基于底栖动物的松花江流域不同地形分区水质指标阈值研究

为全面了解松花江流域不同地形分区内底栖动物群落对水质指标的响应规律,识别不同分区水质指标指示物种的差异,于2016-2018年对松花江流域97个采样点的水质指标[EC、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(NH3-N)、ρ(TN)、ρ(TP)]和大型底栖动物群落进行调查分析,采用临界指示物种分析法(threshold indicator taxa analysis,TITAN)分别探讨松花江流域山区、丘陵区和平原区水质指标的生态阈值,当污染物浓度超过负响应阈值时敏感种密度降低,当超过正响应阈值时耐受种也会受到明显影响,底栖动物群落结构会发生显著变化.将TITAN法所得的负响应阈值作为触发底栖动物群落发生变化的最低值,正响应阈值为底栖动物群落的耐受极限值.结果表明:①松花江流域水质指标在不同地形分区内的阈值不同,除ρ(DO)和ρ(CODMn)外,其他指标负响应阈值均表现为山区<丘陵区<平原区,ρ(DO)则表现相反,ρ(CODMn)在丘陵区出现最高阈值(5.46 mg/L)、山区出现最低阈值(4.01 mg/L).除ρ(DO)以外,其他指标的正响应阈值均呈山区<丘陵区<平原区的趋势,ρ(DO)正响应阈值的变化趋势则与之相反.②松花江流域内超过50%的采样点水质指标值均超过其负响应阈值,超出正响应阈值的采样点比例在6%~40%之间,说明流域受到一定的干扰,但干扰程度不严重.③同一物种在不同地形分区内对水体理化指标的指示方向可能相反.萝卜螺属在丘陵区为ρ(NH3-N)的正响应指示物种,在平原区则转变为负响应指示物种;短沟蜷属在丘陵区为ρ(TN)和ρ(TP)的正响应物种,在平原区则转变为负响应物种.研究显示,大型底栖动物群落结构的分布特征是影响水质指标阈值指示物种识别的主要原因,而不同分区的自然地理状况、栖境状况和水质状况则是造成大型底栖动物群落结构分布差异的主要因素.

基于阈值指标分类法的玉米营养生长阶段受旱程度分级

基于田间小区实验,就玉米对不同强度及持续时间的干旱响应进行研究。玉米播种前进行底墒调控,使各小区土壤底墒基本一致。三叶期开始,按照研究区7月多年平均降水量的100%、80%、60%、40%、20%和7%分别进行一次性灌水,此后不再进行灌溉,全生育期利用大型电动遮雨棚遮挡自然降水,随生育时间推移形成6个不同初始土壤水分梯度的持续干旱过程。分析不同处理玉米营养生长阶段(三叶期-拔节期)的形态(株高、叶面积)和生物量(茎干重、叶干重、总干重)指标对干旱程度的响应规律,采用阈值指标分类法(TITAN)确定各生长指标对干旱程度响应规律发生明显改变的临界点,并基于不同指标响应干旱程度临界点的同步性确定玉米植株水平响应干旱程度(D)的临界点,从而将玉米的受旱等级划分为4个等级。结果表明:当0<D≤0.07时,玉米受到轻旱影响,其形态和生物量指标的平均降幅仅为1.2%~3.0%;当0.07<D≤0.47时,玉米受到中旱影响,叶面积和株高的平均降幅分别为15.9%和8.6%,茎、叶干重及总干重的平均降幅分别为18.8%、15.4%和12.4%;当0.47<D≤0.73时,玉米受到重旱影响,叶面积的平均降幅为37.8%,株高的平均降幅为16.9%,茎、叶干重及总干重的平均降幅分别为43.3%、45.2%和28.9%;当0.73<D≤1时,玉米受到特旱影响,叶面积和株高的平均降幅分别为83.6%和53.3%,叶干重和茎干重的降幅均高达90%以上,总干重的平均降幅达87.0%。研究结果可为作物干旱受灾程度的定量分级与评价提供方法和依据。

平原河网沉积物细菌与重金属生态风险的定量响应关系研究

河道沉积物重金属对河底生态环境质量有着深远的影响.太湖流域河网纵横,人水关系密切,河网环境质量受到人类活动的影响.为掌握河网表层沉积物重金属空间分布特征与强度,本研究以太湖流域嘉善县纵横交错的河网为研究对象,使用潜在生态风险指数评价法(the Potential Ecological Risk Index,PERI)对51个点位的Hg、Cd、Cu等9种重金属的单因子及综合生态风险水平进行评估.通过相关性分析和方差分解表征沉积物重金属对于细菌群落整体的影响.为研究沉积物细菌群落对重金属生态风险指数的响应特征,基于16S rDNA扩增子高通量测序获得的群落信息,使用临界指示物种分析法(Threshold Indicator Taxa Analysis,TITAN)建立群落与风险指数的定量响应关系.研究发现,此区域15.69%点位的沉积物存在重金属“中等”及以上生态风险;Cd、Ni、Pb显著影响细菌群落的α-多样性.定量分析表明,群落中共441个生物序列可操作分类单元(Operational taxonomic units,OTUs)对综合生态风险指数存在有效响应,234个OTUs对一种或一种以上单因子风险指数存在有效响应.当综合风险指数分别为80.78与106.26,群落中正、负响应物种类群丰度发生最大幅度的变化.沉积物重金属生态风险主要来自于Hg和Cd.有97个OTUs分别对Hg或Cd的生态风险有预警及指示意义,其中,属于Anaerolineales或Burkholderiales菌目的较多.本研究创新性地将PERI法和高通量测序技术结合到TITAN法中,研究了细菌群落与重金属生态风险指数的定量响应关系,为重金属污染生态风险监测、评估提供了新的思路.

北京市北运河水系底栖动物群落与水环境驱动因子的关系及水生态健康评价

底栖动物可反映多种生态威胁对水环境的积累效应,与河流水生态系统健康状态密切相关.本研究以北京市典型流域北运河流域为例,基于2015年夏季野外采样调查34个站点水生态数据,对底栖动物群落特征进行分析,采用典型对应分析筛选得到水质驱动因子,利用临界点指示类群分析方法探究关键影响因子的指示物种及其阈值,并基于底栖动物完整性指数和综合指数法对水生态系统健康状况进行评价.结果表明,底栖动物群落以耐污的水生昆虫和软体动物为主,多样性水平较低,位于0~1.01之间;氟化物、生化需氧量、氨氮和总磷为底栖动物群落的关键水质影响因子;氨氮有4种正响应指示物种,其阈值范围为1.09~6.94 mg·L^(-1),总磷有3种正响应指示物种,其阈值范围为0.48~1.27 mg·L^(-1);健康评价结果表明全流域水生态健康评价结果总体较差,中上游健康状况相对较好,健康状况最好地区主要位于昌平区山区,健康状况最差地区主要位于朝阳区及中心城区.本研究结果可为河流生态修复和污染物控制提供依据,同时也为其他城市水生态文明建设提供参考.