guī)律以及影響各形態(tài)磷相互轉變的地球化學作用，尤其是化學環(huán)境與微生物的作用，目前仍缺乏研究。本文以吉林省西部典型的北方淺水湖泊——查干湖為研究對象，以低溫期水化學特征和氮、磷營養(yǎng)鹽分布規(guī)律為基礎，采用歐盟推薦的SMT分析方法，調(diào)查與分析了查干湖沉積物中不同形態(tài)磷的時空變化特征。在實驗室內(nèi)采用實驗模擬的方式，深入分析了沉積物-水兩相間磷的遷移轉化機制以及生物、物理、化學等因素在該過程中所起到的作用。結合葉綠素a和藻類在查干湖水體中的分布規(guī)律，探討了低溫期沉積物中磷的釋放對我國北方淺水湖泊富營養(yǎng)化的影響，并利用解析動力學模型對釋放過程進行描述。同時基于查干湖水質指標，采用綜合營養(yǎng)指數(shù)法（TLI）對查干湖低溫期富營養(yǎng)化程度進行了評價。本文的研究成果可為控制北方同類型湖泊內(nèi)源磷元素的釋放以及低溫期富營養(yǎng)化治理提供理論支持。 調(diào)查并測定分析了查干湖低溫期水化學特征以及不同形態(tài)的氮、磷在水體中的時空分布規(guī)律。低溫時期查干湖pH介于9.35～9.40之間，屬于偏堿性湖泊，其水質具有高濁度、高硬度以及高礦化度的特點。水中陰離子以HCO_3~-為主，陽離子以Na~+為主，主要陰、陽離子的含量濃度為：Na~+Mg~(2+)Ca~(2+)K~+，HCO_3~- Cl~-CO_3~(2-)SO_4~(2-)，其水化學類型為重碳酸鹽鈉組I型。低溫期查干湖中各種離子濃度均高于常溫期，并且在補給水、地質條件等因素影響下，呈現(xiàn)出東南高、西北低分布規(guī)律。低溫期查干湖周邊農(nóng)業(yè)活動停止，在無外源氮、磷輸入的情況下，查干湖水中各形態(tài)的氮、磷仍具有較高的濃度，說明沉積物已經(jīng)成為查干湖污染的內(nèi)源。氨氮（NH_4~+-N）是氮的主要存在形態(tài)，呈現(xiàn)出南部高北部低，湖中部高岸邊低的分布特征；溶解性總磷（TDP）是磷的主要存在形態(tài)，呈現(xiàn)出南部低北部高的分布特征。雖然低溫期查干湖的總氮（TN）和總磷（TP）平均濃度已超過富營養(yǎng)化發(fā)生的臨界濃度，但是低溫抑制藻類增殖、高濁度減弱光照強度以及能夠被藻類直接利用的正磷酸鹽濃度較低等因素共同影響，查干湖并沒有出現(xiàn)藻類異常增殖的情況。從時間上來看， NH_4~+-N和亞硝態(tài)氮（NO2--N）高濃度區(qū)域面積在逐年縮�。籘P和TDP濃度整體呈現(xiàn)降低的趨勢。 在總結和分析抓斗式和重力柱式沉積物采樣器優(yōu)缺點的基礎上，結合采樣過程中所遇到的實際問題，研發(fā)了一款具有自主知識產(chǎn)權的便攜式沉積物采樣器，并獲得國家發(fā)明專利。在實際使用過程中，該采集器能夠采集不同質地的沉積物樣品，提高了采樣效率。在減少研究人員工作量和工作強度的同時，還能最大程度的保持沉積物原始氧化還原狀態(tài)，并能夠避免沉積物樣品在向存儲容器轉移時受到污染或破壞，提高了沉積樣品采集的精度與科學性。 明確了查干湖沉積物中各形態(tài)磷的空間分布情況。采用SMT分級方法對查干湖不同深度的沉積物中各形態(tài)磷進行了分析與研究，結果發(fā)現(xiàn)沉積物中磷以無機磷（IP）為主；而鈣結合磷（Ca-P）是IP中的主要形態(tài)。沉積物中的Ca-P主要來自查干湖周邊高鈣土。高鈣土中磷酸鹽在環(huán)境條件改變情況下，逐漸轉化成水溶性磷酸鈣，隨地表徑流進入查干湖后沉淀，最終在沉積物中形成Ca-P，其含量與TP的含量呈現(xiàn)極顯著相關。從水平方向來看，查干湖沉積物中各形態(tài)磷濃度具有西南高的分布特點；從垂向來看，呈現(xiàn)從上向下增加的趨勢，即各形態(tài)磷的含量隨深度增加而增加，這說明近年來外源磷污染的輸入量在逐漸減少。 分析了查干湖低溫期藻類分布情況以及影響藻種組成的因素。低溫期查干湖主要藻種為藍藻門、綠藻門、硅藻門和裸藻門。由于藍藻具有偏好中堿性水體、較高的細胞貯磷能力等特點，使藍藻代替硅藻和綠藻成為低溫期的優(yōu)勢藻種并且成為查干湖富營養(yǎng)化的潛在威脅。較低水溫、光照條件、水生植物之間的競爭以及水生動物對其捕食等原因，抑制藍藻等藻類過度繁殖，成為富營養(yǎng)化的限制條件，遏制了富營養(yǎng)化發(fā)生的風險。通過對藻類與氮素和磷素的相關關系進行分析，結果表明低溫期查干湖藻類分布和濃度與氮素無關而與磷素有顯著相關性，這說明查干湖是磷控制性湖泊。 揭示了低溫條件下查干湖內(nèi)源磷遷移過程以及影響因素。在有無光照、有無溶解氧的情況下，低溫期沉積物中的磷均仍能夠持續(xù)釋放，使上覆水中磷素的含量持續(xù)增加。由于Ca-P在沉積物中含量最多，因此解析出來的磷主要是Ca-P且釋放出的數(shù)量最多。在厭氧有光照的條件下，沉積物中各形態(tài)磷的釋放速率和釋放量最大，是易引發(fā)富營養(yǎng)化的環(huán)境條件。在光照條件下，上覆水中的葉綠素a與磷素濃度具有明顯的相關性。藻類的大量增殖會減少水體中磷的含量，進而加快沉積物磷的釋放；沉積物磷的釋放又為藻類增殖提供了物質基礎，兩者之間相互促進。不同形態(tài)的磷的釋放量與釋放速率受到pH、光照、藻類、溶解氧等因素的影響而不同�？刂瞥练e物中磷的釋放是抑制查干湖富營養(yǎng)化的關鍵。 初步探討了低溫環(huán)境下沉積物磷的解析動力學以及查干湖富營養(yǎng)化程度。利用水靜態(tài)模擬的方法，在一定解析時間和水土比條件下，研究沉積物中磷解析的 過程。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，得出解析動力學模型P_d=0.017P_0t~(0.375)W~(1.493)，該模型可以用以描述低溫期查干湖沉積物中磷的解析過程。采用綜合營養(yǎng)指數(shù)法（TLI）對查干湖富營養(yǎng)的程度進行綜合評價，結果表明查干湖的營養(yǎng)級別從2009年的貧營養(yǎng)（TLI=28.56）轉變成2010年（TLI=38.25）和2011年（TLI=30.19）的中等營養(yǎng)，說明查干湖存在發(fā)生富營養(yǎng)化的風險。
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【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：X524

【參考文獻】

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本文編號：1685404