易齐涛,徐 鑫,曲喜杰,张明旭

(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南232001；2.安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽 淮南232001)

两淮采煤沉陷积水区水体初级生产特征

易齐涛1*,徐 鑫1,曲喜杰1,张明旭2

(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南232001；2.安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽 淮南232001)

在淮南潘谢矿区设置3个研究站点(PXPJ、PXGQ和PXXQ),在淮北朱-杨庄矿区内设置2个研究站点(HBZH和HBNH),于2012年和2013年分4个季度对两淮采煤沉陷积水区水体的初级生产力及碳(C)的形态特征进行了研究,其中C形态分溶解无机碳(DIC)、溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC),并以此为基础分析了初级生产力与C形态及其它环境因子的相关关系.研究结果表明:受区域地理气候、水化学特征和矿区生态环境等方面影响,5个研究站点水体营养状态、初级生产力及C形态等存在着较大的跨度范围.5个站点4个季度研究期间叶绿素 a(Chla)浓度均值范围为 3.7～71.5mg/m3,POC 浓度均值范围为 0.9～4.0mgC/L,总初级生产力(GPP)均值范围82.4～2305.4mgC/(m2·d), 淮南沉陷积水区水体营养状态和初级生产力明显高于淮北沉陷积水区.5个研究站点水体初级生产力和氮磷含量、Chla、DOC和POC具有显著的正相关性.最后根据研究结果针对性地提出了两淮矿区水生态区生态系统重建、恢复与保护的差别化原则.

采煤沉陷区；初级生产；有机碳；富营养化

两淮(淮南、淮北)矿区由于特定的区域水文地质和自然地理条件,煤炭开采在造就大规模沉陷区的同时,也为水资源储存创造了良好的条件.两淮现有沉陷区面积约300km2左右,未来10年内将扩展至500km2上,积水区面积约占30%～50%.现阶段采煤沉陷积水区广泛分布于两淮的各个矿区,分别形成了水塘、湖泊、湿地或平原水库等众多不同景观类水体,分别执行着水源保护地、渔业活动区、湿地生态恢复区、工农业供水源等不同的水体功能.这类水体数量众多,单体面积较小(1～5km3),受区域环境及人为活动影响各异,水体间营养状态跨度较大,厘定此类水体生态环境特征对矿区生态环境重建与恢复具有重要意义.

此前相关研究主要集中于沉陷区水量评估、水质评价和水体浮游生物群落结构等方面[1-3],但均局限于较小的矿区范围,而对矿区整体生态环境特征缺乏较为系统的把握,从而导致水体功能定位模糊、生态恢复与保护策略缺乏针对性.近些年针对两淮沉陷区水体水化学、富营养化特征[4-5]及沉积物-水界面磷(P)元素的赋存与迁移转化行为[6-8]等方面的研究得到了加强,本研究则主要集中于两淮区域尺度上生态系统初级生产特征的分析.

初级生产力是指单位面积水域在单位时间内初级生产者生产有机物的能力,是水生生态系统结构与功能的基础环节,相关研究可用于估算渔产潜力、评价水体营养类型,同时也对水生态环境特征具有较强的指示作用[9].在过去数十年中,国内外对不同地理位置的湖库等淡水类水体初级生产特征和影响因素进行了大量的报道,我国相关研究主要在太湖[10]、巢湖[11]、淀山湖[9]及部分水库[12-14]等水体,曾台衡[15]等曾经对长江中下游诸多湖区浮游植物初级生产力进行了系统的估算和比较.在这些研究中,初级生产力表征方法主要包括现场黑白瓶实验、VGPM (Vertically Generalized Production Model)模型或Talling公式[15-17]预测,或利用 Cadée[18]提出的简化公式进行估计,其中很少研究将这些方法结合起来对比验证,并探讨不同方法之间的差异.

本研究将利用黑白瓶实验结果对两淮沉陷积水区水体的初级生产特征进行分析,并对VGPM模型及Cadée简化叶绿素估计法的适宜性进行讨论,结合初级生产力和C形态特征对研究区水生态系统的C循环特征进行初步探讨.根据矿区水生态环境和初级生产力特征,提出两淮沉陷区水体功能定位、资源利用及生态恢复应遵循的原则和策略,为区域生态系统重建、恢复及管理等实践活动提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况和研究站点简介

两淮矿区是我国华东地区重要的能源供应基地,淮南矿区地处亚热带与暖温带的过渡带,平均气温15.6 ,℃年均降雨量926mm,矿区内地表水系最终汇入淮河.淮北矿区位于距淮南200km左右,属暖温带半湿润季风气候区,平均气温14.8 ,℃年均降雨量869mm,矿区内水系自西北向东南流过,最终汇入洪泽湖.以外,两淮地区土壤植被景观亦存在较大区别,淮北矿区较为干旱缺水,土壤质地以沙质壤土为主,主要种植旱作物,而淮南水资源丰富,土壤质地以粘土为主,水稻种植面积在农作物中占据较大比例.

两淮矿区开采矿井数十对,沉陷区分布广泛,本研究综合考虑水系特征、水域面积、沉陷覆水历史及人为活动影响等因素,首先在两淮各选取一个较大的代表性矿区,其中淮南潘谢矿区位于农业活动集中区域,而淮北朱-杨庄矿区则为淮北城市生态恢复与重建的中心地带,具体区域概况及研究站点简介如下:

图1 淮南“潘谢”矿区研究站点分布示意Fig.1 The distribution of three research sites around the Huianan “Panxie” coalmine areas

潘谢矿区位于淮河中游北岸,东西长近70km,南北宽25km,面积约865km2.矿区地表水系发达,自然河道有西淝河、黑河、泥河和架河等,其流向均为由西北向东南入淮河[19].迄今为止积水面积约100km2,平均水深3～5m.根据淮南市政府和淮南矿业集团规划,本区将建成具有淮河蓄滞洪区、工农业用水、渔业养殖与生态湿地等综合功能的大型平原水库.

在矿区东部、中部及西部共设置3个较为稳定的沉陷积水区水体为研究站点,即 PXPJ、PXGQ和PXXQ分别位于潘集、顾桥和谢桥矿井田范围内(图1).3个研究水体现主要用于渔业养殖活动,每年有鱼苗投放,但无饵料及肥料施加,为自然散养型.其中 PXPJ站水体和周围泥河联通,受纳泥河排污,PXXQ和周围农业干渠谢展河联通,同时和南边的济河在汛期通过节制闸门进行水量交换,而PXGQ水体则较为封闭.

朱-杨庄沉陷区位于淮北市东南方向,东西宽6km,南北长10km.根据“淮北市资源枯竭城市矿山地质环境治理重点项目”,拟将东湖、中湖、南湖联通,形成串珠状湖泊系列,综合整治水域面积超过10km2,在汛期利用岱河雨洪资源补充水源,调蓄库容2476万m3.本区设置2个研究站点,分别为淮北中湖(HBZH)和南湖(HBNH),具体位置见图2.其中 HBNH站为国家级城市湿地公园,HBZH站湿地公园也在规划建设中,二者均规划为淮北市水源保护地.

图2 淮北朱-杨庄矿区研究站点分布示意Fig.2 The distribution of two research sites around the Huaibei “Zhu-Yang Zhuang” coalmine areas

由于涉及研究站点较多,各站点水域具体位置、面积、水质采样点个数及周围环境特征等以表的形式列出(表1).每个水体至少设置5个以上的水质采样点,并根据不同水域现场条件适度增加,以便能详实准确的反映研究水域的水质状况,5个研究站点水域年龄跨度为几年到几十年.

表1 5个研究站点具体位置、采样点设置及周围环境状况一览表Table1 Specific location, water samples and features of the five study sites and their surrounding environments

1.2 水质分析及初级生产力测定

分别于2012年秋冬季和2013年春夏季对5个研究站点进行了为期1年4个季度的水质采样.在每个设定的水质采样点用有机玻璃采水器采取表层水样,采样方法根据《湖泊富营养化调查规范(第二版)》[20]进行.常规水质调查与分析指标包括:pH值、水温(Tem)、溶解氧(DO)、总悬浮物(TSS)、透明度 (SD)、总氮(TN)、总磷(TP)和叶绿素 a(Chla)等.水质分析具体分析方法选择同文献[5]保持一致,选取SD、TN、TP和 Chl a共4个指标,用综合营养状态指数(TSI)[4,21]进行评价.

在富营养化湖泊中,实测初级生产力垂直分布一般呈现相同形式,即在表层由于光抑制作用光合速率降低,在次表层光强最适合处出现最大值[22],一般在透明度的0.5倍处,之后随光强减弱而降低,据此特点,设置透明度1/2处为黑白瓶的挂瓶深度.在每个研究站点水质采样点中选取湖中心水域3个采样点用于初级生产力的研究,用5L 采水器取表层水样分装原初氧瓶和和黑白瓶, 并记录现场水温,挂瓶24h以完成1个光暗周期的初级生产实验.起瓶时用碱性碘化钾和硫酸锰现场固定,立即运回实验室用硫代硫酸钠滴定DO浓度,乘以0.3的系数转换成以C为单位的表层潜在初级生产力,并根据真光层深度计算水柱单位面积初级生产力.此外分别用VGPM模型和Cadée简化公式进行初级生产的估算,用于和实测得初级生产值对比.VGPM 模型综合考虑水温、光照条件、叶绿素含量和真光层深度等影响水柱初级生产力的因素,计算精确并运用广泛.根据Behrenfeld等[15,23]的研究结论,VGPM 模型计算水柱积分初级生产力的核心公式为:

式中:PPeu为表层到真光层的初级生产力,mg C/(m2·d);PBopt为水柱的最大碳固定速率, mgC/(mgChla·h);Copt为 PBopt所在处 Chla浓度, mg/m3,用表层Chla浓度代替;E0为湖面光合有效辐射,μmol/(m2·s);Zeu为真光层深度 m,用透明度的3倍计算;Dirr为光照周期,h,根据安徽农业气象公报确定采样时期内光照周期范围.PBopt是表层温度的函数,根据文献[15]中的公式计算:

式中:t为表层湖水温度,℃.

Cadée提出的简化估算初级生产力公式为 :

式中:PS为表层水中浮游植物的潜在生产力, mgC/(m3·h),同式(1)中的PBopt,PBeu、Zeu和Dirr同式(1).PS根据表层水体Chla的含量计算:PS=CaQ,式中 :Ca为表层Chla浓度,mg/m3;Q为最大同化系数,mgC/(mgChla·h),分别同式(1)中Copt和PBopt.在计算过程中,PBopt、Zeu和Dirr的选取和VGPM模型保持一致.

1.3 C元素形态测试及数据分析

DOC、DIC和POC与水质采样同步,现场以0.70 µm Whatman/GF玻璃纤维膜过滤和分样,玻璃纤维膜使用前用450℃高温灼烧去除有机物.DOC和DIC滤液于4℃冷藏保存运至实验室后立即测定,POC滤膜冷冻保存后分批测定. DOC和 DIC用 TOC分析仪(日本岛津公司, TOC-VCPN)进行测定,DOC测定前先进行酸化-氮气吹脱前处理以去除其中的DIC成分,从而保证低浓度样品的准确性,此后用680℃高温燃烧催化氧化一非分散红外吸收(NDIR)法检测;POC酸化去除颗粒无机碳后[24],用碳氢氮元素分析仪(美国力克公司,LECO-TRUSEC)测定.

各研究站点水质数据用所有采样点均值和标准偏差来表示,实测初级生产力和 C形态(DOC、DIC、POC)及相关环境因子如 pH值、水温、SD、DO等相关性分析用 SPSS19进行,设置95%(P<0.05)和99%(P<0.01)两个置信度进行Pearson相关分析.总初级生产力(GPP)和POC比值用来分析水体C的周转率.

2 结果与分析

2.1 营养盐水平和结构特征

5个研究站点水体4个季度调查期间温度均值范围为7.0～31.7℃,DO 浓度均值范围6.2～13.1mg/L,pH值范围为7.87～9.18,水化学主要特征为碳酸盐溶液控制的弱碱性缓冲体系(表2);调查期间SD均值范围为0.5～1.5m, TP、TN均值范围分别为0.01～0.12mg/L和0.27～2.95mg/L; Chla均值范围为3.7～71.5mg/m3. PXGQ、HBNH和HBZH站氮磷含量较为接近,营养状态可归为-中营养-轻度富营养(TSI=40～60),而 PXPJ和PXXQ站营养状态较高,处于轻度-中度富营养状态(TSI=50～70).

淮北矿区HBNH和HBZH站Chla浓度总体均值小于10.0mg/m3,远低于氮磷含量相近的PXGQ站,而营养状态较高的PXPJ和PXXQ两个站Chla浓度最高达41.1mg/m3和71.5mg/m3, Chla较大的浓度范围除了与水体的营养状态有关外,还可能与两淮区域地理气候、水环境化学特征有关.

表2 2012～2013年度4个季度调查期间5个研究站点水体环境参数及营养状态分布Table2 Seasonal water parameters and nutrient contents across the five sites during the2012-2013study period.

2.2 初级生产力特征分析

5个研究站点大部分期间保持了较高的净初级生产比率,PXPJ和PXXQ站NPP的均值范围分别为 662.9～836.4mgC/(m2·d)和 611.3～1775.3mgC/(m2·d),HBNH和HBZH站NPP分别为0～315.9mgC/(m2·d)和0～490.4mgC/(m2·d),而PXGQ站NPP则为288.9～768.7mgC/(m2·d),5个研究站点NPP占GPP平均比率约为67.4%,为典型的自养型水体.值得指出的是,HBNH和HBZH这2个站点于2013年4月和6月出现净初级生产量为零的情况,可能是由于春末夏初总初级力较低而水体呼吸量相对较大所致.

24h内测得的平均同化系数范围为1.2～4.3mgC/(mgChl a·h), 而由VGPM模型计算得出的最大同化系数的范围为3.2～9.0mgC/ (mgChl a·h),约为24h平均同化系数的1～3倍,由于24h实验中初级生产力会随光照强度的不同发生不同的变化,根据张运林等[10]在太湖梅梁湾分时段研究结果,10～14h初级生产力约为其他时段的2倍左右,本研究结果在此研究范围之内.PXXQ和HBZH站夏季采样调查期间水体水温为略低于计算公式28.5oC的临界值,导致计算所得最大同化系数较高,分别达8.8,9.0mgC/ (mgChla·h),因而导致计算得出的总初级生产力也远高于这2个站点实际测定值.

实测初级生产力位于VGPM模型和Cadée简化公式计算值范围之内或低于计算值,一方面可能受采样时段如辐射条件或他环境因子影响,水体初级生产并不能达到较为理想的状态,另一方面,实测初级生产力可能存在一定误差(如由于溶氧析出导致白瓶气泡的形成和损失).与此同时,VGPM模型和Cadée简化公式计算得出的初级生产范围较为一致,实际上 VGPM 模型和Cadée公式大体相同,其中VGPM模型用0.66125和辐射系数项 E0/(E0+4.1)进行了校正,而 Cadée简化公式则用最大生产力的1/2进行计算,数值上没有多大差别,在富营养化水体中,二者均能较好估算水体的总初级生产力.

综上所述,5个研究站点的初级生产力大小和水体营养状态高低保持了较好的一致性,GPP按照年均值[单位:mgC/(m2·d)]大小排列顺序为:PXXQ(1493.8)、PXPJ(1136.0)>PXGQ(613.6)> HBZH(335.9)、HBNH(272.1),淮南和淮北矿区初级生产力具有明显的地域差异.

2.3 C形态特征分析

表4列出了5个研究站点4个季度调查期间水体DIC、POC和DOC均值、标准差及C周转特征(用 GPP/POC指示).DIC主要由 HCO3-和CO32-构成,反映了水体水化学的碱度大小. HBNH和HBZH站2个研究水体DIC的浓度均值范围分别为 64.5～70.4mgC/L 和 49.2～55.5mgC/L, PXPJ、PXGQ和PXXQ站DIC均值范围分别为42.5～52.4mgC/L、38.4～42.4mgC/L和36.0～45.6mgC/L,淮北矿区由于水体碱度较大,DIC浓度明显高于淮南沉陷区水体.POC为水体悬浮物中有机质的含量,除了非生物活性成分外,很大部分由浮游生物的现存生物量构成,和水体营养状态、Chla及初级生产力大小一致,淮北沉陷区2个研究站点最低,POC均值范围分别为0.9～2.0mgC/L和1.3～2.0mgC/L,均低于2.0mg/L,而淮南3个研究站点 POC均值范围为1.8～4.0mgC/L,其中PXPJ站为2.2～2.6mgC/L, PXGQ站为1.8～2.4mgC/L,而PXXQ则为2.0～4.0mgC/ L.5个研究站点中 DOC浓度体现出同样的特点,HBZH和 HBNH站浓度最低,均值范围为2.0～5.9mgC/L,淮南3个研究站点较高,浓度范围为4.4～11.1mgC/L.特别是在夏汛期间,淮南3研究站点 DOC浓度明显要高于其他季节,一方面,夏季浮游植物生长旺盛导致溶解有机质含量增大,另一方面,由于汛期雨水冲刷带来的高浓度有机物质的输入也可能导致水体DOC浓度显著升高的重要原因.

当巷道达到极限平衡时，滑移面GF与水平线的夹角是(45°+φ/2)，滑动面EF与水平线的夹角是(45°-φ/2)，φ为松散岩体的折算摩擦角，φ=arctan (σc/10)，其中：σc为岩体的单轴抗压强度。五阳煤矿巷道底板煤层强度9 MPa，得出φ=40.1°。

GPP/POC比值可以初步估计水体C的周转率,类似于生产力和生物量的比率(P:B),即衡量有机碳在水体中转换速度的快慢.初级生产者生产的有机碳一方面为生态系统呼吸作用消耗,另一方面,可以通过扑食关系进入食物网的下营养级.从GPP/POC比值来看,HBNH和HBZH站最低,范围为0.05～0.24d-1, 而淮南3个站点较高,范围为0.2～0.7d-1,其中PXXQ站最高,范围为0.47～0.70d-1,即在1～2d内浮游植物初级生产所产生的C就能完成周转,暗示水体活跃的生物活动或较高的捕食者压力.在淮南3个研究站点水域,当地渔民每年放养大量的鲢鳙,而淮北2站点则保持较为自然的状态,这可能从另一方面暗示了生态系统营养结构中捕食者对水体C循环的重要性.

综上所述,两淮采煤沉陷积水区水体有机碳(POC和DOC)含量与初级生产力水平保持了较好的一致性, 淮南矿区高于淮北矿区,生态系统中的C周转速率也是如此,营养状态和初级生产力较高的水体C周转率较高,生物活动相对活跃.

表4 2012～2013年度4个季度调查期间5个研究站点C形态分布Table4 Seasonal carbon pools across the five sites during the2012-2013study period.

2.4 初级生产影响因素分析

从表5中可以看出,GPP和NPP、R、Chla、 TP、TN、POC、DOC等呈显著或极显著正相关性.首先,氮磷是浮游植物生长中最重要营养因子,其浓度也是决定水体营养状态、生物量及生产力重要因素,从本质上来讲,5个研究站点水体氮磷含量的差异是导致初级生产特征出现空间和时间梯度分布的内在驱动因子之一.

其次,POC和DOC是水体有机碳库,除开外源输入和水体再悬浮等因素影响,DOC和 POC大小可以从某种程度上可体现生物活动水平的强弱,浮游生物生物现存量是POC的重要组成部分,而浮游植物初级生产的有机C中相当部分以溶解态的形式释放到水体中[25],因此初级生产力和C形态表现出很好的正相关性.除此以外,DIC含量和初级生产力及生物量指标呈现出极显著的负相关性,暗示区域水化学特征可能对水体初级生产和生物活动具有重要影响.

表5 初级生产与相关环境因子及C形态相关性矩阵Table5 The correlation matrix between primary production (PP) and the related environmental parameter, carbon pools.

最后,Chla和初级生产力相关性极好,相关性系数高达0.914,由于水体Chla和水体透明度及真光层厚度,季节变化和温度均存在一定的相关性,是水体营养盐及其他环境因子的综合体现,因此用Chla浓度可以大体估算研究区域水体初级生产力.5个站点4个季度共20个样本数据可以初步建立两淮采煤沉陷区积水区水体初级生产力的经验公式,即:GPP=32.24Chla.

3 讨论

从初级生产力估算模型(VGPM)可以看出,水体初级生产力大小主要由叶绿素浓度、同化系数、区域光辐射条件和真光层深度共同决定,反映了初级生产者在特定区域生态环境因子作用下利用营养盐进行光合作用的能力.

Chla表征了初级生产者的生物现存量,而水体营养盐通常是浮游植物生长的限制因子,是其生物量的重要决定因子,诸多研究中常根据水体氮或磷的浓度建立浮游植物生物量和生产力的经验公式,但主要限于较大的区域尺度、较多的研究站点或长时间范围内的大量样本的统计分析.本研究范围中,5个站点4个季度研究期间水体分别处于中营养-轻度富营养化和轻度-中度富营养化多种不同的营养状态,水体营养盐含量及Chla浓度具有较大跨度范围,初级生产力大小也体现出相应的区分度.

根据我国《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》[26],III类水体氮磷划分标准为:TN≤1.0mg/ L和TP≤0.05mg/L, HBNH和HBZH低于此标准,两个站点Chla年均值小于10.0mg/m3,位于国外北温带湖库类“中营养”水体判定的常用限值范围内(1～15mg/m3),根据经验公式(1)对应的最高GPP约500mgC/(m2·d);而PXPJ和PXGQ 水体TP浓度达到 IV类标准(0.1mg/L),TN浓度达到 V类标准(2.0mg/L),根据经验公式、营养最小因子限制原则和研究实际结果,现阶段可以将淮南矿区水体富营养化调控限制目标水平范围初步设为:TP≤0.1mg/L,Chla≤50mg/m3,GPP≤1500mgC/(m2·d),在保证较好水质状态的同时亦保持极高的初级生产潜力.

HBNH、HBZH与PXGQ氮磷浓度相当,但Chla和GPP显著低于PXGQ,由于淮南气候较淮北温暖湿润,同等营养盐水平条件下水体初级生产可能高于淮北区域.沉陷区水化学特征也可能影响两淮矿区初级生产的重要因素之一,淮北矿区由于更加干旱缺水的地理条件,水体矿化度、碱度均显著高于淮南沉陷区水体,进而可能对浮游植物的群落结构和初级产生影响,主要表现为初级生产和 DIC 的负相关性.邓道贵等[2]对HBNH研究结果发现,尽管其水体营养水平较低,蓝绿藻占藻类生物量的69.8%,其次是硅藻占较大比率,HBNH站夏季甚至出现铜绿微囊藻水华,除了鱼类的扑食压力较小外,碱性水体对游离CO2具有较强的结合能力,具有CCM机制藻种库(蓝藻和硅藻)[27]对碱性水化学环境适应性选择也可能是重要原因之一.

从区域生态系统的角度来看,沉陷区水体营养状况和初级生产力很大程度上受各分矿区生态环境的制约,类似于小流域对受纳水体之作用.矿区农田生态系统向水生态系统转变后,物质生产方式、生态系统结构和功能也发生彻底变化,前者主要执行粮食的生产功能,后者则形成了以浮游植物初级生产为基础的食物网,生态系统结构及生态环境功能均趋向复杂化和多样化(图3).沉陷区水生态系统中,“沉陷盆地”成为各类营养元素的汇集地,从区域尺度来看,周围农业活动流失N、P等营养元素的汇入可能是最重要的部分,在没有饵料、肥料或排污等情况下,水域生态系统的营养结构和生产功能很大程度上取决于区域农业活动的营养物质过剩情况.如HBNH由于建设为国家城市湿地公园,周围建有良好的生态缓冲带,水质状态最好,而受纳周围河流排污的PXPJ和PXXQ水体已经进入中度富营养化状态.因此,水生态环境的重建与恢复必须充分考虑矿区的整体生态特征.

淮南淮北具有明显的地域差别,淮南沉陷区水体生物量和生产力明显高于淮北地区,生物群落结构也存在显著差异[2-3],其水体渔业生产功能及潜力不容忽视,在保持营养结构合理及生态系统功能健康的条件下,利用自然输入的营养元素进行养殖,能够在补偿失地农民经济利益同时产生巨大的生态效益,而淮北沉陷区水体营养状态和初级生产力较低,在淮北市整体水资源缺乏及污染较为严重的背景下,其水质保护应该处于优先地位.

值得指出的是,在理解矿区水生态区生态系统初级生产特征的基础上,今后应该加强对生态系统营养结构和功能相关研究.除传统生物调查手段外,可以考虑结合稳定同位素技术或生态动力学模型等先进技术手段进行,特别是 C、N稳定同位素技术,其在水生态系统消费者食物来源和营养结构特征等研究方面具有独特的优势[28-29],在两淮矿区积极开展相关工作将对深入理解沉陷区多样性水生态系统结构和功能具有重要意义.

图3 区域尺度上两种生态系统能量流动和物质循环联系概念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 结论

4.1 两淮采煤沉陷积水区由于区域地理气候、水化学特征和矿区生态环境等方面的差异,水体营养状态、初级生产大小及碳库特征存在着较大的跨度范围,5个研究站点研究期间Chla浓度均值范围为3.7～71.5mg/m3, POC浓度均值范围为0.9～4.0mgC/m3,GPP均值范围82.4～2305.4mgC/ (m2·d);5个研究站点初级生产力大小、有机碳含量及碳的周转率与水体营养状态高低保持了较好的一致性,大小顺序为 PXXQ>PXPJ>PXGQ> HBZH>HBNH,淮南矿区水体明显高于淮北矿区水体.

4.2 根据两淮矿区水体生态环境特征和功能特点,现阶段可以初步将 P≤0.05,Chla=10mg/m3和GPP=500mgC/(m2·d)作为中营养化水体来管理,同时执行III类水质标准;而现阶段P≤0.10,Chla=50mg/m3和 GPP=1500mgC/(m2·d)可以初步作为富营养化水体的调控目标,执行 IV类水质标准,在保证区域水生态环境健康的条件下保持较高的初级生产潜力.

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致谢：本研究中POC分析工作由安徽理工大学地球与环境学院耿艳老师协助完成,在此表示感谢.

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

易齐涛(1979-),男,湖北天门人,副教授,博士,主要从事水生态环境相关研究.发表论文20余篇.

2013-09-28

国家自然科学基金青年基金项目(41202242);中国博士后科学基金(20110490814);淮北矿业股份有限公司2012年科学技术研究项目

* 责任作者, 副教授, yiqitao@163.com