（环境工程专业论文）矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究——以谢二矿塌陷塘为例.pdf

矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为例 捅要 矿区采煤塌陷塘是煤炭生产建设的产物，是鬃旷开采造成的重要地质灾害之一。近年 来随着采煤力度的加大，采煤塌陷区不断扩展，致使矿区生态环境不断恶化，由此形成的 采煤塌陷塘数量众多，目前已成为淮南市地表水体的种特殊组成部分。因此，研究采煤 塌陷塘的水生态环境状况，了解塌陷塘浮游碴物的种类组成及其对矿区环境的响应，寻求 塘内浮游植物演替的主要驱动因子及所指示的水域营养状况，确定水体的污染程度、类型 及发展趋势等显得十分! 必要。 本研究于2 0 0 4 年32 0 0 5 年2 月对已形成的相对稳定的谢二矿塌陷塘的营养盐含 量和相关水化学指标及叶绿素a 进行了详细的周年调查，同时对2 0 0 4 年4 月1 2 月的浮 游植物进行了定性和定量鉴定。在对谢二矿采煤塌陷塘水生态环境进行监测的基础上，重 点分析了塘内水体的营养状况和主要限制性因子，以及浮游植物的生境特征和它的演替规 律，同时对塘内渔业资源的利用状况也进行了简单的分析。所有这些对塌陷塘这特殊水 资源的合理开发、利用和控制都具有十分重要的意义。 关键词：采煤塌陷塘；浮游植物；水生态环境；演替 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为例 a b s t r a c t e x c a v a t ec o o lp o o li so n eo ft h ei m p o r t a n tg e o l o g i ch a z a r d s , a n di tv c a sc a u s e db yt h e e x p l o i t a t i o no fc o a li n 曲e t h ea r e ao fe x c a v a t i n gc o a ls u b s i d e n c ea r ee x t e n d e dw i t ht h e i n c r e a s i n go f t h ee x p l o i t a t i o no f c o a li nr e c e n ty e a r s i tc a u s e dt h em i n i n ge c o l o g i c a le n v i r o n m e n tt o g e tw o r s e , a n da d d e dt h ea m o u n to fs u b s i d e n c ep 0 0 l s a tp r e s e n tl h ee x c a v a t i n gc o a ls u b s i d e n c e w a t e ra r e ah a sb e x x ) 1 3 2 eas p e c i a lc o m p o n e n to ft h es u r f a c ew a t e ri nh u a i n a n s os t u d y i n go nt h e a q u a t i ce c o l o g i c a le n v i r o n m e n to ft h es u b s i d e n c ep o o l , k n o w i n ga b o u tt h es p e c i e so ft h e p h y t o p l a n k t o na n di t sr e s p o n s ef o rt h em i n e , e n v i r o n m e n t , s e e k i n gt h em a i nd r i v i n ga n dr e s t r i c t f a c t o r s0 1 1t h es u c c e s s i o no fp h y t o p l a n k t o na n dm a s t e r i n gt h en u t r i t i o nl e v e li ts h o w e da r ev e r y i m p e m l i v e f o r a s c e r t a i n i n g t h e c o n t a m i n a t e d d e g r e e a n d t y p e s a s w e l l a s d e v e l o p e d t r e n d i nt h i sp 掣t h ec o n c e n t r a t i o no f n u t r i t i o na n dc o r r e l a t i v ep h y s i c a lc h e m i s t r yi n d i c e sa sw e l l a sc h l o r o p h y l law e 珲i n v e s t i g a t e dm o n t h l yf o r mm a r i n2 0 0 4t of e b i n2 0 0 5i nx i e - e rm i n e s u b s i d e n c ep o o lw h i c hw a sf o r m e df o rm a n yy e a r s t h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sf o r p h y t o p l a n k 妣i nt h ep o o lw e r et e s t e df i u ma p r t od 芘i n2 0 0 4 b a s e do i lt h ew a t e re c o l o g i c a l 即埘加衄鼬t 如m 血嘶n g 击0 r x i 争盯m i n e e x c a v a t i n g c o a l s u b s i d e n c e p o o l i n h u a i n a n , t h e n u l r i f i o n l e v e la n dt h em a i ni e s l l i c tf a c t sa sw e l la st h ee n v i a m m e mc h a r a a e 6 s t i c 锄丑t h e 哥l o o 苠妇l a w o f p h y t o p l a n k 妞鼬衄d y 2 越i n t h e p o o l , t h e l i l 证吨s t a t u s o f f i s h e 可瑾瞄i n t h e p o o l w a s a r 血y z e ds i m p l ya tt h es 黜t i m e a l lo ft h ea b o v ea 砖v e r yi m p o r t a n tf o rt h e 印c c i a lw a t e r r e s o u r c e s o f t h e s u b s i d e 峨p o o l s r a t i o n a l e x p l o i t a t i o n , u s i n g a n d c o n t r o l l i n 吕 k e y 触：x e a v a t cc o a ls u b s i d e n c ep o o l ； s u c c e s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方暖外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究戚果，也不包 含为获得塞邀堡三盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王葡l 红签字日期：埤月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 塞筮堡至态堂有保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞微堡三太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王茚泓 导师签名 签字日期：莎年阳f 日签字曰期：河年月 曰 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为例 1前言 1 i 研究目的及意义 煤炭生产在带来巨大经济效益、推动社会发展的同时，也给生态环境带来巨大的压力。 地表形态的破坏，大面积的塌陷水域形成，毁坏农林植被，使原来的陆生生态系统被水生 生态系统所取代；矿区生产生活污水对地面水体的污染，使鱼类等水生生物受到影响。地 处安徽省中北部的淮南市是座以煤炭为主体的能源型城市，由于横跨淮河两岸，河网众 多，地下水位埋藏较浅，塌陷区大面积积水，并随开采规模的扩大，积水面积逐年增长。 彭苏萍( 2 0 0 2 ) 应用遥感技术对淮南煤矿区6 a 间积水塌陷变化进行动态监测【1 】，结果表明： 在1 9 9 2 年淮南矿区积水塌陷面积为6 7 0 9 h a ，到1 9 9 8 年底为7 8 5 9 h a ，6 a 间增加了1 1 5 0 h a 。 其发展速度之快，令人嘱目。塌陷塘不断扩展，致使矿区生态不断恶化，必将制约矿区经 济和社会发展。到目前为止，淮南市境内总塌陷面积约为l l ( 赫n 2 。 随着认识水平的提高及对环境、水资源等问题的重视，人们逐渐意识到水质及水生生 物的重要性。蔡庆华和刘健康等人曾提出水资源应明确包括水量、水质、水能和水生生物 四大要素，这种观点与传统观点的不同在于强调水质和水生生物的重要陛。研究表明，用 水化学或物理指标作为水域生态状况评价的工具存在难于综合对生态系统的污染响应及解 释不充分等缺陷，而生物指标则能很好地克服这种缺陷，应是水域犯贡及生态状况评价的 主要指制日。国际上，现在的水生生态系统的评价也已经从以前的以物理、化学指标为主 的评价，过渡成以生物指标为主，参考物理、化学指标的生态学评价p j 。 浮游生物是在整个水层中营浮游生活的动植物的统称。个体也比铰小，除少数种类肉 眼可看到外，般都需借助解剖镜或显微镜方能看见。这类生物多半没有运动能力，或者 运动能力很弱，只能在水中随波逐流【习。常规上般将浮游生物划分为浮游动物和浮游植 物。浮游植物( 即自养的浮游生物不是个分类学单位，而是个生态学单位，它包括所 有生活在水中营浮游生活方式的微小植物，通常就是指浮游藻类，而不包括细菌和其它植 物【4 j 删。浮游藻类植物是水体中有机物质的初级生产者，它不仅在水体的物质循环中起着 十分重要的作用，同时对污水的自净作用也有很大的意义。然而水体中藻类的大量繁殖， 以至形谐水华，可以使水质下降，甚至产生毒眭，影响人和动物的健康。与水质的物理和 化学监测相比，藻类及其它生物监测有它自己的特点即：综合性、长期性和灵敏性；缺 点是：第一，藻类本身有适应性，有定的忍耐力，而目这种能力随生活于污水中的时间 的延长而增加。第二，藻类与藻类之间，藻类与非生物环境因素之间，有很复杂的相关关 系。因而降低了监测的灵敏眭和专一陛。第三，藻类监测需要有高度的藻类学训i 练，同时 较费时间等。尽管如此，藻类群落指示水质仍然很有意义。 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谤 _ 二矿塌陷塘为例 淮南矿区煤炭开采历史悠久。自1 9 0 9 年建设首座煤矿以来，至今已有9 0 多年的开采 历史。解放后淮南矿区共恢复与新建国有重点煤矿1 9 个，年生产能力为2 9 7 5 万吨，核定 年生产能力为3 2 6 0 万吨，尚未利用9 8 2 5 亿吨( 精查储量4 0 2 7 亿吨，详查为8 7 4 亿吨) 。 淮南矿区长期、大面积的地下开采，形成大范围的采煤塌陷区。由于淮南市地下水位埋藏 较浅，沉陷区形成的塌陷塘数量亦众多。经调查统计，淮南矿业集团公司现有矿井占地总 面积3 0 1 1 抽1 2 ，采煤塌陷区总面积已达5 2 0 2 k m z ( 不含谢桥矿) ，占井田总面积的1 7 3 。其中积水区面积9 2 1 k m 2 ，占塌陷面积的1 7 7 。经统计数据计算，平均每生产1 万 吨煤炭就发生0 1 6 4 6 h a 土地塌陷，随着煤炭产量的增加。每年至少增加4 0 0 多h 的塌陷 地。因此，研究塌陷塘浮游植物群落对矿区环境( 生产生活) 的响应，摸清煤矿区塌陷塘 浮游植物的组成顼状及其演替规律，阐明演替的主要驱动因子及所指示的水域营养状况， 确定水源、污染程度、类型及发展趋势，为尽j 陕开发、利用和控制塌陷塘，并使其生态环 境和资源向可持续发展的方向演变是障；嗷据。由此可见，开展煤矿区塌陷塘浮游植物 演替规律的研究，具有极其重要的实际意义和理论意义。2 0 0 3 年6 月起，在安徽省敲十 五，学科拔尖 才基金的资助下，以淮南矿区采煤塌陷塘为研究场地，全面开展了“煤矿塌 陷塘环境微生物生态演替规律研究，本学位论文重点研究采煤塌陷塘浮游植物的生态演替 规律，以谢二矿采煤塌陷塘为例。 1 2 研究内容和技术路线 1 z 1 主要研究内容 1 2 1 1 所选塌陷塘的水动力条件研究 采煤塌陷在地下水位相对较高的低洼矿区，表现为下沉盆地积水，常形成积水塌陷坑 或季节| 生积水塌陷坑，淹没耕地，造成绝户q 。由于原有地形不同，地下采煤层数及总采 高不同，当汇水面积达到一定程度，特别是水源( 雨水、矿井水、其它水源) 对坑内的补 给大于漏失量( 透入量) 、蒸发量和外泻量，就会出现常年积水现象问。因此，按积水区 水体的稳定性可分为：季节性积水和常年( 永久眭) 积水。 从存在的水力联系来看，塌陷积水区可以划分为：封闭式积水区和开放式积水区，这 主要取决于塌陷区的水文地质条件，如：濒临淮河地段的塌陷积水区( 如孔集、李嘴孜们， 其积水通过砂层与淮河水有补给关系1 8 1 。其积水来源分别为：封闭式积水区积水多为自然 降水、生活污水、井矿排水及农田肥水；开放式积水区积水除封闭式积水区积水来源外， 还兼有地下水或地表径流的补给。由于各塌陷积水区所具有的水：艾地贡条件比较复杂，应 视具体隋况而定，般封闭式积水区受季节| 生气候的影响比较严重。淮南的采煤塌陷水域 多为相对封闭性水域，谢二塘由于与淮河有水力联系，故属于开放式积水区。 1 2 1 2 浮游植物的生姨斟寺征 淮南矿区采煤塌陷积水区主要是大通、谢家集八公山、潘谢旷区形成的采煤塌陷水 域。由于塌陷积水区大多是原来耕种的农田，积水后土壤中的营养盐类n 、p 、k 都逐渐 溶于水中，形成较肥沃的水层，有利于水生生物的生长。对淮南矿区塌陷积水区的水质调 2 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究一以谢二矿塌陷塘为例 查和监测结果表明：水体中各项指标均符合渔业水水质标准的要求，水中营养丰富，饵料 较多，鱼类在塌陷区中生长迅速。具体指标见表1 - 1 。 表1 - 1 淮南矿区采煤塌陷塘水生态环g 糖标 p h 值d o ( m 鳓 b o d s总磷总氮浮游植浮游动底栖动7 k 生t i ( m g a )( m g a )( m g a ) 物( 种)物( 种)物( 种)物( 种) 7 1 6 1 1 4 81 1 2 90 0 9 0 _ 5 3 2 0 31 61 51 0 8 1 31 0 5& 5 1 本次研究，以谢二矿采煤塌陷塘( 简称：谢二塘，下同) 为试验场所。谢二塘位于淮 河以南谢家集区境内，矿井始建于1 9 5 4 年，1 9 5 6 年建瞄进殳产，后期即出现塌陷，井田面 积5 t k m 2 ，矿井于2 0 0 2 年破产。塌陷塘面积很大约为1 2 8 0 0 0 m 2 ，水体最大深度为1 1 3 m ， 现做养鱼利用，附近为农田，北面临公路。 1 2 1 3 主要驱动因子及评价指标的选取 为了从中能够确定塌陷塘水质营养状况的受刑计靓，这里选择了国内夕卜在营翥绦牛制 定及评价中常用的几种指标：营养盐一总磷( 口) 、总氮r r n ) 、叶绿素釉l a ) 、透明度 ( s d ) 等；生物指标浮游植物。重点调查水生生物的种类数量及在各塘中的分布状况， 以便概括出大致的规律性，及其与时间、周围环境和人民生活的关系。 1 2 1 4 塌陷塘浮游植物的演替规律研究 1 ) 通过调查分析，确定各塌陷塘水质营养状况及适宜用途，为决策者提供合理的环境保 护或开发利用决策依据。 2 ) 分析水生念营养状况主要指示生物及其演替规律与水生态环境的关系。 3 ) 预浈蝎陷塘未来水生态环境的变化趋势。 1 2 1 5 塌陷塘的渔业养殖资源开发利用 淮南市区煤矿的开发对农业来说损失是巨大的，据专家估计到2 0 4 3 年将因塌陷直接造 成襁u 经济损失3 8 4 6 7 万元( 按矿区1 9 8 4 年农业收入平均亩产1 4 7 1 元，塌陷2 6 1 5 万亩 耕地计算) ；到2 1 4 4 年将因塌陷直接造成农业经济损失8 6 4 0 7 万元( 按塌陷5 8 7 4 万亩耕 地计算) 。根据目自u 国内外成功的经验，对塌陷区利用的途径是多方面的，如复土还田， 复土建房，复土修路，水上公园，水上运输，水产养殖，水上养禽，水体农业等，其中水 产养殖将是开发塌陷区的重要途径。因此只要对塌陷区进行综合利用，其经济效益将有超 过农业收入的可能，而从经济效益来说，币佣塌陷塘发展水产养殖要比将塌陷区复土造田 种植农业为高，因此对塌陷塘渔业养殖资源的开发利用研究也就势在必行。 1 z 2 研究技术路线 根据塌陷塘的地理位置，并依照现有的试验条件和基金项目的研究目标，我们采用的 技术路线如图1 - 1 所示： 3 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为例 谢二矿塌陷塘 上 浮游植物理化指标 i 南草 现 叶瞢 告 成绿养规 士h 指 杯 l弋 广 _ _ _ _ _ _ _ _ 一r i 上 j i一 - - - - 【一 平j 查 才( 菩 面j 节质 夼 分i变 变 状 布l化 化 态 i _ _ _ _ _ _ _ 上 l 1一 群群 主度 落落展 结演 驱 的趋 构替 动污势 特赳 因 染预 征程源测 _ _ _ _ _ _ _ _ _ i j 演替机制，评价指标，对矿区生态响应 上 制定合理的开发、利用和调控对策，功能区划分 图1 - - 1 技术路线 4 矿区采煤塌陷塘浮游4 _ j l 物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为例 1 2 3 研究工作量 样点的选取 布点采样的原则可以归纳为两点瞄l ，一是：采样点所采集的样品要对整个调查水域的 某项或多项指标有较好的代表陛；二是：在保证达到必要的精度和满足统计学样品数的前 提下，布设的站位尽量少，要兼顾技7 | 讨副示和费用的投资。 对于湖泊、水库通常只设监测垂线，如有特殊情况可参照河流的有关规定设置监测断 面。 湖( 库) 区的不同水域，如进水区、出水区、深水区、浅水区、湖心区、岸边区，按 水体类别设置监测垂线。 湖( 库) 区若无明显功能区别，可用网络法均匀设置监埙4 垂线。 监测垂线上采样点的布设般与河流的规定相同，但剥有可能出 温度分层现象时， 应作水温、溶解氧的探索性试验后再定。 受污染物影响较大的重要湖泊、水库，应在污染物主要输送路线e 设置控制断面。 鉴于塌陷塘的特殊性我们选用湖泊、水库监测的布点方式，在塌陷塘的出水区、中心 区和岸边区分设三条监测垂线。对于垂线匕采样点的布设，般要求采集距离水面1 0 1 5 c n l 以下的水样。 对于谢二塘水体，我f f 诏掏涤垂线e 分别设3 个取样点，即水面下0 5 m ，1 2 水深处和 水底e0 5 m 处，进行采样，并且把3 个样点的水等量混合后作为个样品进行各项指标 的监测。 每条采样垂线和采样点的位置确定后，垂线所在处应该有固定而明显的岸边天然标志。 如果没有天然的标志，则应设置 、工的标志物，如竖石柱、打木桩等。设置后要防it 丢失、 移动。每次采样严樯以标志物为准，往罗i 毛集的样品所取自同位置e ，以 5 i 证样品的代表 性和可比性。 采样及测试 采臀主意事项参照水和废水监测分析方法( 第四版) 中的标准执行，水样的采集 与保存则参照表2 - 2 中方法执行。 塌陷塘水质调查监测项目包括：透明度( s d ) ，总磷c r p ) 、总氮、电导率、总硬度、 氯化物、p h 值、叶绿素a 、溶解氧p o ) 、生化需氧量o d 5 ) 、化学需氧童靳d ) 、砷、 汞、铜、锌、锰及浮游植物和浮游动物等。 金j 点 鲕申、汞、铜、锌、锰及部魁蝴簖笔蝴磕合目巴市环划铷4 中心站趟亍 ! | 1 0 试，其余理化指 i 在安徽理工大学资源与环境工程系水环境监测( i ) 室进f 亍测试，部分生 物指标在环境监测( i i ) 室完成。 采样频率为每月一次，从2 0 0 4 年3 月开始，到2 0 0 5 年2 月结束。 测试数据采用e x c e l 和s p s sf o rw i n d o w s 软件进行统计分析。 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为份 表2 2 水样的保存，采佯仁 进口圾容器洗涤方法 项目采样容器保存荆用量 保存期采凇( m d容器洗涤 p h + g r 1 2 h 2 5 0i 电导率+ g p 1 2 h2 5 0i 悬浮物” g p 1 4 h2 5 0i 咖g ， 加h 4 s 0 4 ，p h = 2 2 d 5 0 0i 加入硫酸锰，碱陛k 1 叠氮化钠溶 d o + 溶解氧瓶 2 4 h2 5 0 i 液，现场固定 b o d s 溶解氧瓶1 2 h2 5 0i a 一g j 。 3 0 d2 5 0i 1 pg p h c l ，h 2 s 0 4 ，p h = 2 2 4 h2 5 0i 卫n g t h 2 s 0 4 ，p h = 2 7 d2 5 0 i i - i c i ，1 耍觥为中- 肚，1 l z k t e ：, 中 啦 g t 1 4 d2 5 0 燃h c u 0 m l q i p 玎q o 女1 l 水样中自唰l l 玎q 伤1 0 d 1 4 d2 5 0 i 生物一g p当不能现场澳啶时胃甲醛固定协l2 5 0i 注：1 ) + 表不应尽量作目晴獬l l 定；叫昂品( o v 4 ) 避光蕲 2 ) g 为硬质哟藿 | 瓦；p 为聚乙烯瓶( 桶) 。 3 ) 为单项样品的最少采样量。 4 ) i ，i 表示糍方法，如下； i ：洗涤齐胱一次，自来水三次，接碴水次。对于采靠生物的采样容器，须经1 6 0 干裁灭菌盐经灭菌的生物瓣羊 容鼯蹴两周内使用，否崆熏新灭菌：经1 2 1 岛压籀气灭茁1 5 r a i n 的采离；鸯，嚣，如不立即使用，应于印 静瓴内 令凝 水烘干两周内使用 ：洗涤帮溉次，自来水洗二茏i + 3 h n o s 荡 洗一冼自来水洗三执去离子水次。 生物统计工作量 浮游藻类的定性澳怖$ c 寸3 个采样点均进行种属鉴定，而定量测试则选取塘中心样点和 岸边样点进行定量计数。 通过对谢二塘2 0 0 4 年4 月1 2 月每月一次对浮游植物的鉴定工作，共检出浮游植物6 门、8 6 种，其中绿藻门5 2 种，占总数的4 9 3 ，蓝藻门( c y a n o p h y t a ) 1 0 种，硅藻门 ( b a c i l l a r i o p h y t a ) 1 7 种，裸藻门( e u g l e n o p h y t a ) 3 种，甲藻门( p y r r o p h y t a ) 1 种，隐藻 门( c h r y p t o p h y t a ) 3 种。谢二塘中心浮游藻类平均个体总数为2 4 8 1 个加l ，岸边为3 0 1 0 + l m l 。 1 3 研究理论背景 1 3 1 浮游植物演替规律理论 6 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为例 生态系统是生物与非生物、群落与生巍相互作用的统一体，群落中进行的一系列过程 必然对生境产生影响并导致整个生态系统的定向变化，这种交化称为演替f s uc c l e s s i 衄) 。生 境在很大程度e 可决定演替的性质，一般不是演替的主要原因i l q 。生态演替( e c o l o g i c a l s u c c e s s i o n ) 是生态学中最重要的概念之一。广义e 讲是指生物群落随时间变化的生态过程， 狭义e 讲是指在一定地段一e 群落由一个类型变为另一类型的质变、且有顺序的演变过程。 生态演替研究与农、林、牧和 类经济活动紧密相连，是合理经营和利用切自然资源的 理论基础。o d u m ( 1 9 7 1 ) 认为生态演替的原理同人与自然之间的关系密切相关，是解决当代 、类环境危目l 的基础“。 生态演替的基本理论和机制研究，主要分为两个阶段：传统演管理论 几制和现代演督 理论机制阶段。a e 瑚e r 】船f 1 9 1 6 ) 创立了“单元顶极学谢( m o n o m i m a xt h e o r y ) ，成为经典 演替理论的奠基j | 和创始人。t a n s l e y ( 1 9 3 9 ) - 黜了“多元顶极学说( p o l y - c l i m a xt h e o r y ) 【埘 和w h i t t a k e i ( 1 9 5 3 ) 盼顶拯格局假谵( c l i m a xp a t t e r nh y p o t h e s i s ) 1 1 4 f 也f f 粥生态演替比 拟为个体发育嘭罄认为演替有严格规律，演替中的先到种通过改变环境促进后续种的移 入，顶极是演替的终点，是自我永存的群落。c o n n e l l 和s l a l y e 玎1 9 7 7 ) 等近代学者普遍认为 经典理论过分严密，近似僵化。他们通过实验与观察，认为群落的变化主要取决于不同物 种的特点如生活方式等，因而 疑崭十种偶然性，先到的物种未必总是促进后续种的移入， 甚至对后来者有抑制作用，顶极也不是_ 扇罚强i 。因而提出了演替机制的三种模型即促进、 抑制和忍耐1 5 l 。促进模型相当于c l e r n e n t s 的经典途径，抑制模型认为初始 侵者( 或演替 早期) 调控演替，以致演替的后来种不能匣 和健康地生长，忍耐模型认为物种的变化可 能是不同生命史特征的功能，是演替后来种忍耐初始环境条件的不同能力，它强调竞争在 群落形成中的作用。他们还指出大多数演替途径是三种模型之一或三种模型的结合。虽然 这三种模型被广泛应用于实验和拭述性研究，但c o n n e l l 和s l a t y e r 模型不能解释多物种的 演替序列。p ：i d 积姐9 8 7 ) 针对这种需要提出了种综合原因框架演替机制【1 q ，这是种三层 等级结构，第一层次是演管的般原因，即裸地的可利用性，物种对 釉蚜i j 用能力的差异， 物种对不同裸地的适应能力。第二层次是以上的基本原因分解为不同的生态过程，比如裸 地可利用性决定于干扰的频度和程度，对裸地利用能力决定于种繁殖体生产力、传播能力、 萌发和生长能力等：第三层次是最详细的机制水平，包括独立地种因素和行为及其相互 作用，这些相互作用是演替的本质。这演替胡币螨锻突破是认谚垤0 群落的非平衡陡以 及演替方向和途经的多重陛，这很大程度e 要归于干扰的普遍陛和重要l 生的认识。大量的 研究都强调了种的生命史特征莉龇对策在演替i 二睫中的重要陛口日，但是，作为演替理论 基础的物种属性与生物地球化学过程的关键区别和气象学联系叫，以及种的进化与生态系 统或群落的进化的差异还没有解决。r e y n o l d s 等人指出，季苛瞄裁皓植物的生长和演替主 要受以下因素影响：生物因素如竞争，牧食和寄生，以及物理和化学因素如气候、流量、 水温、光强、电导率、p h 值、溶解氧和营养可用 生等( r e y n o l d s ，1 9 8 4 a ) ，尤其降雨和流撮 的扰动强度与频率是调节浮游植物( 生长与演替) 动力学的重要i n 素( r e y n o l d s e ta 1 ，1 9 8 8 ； s 咖瓯1 9 8 9 ；r e y n o l d se ta 1 ，1 9 9 3 ) 2 9 1 。股湖泊中主要浮游植物种群的演替显示：甲藻一 7 矿采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为例 般出现在冬季，春秋季硅藻占优势，绿藻在晚眷大量出现，蓝藻多出现在夏季和早秋 ( r e y n o l d s ，1 9 8 4 ；h a r r i s ，1 9 8 6 ) 5 8 1 。 国内学者对生态演替的研究起步较晚，但发展迅速。刘健康等( 1 9 9 9 ) 通过对淡水生 态的研列q ，认为上述不同的理论都反映出部分真突| 生，群落演替过程削l 赙陛，但不十 分严格，尤其足演替中物种的出现和存活与概率有关，并且认为群落演替是个比较宏观的 现象，因而可以使用较宏观的尺度去研究。并提出淡水生态演替趋势：群落中种的多样 性逐步增大，至中期最大，随后又开始下降；由廿对策者占，艟窍j 过渡到k 对策者t 与优势； 群落代谓摔( p ：瓜) ( p 是群落的初级生产量，r 是呼吸量) 由显著大于1 到接近于1 ； 群落的抗干扰能力不断增强。张德全等0 2 ) 依据g a t t s e 假说( 由于竞争的结果，生态 位接近的两个种不能永久共存。h 1 】t 吐j i 脚( 1 9 5 7 ) 对生态位的定义即：某种生物的生态位是 由所有生物和非生物环境条件组成的1 1 维空间中该生物得以继续生存的范围。) ，提出生 态演替螺旋式e 升理沦( s p i r a lr i s et h e o 巧) 【这一理论从生态理论的发展过程、生态演替 实验和现实，都较好地证实了生态演替螺旋式e 升理论的正确l 生与可行陛。 生态演替的理论和机青啊院尽管取得了一些可喜的成果，但是个更宏观的完整的、 概括性的理论和柳锨模型尚待建立。生态演替是生物群落的信息流( 本质e 厨副专信，电流) 在时间尺度和空间尺度e 的动态变化。因此，游滩掰廷驱亚_ i 亥是时间、空间和信息共筑的三 维构架，其中信息流是维系这种构架的灵魂。可暾个宏观模型顶极。要构建这种宏 观模型，首先是构建其下方各子模型系统，因为宏观模型中任f 可维的差异如生境空间的 不同均应有相应的演替模型。水生态系统向顶级的演替过程中，在结构和功能e 产生一 系列定向变化，其中主要表1 在下歹0 几方面：种的多样性增大；群落中层次分化增强： 系统的稳定性增加；小型种的优势逐渐由大型种所取代；群落的毛产量和呼吸量趋 于一致；腐屑链的作用增大。马自耳歹0 夫观察维哥( v i g o ) 湾的浮游植物时发驯有三个 演替阶段：小型硅藻占优势阶段；大型硅藻占优势阶段；甲藻酬e 势阶段。在淡 水浮游植物的演替中，初期多是增长迅速的小型硅藻或绿球藻类，后期多是竞争能力较强 的蓝藻或甲藻。近年来这层次e 在淡水生态演替的研究方面取得了重要进展。崔秀丽等 ( 1 蜊对白洋淀生态演变进行了研究闭，指出白洋淀已进入湖泊演变的衰退期，富营养化 是使白洋淀处于湖泊开始进入稻毯演变时期的主要原因，水生生物群落络 勾简化，生物量 剧增加速了湖泊的衰亡。吴洁等口q 分析了近6 0 年来西湖浮游植物优势种的 靓指出西湖 浮游植物的演替模式一从清洁水体优势种的隐藻门静水隐杆藻随着富营养化的加剧发 展到蓝藻门的蓝纤维藻占优势，随后出现由水华束丝藻爆发的水华，优势种明显l 象定在蓝 藻门的水华束丝藻( a p h a n i z o m e n o n f l o s - a q u a e ) 、螺旋鞘丝藻( l y n g b y ac o n t a r t a l e m m ) 、 拉瞄c i 鱼腥藻及曲氏平裂藻并且大多终年占据优势到近年来小型蓝藻又逐渐取代了大型蓝 藻的优势地位：颤藻、中华尖头藻和微小平裂藻，数量明显增加。项斯端等吲于1 9 9 1 年在 西湖湖底作的1 5 个深度i m 左右的钻孔，根据其内微化石藻的垂直分布j 架索西湖近2 0 0 0 年藻类什群的演替，结果显示淡水西湖形成后藻类的垂直分布由下而可分为3 带：附 生藻带f 短缝藻一桥穹藻一异极藻组合) 8 5 c n ln - 4 5 c m ，以喜酸陛及真酸性的附生藻为主， 享 8 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为例 适应于当时的沼泽生境。附生藻向浮游藻过渡带淋华柬丝藻直链藻组合) ：黼- 3 0 c m 至4 0 a m 层段，以不定性成分为主，并有少量喜破陛藻种出现，潮体显示中营养状态。 浮游藻带佳澎# 胍杼藻凸脂! 薪十一四尾栅藻一螺l 墨鞘丝藻组合) ：- 3 0 c m 以上，以菩雨赍陛藻种 为优势，藻量增a 进入富营养化时期。到1 0 。符土下层段喜碱胜藻种藻量形成峰值，显示 进入超富营养化时期。史玉强等分析了辽宁大伙房水库建库3 4 年来浮游植物藻类演营隋况 吲：由6 0 年代的硅一绿一篮藻型变为8 0 年代以后的绿一蓝一硅藻型，营养状况由贫营养 水体变为中富型营养水f 赣l 藻类是否确能指示水质变化? 俐众所周知，水污染引起水体各种物理、化学条件的改 变，这种改变直接影响到生活于水中的藻类及其它生物。有些藻类对污染很敏感，有些则 有较大的忍耐力，还有些只生活于污水中。根据水生藻类的种类和数量常可以判断：水体污 染的 青况。除此之外，水生藻类的生理、生化特点和芭 f 门身体中积累污染物的 奇况，也明 显地反映出外界环境的污染特征。因此，细心地分析水生藻类的种类和数量组成，或研究 它们的生理、生化反应和对毒物的积累特点，可以相当准确地估计水体的污染胜羼f 程度。 德国的科尔利嗣彩汹尔森( i ；动h 晾弘_ m a 璐衄1 9 0 8 ，1 9 c 叻稠藻；毪作为指示生物建立了 污水生物系剩闭，把水僻辐姗鼢为0 s a 斡审托型) 、b i n 毋中污水型) 、a m ( a 中污水型) 、 p s ( 多污水驾四个阶段。但是，科尔科威菠马尔森不希望简单地使用其指示生物表，强 调不是眼据某种生物，而是应该眼据其生物群落来甬阶研境。例如，根据某种生物的存 在或不存在来论述水贡阶段是危险的。 但是，迄今关于煤矿区塌陷塘浮满檀物生态演替规律的研究国内夕卜均未见文献报道。 煤矿区塌陷塘是 类生产活动形成的次生生境，塌陷塘现状前文已述。淮南已= 有近百年采 煤历史，新、老、大、中型矿井数十余座，形成的塌陷塘数量众多，各自封闭，类似于小 型湖泊。因此，开胱噪矿区塌陷塘浮游擅物生态演替规律的研究具有下列重要的实践和理 论意义： 摸清煤矿区塌陷塘浮游植物群落的生态现状及其演变趋势，为地方政府开发、利用 和控市蝎陷塘资源，实现社会经济与环境的可持续发展提供决策依据； 本研究所构建的采煤塌陷塘浮游植物生态演替模型将极大地丰富水域浮游植物生 态演替的基本理论。 本研剜每为水生生态学的应用研究开辟一个新的领域。 1 3 2 水体渔业养殖与浮游植物的关系 浮游植物是内陆水体初级产量的基本构成要素，除浅水湖沼或湖泊沿岸带，大型植物 和底生藻类在年产量中占主要地位以外，般均以浮游植物为主要成分，湖泊水越深，浮 游植物的作用越显著。浮游植物年产量( 浮游植物初级产量的一个重要指标) 不同水体差 别很大，并且同一水体的不同年份可能有很大变化。水体中初级产量又是提高水体生物生 产力或渔业生产力的先决条件之一，鱼塘内施肥量和鱼类放养密度都能改变初级产量。因 此在水体生态系统中渔业养殖与浮游植物的关系不容忽视。 1 3 2 1 基本原理和概念 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢_ 二矿塌陷塘为例 水体渔业生产力问题一向是渔业科学研究的中心问题之一。近二十年来随着对生态系 统能量流和物质口舌环过程研究的深化，它成为水生态系生物生产力问题的重要部分，在理 论和实际意义上都有较大的发展。 生物生产力问题，实际上是生态系统中各营养级的能量转化和有机质的循环问题；水 体渔业生产力( 简称鱼产力) 问题就是自养生物所固定的太阳能有多少流转到鱼类能量或 在物质循环中有多少有机质转化为鱼肉的问题。因而，前述有关生态系统能量流动和物质 循环的原理，都是研究鱼产力问题的理论基础。 在水体中由于水生生物的繁殖和生长，不断地形成新的生物量，这就是生物生产过程。 水体生物生产过程，基本匕有封闭型和开放型两种型式。 在海洋和大多数湖泊( 特别是大而深的湖) ，生物生产过稻厦常从生产者利用太阳能 把二氧化碳、水和营养盐类台威洧胡质开始。生产者为级消费者所利用，后者又为二级 或三级消费者所利用，未被后营养级利用而死亡的有柳惭口所有生物的代谢产物、分泌 物为还原性微生物所矛蛹，并在其作用下分解为营养盐类，重新供给自养生拦豫阋。在这 种物质循环过程中太阳能不断地沿着食物链流动，并转化为鱼类和其它动物的能量。虽然 由于部分有机压沫被分解而沉积水底和部分物贡酗水体以外流入使循环过程稍为复药￥化， 但物质和能量的转移形式，基本上是封闭的圆环型。 在有经常性水流的河川与其蛰芤水水体j 清磕哺所不同。在河流中自养生物的初级生 产过程进行较弱，反之从陆地流进的现廊请和质成为本系统的主要能源，同时物质循环过 程显示个沿水流向前推进的螺旋型，并目处于和外界经常交换的开放状态。 水库的生物生产过程介于两者之间，有些以开放型为主，有些以封闭型为主。 与水体生产力相关的几个概念是珊存量或生物量、生产量和收获量。 现存量或生物量：指水体单位面积e 或剃立体积内生物有机质的重量。例如底栖生物 量用每平方米有多少克或公斤来表示；浮游生物量通常用每立方米有多少克或每升有多少 毫克来表示；鱼类现存量通常用每公顷或每亩有多少公斤( 斤) 来表示。水体单位面积内 所能维持的最高的鱼重量称为水体鱼载力。 生产量：指一定时间内所产生的生物有机质的重量，通常也是用立方米( 升) 、平方 米或公顷( 或亩) 为单位。现存量和生产量也常用能量单位表示。 生产量还可分为生物生产量和有机质生产量两类，前者指单位时间内所增加的生物量 ( 包括死亡和外逃的) ，后者指单位时问内由水生生物所形成的任何形式的有机质( 包括 代谢产撕口分泌物等) 。 收获量( y i e l d ) ：一定时间内捕捞出的那部分产量。池塘和其f 也j 、水体i q 以一次把 鱼全部捕出，收获量和鱼产量较接近( 加上死亡的鱼就是产量) ，大水面的渔获量占生产 量或多或小的部分，它与捕捞技术和需要有关。 生物生产过程既可看作水体的性能，也可看作生物种群的性能。种群的生产力决定于 物种本身的特胜，又决定于环境条件。水体生物生产力可理解为水体保证水生生物种群再 生产速率的种性能，它不仅决定3 二水体，而且与种群的特e 嚣 切相关。 1 0 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为例 水体鱼产力可理解为水体保证鱼类种群再生闩塞率的一种性能，在某些f 青形下和鲤鱼 生产力、鲢鱼生产力等概念相当。 水体鱼产力还可分为实际鱼产力和潜在鱼产力( 产鱼潜力) ；前者和鱼产量相当，后 者指可能提供的最高鱼产量。 水体鱼产力水平不仅从产鱼量米体现，还要考虑产品的质量。在这方面不仅决定于产 品本身的食物价值，还和社会的蛔苫水平、文明程度以及人民的风俗习惯、口味爱好等有 关。 水体鱼产力在很大程度【= 依赖于人类的经济活动。 类采取各种措施改造水体的自然 特眭，使之向预期方向发展。例如， 、类通过移植驯化使无经济鱼类的水体变成产鱼水体； 同样的湖泊和水库在未放养以前单产不过几斤，放养鲢鳙鱼以后单产达几十斤甚至百斤以 上。 1 ，3 2 2 决定水馋鱼产力的各项因素 水体鱼产力决定于自生和外来移呶产量的大小以及这种能量在定时间内有多少转化 为鱼产量。水体初级产量及其能量转化效率和转化速度，取决于下述各项因素。 集水区的土壤、岩石、植被及其他特点。这些特点决定着水体的水化学特性和初级 产量的多少。如果集水区土壤肥沃、植被茂盛或多农牧业用地，那么就有多量有柳质和营 养盐类流入，外来和自生初级产量都很丰富；反之如果从贫瘠的岩石区域或沼泽、森林、 砂土地区补给的，水较瘦，初级产量副氐。 水体的形态特征。水体的平均深度、沿岸带倾斜度和宽度、湖岸的弯曲度等都影响 着产鱼性能。水太深有机厮口营养盐类易沉积，在水底或深层水中难以回到e 层供浮游植 物年用，因而水较瘦，生物生产力和鱼产力都较低。 饵料的多寡。饵料生物数量的多寡和质量的高低影响着鱼类的生长和发育5 9 】。数 量多、质量高能使鲅b 腿生长，发育良好；反之，则鱼类生长缓漫，发育不良。浮游植 物中的硅藻门、金藻门、黄藻门、甲藻门和隐藻门等种类，是鲧鳙鱼类较易消化的优质 饵料；蓝藻门、绿藻门扣裸藻门的种类，鲢、鳙鱼不易消化，但它是水库中鲴鱼类刮食的 主要食物。富营养型水库，则以蓝、绿藻为主。蓝、绿藻虽然不是鱼类的优质饵抖，但它 是食物链中的重要部分，是水体中重要的原初生产者；中营养型水库，则以硅藻为主，还 有甲藻扣隐藻等；贫营养型水库虽有硅藻和金藻等，但数量很少。 和 矿区采煤塌陷塘浮游植物水生态环境研究以谢二矿塌陷塘为例 2材料与试验方法 2 1 塌陷塘的水生态环境现状慨况 2 1 1 地理位置与周边环境 谢二矿位于淮河以南谢家集区境内，该区属亚热带与暖温燃地带，为大陆每 洋过渡胜、温暖带半湿润季风气候区。本区内季节分明，季风显著，光照充足，太阳辐射 总量约为1 2 0 1 3 0 k c c m 2 。热量丰富，年平均气温为1 5 1 ，最高气温为4 1 2 ，摄低气 温为- 2 2 8 ，= i o 。c 的积温为4 8 0 0 左i 右。年平均降水量为9 2 2 m m ，6 8 月降雨量占总 降水量之5 0 6 0 ，无霜期为2 3 0 天。 淮南市谢二矿于1 9 5 6 年开采，6 0 年代后期即出现塌陷，其中南大塘塌陷水域面积为 1 9 1 4 亩( 约合1 2 8 0 0 1 3 m a ) ，据资料表明，最大塌陷深度为