安大略基拉尼公园及实验湖泊区浮游生物群落对酸化的响应及其恢复过程

人们普遍推测控制SO2排放可以促进加拿大、美国和欧洲的酸化淡水湖泊的恢复.本文研究了1998～2000年间靠近安大略省基拉尼公园的22个湖泊(pH值范围4.5～7.7)的浮游生物群落变化,将结果与安大略省西北的实验湖泊区(ELA)人工酸化(pH值从6.7降至4.5)又恢复(pH升至6.0)的南302号湖的数据进行了对比,以评价酸化后的恢复效果.根据历史记录,基拉尼地区数个湖泊的pH值由先前酸化的5.0～5.5反弹到6.0.浮游生物量与pH不相关,但其物种的丰富度与pH值间呈显著相关.将所得到的物种多样性数据与历史数据加以组合,可观察到其中6个湖泊中的恢复轨迹.相关分析表明:pH值得到提高后,其中几个湖泊的浮游生物群落开始向中性环境中的典型群落转化.     

加拿大安大略省基拉尼湖酸化恢复的动态模拟

20世纪的大部分时间里,由于附近的萨德伯里冶炼厂的硫排放,致使基拉尼省立公园内湖泊的酸性物质沉降一直处于较高的水平.目前,这个大型点源的硫排放量已降到上世纪60年代的10%左右.由于排放量减少,基拉尼湖的水质已发生了很大的变化,尤其是硫、铝和钙的浓度明显降低.本文在对基拉尼公园3个湖泊的酸化研究中,采用了动态酸化模型(MAGIC).这3个湖泊各自具有不同的缓冲能力和响应时间,代表了快速、中速和慢速酸化恢复的3种情况.经过对模型校正,使其与现场观测数据相匹配,并针对未来硫沉积减少的4种情况进行了酸化恢复预测.结果表明基拉尼湖的水质还有很大的改善潜力.不同湖泊的恢复时间差异很大.对于响应最慢的湖泊,在沉积量减少后,物质的组成和化学性质的稳定可能需要几十年时间.     

利用修复试验了解在酸化压力下的鱼类种群的恢复动态

我们的生态修复试验涉及放养两种本地的游钓鱼品种湖鳟(Salvelinus namaycush)和小口黑鲈(Micropterus dolomieu),结合最近的鱼类群落调查,研究了加拿大安大略省萨德伯里和基拉尼附近酸化湖泊中的鱼类种群的恢复动态.在两个品种之间,种群恢复率有差异.在品种丰富的湖泊中引进的湖鳟恢复得慢,其生长显得较慢、存活率较低和群体补充延迟.相反,小口黑鲈能在品种丰富的湖泊里迅速繁殖.随着水质的恢复和放养鱼开始产卵,小口黑鲈的自然补充群体的生物量在5年之内增加到了参考湖泊的水平,而湖鳟的自然补充群体的生物量在水质恢复和成鱼产卵后5～15年内仍然停留在参考湖泊的水平以下.我们记录到游钓者把小口黑鲈引进了受酸化损害的湖鳟湖泊,包括一些酸化前没有黑鲈的湖泊.能改变食物网结构和降低冷水性鱼类湖鳟生长的温水性鱼类黑鲈分布区的扩张表明,气候变暖再加上品种引进有可能大大改变酸化湖泊的生物恢复端点.     

1971～200O年间安大略省基拉尼公园里的甲壳类浮游动物群落从酸化水体中得到恢复:pH6作为恢复的目标

尽管大气中SO2- 4的沉降减少,地表水的酸度也因此降低,但尚未记录到广泛的生物从酸化中恢复过来.本文通过考察1971～2000年间加拿大安大略省基拉尼公园的46个湖泊甲壳类浮游动物种的丰富度(物种数目)和组成的时间变化趋势,来估计由于水质有了重大改善即pH现在＞6后湖泊中生物的恢复程度,并与其他两组(从未酸化的湖泊和仍然酸化的湖泊[pH＜6])作比较.在这三组湖泊中,物种丰富度的时间趋势无法加以区别,物种丰富度的变化也不能说明恢复的程度.对比之下,在pH值增加到6以上的湖泊中,其浮游动物群落的组成(以物种多度的多变量指数表征)则有所变化,从"损害"状态返回到了中性湖泊的典型状态.在酸性湖泊也记录到浮游动物组成有某些恢复.虽然仍为酸性,这些湖泊的pH水平已经升高.基拉尼省公园里甲壳类浮游动物恢复的程度和速度为北美和欧洲其他酸化地区的将来预示了光明的前景.     

一个从酸化和金属污染中恢复的湖泊历史悠久的水蚤属(Daphnia)群落的重现

通过综合采用古湖泊学技术和分子遗传技术重现汉纳(Hannah)湖--个从工业酸化、金属污染及动物灭绝中恢复的湖泊--中水蚤属(Daphnia)群落组成的长期型式.像许多浮游动物一样,水蚤属可以产出能生存几十年,甚至一百年以上的滞育卵.然而,过去20年D.mendotae在汉纳湖中的出现可能是从其他附近湖泊扩散的结果,而不是从沉积物卵库移居而来的.我们利用聚合酶连锁反应(PCR),单股构象多形现象(SSCP)以及排序进行的成因测试结果表明,D.mendotae滞育卵在过去250年沉积物记录中没有发现,在该地区金属冶炼作业之前,该生物群落由D.pulicaria控制.在湖泊化学复原之后这一物种的变化与早期湖泊酸性的历史变化一致.在汉纳湖的整个远古历史中,环境波动可能决定了群落组成.将这一分子一古湖泊学方法扩展到其他湖泊应该有助于更准确地阐述生物复原过程.     

水体酸化对藻类影响的初步研究

通过综合生态模拟(微宇宙)试验和藻类生物测试,研究了水体酸化对藻类的影响,结果表明,水体酸化对藻类有明显的抑制作用。48h-EC50和96h-EC50(对斜生栅藻)分别为pH4.45和4.65,当pH≥5.5时,藻类的光合作用对酸度具有很强的缓冲能力。当pH<5.0时,缓冲能力较弱。低pH对淡水生态系统的阈值处在5.0—5.5间,pH5.5可推荐为水体酸化标准。研究了两个小型酸化水体(pH4.7)中的藻类群落特征。     

酸沉降作用的降低和安大略省基拉尼湖泊的化学恢复

毗邻加拿大安大略省萨德伯里市的基拉尼公园中的湖泊都表现出明显的水质变化,其中包括pH值和碱度的普遍增加,SO2- 4、碱基阳离子和金属浓度的减少.经过数十年的改善,尽管一些湖泊的pH值已经大于6,但仍有许多湖泊的湖水酸度却一直很高.过去,萨德伯里金属冶炼厂排放引起的过高的硫沉降左右了这一地区的酸化过程.然而,自从冶炼厂的硫排放被严格控制之后(排放量降低了90%),萨德伯里地区的硫排放就不再是该地区最主要的硫沉降源了.目前,基拉尼地区的SO2- 4湿沉降和湖水中SO2- 4浓度已经十分接近约200km外的安大略省多赛特地区,这就表明基拉尼地区的硫沉降现在主要来自于长距离传输,而不是当地污染源.对基拉尼湖泊的研究揭示了化学恢复过程的复杂本质.一旦湖水的酸度降低,就会引起一系列的变化,包括Ca2+浓度的减少,透明度增加和热力学状态改变.这些变化可能会潜在地影响一些生态体系.因此很明显需要对基拉尼湖泊的恢复在多胁迫因子的框架内继续进行评价.     

探索挪威西部奈于斯特流域酸化的复原

使用一种新方法-多余度分析(RDA),检查了是否挪威西部奈于斯特流域酸化的化学复原在大型底栖动物群落结构中产生了可测的复原.RDA结果与基于使用高度专门化和区域化界定的生物酸度指数测得的变化的复原测量值作了比较.我们发现,在1989～1998年期间,奈于斯特流域生物复原即开始出现.复原是在奈于斯特河上游及其各支流发生的.多变量方法已证明是酸度指数方法的一种补充,将两者结合使用能够得到大量的生物信息.RDA方法是一种保守的方法,即不会过高地估计生物复原,而且不像酸度指数,从地理上来说不会受到约束.我们还发现,一些季节性气候因素强烈地影响着底栖生物群落,可能引起对生物复原过程检测的混淆.     

周期性的温度扰动对藻类群落结构演替的影响

为了研究水库生境扰动对藻类水华的作用机制,以中度扰动理论为基础,结合藻类群落生境选择学说和藻类生态功能组,开展了不同温度扰动周期、相同扰动幅度下藻类多样性变化特性和群落结构演替特征的室内控制实验.结果表明:1适度的扰动会促进藻类的生长且增加其多样性.中度扰动组Δ22℃/48 h藻类生物量最大,但多样性最高,不存在绝对占优藻种,而高频次扰动组Δ22℃/24 h生物多样性较小,但可降低藻类生物量.2温度的周期性变化对浮游藻类群落的演替有明显的影响,优势种也呈现一定的差异性.藻类优势功能组演替基本规律为:X_1(小球藻)→J(栅藻)→S_1(席藻)或X_2(衣藻),群落结构呈现出C/CR型藻类先行占优向R型演替的趋势.高温扰动频繁时,R型藻类(S_1)明显占优;无扰动或低扰动时,群落结构组成特点以C/R策略为主.适度的扰动组Δ22℃/48 h形成了多种生长策略的藻类共存的格局,且耐受高温胁迫的S策略藻类(L_0)开始出现.     

底泥扰动下藻类对不同形态磷在水体中分布的影响

研究了反复扰动与藻类共存条件下,水体中溶解性磷、颗粒态磷、生物有效磷的分布规律,并分析了颗粒物质物理化学吸附与藻类生物利用对水体中磷消失的贡献率.结果表明,扰动抑制了水体中藻类生长,叶绿素a增加量仅为3.53μg/L(初始30μg/L)和4.80μg/L(初始120μg/L),而无扰动下该值分别为21.36μg/L (初始30μg/L)和14.49μg/L (初始120μg/L).并且,溶解氧水平和pH值均低于无扰动状态.扰动导致水体中总磷和颗粒态磷显著增加,但溶解性总磷(DTP)和溶解性磷酸盐(DIP)均有所降低.对于DTP而言,扰动状态下,颗粒物质吸附占90%,而无扰动下,则降低至60%,相应地,藻类生物利用则增加至40%.无论扰动与否,BAP基本处于稳定状态,而BAPP占BAP的百分比则有所增加.扰动状态下BAPP占PP的百分比明显低于无扰动状态.这暗示了扰动对水体中磷迁移和转化的作用大于藻.