滇西北湖泊水文调控与生态环境响应的时空特征

论文摘要

近几十年来,日益增强的人为水文调控导致云南部分湖泊出现了明显的水库化特征,造成湖泊水质下降、湖滨带退化、生物多样性下降、生态系统服务功能降低等生态环境问题。湖泊水文调控及其导致生态环境变化的比研究受到监测数据不足的制约,需要结合多学科方法对湖泊水文调控生态环境效应的基本特征进行识别,并系统甄别水体环境和生态系统对水文调控的长期响应模式。本研究以滇西北地区典型湖泊为研究对象,结合遥感影像、监测数据、文献记录等研究手段,首先甄别了过去30年来区域湖泊水体面积的变化特征、影响因子与驱动过程。随后选取了受到不同强度水文调控影响的三个湖泊:姐湖（没有水文调控的高山湖泊）、海西海（多次水文调控）和洱海（水文调控和富营养化）作为代表湖泊进行古湖沼学研究。在建立沉积物年代序列的基础上,开展理化指标分析,建立了湖泊与流域环境变化的时间序列;结合硅藻、沉积物色素等生物代用指标,识别了硅藻群落结构、指示物种、生物多样性等生态变化模式。进一步应用多种统计方法,对比分析不同湖泊之间、湖泊内部湖盆之间的生态环境变化特征并识别主要影响因子,最终甄别出不同水文调控强度下湖泊的生态环境响应特征与关键驱动机制。本研究得到以下主要结果:（1）近30年来滇西北地区湖泊面积呈现波动变化特征,并受到极端干旱事件影响显著。自然调控为主的湖泊面积变化幅度小于人为调控影响的湖泊,人为水文调控不仅使湖泊面积增大,面积变化幅度也显著增加。气候变化是驱动滇西北湖泊水位变化的重要环境因子,同时流域开发对湖泊水资源的持续利用叠加影响了湖泊面积的长期波动。（2）未受人类扰动直接影响的高山浅水湖泊（姐湖）1980s以来呈现水动力显著增加、水位下降的特征,促进了底栖硅藻百分比持续增加,但对硅藻群落变化的独立作用弱于气温与营养盐的驱动强度。1950s以来滇西北高山地区气候明显变暖,促进了湖泊初级生产力的提高、内源有机质的增加。流域降水增多、流域侵蚀搬运等过程增强影响了湖泊水动力的变化。湖泊水体营养水平升高、气温升高和水动力条件增强是驱动姐湖初级生产力和硅藻群落变化的主要环境因子。（3）根据粒度-水深转换函数定量重建了海西海过去200年以来的湖泊水位变化历史,多次水文调控导致了湖泊沿岸带生境逐渐丧失、底栖硅藻持续减少,湖泊有机碳的内源贡献率增加。同时,随着蓄水强度的增加,湖泊有机物的降解速率加快、埋藏量明显降低,加速了有机碳向无机碳的转化和温室气体的释放。水文调控导致的湖泊水位波动对硅藻群落演替产生了显著的影响,当水深达到10 m阈值或水深变化超过±2 m时,硅藻物种多样性和群落异质性均出现显著降低。（4）洱海不同湖盆间营养元素循环、初级生产力和硅藻群落结构对水文调控的响应模式具有明显的空间差异。西洱河节制闸、梯级水电站的建成运行等人为调控事件显著改变了洱海湖泊水文状态,导致了湖泊水位波动的频率和幅度显著增加。自1970年代以来,湖泊富营养化、区域气候变暖与水文调控的共同作用,导致了大型水生植物大幅减少,导致了藻类初级生产力的升高和蓝藻水华的发生。洱海硅藻群落转变为浮游种占优的单一群落构成,多样性明显降低。水深较浅的南部湖盆对人为调控导致的水位波动更为敏感,湖泊水深变化是硅藻群落结构变化和蓝藻爆发的主要原因。（5）滇西北地区不同类型湖泊的对比分析表明,相较于气候变化影响下的高山湖泊（姐湖）,人为水文调控显著地改变湖泊水深及其变化幅度,是沿岸带生境退化和底栖藻类降低的重要驱动因子。湖泊高水位运行和水动力减弱使营养盐滞留效应增强,促进了浮游生物的生长,湖泊有机碳源出现了由底栖通道向浮游通道的转变。同时,不同水文调控类型与强度对湖泊碳氮元素的生物地球化学过程产生了差异性的影响。随着人为调控强度的增加,湖泊水文变量对姐湖、洱海和海西海硅藻群落变化的单独解释量由约6%增加至大于25%。湖泊水深变幅和硅藻生物多样性关系符合典型的中度干扰假说理论模型,水深变化幅度增大将导致湖泊生物多样性将显著降低。综上所述,水文调控的驱动作用明显大于自然状态下水文波动产生的生态环境效应,且水文波动、气候变化和水体富营养化是驱动滇西北典型湖泊生态与环境变化的重要因子。随着水文调控的频次和幅度增加,水文条件与营养盐、气温的相互作用明显增强,表明了水文调控类型及其强度对其他类型环境压力的调控作用。此外,在湖盆形态与流域开发类型存在较大空间差异的湖泊中,不同湖盆对水文调控的响应模式存在明显的时空差异。因此,在区域气候变暖和富营养化增强的背景下,对湖泊水文的合理调控是对滇西北湖泊开展有效保护与水资源管理的重要前提。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王教元

导师: 陈光杰

关键词: 云南湖泊,水文调控,生态响应,环境变化,时空模式,湖泊沉积物

来源: 云南师范大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 云南师范大学

基金: 国家重点研发计划项目(2017YF06050202),教育部科学技术研究项目(2013034A),国家自然科学基金项目(41171048,U1133601)

分类号: X143;X171.1

总页数: 185

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