澎溪河水质变化及水华中浮游生物演替与环境因子间关系

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水库大坝的建立改变了流域内原有河流以及支流的水文条件(抬高水位、拓宽水面和降低流速),受干流顶托作用,许多支流在由原来的流水系统转变为静水系统,提高了水体营养盐的积累作用,为藻类的大量生长提供了稳定有利的环境从而暴发水华。本研究以三峡库区频繁暴发水华的一级支流澎溪河为研究对象,在2018年05月至2019年10月对水体分别进行为期一年的每月采样和每年5月的连续采样,监测水体营养盐水平、水质参数、水华暴发情况和水华期间浮游生物群落演替以探究水华期间浮游生物群落结构动态变化以及水华生消影响因子,为进一步研究三峡库区支流回水区水华的暴发机理及富营养化防治提供一定的科学依据。2018年11月至2019年10月一年中每月月末对澎溪河整条河表层水质情况(水体温度、溶氧(DO)、电导率、pH、叶绿素a(chl a)和营养盐(总氮(TN)、总磷(TP)、溶解性总氮(DTN)、溶解性总磷(DTP)正磷酸盐(PO43-)、铵态氮(NH4+)、硝态氮(NO3-))等指标)进行连续定点监测,得到以下结论:(1)春季澎溪河发生了严重的水华,暴发中心在回水区高阳平湖段,平均叶绿素水平高达108μg·L-1。根据卡尔森修正指数对澎溪河进行富营养化评价,结果表明澎溪河上游富营养化风险高于下游且呈现春季到冬季水质逐渐转好的季节性变化。(2)水体氮、磷含量均是水华暴发的影响因子,其中溶解性营养盐(DTP、DTN)在TP和TN中占比有季节性变化,表现为秋冬季节占比普遍高于春夏季的占比。相关性分析表明DTP和正磷酸盐(PO43-)与chl a水平呈负相关;铵态氮(NH4+)与chl a呈极显著正相关(r=0.820*),春夏季节水体NH4+含量明显高于秋冬季节,有利于藻类的生长利用,成为春季水华暴发的重要原因。(3)受干流的影响,澎溪河随水位调控出现季节性分层现象。在春、夏、秋季存在分层现象,但秋季靠近河口无分层,冬季整条河为混合型水体。水温与chl a水平显著正相关(r=0.378*),温度升高水体出现分层现象,为藻类的生长提供了稳定的环境。在水华暴发期间2018.5.16-5.23和2019.5.5-5.15对高阳平湖进行两次逐天连续采样监测,采样时间为每天上午8:00,深度为距水面0-0.5 m,每次采样进行3米间隔的3个重复。监测采样期间水体各形态营养盐、水质参数和浮游生物群落结构的变化。采用镜检和16S+18S高通量测序相结合分析浮游生物群落结构,使用Person相关性和冗余度分析(RDA)其与环境因子变化得到以下结论:(1)三峡库区的澎溪河春季暴发了劣Ⅴ级水华,主要暴发点在回水区高阳平湖及上游,且呈现蓝绿藻水华逐渐向有害蓝藻水华转变之势。2018年采样期间水华以蓝藻(藻密度占比:10%~27%)和绿藻(藻密度占比:26%~84%)为主,而2019年采样期间则蓝藻为主(平均占比>99%),其中有害藻具缘微囊藻(Microcystis marginatae)占据绝对优势,优势度Y值在0.11~0.29之间波动。RDA分析结果中蓝藻门与营养盐的相关性高于其它藻类,这与微囊藻对营养盐的吸收利用能力相关。TN与蓝藻卷曲鱼腥藻(Anabaena circinalis)、类颤藻鱼腥藻(Anabaena oscillarioides Bory)的藻密度明显相关,两种鱼腥藻都具有异形胞,能够进行固氮作用。(2)水华期间水体呈现热分层状态,水体充足的营养盐、合适的温度(21.86±0.3℃-25.92±0.0℃)和光照强度(1113 lux-7300 lux)均为藻类的大量生长提供了有利的条件,水华以“上行效应”(bottom-up)模式大量暴发并迅速改变上层营养级群落结构。真光层深度(Zeu)对藻类生长的影响大于Zeu/Zmix,相关性分析中Zeu与chl a呈显著负相关(r=-0.633*),Zeu/Zmix对藻类生长趋势的需要考虑营养盐在内等综合因素。(3)水华的发生具有时空差异,且在水华期间群落结构逐天差异较大(Alpha多样性参数P<0.001)。2018年小型浮游动物占据优势,通过“下行效应”(top-down)限制水华的发生,而在2019年桡足类的DNA占比大于其它浮游动物,可能成为促进微囊藻水华的生物因素。(4)16S绝对定量表明异养细菌对原核浮游生物DNA库的贡献远大于光合细菌,且随水华发生反应迅速。水华高暴发期异养细菌DNA拷贝数增加近20倍,以Flavobacterium和Porphyrobacter为主。水生真菌的分类和生态功能同样需要更多的关注,水华中真菌与浮游动物的生态关系复杂,有待进一步研究。在2018年水华中真菌真菌在水华过程DNA占比波动大且与小型浮游动物有着此消彼长的趋势。
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