长江水体溶解性有机物组分的空间变异特征及控制因素研究
溶解性有机物（DOM）是生态系统的关键组成部分，其组分对河流生态系统的物种组成、物质循环、能量流动和信息传递等功能都有重要影响。河流作为连续性的水生生态系统，上游的生物地理化学过程会对对下游生态系统功能起深远影响。然而，对河流在纵向和横向的整体尺度上对溶解性有机物组分空间格局的变化及调控因素的研究相对较少。本研究以大空间尺度Strahler 6级河流长江干流和其上游的一条小空间尺度河流龙苍沟流域上的 27 条Strahler 1 级源头支流为研究对象，通过荧光光谱技术检测水体溶解性有机物组分，结合地理、气候、水化学、筑坝、微生物群落组成及多样性分析结果，探究水体溶解性有机物在长江的空间变异分布和控制因素变化，并探明微生物群落结构在对溶解性有机物形成的作用。主要研究结果如下： （1）长江干流中的溶解性有机碳（DOC）浓度在0.28至3.40 mg/L之间，平均值为1.52 mg/L，荧光指数(FI，1.0±0.21)证实外源输入是长江干流 DOM 的主要来源，类色氨酸与类酪氨酸的比值（Trypto/Tyro,平均值＞0.5）表明长江干流中蛋白质的生物可利用性较差。在长江干流中，DOM组分在以地理阶梯为划分的三级阶梯间存在空间变异，自然河段内从上游流域到下游流域，FI和新鲜度指数（β/α）显著下降，腐殖质含量和腐殖化指数（HIX）显著增加。腐殖质含量和 HIX 的不同计算方式的结果在不同地理阶梯间表现出了差异性。FI、β/α、腐殖质含量和HIX与空间距离间存在的线性关系表明，长江干流存在自上至下，DOM质量逐渐下降的趋势。RDA的结果（49.68%）对DOM组分空间变异的解释表明，NO3--N和海拔是影响DOM组分变异最重要的环境因素。VPA分析结果也表明水环境因素对DOM空间变异起到的作用（25.30%）大于地理因素（9.40%）。长江干流上三座大坝前后各河段的DOM组分无显著差异，但大坝的存在提高了整个第二级阶梯中的DOM质量。依本研究结果，长江干流DOM组分的空间纵向变异遵循的是内部转化模型，而不是河流连续体模型，水体中的DOM质量主要受内部转化和筑坝的调节。 （2）龙苍沟流域27条Strahler1级支流中DOC浓度在0.35至1.50 mg/L之间，平均值为0.85 mg/L，Trypto/Tyro（均值为0.76）表明蛋白质的生物可利用性较差，新鲜度指数（均值为0.61）表明微生物活性较低。荧光特征参数FI、Trypto/Tyro、腐殖质含量和β/α均与海拔高度间表现出了线性关系，随海拔升高DOM的生物可利用性降低。除海拔外，DOM组分受地形、流域面积和气候因素影响不显著。逐步回归结果表明海拔、坡降、温度、pH、氧化还原电位、DOC浓度、Ca/Mg和NO3-浓度都是小尺度河流中DOM组分的控制因素。但结构方程模型的结果表明，Strahler 1级源头河流中DOM组分特征最主要的控制因素是流域内的岩石风化程度和外源物质输入变化，由岩石风化导致的 Ca2+/Mg2+和人为输入影响的 NO3-浓度变化是龙苍沟流域内DOM组分变化的主要控制因素。按源头河流调控关系来看，小空间尺度河流水体DOM组分特征的调控主要来源于由地理因素海拔（间接作用）影响的岩石风化和人类活动影响的营养水平变化（直接作用）造成的河流DOM来源特征变化。 （3）微生物群落结构分析结果表明，长江干流水体微生物在属水平上的优势种是栖湖菌(Limnohabitans)、蓝藻(Cyanobacteria)、嗜甲基菌(Methylopumilus)及栖热菌(Thermus)。浮游生活的微生物具有优势种副球菌(Paracoccus)和假噬纤维菌(Pseudarcicella)，颗粒附着生活的微生物具有优势种蓝藻(Cyanobacteria)。附颗粒微生物相较浮游微生物具有更高的OTU数量和群落多样性。DOM组分中与微生物群落存在相关性的参数是腐殖质含量、FI和β/α，这可能与浮游微生物中假噬纤维菌能利用腐殖质、附颗粒微生物中蓝藻的初级生产有关。环境因素中影响微生物群落多样性的主要是氮（TN、NO3--N、NH4+-N）、碳（TC、TOC、DOC）和环境背景（Temp、EC、pH）。微生物多样性参数的方差分析和OTU聚类注释结果的NMDS分析结果在第一级和第三级地理阶梯间存在显著差异，表明长江干流水体中微生物的群落结构和群落多样性同样存在空间变异。从形成上看，微生物群落并不是长江干流DOM组分的主要控制因素，DOM组分的变化更多受其他环境因素的影响。 综合分析表明，长江流域的DOM组分在大、小空间尺度上都存在纵向的空间变异并受水体化学环境影响。虽然 DOM 都由外源物质组成，但在高等级河流中DOM的主要调控过程为内部转化，这不同于源头河流的集水区输入，因而对DOM组分变异起主导的水化学因素在不同尺度河流中也存在差异（长江干流中为NO3-，龙苍沟中为Ca/Mg）。 本文对长江水体溶解性有机物组分的空间变异和调控因素进行研究，并初步讨论了溶解性有机物组分与微生物群落结构间的相关关系。研究的结果有助于阐明不同空间尺度河流中溶解性有机物组分的空间变异和控制因素，为理解河流系统种微生物群落结构变化提供了一个可能的解释方向，并为判断人类活动对河流生态系统的干扰提供帮助。
河流生态系统;溶解性有机物;空间变异;微生物群落
西藏大学
硕士
生态学
王伟波
2023
中文
X171.1
2023-09-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）