太子河流域矿山开采对着生藻群落的影响及其保护阈值研究

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太子河流域位于辽宁省中部,是我国重要的工农业生产基地和矿产资源开采区,水生态环境问题突出。本文以太子河流域为研究区域,以着生藻为指示生物,分析了该流域2009年-2014年着生藻群落的演替规律,以着生藻生物完整性指数(P-IBI)为评价指标,重点评价了太子河流域采矿区的水生态健康状况,深入分析了太子河流域的典型采矿活动——滑石矿开采对着生藻群落和水环境的影响,并针对主要水环境因子推导出了基于着生藻群落保护的生态阈值,以期为太子河流域的着生藻群落保护提供数据支撑,为采矿区的水环境管理提供理论依据。主要研究结果如下:(1)为了解2009年-2014年太子河流域着生藻群落和水环境因子的变化趋势及二者的响应关系,利用Mann-Whitney U检验和典范对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)对着生藻群落和水环境因子进行分析研究。Mann-Whitney U检验结果表明,2009年-2014年太子河流域的着生藻群落结构和组成有所变化,物种数由175种增升至238,着生藻群落特征参数中的物种丰富度、香农多样性指数显著升高(P<0.05);群落组成中桥弯藻、丝状绿藻、颤藻、具柄硅藻相对多度显著升高(P<0.05),菱形藻相对多度显著降低(P<0.05);水质状况总体有所改善,水体中总磷(TP)、硝态氮(NO3--N)、总氮(TN)、总溶解性悬浮颗粒(TDS)和悬浮颗粒(SS)浓度显著下降(P<0.05),溶解氧(DO)浓度显著上升(P<0.05)。CCA分析结果表明,2009年TN和氨氮(NH3-N)对太子河流域的着生藻组成有显著影响(P<0.05);2014年TN、NH3-N和电导率(EC)显著影响太子河流域的着生藻群落组成(P<0.05)。(2)利用着生藻生物完整性指数(P-IBI)构建太子河流域水生态健康评价体系,对2009年-2014年太子河全流域的水生态健康状况进行评价,了解近年来太子河流域水生态健康状况及变化趋势。结果表明:太子河的水生态健康状况存在空间异质性,2009年-2014年全流域的水生态健康状况从上游到下游均呈现退化趋势,上游和中游的水生态健康状况要明显好于下游河段。与2009年相比,2014年该流域的水生态健康状况总体略有提高,但采矿活动频繁的太子河支流——汤河和兰河的水生态健康状况未有提高。于2016年对汤河和兰河进行加密采样并评价其水生态健康状况,结果表明该区域的P-IBI平均值为26.66±0.02,属于“一般”等级;采矿区河段的水生态健康等级明显低于周边河段,且区域内越靠近采矿厂的位置水生态健康状况越差。(3)为了解太子河流域滑石矿开采对着生藻群落和水环境的影响,分别于2015年11月、2016年4月和2016年7月这3个时期对汤河(太子河重要支流)上游6个监测断面(TH01-TH02为参照河段,TH03-TH04为受损河段,TH05-TH06为恢复河段)的水质状况和着生藻群落进行了调查分析。利用Mann-Whitney U检验分析比较了各河段水环境因子和着生藻群落结构组成的差异;利用Spearman相关性分析、典范对应分析(canonical correspondence analysis)和t值双标图(t value biplot)分析水环境因子与着生藻群落结构的相互关系。结果表明:与参照河段和恢复河段相比,受损河段的Mg、Se、As、Fe、Mo、EC、HCO3-、NO3-质量浓度均值和pH均值最高。其中,Mg、Mo、As、EC、HCO3-在受损河段与其他河段间存在显著差异(P<0.05)。与其他河段相比,受损河段的着生藻密度、物种丰富度、具柄硅藻百分比、曲壳藻属(Achnanthes sp.)相对丰度均最小,可运动硅藻百分比、双菱藻属(Surirella sp.)相对丰度和舟形藻属(Navicula sp.)相对丰度最大,其中物种丰富度在受损河段与其他河段间存在显著差异(P<0.05)。EC、HCO3-和Mg对研究区域的着生藻群落结构有显著影响,且均与物种丰富度、具柄硅藻百分比显著相关(P<0.05)。(4)利用局部加权回归散点修匀法(Locally weighted scatterplot smoothing,LOWESS)和阈值指示种分析法(Threshold Indicator Taxa Analysis,TITAN)推导了基于着生藻群落保护的EC、TN和NH3-N的生态阈值。结果表明,当EC浓度控制在375.0-382.5μs/cm以下时,可以保护86.67%的敏感物种,该阈值浓度的指示物种为扁圆卵形藻(Cocconeis placentula)、弯曲菱形藻平片变种(Nitzschia sinuata)、霍克曲壳藻(Achnanthes hauckiana)、缠结异极藻(Gomphonema in-tricatum);当NH3-N浓度控制在0.22-0.31mg/L以下时,可以保护92.31%的敏感物种,该阈值浓度的指示物种为爆裂针杆藻(Synedra rumpens)、埃伦拜格桥弯藻(Cymbella ehrenbergii)和钝鼓藻(Cosmarium obtusatum);当TN浓度控制在0.94-1.00mg/L以下时,可以保护94.12%的敏感物种,扁圆卵形藻(Cocconeis placentula)、弯曲桥弯藻(Cymbella sinnata)、霍克曲壳藻(Achnanthes hauckiana)和具球异菱藻(Anomoeoneis sphaerophora)为该阈值浓度的指示物种。
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