兩淮采煤沉陷積水區(qū)水體初級(jí)生產(chǎn)特征

易齊濤,徐 鑫,曲喜杰,張明旭

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南232001；2.安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南232001)

兩淮采煤沉陷積水區(qū)水體初級(jí)生產(chǎn)特征

易齊濤1*,徐 鑫1,曲喜杰1,張明旭2

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南232001；2.安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南232001)

在淮南潘謝礦區(qū)設(shè)置3個(gè)研究站點(diǎn)(PXPJ、PXGQ和PXXQ),在淮北朱-楊莊礦區(qū)內(nèi)設(shè)置2個(gè)研究站點(diǎn)(HBZH和HBNH),于2012年和2013年分4個(gè)季度對(duì)兩淮采煤沉陷積水區(qū)水體的初級(jí)生產(chǎn)力及碳(C)的形態(tài)特征進(jìn)行了研究,其中C形態(tài)分溶解無(wú)機(jī)碳(DIC)、溶解有機(jī)碳(DOC)和顆粒有機(jī)碳(POC),并以此為基礎(chǔ)分析了初級(jí)生產(chǎn)力與C形態(tài)及其它環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系.研究結(jié)果表明:受區(qū)域地理氣候、水化學(xué)特征和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境等方面影響,5個(gè)研究站點(diǎn)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、初級(jí)生產(chǎn)力及C形態(tài)等存在著較大的跨度范圍.5個(gè)站點(diǎn)4個(gè)季度研究期間葉綠素 a(Chla)濃度均值范圍為 3.7～71.5mg/m3,POC 濃度均值范圍為 0.9～4.0mgC/L,總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)均值范圍82.4～2305.4mgC/(m2·d), 淮南沉陷積水區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和初級(jí)生產(chǎn)力明顯高于淮北沉陷積水區(qū).5個(gè)研究站點(diǎn)水體初級(jí)生產(chǎn)力和氮磷含量、Chla、DOC和POC具有顯著的正相關(guān)性.最后根據(jù)研究結(jié)果針對(duì)性地提出了兩淮礦區(qū)水生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)重建、恢復(fù)與保護(hù)的差別化原則.

采煤沉陷區(qū)；初級(jí)生產(chǎn)；有機(jī)碳；富營(yíng)養(yǎng)化

兩淮(淮南、淮北)礦區(qū)由于特定的區(qū)域水文地質(zhì)和自然地理?xiàng)l件,煤炭開(kāi)采在造就大規(guī)模沉陷區(qū)的同時(shí),也為水資源儲(chǔ)存創(chuàng)造了良好的條件.兩淮現(xiàn)有沉陷區(qū)面積約300km2左右,未來(lái)10年內(nèi)將擴(kuò)展至500km2上,積水區(qū)面積約占30%～50%.現(xiàn)階段采煤沉陷積水區(qū)廣泛分布于兩淮的各個(gè)礦區(qū),分別形成了水塘、湖泊、濕地或平原水庫(kù)等眾多不同景觀類(lèi)水體,分別執(zhí)行著水源保護(hù)地、漁業(yè)活動(dòng)區(qū)、濕地生態(tài)恢復(fù)區(qū)、工農(nóng)業(yè)供水源等不同的水體功能.這類(lèi)水體數(shù)量眾多,單體面積較小(1～5km3),受區(qū)域環(huán)境及人為活動(dòng)影響各異,水體間營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)跨度較大,厘定此類(lèi)水體生態(tài)環(huán)境特征對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境重建與恢復(fù)具有重要意義.

此前相關(guān)研究主要集中于沉陷區(qū)水量評(píng)估、水質(zhì)評(píng)價(jià)和水體浮游生物群落結(jié)構(gòu)等方面[1-3],但均局限于較小的礦區(qū)范圍,而對(duì)礦區(qū)整體生態(tài)環(huán)境特征缺乏較為系統(tǒng)的把握,從而導(dǎo)致水體功能定位模糊、生態(tài)恢復(fù)與保護(hù)策略缺乏針對(duì)性.近些年針對(duì)兩淮沉陷區(qū)水體水化學(xué)、富營(yíng)養(yǎng)化特征[4-5]及沉積物-水界面磷(P)元素的賦存與遷移轉(zhuǎn)化行為[6-8]等方面的研究得到了加強(qiáng),本研究則主要集中于兩淮區(qū)域尺度上生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)特征的分析.

初級(jí)生產(chǎn)力是指單位面積水域在單位時(shí)間內(nèi)初級(jí)生產(chǎn)者生產(chǎn)有機(jī)物的能力,是水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),相關(guān)研究可用于估算漁產(chǎn)潛力、評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型,同時(shí)也對(duì)水生態(tài)環(huán)境特征具有較強(qiáng)的指示作用[9].在過(guò)去數(shù)十年中,國(guó)內(nèi)外對(duì)不同地理位置的湖庫(kù)等淡水類(lèi)水體初級(jí)生產(chǎn)特征和影響因素進(jìn)行了大量的報(bào)道,我國(guó)相關(guān)研究主要在太湖[10]、巢湖[11]、淀山湖[9]及部分水庫(kù)[12-14]等水體,曾臺(tái)衡[15]等曾經(jīng)對(duì)長(zhǎng)江中下游諸多湖區(qū)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行了系統(tǒng)的估算和比較.在這些研究中,初級(jí)生產(chǎn)力表征方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)黑白瓶實(shí)驗(yàn)、VGPM (Vertically Generalized Production Model)模型或Talling公式[15-17]預(yù)測(cè),或利用 Cadée[18]提出的簡(jiǎn)化公式進(jìn)行估計(jì),其中很少研究將這些方法結(jié)合起來(lái)對(duì)比驗(yàn)證,并探討不同方法之間的差異.

本研究將利用黑白瓶實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)兩淮沉陷積水區(qū)水體的初級(jí)生產(chǎn)特征進(jìn)行分析,并對(duì)VGPM模型及Cadée簡(jiǎn)化葉綠素估計(jì)法的適宜性進(jìn)行討論,結(jié)合初級(jí)生產(chǎn)力和C形態(tài)特征對(duì)研究區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的C循環(huán)特征進(jìn)行初步探討.根據(jù)礦區(qū)水生態(tài)環(huán)境和初級(jí)生產(chǎn)力特征,提出兩淮沉陷區(qū)水體功能定位、資源利用及生態(tài)恢復(fù)應(yīng)遵循的原則和策略,為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)重建、恢復(fù)及管理等實(shí)踐活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況和研究站點(diǎn)簡(jiǎn)介

兩淮礦區(qū)是我國(guó)華東地區(qū)重要的能源供應(yīng)基地,淮南礦區(qū)地處亞熱帶與暖溫帶的過(guò)渡帶,平均氣溫15.6 ,℃年均降雨量926mm,礦區(qū)內(nèi)地表水系最終匯入淮河.淮北礦區(qū)位于距淮南200km左右,屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),平均氣溫14.8 ,℃年均降雨量869mm,礦區(qū)內(nèi)水系自西北向東南流過(guò),最終匯入洪澤湖.以外,兩淮地區(qū)土壤植被景觀亦存在較大區(qū)別,淮北礦區(qū)較為干旱缺水,土壤質(zhì)地以沙質(zhì)壤土為主,主要種植旱作物,而淮南水資源豐富,土壤質(zhì)地以粘土為主,水稻種植面積在農(nóng)作物中占據(jù)較大比例.

兩淮礦區(qū)開(kāi)采礦井?dāng)?shù)十對(duì),沉陷區(qū)分布廣泛,本研究綜合考慮水系特征、水域面積、沉陷覆水歷史及人為活動(dòng)影響等因素,首先在兩淮各選取一個(gè)較大的代表性礦區(qū),其中淮南潘謝礦區(qū)位于農(nóng)業(yè)活動(dòng)集中區(qū)域,而淮北朱-楊莊礦區(qū)則為淮北城市生態(tài)恢復(fù)與重建的中心地帶,具體區(qū)域概況及研究站點(diǎn)簡(jiǎn)介如下:

圖1 淮南“潘謝”礦區(qū)研究站點(diǎn)分布示意Fig.1 The distribution of three research sites around the Huianan “Panxie” coalmine areas

潘謝礦區(qū)位于淮河中游北岸,東西長(zhǎng)近70km,南北寬25km,面積約865km2.礦區(qū)地表水系發(fā)達(dá),自然河道有西淝河、黑河、泥河和架河等,其流向均為由西北向東南入淮河[19].迄今為止積水面積約100km2,平均水深3～5m.根據(jù)淮南市政府和淮南礦業(yè)集團(tuán)規(guī)劃,本區(qū)將建成具有淮河蓄滯洪區(qū)、工農(nóng)業(yè)用水、漁業(yè)養(yǎng)殖與生態(tài)濕地等綜合功能的大型平原水庫(kù).

在礦區(qū)東部、中部及西部共設(shè)置3個(gè)較為穩(wěn)定的沉陷積水區(qū)水體為研究站點(diǎn),即 PXPJ、PXGQ和PXXQ分別位于潘集、顧橋和謝橋礦井田范圍內(nèi)(圖1).3個(gè)研究水體現(xiàn)主要用于漁業(yè)養(yǎng)殖活動(dòng),每年有魚(yú)苗投放,但無(wú)餌料及肥料施加,為自然散養(yǎng)型.其中 PXPJ站水體和周?chē)嗪勇?lián)通,受納泥河排污,PXXQ和周?chē)r(nóng)業(yè)干渠謝展河聯(lián)通,同時(shí)和南邊的濟(jì)河在汛期通過(guò)節(jié)制閘門(mén)進(jìn)行水量交換,而PXGQ水體則較為封閉.

朱-楊莊沉陷區(qū)位于淮北市東南方向,東西寬6km,南北長(zhǎng)10km.根據(jù)“淮北市資源枯竭城市礦山地質(zhì)環(huán)境治理重點(diǎn)項(xiàng)目”,擬將東湖、中湖、南湖聯(lián)通,形成串珠狀湖泊系列,綜合整治水域面積超過(guò)10km2,在汛期利用岱河雨洪資源補(bǔ)充水源,調(diào)蓄庫(kù)容2476萬(wàn)m3.本區(qū)設(shè)置2個(gè)研究站點(diǎn),分別為淮北中湖(HBZH)和南湖(HBNH),具體位置見(jiàn)圖2.其中 HBNH站為國(guó)家級(jí)城市濕地公園,HBZH站濕地公園也在規(guī)劃建設(shè)中,二者均規(guī)劃為淮北市水源保護(hù)地.

圖2 淮北朱-楊莊礦區(qū)研究站點(diǎn)分布示意Fig.2 The distribution of two research sites around the Huaibei “Zhu-Yang Zhuang” coalmine areas

由于涉及研究站點(diǎn)較多,各站點(diǎn)水域具體位置、面積、水質(zhì)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)及周?chē)h(huán)境特征等以表的形式列出(表1).每個(gè)水體至少設(shè)置5個(gè)以上的水質(zhì)采樣點(diǎn),并根據(jù)不同水域現(xiàn)場(chǎng)條件適度增加,以便能詳實(shí)準(zhǔn)確的反映研究水域的水質(zhì)狀況,5個(gè)研究站點(diǎn)水域年齡跨度為幾年到幾十年.

表1 5個(gè)研究站點(diǎn)具體位置、采樣點(diǎn)設(shè)置及周?chē)h(huán)境狀況一覽表Table1 Specific location, water samples and features of the five study sites and their surrounding environments

1.2 水質(zhì)分析及初級(jí)生產(chǎn)力測(cè)定

分別于2012年秋冬季和2013年春夏季對(duì)5個(gè)研究站點(diǎn)進(jìn)行了為期1年4個(gè)季度的水質(zhì)采樣.在每個(gè)設(shè)定的水質(zhì)采樣點(diǎn)用有機(jī)玻璃采水器采取表層水樣,采樣方法根據(jù)《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范(第二版)》[20]進(jìn)行.常規(guī)水質(zhì)調(diào)查與分析指標(biāo)包括:pH值、水溫(Tem)、溶解氧(DO)、總懸浮物(TSS)、透明度 (SD)、總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素 a(Chla)等.水質(zhì)分析具體分析方法選擇同文獻(xiàn)[5]保持一致,選取SD、TN、TP和 Chl a共4個(gè)指標(biāo),用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)[4,21]進(jìn)行評(píng)價(jià).

在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中,實(shí)測(cè)初級(jí)生產(chǎn)力垂直分布一般呈現(xiàn)相同形式,即在表層由于光抑制作用光合速率降低,在次表層光強(qiáng)最適合處出現(xiàn)最大值[22],一般在透明度的0.5倍處,之后隨光強(qiáng)減弱而降低,據(jù)此特點(diǎn),設(shè)置透明度1/2處為黑白瓶的掛瓶深度.在每個(gè)研究站點(diǎn)水質(zhì)采樣點(diǎn)中選取湖中心水域3個(gè)采樣點(diǎn)用于初級(jí)生產(chǎn)力的研究,用5L 采水器取表層水樣分裝原初氧瓶和和黑白瓶, 并記錄現(xiàn)場(chǎng)水溫,掛瓶24h以完成1個(gè)光暗周期的初級(jí)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn).起瓶時(shí)用堿性碘化鉀和硫酸錳現(xiàn)場(chǎng)固定,立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室用硫代硫酸鈉滴定DO濃度,乘以0.3的系數(shù)轉(zhuǎn)換成以C為單位的表層潛在初級(jí)生產(chǎn)力,并根據(jù)真光層深度計(jì)算水柱單位面積初級(jí)生產(chǎn)力.此外分別用VGPM模型和Cadée簡(jiǎn)化公式進(jìn)行初級(jí)生產(chǎn)的估算,用于和實(shí)測(cè)得初級(jí)生產(chǎn)值對(duì)比.VGPM 模型綜合考慮水溫、光照條件、葉綠素含量和真光層深度等影響水柱初級(jí)生產(chǎn)力的因素,計(jì)算精確并運(yùn)用廣泛.根據(jù)Behrenfeld等[15,23]的研究結(jié)論,VGPM 模型計(jì)算水柱積分初級(jí)生產(chǎn)力的核心公式為:

式中:PPeu為表層到真光層的初級(jí)生產(chǎn)力,mg C/(m2·d);PBopt為水柱的最大碳固定速率, mgC/(mgChla·h);Copt為 PBopt所在處 Chla濃度, mg/m3,用表層Chla濃度代替;E0為湖面光合有效輻射,μmol/(m2·s);Zeu為真光層深度 m,用透明度的3倍計(jì)算;Dirr為光照周期,h,根據(jù)安徽農(nóng)業(yè)氣象公報(bào)確定采樣時(shí)期內(nèi)光照周期范圍.PBopt是表層溫度的函數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的公式計(jì)算:

式中:t為表層湖水溫度,℃.

Cadée提出的簡(jiǎn)化估算初級(jí)生產(chǎn)力公式為 :

式中:PS為表層水中浮游植物的潛在生產(chǎn)力, mgC/(m3·h),同式(1)中的PBopt,PBeu、Zeu和Dirr同式(1).PS根據(jù)表層水體Chla的含量計(jì)算:PS=CaQ,式中 :Ca為表層Chla濃度,mg/m3;Q為最大同化系數(shù),mgC/(mgChla·h),分別同式(1)中Copt和PBopt.在計(jì)算過(guò)程中,PBopt、Zeu和Dirr的選取和VGPM模型保持一致.

1.3 C元素形態(tài)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

DOC、DIC和POC與水質(zhì)采樣同步,現(xiàn)場(chǎng)以0.70 μm Whatman/GF玻璃纖維膜過(guò)濾和分樣,玻璃纖維膜使用前用450℃高溫灼燒去除有機(jī)物.DOC和DIC濾液于4℃冷藏保存運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后立即測(cè)定,POC濾膜冷凍保存后分批測(cè)定. DOC和 DIC用 TOC分析儀(日本島津公司, TOC-VCPN)進(jìn)行測(cè)定,DOC測(cè)定前先進(jìn)行酸化-氮?dú)獯得撉疤幚硪匀コ渲械腄IC成分,從而保證低濃度樣品的準(zhǔn)確性,此后用680℃高溫燃燒催化氧化一非分散紅外吸收(NDIR)法檢測(cè);POC酸化去除顆粒無(wú)機(jī)碳后[24],用碳?xì)涞胤治鰞x(美國(guó)力克公司,LECO-TRUSEC)測(cè)定.

各研究站點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)用所有采樣點(diǎn)均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示,實(shí)測(cè)初級(jí)生產(chǎn)力和 C形態(tài)(DOC、DIC、POC)及相關(guān)環(huán)境因子如 pH值、水溫、SD、DO等相關(guān)性分析用 SPSS19進(jìn)行,設(shè)置95%(P<0.05)和99%(P<0.01)兩個(gè)置信度進(jìn)行Pearson相關(guān)分析.總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)和POC比值用來(lái)分析水體C的周轉(zhuǎn)率.

2 結(jié)果與分析

2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽水平和結(jié)構(gòu)特征

5個(gè)研究站點(diǎn)水體4個(gè)季度調(diào)查期間溫度均值范圍為7.0～31.7℃,DO 濃度均值范圍6.2～13.1mg/L,pH值范圍為7.87～9.18,水化學(xué)主要特征為碳酸鹽溶液控制的弱堿性緩沖體系(表2);調(diào)查期間SD均值范圍為0.5～1.5m, TP、TN均值范圍分別為0.01～0.12mg/L和0.27～2.95mg/L; Chla均值范圍為3.7～71.5mg/m3. PXGQ、HBNH和HBZH站氮磷含量較為接近,營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)可歸為-中營(yíng)養(yǎng)-輕度富營(yíng)養(yǎng)(TSI=40～60),而 PXPJ和PXXQ站營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)較高,處于輕度-中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(TSI=50～70).

淮北礦區(qū)HBNH和HBZH站Chla濃度總體均值小于10.0mg/m3,遠(yuǎn)低于氮磷含量相近的PXGQ站,而營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)較高的PXPJ和PXXQ兩個(gè)站Chla濃度最高達(dá)41.1mg/m3和71.5mg/m3, Chla較大的濃度范圍除了與水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)外,還可能與兩淮區(qū)域地理氣候、水環(huán)境化學(xué)特征有關(guān).

表2 2012～2013年度4個(gè)季度調(diào)查期間5個(gè)研究站點(diǎn)水體環(huán)境參數(shù)及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分布Table2 Seasonal water parameters and nutrient contents across the five sites during the2012-2013study period.

2.2 初級(jí)生產(chǎn)力特征分析

5個(gè)研究站點(diǎn)大部分期間保持了較高的凈初級(jí)生產(chǎn)比率,PXPJ和PXXQ站NPP的均值范圍分別為 662.9～836.4mgC/(m2·d)和 611.3～1775.3mgC/(m2·d),HBNH和HBZH站NPP分別為0～315.9mgC/(m2·d)和0～490.4mgC/(m2·d),而PXGQ站NPP則為288.9～768.7mgC/(m2·d),5個(gè)研究站點(diǎn)NPP占GPP平均比率約為67.4%,為典型的自養(yǎng)型水體.值得指出的是,HBNH和HBZH這2個(gè)站點(diǎn)于2013年4月和6月出現(xiàn)凈初級(jí)生產(chǎn)量為零的情況,可能是由于春末夏初總初級(jí)力較低而水體呼吸量相對(duì)較大所致.

24h內(nèi)測(cè)得的平均同化系數(shù)范圍為1.2～4.3mgC/(mgChl a·h), 而由VGPM模型計(jì)算得出的最大同化系數(shù)的范圍為3.2～9.0mgC/ (mgChl a·h),約為24h平均同化系數(shù)的1～3倍,由于24h實(shí)驗(yàn)中初級(jí)生產(chǎn)力會(huì)隨光照強(qiáng)度的不同發(fā)生不同的變化,根據(jù)張運(yùn)林等[10]在太湖梅梁灣分時(shí)段研究結(jié)果,10～14h初級(jí)生產(chǎn)力約為其他時(shí)段的2倍左右,本研究結(jié)果在此研究范圍之內(nèi).PXXQ和HBZH站夏季采樣調(diào)查期間水體水溫為略低于計(jì)算公式28.5oC的臨界值,導(dǎo)致計(jì)算所得最大同化系數(shù)較高,分別達(dá)8.8,9.0mgC/ (mgChla·h),因而導(dǎo)致計(jì)算得出的總初級(jí)生產(chǎn)力也遠(yuǎn)高于這2個(gè)站點(diǎn)實(shí)際測(cè)定值.

實(shí)測(cè)初級(jí)生產(chǎn)力位于VGPM模型和Cadée簡(jiǎn)化公式計(jì)算值范圍之內(nèi)或低于計(jì)算值,一方面可能受采樣時(shí)段如輻射條件或他環(huán)境因子影響,水體初級(jí)生產(chǎn)并不能達(dá)到較為理想的狀態(tài),另一方面,實(shí)測(cè)初級(jí)生產(chǎn)力可能存在一定誤差(如由于溶氧析出導(dǎo)致白瓶氣泡的形成和損失).與此同時(shí),VGPM模型和Cadée簡(jiǎn)化公式計(jì)算得出的初級(jí)生產(chǎn)范圍較為一致,實(shí)際上 VGPM 模型和Cadée公式大體相同,其中VGPM模型用0.66125和輻射系數(shù)項(xiàng) E0/(E0+4.1)進(jìn)行了校正,而 Cadée簡(jiǎn)化公式則用最大生產(chǎn)力的1/2進(jìn)行計(jì)算,數(shù)值上沒(méi)有多大差別,在富營(yíng)養(yǎng)化水體中,二者均能較好估算水體的總初級(jí)生產(chǎn)力.

綜上所述,5個(gè)研究站點(diǎn)的初級(jí)生產(chǎn)力大小和水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)高低保持了較好的一致性,GPP按照年均值[單位:mgC/(m2·d)]大小排列順序?yàn)?PXXQ(1493.8)、PXPJ(1136.0)>PXGQ(613.6)> HBZH(335.9)、HBNH(272.1),淮南和淮北礦區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力具有明顯的地域差異.

2.3 C形態(tài)特征分析

表4列出了5個(gè)研究站點(diǎn)4個(gè)季度調(diào)查期間水體DIC、POC和DOC均值、標(biāo)準(zhǔn)差及C周轉(zhuǎn)特征(用 GPP/POC指示).DIC主要由 HCO3-和CO32-構(gòu)成,反映了水體水化學(xué)的堿度大小. HBNH和HBZH站2個(gè)研究水體DIC的濃度均值范圍分別為 64.5～70.4mgC/L 和 49.2～55.5mgC/L, PXPJ、PXGQ和PXXQ站DIC均值范圍分別為42.5～52.4mgC/L、38.4～42.4mgC/L和36.0～45.6mgC/L,淮北礦區(qū)由于水體堿度較大,DIC濃度明顯高于淮南沉陷區(qū)水體.POC為水體懸浮物中有機(jī)質(zhì)的含量,除了非生物活性成分外,很大部分由浮游生物的現(xiàn)存生物量構(gòu)成,和水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、Chla及初級(jí)生產(chǎn)力大小一致,淮北沉陷區(qū)2個(gè)研究站點(diǎn)最低,POC均值范圍分別為0.9～2.0mgC/L和1.3～2.0mgC/L,均低于2.0mg/L,而淮南3個(gè)研究站點(diǎn) POC均值范圍為1.8～4.0mgC/L,其中PXPJ站為2.2～2.6mgC/L, PXGQ站為1.8～2.4mgC/L,而PXXQ則為2.0～4.0mgC/ L.5個(gè)研究站點(diǎn)中 DOC濃度體現(xiàn)出同樣的特點(diǎn),HBZH和 HBNH站濃度最低,均值范圍為2.0～5.9mgC/L,淮南3個(gè)研究站點(diǎn)較高,濃度范圍為4.4～11.1mgC/L.特別是在夏汛期間,淮南3研究站點(diǎn) DOC濃度明顯要高于其他季節(jié),一方面,夏季浮游植物生長(zhǎng)旺盛導(dǎo)致溶解有機(jī)質(zhì)含量增大,另一方面,由于汛期雨水沖刷帶來(lái)的高濃度有機(jī)物質(zhì)的輸入也可能導(dǎo)致水體DOC濃度顯著升高的重要原因.

當(dāng)巷道達(dá)到極限平衡時(shí)，滑移面GF與水平線的夾角是(45°+φ/2)，滑動(dòng)面EF與水平線的夾角是(45°-φ/2)，φ為松散巖體的折算摩擦角，φ=arctan (σc/10)，其中：σc為巖體的單軸抗壓強(qiáng)度。五陽(yáng)煤礦巷道底板煤層強(qiáng)度9 MPa，得出φ=40.1°。

GPP/POC比值可以初步估計(jì)水體C的周轉(zhuǎn)率,類(lèi)似于生產(chǎn)力和生物量的比率(P:B),即衡量有機(jī)碳在水體中轉(zhuǎn)換速度的快慢.初級(jí)生產(chǎn)者生產(chǎn)的有機(jī)碳一方面為生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用消耗,另一方面,可以通過(guò)撲食關(guān)系進(jìn)入食物網(wǎng)的下?tīng)I(yíng)養(yǎng)級(jí).從GPP/POC比值來(lái)看,HBNH和HBZH站最低,范圍為0.05～0.24d-1, 而淮南3個(gè)站點(diǎn)較高,范圍為0.2～0.7d-1,其中PXXQ站最高,范圍為0.47～0.70d-1,即在1～2d內(nèi)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)所產(chǎn)生的C就能完成周轉(zhuǎn),暗示水體活躍的生物活動(dòng)或較高的捕食者壓力.在淮南3個(gè)研究站點(diǎn)水域,當(dāng)?shù)貪O民每年放養(yǎng)大量的鰱鳙,而淮北2站點(diǎn)則保持較為自然的狀態(tài),這可能從另一方面暗示了生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)中捕食者對(duì)水體C循環(huán)的重要性.

綜上所述,兩淮采煤沉陷積水區(qū)水體有機(jī)碳(POC和DOC)含量與初級(jí)生產(chǎn)力水平保持了較好的一致性, 淮南礦區(qū)高于淮北礦區(qū),生態(tài)系統(tǒng)中的C周轉(zhuǎn)速率也是如此,營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和初級(jí)生產(chǎn)力較高的水體C周轉(zhuǎn)率較高,生物活動(dòng)相對(duì)活躍.

表4 2012～2013年度4個(gè)季度調(diào)查期間5個(gè)研究站點(diǎn)C形態(tài)分布Table4 Seasonal carbon pools across the five sites during the2012-2013study period.

2.4 初級(jí)生產(chǎn)影響因素分析

從表5中可以看出,GPP和NPP、R、Chla、 TP、TN、POC、DOC等呈顯著或極顯著正相關(guān)性.首先,氮磷是浮游植物生長(zhǎng)中最重要營(yíng)養(yǎng)因子,其濃度也是決定水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、生物量及生產(chǎn)力重要因素,從本質(zhì)上來(lái)講,5個(gè)研究站點(diǎn)水體氮磷含量的差異是導(dǎo)致初級(jí)生產(chǎn)特征出現(xiàn)空間和時(shí)間梯度分布的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)因子之一.

其次,POC和DOC是水體有機(jī)碳庫(kù),除開(kāi)外源輸入和水體再懸浮等因素影響,DOC和 POC大小可以從某種程度上可體現(xiàn)生物活動(dòng)水平的強(qiáng)弱,浮游生物生物現(xiàn)存量是POC的重要組成部分,而浮游植物初級(jí)生產(chǎn)的有機(jī)C中相當(dāng)部分以溶解態(tài)的形式釋放到水體中[25],因此初級(jí)生產(chǎn)力和C形態(tài)表現(xiàn)出很好的正相關(guān)性.除此以外,DIC含量和初級(jí)生產(chǎn)力及生物量指標(biāo)呈現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)性,暗示區(qū)域水化學(xué)特征可能對(duì)水體初級(jí)生產(chǎn)和生物活動(dòng)具有重要影響.

表5 初級(jí)生產(chǎn)與相關(guān)環(huán)境因子及C形態(tài)相關(guān)性矩陣Table5 The correlation matrix between primary production (PP) and the related environmental parameter, carbon pools.

最后,Chla和初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)性極好,相關(guān)性系數(shù)高達(dá)0.914,由于水體Chla和水體透明度及真光層厚度,季節(jié)變化和溫度均存在一定的相關(guān)性,是水體營(yíng)養(yǎng)鹽及其他環(huán)境因子的綜合體現(xiàn),因此用Chla濃度可以大體估算研究區(qū)域水體初級(jí)生產(chǎn)力.5個(gè)站點(diǎn)4個(gè)季度共20個(gè)樣本數(shù)據(jù)可以初步建立兩淮采煤沉陷區(qū)積水區(qū)水體初級(jí)生產(chǎn)力的經(jīng)驗(yàn)公式,即:GPP=32.24Chla.

3 討論

從初級(jí)生產(chǎn)力估算模型(VGPM)可以看出,水體初級(jí)生產(chǎn)力大小主要由葉綠素濃度、同化系數(shù)、區(qū)域光輻射條件和真光層深度共同決定,反映了初級(jí)生產(chǎn)者在特定區(qū)域生態(tài)環(huán)境因子作用下利用營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行光合作用的能力.

Chla表征了初級(jí)生產(chǎn)者的生物現(xiàn)存量,而水體營(yíng)養(yǎng)鹽通常是浮游植物生長(zhǎng)的限制因子,是其生物量的重要決定因子,諸多研究中常根據(jù)水體氮或磷的濃度建立浮游植物生物量和生產(chǎn)力的經(jīng)驗(yàn)公式,但主要限于較大的區(qū)域尺度、較多的研究站點(diǎn)或長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的大量樣本的統(tǒng)計(jì)分析.本研究范圍中,5個(gè)站點(diǎn)4個(gè)季度研究期間水體分別處于中營(yíng)養(yǎng)-輕度富營(yíng)養(yǎng)化和輕度-中度富營(yíng)養(yǎng)化多種不同的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量及Chla濃度具有較大跨度范圍,初級(jí)生產(chǎn)力大小也體現(xiàn)出相應(yīng)的區(qū)分度.

根據(jù)我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》[26],III類(lèi)水體氮磷劃分標(biāo)準(zhǔn)為:TN≤1.0mg/ L和TP≤0.05mg/L, HBNH和HBZH低于此標(biāo)準(zhǔn),兩個(gè)站點(diǎn)Chla年均值小于10.0mg/m3,位于國(guó)外北溫帶湖庫(kù)類(lèi)“中營(yíng)養(yǎng)”水體判定的常用限值范圍內(nèi)(1～15mg/m3),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)對(duì)應(yīng)的最高GPP約500mgC/(m2·d);而PXPJ和PXGQ 水體TP濃度達(dá)到 IV類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(0.1mg/L),TN濃度達(dá)到 V類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(2.0mg/L),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式、營(yíng)養(yǎng)最小因子限制原則和研究實(shí)際結(jié)果,現(xiàn)階段可以將淮南礦區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)控限制目標(biāo)水平范圍初步設(shè)為:TP≤0.1mg/L,Chla≤50mg/m3,GPP≤1500mgC/(m2·d),在保證較好水質(zhì)狀態(tài)的同時(shí)亦保持極高的初級(jí)生產(chǎn)潛力.

HBNH、HBZH與PXGQ氮磷濃度相當(dāng),但Chla和GPP顯著低于PXGQ,由于淮南氣候較淮北溫暖濕潤(rùn),同等營(yíng)養(yǎng)鹽水平條件下水體初級(jí)生產(chǎn)可能高于淮北區(qū)域.沉陷區(qū)水化學(xué)特征也可能影響兩淮礦區(qū)初級(jí)生產(chǎn)的重要因素之一,淮北礦區(qū)由于更加干旱缺水的地理?xiàng)l件,水體礦化度、堿度均顯著高于淮南沉陷區(qū)水體,進(jìn)而可能對(duì)浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和初級(jí)產(chǎn)生影響,主要表現(xiàn)為初級(jí)生產(chǎn)和 DIC 的負(fù)相關(guān)性.鄧道貴等[2]對(duì)HBNH研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),盡管其水體營(yíng)養(yǎng)水平較低,藍(lán)綠藻占藻類(lèi)生物量的69.8%,其次是硅藻占較大比率,HBNH站夏季甚至出現(xiàn)銅綠微囊藻水華,除了魚(yú)類(lèi)的撲食壓力較小外,堿性水體對(duì)游離CO2具有較強(qiáng)的結(jié)合能力,具有CCM機(jī)制藻種庫(kù)(藍(lán)藻和硅藻)[27]對(duì)堿性水化學(xué)環(huán)境適應(yīng)性選擇也可能是重要原因之一.

從區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的角度來(lái)看,沉陷區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)狀況和初級(jí)生產(chǎn)力很大程度上受各分礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的制約,類(lèi)似于小流域?qū)κ芗{水體之作用.礦區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向水生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變后,物質(zhì)生產(chǎn)方式、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能也發(fā)生徹底變化,前者主要執(zhí)行糧食的生產(chǎn)功能,后者則形成了以浮游植物初級(jí)生產(chǎn)為基礎(chǔ)的食物網(wǎng),生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及生態(tài)環(huán)境功能均趨向復(fù)雜化和多樣化(圖3).沉陷區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)中,“沉陷盆地”成為各類(lèi)營(yíng)養(yǎng)元素的匯集地,從區(qū)域尺度來(lái)看,周?chē)r(nóng)業(yè)活動(dòng)流失N、P等營(yíng)養(yǎng)元素的匯入可能是最重要的部分,在沒(méi)有餌料、肥料或排污等情況下,水域生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)功能很大程度上取決于區(qū)域農(nóng)業(yè)活動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)剩情況.如HBNH由于建設(shè)為國(guó)家城市濕地公園,周?chē)ㄓ辛己玫纳鷳B(tài)緩沖帶,水質(zhì)狀態(tài)最好,而受納周?chē)恿髋盼鄣腜XPJ和PXXQ水體已經(jīng)進(jìn)入中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài).因此,水生態(tài)環(huán)境的重建與恢復(fù)必須充分考慮礦區(qū)的整體生態(tài)特征.

淮南淮北具有明顯的地域差別,淮南沉陷區(qū)水體生物量和生產(chǎn)力明顯高于淮北地區(qū),生物群落結(jié)構(gòu)也存在顯著差異[2-3],其水體漁業(yè)生產(chǎn)功能及潛力不容忽視,在保持營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)合理及生態(tài)系統(tǒng)功能健康的條件下,利用自然輸入的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行養(yǎng)殖,能夠在補(bǔ)償失地農(nóng)民經(jīng)濟(jì)利益同時(shí)產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益,而淮北沉陷區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和初級(jí)生產(chǎn)力較低,在淮北市整體水資源缺乏及污染較為嚴(yán)重的背景下,其水質(zhì)保護(hù)應(yīng)該處于優(yōu)先地位.

值得指出的是,在理解礦區(qū)水生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)特征的基礎(chǔ)上,今后應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)研究.除傳統(tǒng)生物調(diào)查手段外,可以考慮結(jié)合穩(wěn)定同位素技術(shù)或生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型等先進(jìn)技術(shù)手段進(jìn)行,特別是 C、N穩(wěn)定同位素技術(shù),其在水生態(tài)系統(tǒng)消費(fèi)者食物來(lái)源和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征等研究方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[28-29],在兩淮礦區(qū)積極開(kāi)展相關(guān)工作將對(duì)深入理解沉陷區(qū)多樣性水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義.

圖3 區(qū)域尺度上兩種生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)聯(lián)系概念Fig.3 The connectional model for the relationships of energy flow and nutrient cycles between the terrestrial and fresh water ecosystems based on regional scales

4 結(jié)論

4.1 兩淮采煤沉陷積水區(qū)由于區(qū)域地理氣候、水化學(xué)特征和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境等方面的差異,水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、初級(jí)生產(chǎn)大小及碳庫(kù)特征存在著較大的跨度范圍,5個(gè)研究站點(diǎn)研究期間Chla濃度均值范圍為3.7～71.5mg/m3, POC濃度均值范圍為0.9～4.0mgC/m3,GPP均值范圍82.4～2305.4mgC/ (m2·d);5個(gè)研究站點(diǎn)初級(jí)生產(chǎn)力大小、有機(jī)碳含量及碳的周轉(zhuǎn)率與水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)高低保持了較好的一致性,大小順序?yàn)?PXXQ>PXPJ>PXGQ> HBZH>HBNH,淮南礦區(qū)水體明顯高于淮北礦區(qū)水體.

4.2 根據(jù)兩淮礦區(qū)水體生態(tài)環(huán)境特征和功能特點(diǎn),現(xiàn)階段可以初步將 P≤0.05,Chla=10mg/m3和GPP=500mgC/(m2·d)作為中營(yíng)養(yǎng)化水體來(lái)管理,同時(shí)執(zhí)行III類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);而現(xiàn)階段P≤0.10,Chla=50mg/m3和 GPP=1500mgC/(m2·d)可以初步作為富營(yíng)養(yǎng)化水體的調(diào)控目標(biāo),執(zhí)行 IV類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),在保證區(qū)域水生態(tài)環(huán)境健康的條件下保持較高的初級(jí)生產(chǎn)潛力.

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[29] 李 斌,徐丹丹,王志堅(jiān),等.三峽庫(kù)區(qū)蓄水175m對(duì)漢豐湖不同生物類(lèi)群 δ13C、δ15N 值的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué),2013,33(8):1426-1432.

致謝：本研究中POC分析工作由安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院耿艷老師協(xié)助完成,在此表示感謝.

Characterization of primary productivity in the aquatic zones around the Huainan and Huaibei coalmine subsidence areas.

YI Qi-tao1*, XU Xing1, QU Xi-jie1, ZHANG Ming-xu2
(1.School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan232001, China；2.School of Material Science and Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan232001, China). China Environmental Science,2014,34(8)：2101～2110

Three sites in the Huainan “Panxie” coalmine areas (PXPJ, PXQQ and PXXQ), and two sites in the Huaibei“Zhu-Yang Zhuang” coalmine areas (HBZH and HBNH), were employed to address the characteristics of primary productivity (PP) and carbon pools in the aquatic zones around Huainan and Huaibei coalmine subsidence area. The analyzed carbon pools are in forms of dissolved inorganic carbon (DIC), dissolved organic carbon (DOC), and particulate organic carbon (POC). This research was conducted in one-year period within four seasons from2012 to2013. Then the relationships between PP, carbon pools and other environmental factors were discussed. The nutrient content, PP and carbon pools changed with a great spatial-temporal variability, which was probably attributed to the site-specific conditions as regional geography and climate, local water chemistry and other ecological factors as well. The averaged chlorophyll-a (Chla), POC and gross primary productivity of water column were3.7 to71.5mg/m3,0.9～4.0mgC/L, and82.4～2305.4mgC/(m2·d), respectively. The nutrient levels and PP in the aquatic zones around the Huainan mining areas were greatly higher than those in the Huaibei mining areas. There were significantly positive correlations between PP and nutrients, Chla, DOC, POC. Finally, the differential principles and strategies, aimed to help regionally ecological rehabilitation, restoration and conservation, were proposed based on the present study.

t：coalmine subsidence areas；primary productivity；organic carbon；eutrophication

X524,X171.1

：A

：1000-6923(2014)08-2101-10

易齊濤(1979-),男,湖北天門(mén)人,副教授,博士,主要從事水生態(tài)環(huán)境相關(guān)研究.發(fā)表論文20余篇.

2013-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(41202242);中國(guó)博士后科學(xué)基金(20110490814);淮北礦業(yè)股份有限公司2012年科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目

* 責(zé)任作者, 副教授, yiqitao@163.com