CN111126782A - 基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，首先分析测定河流沉积物微生物群落的碳代谢能力，进而根据流量梯度减少与微生物碳代谢速率之间的响应关系，建立微生物碳代谢速率k与流量量化关系，再构建微生物碳代谢速率k与流量之间的阈值关系，据此设定河流健康状况与流量减少范围的对应关系。结合基于微生物碳代谢速率的健康评估标准，最终形成一种源区河流健康程度的环境流量的评估方法。优点：本发明方法新颖独特，评价快速，是一种基于功能需求的环境流量计算方法，可有效解决具有特殊生境的源区河流环境流量的评估问题，促进水电开发下河流生态系统的健康发展。

Description

基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法

技术领域

本发明是一种基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，属于环境流量评估技术领域。

背景技术

环境流量的保障是维持河流生态系统健康发展的基础，对维持河流水生态系统的结构和功能正常发挥具有重要意义。近年来，人类活动的加剧引起了河流天然流量过程的明显的变化，改变了河流水文、泥沙和生源要素的迁移转化模式，严重影响了生物地球循环过程及河流生态系统的结构和功能。为维持河流生态系统的健康发展，亟需开发适宜的环境流量评估方法。

目前，关于河流环境流量的评估已经发展了200多种具体方法，这些方法被划分为水文学方法、水力学方法、栖息地模拟和整体模拟法等4类。这些方法各有利弊，且多数是在具有水文站监测资料和地形地貌数据前提条件下开展的。现阶段，我国西南河流源区面临着高强度的水电开发，水利工程的建设将导致河流流动性下降、连通性破坏、河流片段化，严重影响西南河流源区水生态系统的健康状况。而源区河流地处偏远，生境特殊，水文情势和地形地貌数据资料非常匮乏，河流水体中浮游动植物和鱼类稀少且不易获取，同时源区河流沿岸植被覆盖率低。这些特殊的河流情势造成了源区河流与中下游河段的显著差异，同时常用的计算方法（水文学方法、水力学方法、栖息地模拟法等）也难以用于此类特殊河段的环境流量的计算。为解决上述问题，维持源区河流的健康发展，需要建立河流源区减水河段环境流量与河流健康状况的相互关系，开发适用于源区河流特殊生境的环境流量的计算方法。

发明内容

本发明提出的是一种基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，其目的在于为了克服现有评估方法的不足，开发一种基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，可有效解决具有特殊生境的源区河流环境流量的评估问题，促进水电开发下河流生态系统的健康发展。

本发明的技术解决方案：基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，包括以下步骤：

（1）断面监测：对源区河流断面的水体流速和断面面积进行监测；

（2）样品的采集与测定：河流沉积物样品的原位采集，样品的低温保存，样品经预处理后获得定量的检测浓度，样品碳代谢能力的测量；

（3）微生物碳代谢速率与环境流量间关系的建立：对微生物样品碳代谢速率的计算分析，建立碳代谢速率与断面流速/流量间的关系，进而构建碳代谢速率与断面环境流量的适应性范围。

所述步骤（1）断面监测，具体包括河流水体流速、河面宽度和水深的测定，用流速监测设备对断面平均流速进行测定分析，用超声设备对河面宽度和水深完成测量，并计算出监测断面的面积。

所述步骤（2）样品的采集与测定，原位采样，在对样品进行预处理后上机测样，获得沉积物中微生物的碳代谢活性，具体包括以下步骤：

1)在河流监测断面处，选择合适位点，利用已消毒杀菌的样品勺采集0~2cm表层沉积物样品，样品量不少于100g，每次至少三个平行样品，置于样品瓶中，低于4°C保存，运回实验室待测；

2)称量定量沉积物样品，置于三角瓶中，加入灭菌的生理盐水，摇匀后，取上层悬液，利用生理盐水逐步稀释，直至悬液的吸光度值600nm为0.05cm^-1；

3)在超净工作台中用移液器将制备好的悬液接种到Biolog-ECO板的96个孔中，每孔150μL；

4)将接种好的Biolog-ECO板盖好盖子，放入20℃的恒温培养箱中培养5~8天；

5)每隔12h用Biolog读板仪读取各孔在波长为595nm条件下的吸光度并记录。

所述步骤（3）微生物碳代谢速率与环境流量间关系的建立，包括对微生物样品碳代谢速率的计算分析，建立碳代谢速率与断面流量间的关系，进而构建碳代谢速率与河流环境流量的适应性范围，具体包括以下步骤：

1）Biolog-ECO板单孔平均颜色变化率，用来反应各孔微生物群落的总碳代谢活性，计算公式如下：

AWCD=∑( Ci－Ri) / n

其中Ci 为595nm 下的吸光度值减去750 nm下的吸光度值，Ri为对照孔的吸光值， n为Biolog-Eco板上供试碳源的种类数目，其值为31；

2）根据Biolog-ECO板单孔平均颜色变化率随时间的变化曲线，求曲线的导数，获得单位时间内△t微生物碳代谢活性的增长量△C，取导数的最大值的绝对值作为微生物的碳代谢速率k：

3）根据流量梯度减少与微生物碳代谢速率之间的响应关系，建立微生物碳代谢速率k与流量量化关系：

4）构建微生物碳代谢速率k与流量之间的阈值关系，设定河流健康状况与流量减少范围的对应关系，结合基于微生物碳代谢速率的健康评估标准，形成源区河流健康程度的环境流量的评估技术。

本发明的有益效果：本发明方法新颖独特，评价快速，是一种基于功能需求的环境流量计算方法，可有效解决具有特殊生境的源区河流环境流量的评估问题，促进水电开发下河流生态系统的健康发展。

附图说明

附图1是不同沉积物微生物样品的碳代谢速率计算过程。

附图2是微生物碳代谢速率k与流量量化关系。

附图3是碳代谢速率与环境流量间的耦合关系。

具体实施方式

一种基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，针对传统环境流量计算方法适用性和可操作性差的问题，开发出一种基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，首先分析测定河流沉积物微生物群落的碳代谢能力，进而根据流量梯度减少与微生物碳代谢速率之间的响应关系，建立微生物碳代谢速率k与流量量化关系，再构建微生物碳代谢速率k与流量之间的阈值关系，据此设定河流健康状况与流量减少范围的对应关系。结合基于微生物碳代谢速率的健康评估标准，最终形成一种源区河流健康程度的环境流量的评估方法。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明：

碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法包括三个步骤：断面的监测，样品的采集与测定、关系的建立部分。其中，断面的监测是对源区河流断面的水体流速和断面面积进行监测；样品的采集与测定包括河流沉积物样品的原位采集，样品的低温保存，样品经预处理后获得定量的检测浓度，然后上机测量样品的碳代谢能力；关系的建立部分包括对微生物样品碳代谢速率的计算分析，建立碳代谢速率与断面流速（流量）间的关系，进而构建碳代谢速率与断面环境流量的适应性范围。具体为：

（1）断面水体流速和断面面积的监测

河流断面的监测主要是对河流水体流速、河面宽度和水深进行测定。用流速监测设备对断面平均流速进行测定分析，用超声设备对河面宽度和水深完成测量，并计算出监测断面的面积。

（2）沉积物微生物样品的采集与测定

为获得沉积物中微生物的碳代谢活性，需开展原位采样，在对样品进行预处理后上机测样，具体步骤如下：

1)在河流监测断面处，选择合适位点，利用已消毒杀菌的样品勺采集表层沉积物（0~2cm）样品，样品量不少于100g，每次至少三个平行样品，置于样品瓶中，低温（4°C）保存，快速运回实验室待测。

2)称量定量沉积物样品，置于三角瓶中，加入灭菌的生理盐水（0.05%NaCl, W/V），摇匀后，取上层悬液，利用生理盐水逐步稀释，直至悬液的吸光度值（600nm）为0.05cm^-1。

3)在超净工作台中用移液器将制备好的悬液接种到Biolog-ECO板的96个孔中，每孔150μL。

4)将接种好的Biolog-ECO板盖好盖子，放入20℃的恒温培养箱中培养5~8天。

5)每隔12h用Biolog读板仪读取各孔在波长为595nm条件下的吸光度并记录。

（3）微生物功能特性和水生态系统的关联

微生物是生态系统中重要的组成部分，微生物群落作为物质循环和能量流动的主要参与者，与河流水生态环境密切相关，特别是对河流生源要素（碳、氮、磷）循环中起着至关重要的作用，因此，河流沉积物中微生物群落的功能、物种多样性是衡量湖泊生态系统稳定性的重要指标。

影响微生物生长代谢的因素很多，其中包括水体环境的营养状况、水体流速、生长的基质类型、光照情况、水温等。源区河流的水电开发将引起河流径流的显著变化。径流变化是河流生态系统的重要驱动因素，会直接影响河流中微生物的群落结构和功能特性，同时会引起环境因子的时空变化，间接改变河流生态系统中生物群落的代谢活性。微生物群落结构及其功能多样性决定了生物构成的生态系统功能具有的特性及强弱，具有高稳定性的群落可以更好地实现生态功能，因此，可以用微生物功能活性来反映整个河流生态系统的健康状况。

河流源区的生境特殊，主要表现在其浮游动植物和鱼类稀少，沿岸植被覆盖率低，水体/沉积物中微生物资源丰富等特点。这些特殊的生境条件导致常用的河流健康评价指标（鱼类丰度、栖息地、有机质代谢速率等）难以用于源区河流的健康评价。因此，以微生物群落功能特性的评价指标更加适用于源区河流环境流量的评估计算，能为源区河流的水电开发和水资源调度提供更为准确的依据。

（4）微生物碳代谢速率与环境流量间关系的建立

主要包括对微生物样品碳代谢速率的计算分析，建立碳代谢速率与断面流量间的关系，进而构建碳代谢速率与河流环境流量的适应性范围。具体步骤如下：

1）Biolog-ECO板单孔平均颜色变化率（AWCD），可以用来反应各孔微生物群落的总碳代谢活性（如图1），计算公式如下：

AWCD=∑( Ci－Ri) / n （公式1）

其中Ci 为595nm 下的吸光度值减去750 nm下的吸光度值，Ri为对照孔的吸光值， n为Biolog-Eco板上供试碳源的种类数目，其值为31。

2）根据AWCD随时间的变化曲线，求曲线的导数，获得单位时间内（△t）微生物碳代谢活性的增长量（△C），取导数的最大值的绝对值作为微生物的碳代谢速率k。

（公式2）

3）根据流量梯度减少与微生物碳代谢速率之间的响应关系，建立微生物碳代谢速率k与流量量化关系。如图2所示。

（公式3）

4）构建微生物碳代谢速率k与流量之间的阈值关系，如图3所示，设定河流健康状况与流量减少范围的对应关系，如表1所示。结合基于微生物碳代谢速率的健康评估标准，形成一种源区河流健康程度的环境流量的评估技术。

表1：河流健康状况与流量减少范围的对应关系

河流健康状况	流量减少范围
		高	流量减少量不超过a%
中	流量减少量范围为(a%–b%)
		低	流量减少量超过b%

Claims (4)

1.基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，其特征是包括以下步骤：

（1）断面监测：对源区河流断面的水体流速和断面面积进行监测；

（2）样品的采集与测定：河流沉积物样品的原位采集，样品的低温保存，样品经预处理后获得定量的检测浓度，样品碳代谢能力的测量；

（3）微生物碳代谢速率与环境流量间关系的建立：对微生物样品碳代谢速率的计算分析，建立碳代谢速率与断面流速/流量间的关系，进而构建碳代谢速率与断面环境流量的适应性范围。

2.根据权利要求1所述的基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，其特征是所述步骤（1）断面监测，具体包括河流水体流速、河面宽度和水深的测定，用流速监测设备对断面平均流速进行测定分析，用超声设备对河面宽度和水深完成测量，并计算出监测断面的面积。

3.根据权利要求1所述的基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，其特征是所述步骤（2）样品的采集与测定，原位采样，在对样品进行预处理后上机测样，获得沉积物中微生物的碳代谢活性，具体包括以下步骤：

1)在河流监测断面处，选择合适位点，利用已消毒杀菌的样品勺采集0~2cm表层沉积物样品，样品量不少于100g，每次至少三个平行样品，置于样品瓶中，低于4°C保存，运回实验室待测；

2)称量定量沉积物样品，置于三角瓶中，加入灭菌的生理盐水，摇匀后，取上层悬液，利用生理盐水逐步稀释，直至悬液的吸光度值600nm为0.05cm^-1；

3)在超净工作台中用移液器将制备好的悬液接种到Biolog-ECO板的96个孔中，每孔150μL；

4)将接种好的Biolog-ECO板盖好盖子，放入20℃的恒温培养箱中培养5~8天；

5)每隔12h用Biolog读板仪读取各孔在波长为595nm条件下的吸光度并记录。

4.根据权利要求1所述的基于碳代谢速率评估河流源区减水河段环境流量的方法，其特征是所述步骤（3）微生物碳代谢速率与环境流量间关系的建立，包括对微生物样品碳代谢速率的计算分析，建立碳代谢速率与断面流量间的关系，进而构建碳代谢速率与河流环境流量的适应性范围，具体包括以下步骤：

1）Biolog-ECO板单孔平均颜色变化率，用来反应各孔微生物群落的总碳代谢活性，计算公式如下：

AWCD=∑( Ci－Ri) / n

其中Ci 为595nm 下的吸光度值减去750 nm下的吸光度值，Ri为对照孔的吸光值， n为Biolog-Eco板上供试碳源的种类数目，其值为31；

2）根据Biolog-ECO板单孔平均颜色变化率随时间的变化曲线，求曲线的导数，获得单位时间内△t微生物碳代谢活性的增长量△C，取导数的最大值的绝对值作为微生物的碳代谢速率k：

3）根据流量梯度减少与微生物碳代谢速率之间的响应关系，建立微生物碳代谢速率k与流量量化关系：

4）构建微生物碳代谢速率k与流量之间的阈值关系，设定河流健康状况与流量减少范围的对应关系，结合基于微生物碳代谢速率的健康评估标准，形成源区河流健康程度的环境流量的评估技术。

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