兩淮采煤沉陷積水區水體初級生產特征

易齊濤,徐 鑫,曲喜杰,張明旭

(1.安徽理工大學地球與環境學院,安徽 淮南232001；2.安徽理工大學材料科學與工程學院,安徽 淮南232001)

兩淮采煤沉陷積水區水體初級生產特征

易齊濤1*,徐 鑫1,曲喜杰1,張明旭2

(1.安徽理工大學地球與環境學院,安徽 淮南232001；2.安徽理工大學材料科學與工程學院,安徽 淮南232001)

在淮南潘謝礦區設置3個研究站點(PXPJ、PXGQ和PXXQ),在淮北朱-楊莊礦區內設置2個研究站點(HBZH和HBNH),于2012年和2013年分4個季度對兩淮采煤沉陷積水區水體的初級生產力及碳(C)的形態特征進行了研究,其中C形態分溶解無機碳(DIC)、溶解有機碳(DOC)和顆粒有機碳(POC),并以此為基礎分析了初級生產力與C形態及其它環境因子的相關關系.研究結果表明:受區域地理氣候、水化學特征和礦區生態環境等方面影響,5個研究站點水體營養狀態、初級生產力及C形態等存在著較大的跨度范圍.5個站點4個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,總初級生產力(GPP)均值范圍82.4～2305.4mgC/(m2·d), 淮南沉陷積水區水體營養狀態和初級生產力明顯高于淮北沉陷積水區.5個研究站點水體初級生產力和氮磷含量、Chla、DOC和POC具有顯著的正相關性.最后根據研究結果針對性地提出了兩淮礦區水生態區生態系統重建、恢復與保護的差別化原則.

采煤沉陷區；初級生產；有機碳；富營養化

兩淮(淮南、淮北)礦區由于特定的區域水文地質和自然地理條件,煤炭開采在造就大規模沉陷區的同時,也為水資源儲存創造了良好的條件.兩淮現有沉陷區面積約300km2左右,未來10年內將擴展至500km2上,積水區面積約占30%～50%.現階段采煤沉陷積水區廣泛分布于兩淮的各個礦區,分別形成了水塘、湖泊、濕地或平原水庫等眾多不同景觀類水體,分別執行著水源保護地、漁業活動區、濕地生態恢復區、工農業供水源等不同的水體功能.這類水體數量眾多,單體面積較小(1～5km3),受區域環境及人為活動影響各異,水體間營養狀態跨度較大,厘定此類水體生態環境特征對礦區生態環境重建與恢復具有重要意義.

此前相關研究主要集中于沉陷區水量評估、水質評價和水體浮游生物群落結構等方面[1-3],但均局限于較小的礦區范圍,而對礦區整體生態環境特征缺乏較為系統的把握,從而導致水體功能定位模糊、生態恢復與保護策略缺乏針對性.近些年針對兩淮沉陷區水體水化學、富營養化特征[4-5]及沉積物-水界面磷(P)元素的賦存與遷移轉化行為[6-8]等方面的研究得到了加強,本研究則主要集中于兩淮區域尺度上生態系統初級生產特征的分析.

初級生產力是指單位面積水域在單位時間內初級生產者生產有機物的能力,是水生生態系統結構與功能的基礎環節,相關研究可用于估算漁產潛力、評價水體營養類型,同時也對水生態環境特征具有較強的指示作用[9].在過去數十年中,國內外對不同地理位置的湖庫等淡水類水體初級生產特征和影響因素進行了大量的報道,我國相關研究主要在太湖[10]、巢湖[11]、淀山湖[9]及部分水庫[12-14]等水體,曾臺衡[15]等曾經對長江中下游諸多湖區浮游植物初級生產力進行了系統的估算和比較.在這些研究中,初級生產力表征方法主要包括現場黑白瓶實驗、VGPM (Vertically Generalized Production Model)模型或Talling公式[15-17]預測,或利用 Cadée[18]提出的簡化公式進行估計,其中很少研究將這些方法結合起來對比驗證,并探討不同方法之間的差異.

本研究將利用黑白瓶實驗結果對兩淮沉陷積水區水體的初級生產特征進行分析,并對VGPM模型及Cadée簡化葉綠素估計法的適宜性進行討論,結合初級生產力和C形態特征對研究區水生態系統的C循環特征進行初步探討.根據礦區水生態環境和初級生產力特征,提出兩淮沉陷區水體功能定位、資源利用及生態恢復應遵循的原則和策略,為區域生態系統重建、恢復及管理等實踐活動提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況和研究站點簡介

兩淮礦區是我國華東地區重要的能源供應基地,淮南礦區地處亞熱帶與暖溫帶的過渡帶,平均氣溫15.6 ,℃年均降雨量926mm,礦區內地表水系最終匯入淮河.淮北礦區位于距淮南200km左右,屬暖溫帶半濕潤季風氣候區,平均氣溫14.8 ,℃年均降雨量869mm,礦區內水系自西北向東南流過,最終匯入洪澤湖.以外,兩淮地區土壤植被景觀亦存在較大區別,淮北礦區較為干旱缺水,土壤質地以沙質壤土為主,主要種植旱作物,而淮南水資源豐富,土壤質地以粘土為主,水稻種植面積在農作物中占據較大比例.

兩淮礦區開采礦井數十對,沉陷區分布廣泛,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影響等因素,首先在兩淮各選取一個較大的代表性礦區,其中淮南潘謝礦區位于農業活動集中區域,而淮北朱-楊莊礦區則為淮北城市生態恢復與重建的中心地帶,具體區域概況及研究站點簡介如下:

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

潘謝礦區位于淮河中游北岸,東西長近70km,南北寬25km,面積約865km2.礦區地表水系發達,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.根據淮南市政府和淮南礦業集團規劃,本區將建成具有淮河蓄滯洪區、工農業用水、漁業養殖與生態濕地等綜合功能的大型平原水庫.

在礦區東部、中部及西部共設置3個較為穩定的沉陷積水區水體為研究站點,即 PXPJ、PXGQ和PXXQ分別位于潘集、顧橋和謝橋礦井田范圍內(圖1).3個研究水體現主要用于漁業養殖活動,每年有魚苗投放,但無餌料及肥料施加,為自然散養型.其中 PXPJ站水體和周圍泥河聯通,受納泥河排污,PXXQ和周圍農業干渠謝展河聯通,同時和南邊的濟河在汛期通過節制閘門進行水量交換,而PXGQ水體則較為封閉.

朱-楊莊沉陷區位于淮北市東南方向,東西寬6km,南北長10km.根據“淮北市資源枯竭城市礦山地質環境治理重點項目”,擬將東湖、中湖、南湖聯通,形成串珠狀湖泊系列,綜合整治水域面積超過10km2,在汛期利用岱河雨洪資源補充水源,調蓄庫容2476萬m3.本區設置2個研究站點,分別為淮北中湖(HBZH)和南湖(HBNH),具體位置見圖2.其中 HBNH站為國家級城市濕地公園,HBZH站濕地公園也在規劃建設中,二者均規劃為淮北市水源保護地.

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

由于涉及研究站點較多,各站點水域具體位置、面積、水質采樣點個數及周圍環境特征等以表的形式列出(表1).每個水體至少設置5個以上的水質采樣點,并根據不同水域現場條件適度增加,以便能詳實準確的反映研究水域的水質狀況,5個研究站點水域年齡跨度為幾年到幾十年.

表1 5個研究站點具體位置、采樣點設置及周圍環境狀況一覽表Table1 Specific location, water samples and features of the five study sites and their surrounding environments

1.2 水質分析及初級生產力測定

分別于2012年秋冬季和2013年春夏季對5個研究站點進行了為期1年4個季度的水質采樣.在每個設定的水質采樣點用有機玻璃采水器采取表層水樣,采樣方法根據《湖泊富營養化調查規范(第二版)》[20]進行.常規水質調查與分析指標包括: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.水質分析具體分析方法選擇同文獻[5]保持一致,選取SD、TN、TP和 Chl a共4個指標,用綜合營養狀態指數(TSI)[4,21]進行評價.

在富營養化湖泊中,實測初級生產力垂直分布一般呈現相同形式,即在表層由于光抑制作用光合速率降低,在次表層光強最適合處出現最大值[22],一般在透明度的0.5倍處,之后隨光強減弱而降低,據此特點,設置透明度1/2處為黑白瓶的掛瓶深度.在每個研究站點水質采樣點中選取湖中心水域3個采樣點用于初級生產力的研究,用5L 采水器取表層水樣分裝原初氧瓶和和黑白瓶, 并記錄現場水溫,掛瓶24h以完成1個光暗周期的初級生產實驗.起瓶時用堿性碘化鉀和硫酸錳現場固定,立即運回實驗室用硫代硫酸鈉滴定DO濃度,乘以0.3的系數轉換成以C為單位的表層潛在初級生產力,并根據真光層深度計算水柱單位面積初級生產力.此外分別用VGPM模型和Cadée簡化公式進行初級生產的估算,用于和實測得初級生產值對比.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生產力的因素,計算精確并運用廣泛.根據Behrenfeld等[15,23]的研究結論,VGPM 模型計算水柱積分初級生產力的核心公式為:

式中:PPeu為表層到真光層的初級生產力,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倍計算;Dirr為光照周期,h,根據安徽農業氣象公報確定采樣時期內光照周期范圍.PBopt是表層溫度的函數,根據文獻[15]中的公式計算:

式中:t為表層湖水溫度,℃.

Cadée提出的簡化估算初級生產力公式為 :

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

1.3 C元素形態測試及數據分析

DOC、DIC和POC與水質采樣同步,現場以0.70 μm Whatman/GF玻璃纖維膜過濾和分樣,玻璃纖維膜使用前用450℃高溫灼燒去除有機物.DOC和DIC濾液于4℃冷藏保存運至實驗室后立即測定,POC濾膜冷凍保存后分批測定. DOC和 DIC用 TOC分析儀(日本島津公司, TOC-VCPN)進行測定,DOC測定前先進行酸化-氮氣吹脫前處理以去除其中的DIC成分,從而保證低濃度樣品的準確性,此后用680℃高溫燃燒催化氧化一非分散紅外吸收(NDIR)法檢測;POC酸化去除顆粒無機碳后[24],用碳氫氮元素分析儀(美國力克公司,LECO-TRUSEC)測定.

各研究站點水質數據用所有采樣點均值和標準偏差來表示,實測初級生產力和 C形態(DOC、DIC、POC)及相關環境因子如 pH值、水溫、SD、DO等相關性分析用 SPSS19進行,設置95%(P<0.05)和99%(P<0.01)兩個置信度進行Pearson相關分析.總初級生產力(GPP)和POC比值用來分析水體C的周轉率.

2 結果與分析

2.1 營養鹽水平和結構特征

5個研究站點水體4個季度調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,水化學主要特征為碳酸鹽溶液控制的弱堿性緩沖體系(表2);調查期間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,營養狀態可歸為-中營養-輕度富營養(TSI=40～60),而 PXPJ和PXXQ站營養狀態較高,處于輕度-中度富營養狀態(TSI=50～70).

淮北礦區HBNH和HBZH站Chla濃度總體均值小于10.0mg/m3,遠低于氮磷含量相近的PXGQ站,而營養狀態較高的PXPJ和PXXQ兩個站Chla濃度最高達41.1mg/m3和71.5mg/m3, Chla較大的濃度范圍除了與水體的營養狀態有關外,還可能與兩淮區域地理氣候、水環境化學特征有關.

表2 2012～2013年度4個季度調查期間5個研究站點水體環境參數及營養狀態分布Table2 Seasonal water parameters and nutrient contents across the five sites during the2012-2013study period.

2.2 初級生產力特征分析

5個研究站點大部分期間保持了較高的凈初級生產比率,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個研究站點NPP占GPP平均比率約為67.4%,為典型的自養型水體.值得指出的是,HBNH和HBZH這2個站點于2013年4月和6月出現凈初級生產量為零的情況,可能是由于春末夏初總初級力較低而水體呼吸量相對較大所致.

24h內測得的平均同化系數范圍為1.2～4.3mgC/(mgChl a·h), 而由VGPM模型計算得出的最大同化系數的范圍為3.2～9.0mgC/ (mgChl a·h),約為24h平均同化系數的1～3倍,由于24h實驗中初級生產力會隨光照強度的不同發生不同的變化,根據張運林等[10]在太湖梅梁灣分時段研究結果,10～14h初級生產力約為其他時段的2倍左右,本研究結果在此研究范圍之內.PXXQ和HBZH站夏季采樣調查期間水體水溫為略低于計算公式28.5oC的臨界值,導致計算所得最大同化系數較高,分別達8.8,9.0mgC/ (mgChla·h),因而導致計算得出的總初級生產力也遠高于這2個站點實際測定值.

實測初級生產力位于VGPM模型和Cadée簡化公式計算值范圍之內或低于計算值,一方面可能受采樣時段如輻射條件或他環境因子影響,水體初級生產并不能達到較為理想的狀態,另一方面,實測初級生產力可能存在一定誤差(如由于溶氧析出導致白瓶氣泡的形成和損失).與此同時,VGPM模型和Cadée簡化公式計算得出的初級生產范圍較為一致,實際上 VGPM 模型和Cadée公式大體相同,其中VGPM模型用0.66125和輻射系數項 E0/(E0+4.1)進行了校正,而 Cadée簡化公式則用最大生產力的1/2進行計算,數值上沒有多大差別,在富營養化水體中,二者均能較好估算水體的總初級生產力.

綜上所述,5個研究站點的初級生產力大小和水體營養狀態高低保持了較好的一致性,GPP按照年均值[單位:mgC/(m2·d)]大小排列順序為:PXXQ(1493.8)、PXPJ(1136.0)>PXGQ(613.6)> HBZH(335.9)、HBNH(272.1),淮南和淮北礦區初級生產力具有明顯的地域差異.

2.3 C形態特征分析

表4列出了5個研究站點4個季度調查期間水體DIC、POC和DOC均值、標準差及C周轉特征(用 GPP/POC指示).DIC主要由 HCO3-和CO32-構成,反映了水體水化學的堿度大小. HBNH和HBZH站2個研究水體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,淮北礦區由于水體堿度較大,DIC濃度明顯高于淮南沉陷區水體.POC為水體懸浮物中有機質的含量,除了非生物活性成分外,很大部分由浮游生物的現存生物量構成,和水體營養狀態、Chla及初級生產力大小一致,淮北沉陷區2個研究站點最低,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個研究站點 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個研究站點中 DOC濃度體現出同樣的特點,HBZH和 HBNH站濃度最低,均值范圍為2.0～5.9mgC/L,淮南3個研究站點較高,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 DOC濃度明顯要高于其他季節,一方面,夏季浮游植物生長旺盛導致溶解有機質含量增大,另一方面,由于汛期雨水沖刷帶來的高濃度有機物質的輸入也可能導致水體DOC濃度顯著升高的重要原因.

當巷道達到極限平衡時，滑移面GF與水平線的夾角是(45°+φ/2)，滑動面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度。五陽煤礦巷道底板煤層強度9 MPa，得出φ=40.1°。

GPP/POC比值可以初步估計水體C的周轉率,類似于生產力和生物量的比率(P:B),即衡量有機碳在水體中轉換速度的快慢.初級生產者生產的有機碳一方面為生態系統呼吸作用消耗,另一方面,可以通過撲食關系進入食物網的下營養級.從GPP/POC比值來看,HBNH和HBZH站最低,范圍為0.05～0.24d-1, 而淮南3個站點較高,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內浮游植物初級生產所產生的C就能完成周轉,暗示水體活躍的生物活動或較高的捕食者壓力.在淮南3個研究站點水域,當地漁民每年放養大量的鰱鳙,而淮北2站點則保持較為自然的狀態,這可能從另一方面暗示了生態系統營養結構中捕食者對水體C循環的重要性.

綜上所述,兩淮采煤沉陷積水區水體有機碳(POC和DOC)含量與初級生產力水平保持了較好的一致性, 淮南礦區高于淮北礦區,生態系統中的C周轉速率也是如此,營養狀態和初級生產力較高的水體C周轉率較高,生物活動相對活躍.

表4 2012～2013年度4個季度調查期間5個研究站點C形態分布Table4 Seasonal carbon pools across the five sites during the2012-2013study period.

2.4 初級生產影響因素分析

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性.首先,氮磷是浮游植物生長中最重要營養因子,其濃度也是決定水體營養狀態、生物量及生產力重要因素,從本質上來講,5個研究站點水體氮磷含量的差異是導致初級生產特征出現空間和時間梯度分布的內在驅動因子之一.

其次,POC和DOC是水體有機碳庫,除開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生物活動水平的強弱,浮游生物生物現存量是POC的重要組成部分,而浮游植物初級生產的有機C中相當部分以溶解態的形式釋放到水體中[25],因此初級生產力和C形態表現出很好的正相關性.除此以外,DIC含量和初級生產力及生物量指標呈現出極顯著的負相關性,暗示區域水化學特征可能對水體初級生產和生物活動具有重要影響.

表5 初級生產與相關環境因子及C形態相關性矩陣Table5 The correlation matrix between primary production (PP) and the related environmental parameter, carbon pools.

最后,Chla和初級生產力相關性極好,相關性系數高達0.914,由于水體Chla和水體透明度及真光層厚度,季節變化和溫度均存在一定的相關性,是水體營養鹽及其他環境因子的綜合體現,因此用Chla濃度可以大體估算研究區域水體初級生產力.5個站點4個季度共20個樣本數據可以初步建立兩淮采煤沉陷區積水區水體初級生產力的經驗公式,即:GPP=32.24Chla.

3 討論

從初級生產力估算模型(VGPM)可以看出,水體初級生產力大小主要由葉綠素濃度、同化系數、區域光輻射條件和真光層深度共同決定,反映了初級生產者在特定區域生態環境因子作用下利用營養鹽進行光合作用的能力.

Chla表征了初級生產者的生物現存量,而水體營養鹽通常是浮游植物生長的限制因子,是其生物量的重要決定因子,諸多研究中常根據水體氮或磷的濃度建立浮游植物生物量和生產力的經驗公式,但主要限于較大的區域尺度、較多的研究站點或長時間范圍內的大量樣本的統計分析.本研究范圍中,5個站點4個季度研究期間水體分別處于中營養-輕度富營養化和輕度-中度富營養化多種不同的營養狀態,水體營養鹽含量及Chla濃度具有較大跨度范圍,初級生產力大小也體現出相應的區分度.

根據我國《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》[26],III類水體氮磷劃分標準為:TN≤1.0mg/ L和TP≤0.05mg/L, HBNH和HBZH低于此標準,兩個站點Chla年均值小于10.0mg/m3,位于國外北溫帶湖庫類“中營養”水體判定的常用限值范圍內(1～15mg/m3),根據經驗公式(1)對應的最高GPP約500mgC/(m2·d);而PXPJ和PXGQ 水體TP濃度達到 IV類標準(0.1mg/L),TN濃度達到 V類標準(2.0mg/L),根據經驗公式、營養最小因子限制原則和研究實際結果,現階段可以將淮南礦區水體富營養化調控限制目標水平范圍初步設為:TP≤0.1mg/L,Chla≤50mg/m3,GPP≤1500mgC/(m2·d),在保證較好水質狀態的同時亦保持極高的初級生產潛力.

HBNH、HBZH與PXGQ氮磷濃度相當,但Chla和GPP顯著低于PXGQ,由于淮南氣候較淮北溫暖濕潤,同等營養鹽水平條件下水體初級生產可能高于淮北區域.沉陷區水化學特征也可能影響兩淮礦區初級生產的重要因素之一,淮北礦區由于更加干旱缺水的地理條件,水體礦化度、堿度均顯著高于淮南沉陷區水體,進而可能對浮游植物的群落結構和初級產生影響,主要表現為初級生產和 DIC 的負相關性.鄧道貴等[2]對HBNH研究結果發現,盡管其水體營養水平較低,藍綠藻占藻類生物量的69.8%,其次是硅藻占較大比率,HBNH站夏季甚至出現銅綠微囊藻水華,除了魚類的撲食壓力較小外,堿性水體對游離CO2具有較強的結合能力,具有CCM機制藻種庫(藍藻和硅藻)[27]對堿性水化學環境適應性選擇也可能是重要原因之一.

從區域生態系統的角度來看,沉陷區水體營養狀況和初級生產力很大程度上受各分礦區生態環境的制約,類似于小流域對受納水體之作用.礦區農田生態系統向水生態系統轉變后,物質生產方式、生態系統結構和功能也發生徹底變化,前者主要執行糧食的生產功能,后者則形成了以浮游植物初級生產為基礎的食物網,生態系統結構及生態環境功能均趨向復雜化和多樣化(圖3).沉陷區水生態系統中,“沉陷盆地”成為各類營養元素的匯集地,從區域尺度來看,周圍農業活動流失N、P等營養元素的匯入可能是最重要的部分,在沒有餌料、肥料或排污等情況下,水域生態系統的營養結構和生產功能很大程度上取決于區域農業活動的營養物質過剩情況.如HBNH由于建設為國家城市濕地公園,周圍建有良好的生態緩沖帶,水質狀態最好,而受納周圍河流排污的PXPJ和PXXQ水體已經進入中度富營養化狀態.因此,水生態環境的重建與恢復必須充分考慮礦區的整體生態特征.

淮南淮北具有明顯的地域差別,淮南沉陷區水體生物量和生產力明顯高于淮北地區,生物群落結構也存在顯著差異[2-3],其水體漁業生產功能及潛力不容忽視,在保持營養結構合理及生態系統功能健康的條件下,利用自然輸入的營養元素進行養殖,能夠在補償失地農民經濟利益同時產生巨大的生態效益,而淮北沉陷區水體營養狀態和初級生產力較低,在淮北市整體水資源缺乏及污染較為嚴重的背景下,其水質保護應該處于優先地位.

值得指出的是,在理解礦區水生態區生態系統初級生產特征的基礎上,今后應該加強對生態系統營養結構和功能相關研究.除傳統生物調查手段外,可以考慮結合穩定同位素技術或生態動力學模型等先進技術手段進行,特別是 C、N穩定同位素技術,其在水生態系統消費者食物來源和營養結構特征等研究方面具有獨特的優勢[28-29],在兩淮礦區積極開展相關工作將對深入理解沉陷區多樣性水生態系統結構和功能具有重要意義.

圖3 區域尺度上兩種生態系統能量流動和物質循環聯系概念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 結論

4.1 兩淮采煤沉陷積水區由于區域地理氣候、水化學特征和礦區生態環境等方面的差異,水體營養狀態、初級生產大小及碳庫特征存在著較大的跨度范圍,5個研究站點研究期間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個研究站點初級生產力大小、有機碳含量及碳的周轉率與水體營養狀態高低保持了較好的一致性,大小順序為 PXXQ>PXPJ>PXGQ> HBZH>HBNH,淮南礦區水體明顯高于淮北礦區水體.

4.2 根據兩淮礦區水體生態環境特征和功能特點,現階段可以初步將 P≤0.05,Chla=10mg/m3和GPP=500mgC/(m2·d)作為中營養化水體來管理,同時執行III類水質標準;而現階段P≤0.10,Chla=50mg/m3和 GPP=1500mgC/(m2·d)可以初步作為富營養化水體的調控目標,執行 IV類水質標準,在保證區域水生態環境健康的條件下保持較高的初級生產潛力.

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致謝：本研究中POC分析工作由安徽理工大學地球與環境學院耿艷老師協助完成,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,湖北天門人,副教授,博士,主要從事水生態環境相關研究.發表論文20余篇.

2013-09-28

國家自然科學基金青年基金項目(41202242);中國博士后科學基金(20110490814);淮北礦業股份有限公司2012年科學技術研究項目

* 責任作者, 副教授, yiqitao@163.com