气候变暖对不同营养水平湖泊营养物质动态迁移的影响

【摘要】：近一世纪以来,地球气候发生了一系列以变暖为主要特点的显著变化,全球地表温度升高大约0.74℃,并且在未来的100年升温幅度将达到3-5℃。已有研究表明,气候变暖对淡水生态系统具有多方面的影响,包括：水体的物理化学特性、沉积物各营养物质的化学循环过程以及生态系统内生物的种群密度与种类组成的改变等。目前,我国对气候变化的研究主要集中在古气候演化以及气候变化对陆地生态系统的影响等方面,而关于气候变暖对湖泊生态系统影响的研究略显欠缺。长江中下游地区是我国浅水湖泊比较集中的地区,且该地区亦是我国富营养化湖泊分布的主要地区,同时,有研究表明,在只考虑温室气体增加的条件下,未来整个长江中下游地区变暖的幅度会高于全球平均水平。武汉市位于长江中游江汉平原东部,市域范围内水体丰富,为研究湖泊生态系统对气候变暖的响应机制提供了良好的地理条件和基础。本研究首先分析武汉市近62年气温、降雨、风速及日照时数的气象观测数据,证明武汉市区域气候变暖的存在性,探究全球气候变暖背景下武汉市受到的影响程度。其次,选取超富营养型浅水湖泊—武汉南湖表层沉积物和表层水为研究对象,利用室内光照培养箱设置18℃和22.5℃两个温度处理组,模拟武汉地区预测的本世纪末春季变暖的情景,研究升温对沉积物营养盐释放的影响。最后,选取不同营养水平湖泊(高度富营养化的南湖与中度营养水平的梁子湖沉积物)为研究对象,利用野外原位温控围隔模拟长江中下游流域百年后气候变暖情景,设置两个温度梯度(自然水温,自然水温+4.5℃),总计4个处理。逐月观测不同处理组沉积物系统功能变量(如沉积物-水界面溶解氧、碱度、无机营养盐通量以及沉积物营养物质含量等)的变化特征,探讨气候变暖和不同营养水平对湖泊沉积物系统的影响。取得的主要研究结果如下： (1)武汉市1951-2012年间的降水量无显著趋势,年降水量较为稳定,但最大日降水量波动较大并可能存在一定的周期性特征；武汉市1951-2012年间风速与日照时数均有显著的下降趋势,风速的减小与该地区气温的升高与城市化进程加快有关,而日照时数的下降主要是受到了空气中人为排放的气溶胶浓度增加的影响：此外,武汉市1951-2012年间的气温要素中,除极端最高气温外,其他气温要素如：年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年极端最高气温以及年平均气温距平均表现出极显著的上升趋势,同时发现1993年以前,年平均气温的变化较平稳,但之后气温逐渐升高并且其波动性也在增大,气温上升原因主要是全球气候变暖与城市热岛效应的共同作用的结果。长期的气温的变化证实了在气候变化的背景下,武汉地区气温同样受到全球变暖的影响。 (2)室内控制实验中,以超富营养型浅水湖泊—武汉南湖表层沉积物和表层水为研究对象,设置18℃和22.5℃两个温度处理组,研究升温对沉积物营养盐释放的影响。结果表明,在超富营养型浅水湖泊中,温度的升高能够显著促进湖泊沉积物中磷元素的释放,使水体当中的磷浓度显著增加,从而加剧水体富营养化的风险；好氧环境下,温度的升高对水体中的氨态氮向硝态氮的转化起到了一定的促进作用,但室内模拟系统未观察到升温对沉积物中氮的动态迁移产生显著影响,推测是由于沉积物反硝化作用与底栖生物利用两个原因,但温度的升高对于超富营养型浅水湖泊沉积物中氮元素营养盐动态迁移的影响依然有待进一步实验论证。 (3)通过室外原位温控围隔模拟系统探究了不同营养水平湖泊沉积物-水界面物质迁移对变暖的响应特征。结果表明：升温可以显著促进湖泊生态系统沉积物-水界面离子的电离程度,使界面水体的pH值显著降低,电导率显著升高,同时,升温对界面的总氮释放通量产生了一定的促进作用,但未达到显著水平,其主要原因是升温增强了系统中微生物活性,加快了有机氮的分解以及有机质的矿化速率；高营养水平的浅水湖泊沉积物-水界面的无机氮、磷营养盐离子浓度相对较高,因此电导率较高,同时,较高的营养水平以及沉积物-水界面强烈的厌氧环境加速了氨氮与磷从沉积物向上覆水中的释放,进而影响到氮、磷元素的界面交换通量；而低营养水平的浅水湖泊由于水草繁茂,腐烂的植物碎屑沉降到湖泊沉积物表面使沉积物的有机碳、氮均比高营养水平的沉积物系统显著升高。 【关键词】：气候变暖 富营养化 沉积物-水界面 营养物质 交换通量
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X524;X16
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 国内外有关气候变化的研究进展12-15
• 1.1.1 全球地表温度的变化13-14
• 1.1.2 全球海平面高度的变化14
• 1.1.3 北半球积雪面积的变化14-15
• 1.1.4 国内有关气候变化的研究进展15
• 1.2 气候变暖对湖泊生态系统影响的研究现状15-19
• 1.2.1 气候变暖对湖泊生态系统物理特性的影响15-17
• 1.2.2 气候变暖对湖泊生态系统化学特性的影响17-18
• 1.2.3 气候变暖对湖泊生态系统生物的影响18-19
• 1.2.4 国内有关气候变暖对湖泊生态系统的影响研究19
• 1.3 沉积物在湖泊生态系统中的作用19-23
• 1.3.1 沉积物对湖泊生态系统物理特性的作用20-21
• 1.3.2 沉积物对湖泊生态系统化学特性的作用21
• 1.3.3 沉积物对湖泊生态系统生物的作用21-23
• 1.4 我国湖泊的富营养化现状23-24
• 1.5 研究目的与意义24-25
• 第二章 武汉市近62年主要气象观测数据浅析25-36
• 2.1 前言25
• 2.2 研究区域概况25-26
• 2.3 数据收集与分析方法26-27
• 2.3.1 数据收集26
• 2.3.2 分析方法26-27
• 2.4 分析结果27-31
• 2.4.1 气温因子的变化趋势27-29
• 2.4.2 降水、风速、日照时数的变化趋势29-31
• 2.5 讨论31-34
• 2.5.1 武汉气温要素的变化趋势31-33
• 2.5.2 武汉降水、风速、日照时数气候要素的变化趋势33-34
• 2.6 结论34-36
• 第三章 升温对超富营养型浅水湖泊沉积物营养盐动态迁移影响的初步研究36-47
• 3.1 前言36-37
• 3.2 研究区域概况37-38
• 3.3 材料与方法38-39
• 3.3.1 实验材料38
• 3.3.2 实验设计与实验温度的确定38-39
• 3.4 实验结果39-43
• 3.4.1 水体NO_3~--N、NH_4~+-N和TN的变化39-40
• 3.4.2 水体o-P和TP的变化40-41
• 3.4.3 TNS和TPS的变化41-42
• 3.4.4 沉积物Chl a的变化42-43
• 3.4.5 沉积物LOI的变化43
• 3.5 讨论43-46
• 3.5.1 升温对系统沉积物磷动态迁移的影响43-44
• 3.5.2 升温对系统沉积物氮动态迁移的影响44-46
• 3.6 结论46-47
• 第四章 不同营养水平湖泊沉积物-水界面物质动态迁移对气候变暖的响应特征—室外原位围隔模拟实验47-74
• 4.1 前言47-48
• 4.2 研究区域概况48
• 4.3 材料与方法48-51
• 4.3.1 室外控温围隔模拟系统的建立48-49
• 4.3.2 实验方法49-50
• 4.3.3 数据处理50-51
• 4.4 实验结果51-69
• 4.4.1 系统水温变化51-52
• 4.4.2 以时间为协变量的双因素方差分析52-54
• 4.4.3 pH、EC的变化及单因素方差分析54-55
• 4.4.4 沉积物Chl a的变化及单因素方差分析55-56
• 4.4.5 沉积物LOI的变化及单因素方差分析56-57
• 4.4.6 沉积物碳氮含量的变化及单因素方差分析57-59
• 4.4.7 TPs与APA的变化及单因素方差分析59-61
• 4.4.8 DO通量的变化及单因素方差分析61-62
• 4.4.9 TA通量的变化及单因素方差分析62-64
• 4.4.10 氮营养盐通量的变化及单因素方差分析64-66
• 4.4.11 磷营养盐通量的变化及单因素方差分析66-68
• 4.4.12 SiO_3~(2-)通量的变化及单因素方差分析68-69
• 4.5 讨论69-74
• 4.5.1 升温对沉积物-水界面物质交换的影响69-71
• 4.5.2 不同营养水平沉积物-水界面物质交换的比较71-74
• 参考文献74-90
• 致谢90-91
• 硕士期间发表的文章及专利91

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