基于稳态理论的洞庭湖水体富营养化主控因素及其稳态转换阈值研究

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洞庭湖作为我国第二大通江湖泊,对长江中下游地区社会、经济发展具有举足轻重的作用。一方面水利设施兴建、围堰等造成水环境容量减少,另一方面流域内工农业的发展和城镇化进程导致污水排放量剧增,导致洞庭湖水体富营养化程度逐年升高、水华现象频发和水生植被退化等一系列水环境问题。如何有效识别洞庭湖水体富营养化成因并提出适用于洞庭湖的控制阈值已成为当前洞庭湖水环境保护的重点。考虑到洞庭湖水环境特征存在显著的时空异质性,不同水文期、不同湖区水体富营养化特征、影响因素及其作用阈值尚未明晰。本文通过2018年至2019年洞庭湖水文、水质和水生态野外监测数据,利用相关数理统计分析手段,系统分析了洞庭湖不同时空下水体富营养化特征及其主要影响因素;利用“稳态理论”和频数分布法验证了洞庭湖生态系统多稳态的存在性,明确了洞庭湖“草-藻”稳态的时空分布特征及其主要影响因素;选取沉水植物生长关键期和稳态转换关键湖区分析了洞庭湖“草-藻”稳态转换作用阈值。研究得到主要结果包括:(1)东洞庭湖水系连通性指标显著低于长江三口、南部四水、西洞庭湖和南洞庭湖,结合水动力特征,可将东洞庭湖划分为一类,其余四个湖区划分为第二类;根据水文情势变化特征,可将洞庭湖在时间上划分为四个具有显著差异的水文期,枯水期(12-3月)、涨水期(4-6月)、丰水期(7-9月)和退水期(10-11月);洞庭湖水体富营养化程度在时间上表现为枯水期>退水期>丰水期>涨水期;不同区域水体富营养化程度变化特征存在明显差异,长江三口水体富营养化程度丰水期和退水期大于枯水期和涨水期;南部四水、西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖富营养化程度呈现枯水期和退水期大于涨水期和丰水期。就空间分布规律而言,总氮(TN)、总磷(TP)和透明度(SD)在涨水期和丰水期与综合营养状态指数一致,高锰酸盐指数(CODMn)在所有水文期与综合营养状态指数一致,叶绿素a(Chl-a)与综合营养状态指数一致性较差。水体流速与综合营养状态指数东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖具有较好的负相关性,在长江三口和南部四水相关性较差。(2)依据频数分布法,验证了洞庭湖水生态系统多稳态在空间上的存在性,采用“空间换时间”方式探明洞庭湖“草-藻”稳态分布特征,具体分布结果如下:(1)枯水期长江三口和南洞庭湖基本处于过渡态,南部四水和西洞庭湖草型稳态和过渡态两者皆有,东洞庭湖处于藻型稳态;(2)涨水期和丰水期长江三口和南部四水处于草型稳态,西洞庭湖和南洞庭湖多处于过渡态,东洞庭湖存在过渡态和藻型稳态;(3)退水期长江三口和南洞庭湖生态系统以过渡态为主,南部四水和西洞庭湖主要为草型稳态,东洞庭湖为藻型稳态。(3)沉水植物关键生长期和稳态转换关键区域加密监测分析结果表明:总磷是影响东洞庭湖浮游藻类、沉水植物生物量的主要因素。东洞庭湖水生态系统由草型稳态向藻型稳态跃迁总磷阈值为0.07mg/L,藻型浊水稳态转变为草型清水稳态总磷阈值为0.046mg/L。可通过控制水体总磷浓度在0.07mg/L以下,来维持生态系统处于草型稳态,通过将总磷浓度削减至0.046mg/L以下来恢复水生植被,推动生态系统从藻型稳态转变为草型稳态。长江三口、南部四水、西洞庭湖和南洞庭湖区域整体富营养化水平虽然较高,但由于水动力条件限制,水生态系统总体较好,处于草型稳态和过渡态,保持现有水动力环境即可维持现状。
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