水域生态学：05-水环境--湖泊课件.ppt

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1、4.水环境的主要类型及其特征静水水体静水水体Standing(lentic)waters:如湖泊和池塘，无起支配作用如湖泊和池塘，无起支配作用(dominant)的单向水流的单向水流流水水体流水水体flowing(lotic)waters:如河、溪，有强大的单向水流如河、溪，有强大的单向水流4.1.1 湖泊的成因湖泊的成因湖泊可形成于任何凹洼处湖泊可形成于任何凹洼处1.构造湖构造湖(Tectonic lakes)因大规模地因大规模地壳运动造成壳运动造成断层作用断层作用(faulting)裂谷湖，如裂谷湖，如 Great Rift Valley lakes in East Africa：Vict

2、oria，Tanganyika etc.地堑湖地堑湖(graben lake)e.g.Lake Baikal 最深的淡水湖最深的淡水湖(1,742.2 m).地垒湖地垒湖(Horst lakes)特点：历史古老，水很深特点：历史古老，水很深2.火山湖火山湖Volcanic lakes 火山口湖火山口湖Caldera lakes(volcanic craters)e.g.长白山天池长白山天池熔岩堰塞湖熔岩堰塞湖Coulee lakes（e.g.镜泊湖镜泊湖).特点特点Very low watershed to lake area ratio(Aw:A0)Steep sidesLow nutrie

3、nt soilsUnproductiveExtremely clear3.冰川湖冰川湖(Glacier lakes)冰斗湖冰斗湖(Cirque lakes)：在冰川作用的山在冰川作用的山谷上部谷上部，由由冰融化和冻结交替作用挖空的冰融化和冻结交替作用挖空的圆形结构圆形结构(cirques)。壶穴壶穴(Kettle or pit lakes,Potholes):冰冰川退缩后留下的冰团融蚀而成。川退缩后留下的冰团融蚀而成。冰碛堵蓄湖冰碛堵蓄湖(Moraine lakes):冰川冲刷山冰川冲刷山间通道留下的间通道留下的冰碛冰碛堵蓄河流形成。堵蓄河流形成。特点：特点：流域面积：湖面积流域面积：湖面积(

4、Aw:A0)小小Formation of some types of glacial lakes.(A)A cross section of a glacier moving down a valley.(B)After the glacier has retreated,it leaves cirque,moraine dammed,and pothole lakes.(From Dodds,2002)冰川活动造成的湖泊.(a)冰舌前缘形成的冰碛堵蓄湖.(b)土壤中冰团缓慢融化形成凹洼积水形成壶穴Kettle lakes4.溶盆湖Solution lakes 也称喀斯特湖(Karst lak

5、es):石灰岩地区含二氧化碳的微酸水渗透溶蚀而成(a)可溶性岩层上，岩石可溶性岩层上，岩石的溶蚀形成溶洞，随的溶蚀形成溶洞，随溶洞增大，洞顶张力溶洞增大，洞顶张力作用最终使洞穴塌陷作用最终使洞穴塌陷，凹洼蓄水形成湖泊。凹洼蓄水形成湖泊。在美国在美国 Florida的石灰的石灰岩地区，这种湖泊非岩地区，这种湖泊非常普遍。常普遍。(b)Florida中部，地下溶中部，地下溶洞的突然塌陷吞噬了洞的突然塌陷吞噬了这栋房屋。这种溶洞这栋房屋。这种溶洞在地下已经形成了很在地下已经形成了很多年，洞顶的塌陷可多年，洞顶的塌陷可能就发生在几分钟内。能就发生在几分钟内。溶盆湖的形成溶盆湖的形成5.河川湖河川湖 F

6、luvial lakes龙潭龙潭Plunge-pool：瀑布冲刷形成瀑布冲刷形成洪泛湖洪泛湖Levee lakes：泥沙沉积形成天然泥沙沉积形成天然防洪堤岸，堵住小支流河口形成。防洪堤岸，堵住小支流河口形成。牛轭湖牛轭湖Oxbow lakes：通常在低地洪泛通常在低地洪泛平原，河流截弯取直，河曲从河干脱离平原，河流截弯取直，河曲从河干脱离形成形成，形似牛轭形似牛轭。The pattern of bank erosion that leads to the formation of oxbow lakes.6.风成湖风成湖(Lakes of aeolian origin)，又称，又称游移湖，在干

7、旱和海岸地区，风重新分布碎游移湖，在干旱和海岸地区，风重新分布碎石或沙形成丘湖石或沙形成丘湖(dune lakes)7.岸线湖岸线湖(Coastal lakes)(lagoon 泻湖泻湖)：海岸线不规则，有机会形成沙脊跨过凹海岸线不规则，有机会形成沙脊跨过凹洼，封闭成新的湖泊。洼，封闭成新的湖泊。e.g.西湖、太湖西湖、太湖Westchester Lagoon8.生物成湖生物成湖(Biogenic lakes)生物活动形生物活动形成成 e.g.海狸、某些植物，特别是人海狸、某些植物，特别是人(pond,reservoir)BeaverA architect of dam4.1.2 湖泊的形态和

8、生境湖泊的形态和生境湖泊形态大小和分布：湖泊形态大小和分布：面积、水深、岸线等；湖盆面积、水深、岸线等；湖盆 大小：大小：里海里海371 000 km2最大最大 苏比略湖苏比略湖82 000 km2最大的淡水湖最大的淡水湖 小至即使几十平方米小至即使几十平方米 深度深度：贝加尔湖贝加尔湖1742 m 海拔海拔：青藏高原上，青藏高原上，30005000 m a.s.l；艾丁湖艾丁湖(吐鲁番盆地吐鲁番盆地)154 m，死海死海392 m形态度量学形态度量学(morphometry)定义一个湖泊的物理尺定义一个湖泊的物理尺度，包括湖盆形状的量化和测量。度，包括湖盆形状的量化和测量。湖泊及其流域湖泊及

9、其流域的形状和大小的形状和大小湖盆湖盆lake basin：集水形成湖泊的凹洼，是集集水形成湖泊的凹洼，是集水区最低之区域。水区最低之区域。流域流域 (catchment area or drainage basin,watershed)，集水并最终流入湖盆的地区，集水并最终流入湖盆的地区，即为该湖泊的流域即为该湖泊的流域深度深度Depth(mean and max),大小大小size(volume/area),“roundness”(shoreline convolutions)这些尺度影响到湖泊的水质和生产力水平这些尺度影响到湖泊的水质和生产力水平湖泊形态测量指标面积：面积：A长度长度L宽

10、度宽度b体积体积V深度深度Z：最大深度、平均深度：最大深度、平均深度、相对深度相对深度岸线发育系数岸线发育系数E流域面积与湖面积之比流域面积与湖面积之比滞留时间滞留时间/周转率周转率长度、宽度和深度测量Maximum length(fetch)Maximum widthZ max最大长度L；最大宽度b、平均宽度baver.=A/L、深度深度(depth)最大深度最大深度()平均深度平均深度()=体积体积 表面积表面积浅水湖泊通常比深水湖泊生产力高，平均水深是浅水湖泊通常比深水湖泊生产力高，平均水深是估算总体水深的快捷途径估算总体水深的快捷途径同样同样,可表明风浪和水混合事件搅动底质的可能性可表

11、明风浪和水混合事件搅动底质的可能性假如体积不得而知，可以收集一些湖泊深度测量值，假如体积不得而知，可以收集一些湖泊深度测量值，然后平均，当然，这样不够准确，只能用于小湖泊。然后平均，当然，这样不够准确，只能用于小湖泊。相对深度：最大深度与同面积圆之直径的比，相对深度：最大深度与同面积圆之直径的比，%大多数湖泊Zr4%A topA bottomzzz计算湖泊体积计算湖泊体积Atop=顶层的面顶层的面积积Abottom=底层的底层的面积面积z=等高线之间的等高线之间的距离距离V=一层的体积一层的体积或或可利用等深线求出可利用等深线求出 V=1/2hAn h为等深线高差，为等深线高差，An为各等深线

12、时的面积为各等深线时的面积岸线发育系数岸线发育系数(Shoreline development)E：岸线长度岸线长度U与等面积圆之周长的比值与等面积圆之周长的比值因水流、波浪等的冲击，外来有机和无机物的沉积等，弯曲的湖岸逐渐变直，E逐渐变小 E E越大，该生态系统生产力越高。越大，该生态系统生产力越高。火山口湖火山口湖 E1流域面积与湖面积之比值Ratio=Watershed Area =Aw:Ao Lake Area高高低低较高的比值较高的比值=较高的生产力，经常是较差的水质较高的生产力，经常是较差的水质滞留时间滞留时间=湖湖 泊泊 体体 积积 流入或流出水量流入或流出水量较长的滞留时间较长

13、的滞留时间:湖泊水不经常交换湖泊水不经常交换反应较慢反应较慢污染物滞留时间长污染物滞留时间长需要多长时间使湖泊换一次水需要多长时间使湖泊换一次水How long does it take for the lake to get“flushed?”何谓滞留时间(retention time)?Turnover rate=inflow/volume湖泊生境湖泊生境(Habitat)类型（分区类型（分区/成带）成带）湖泊可以分成以下几种主要生境类型：湖泊可以分成以下几种主要生境类型：沿岸带沿岸带(Littoral zone):湖泊周围光可以到达底部湖泊周围光可以到达底部的浅水部分，可以让挺水植物、漂

14、浮植物和沉水植物。的浅水部分，可以让挺水植物、漂浮植物和沉水植物。湖心带湖心带(Limnetic zone):沿岸带外开阔地带，向下沿岸带外开阔地带，向下延伸至补偿深度延伸至补偿深度(pelagic zone)；生活有浮游生物生活有浮游生物和自泳生物和自泳生物。深底带深底带(Profundal zone):湖心带之下的区域湖心带之下的区域(浅水浅水湖泊无湖泊无)。底栖带底栖带(Benthic zone):湖泊底质，埋栖有各种动物湖泊底质，埋栖有各种动物和微生物。和微生物。Lake zonationlittoral 自湖岸边向中心到达水草生长之外缘profundal 为光线无法穿透的深水层 pr

15、ofundal之上是开阔的limnetic zone4.1.3 湖水分层Stratification和混合Mixingv湖水热分层(Thermal stratification)湖上层(Epilimnion)温暖、富含氧气的上层水体，通常是季节性的变温层(Metalimnion)湖上层和湖下层的过渡带(Transition zone)，温度显著下降(温跃层thermocline)湖下层Hypolimnion 温跃层下寒冷、缺氧的水层温带地区湖泊中温跃层、水深与温度/溶解氧的关系湖泊的垂直温度曲线，示正分层和湖泊的三个部分v分层的生态学影响 湖泊中分层现象导致了溶解气体、营养盐，以及生物的分层初

16、级生产水层受限制仅在湖上层进行寒冷的深水层可能缺氧deoxygenated，对好氧生物可能是致命的湖泊中溶氧、营养盐和温度的典型垂直梯度湖泊中溶氧、营养盐和温度的典型垂直梯度水的混合(Mixing)紊动混合：由风力和水力坡度力作用产生对流混合(turnover):由季节性温度变化引起的上下层水的垂直混合春季对流Spring turnover夏季(正)分层Summer stratification秋季对流Fall turnover冬季逆分层Inverse stratification in winter在春季和秋季混合期在春季和秋季混合期，上下层湖水混合使得上层的溶氧上下层湖水混合使得上层的溶氧

17、和下层的矿物质均匀分布，浮游生物得以迅速增长和下层的矿物质均匀分布，浮游生物得以迅速增长4.1.4 湖水运动和湖流湖水运动和湖流湖水混合湖水混合波浪波浪(Wave）湖流：湖水在力的作用下，沿一定方向的运动。湖流：湖水在力的作用下，沿一定方向的运动。梯度流梯度流：重力流（吞吐流）：湖水进、出形成重力流（吞吐流）：湖水进、出形成密度流：水温、湖水含沙量、含盐量的变化引起密度流：水温、湖水含沙量、含盐量的变化引起风成湖流风成湖流兰米尔环流兰米尔环流(Langmuir circulation cells or spiral)湖面波动湖面波动Seiche(湖摆、风成流湖摆、风成流)：大多是风的作用：大多

18、是风的作用 混合流混合流Coriolis effect波浪作用波浪作用(Wave action)影响影响表层水的混合表层水的混合岸线的侵蚀岸线的侵蚀影响沿岸带底栖生物栖息的深度影响沿岸带底栖生物栖息的深度波浪高度的两个主要决定因素波浪高度的两个主要决定因素风的强度：风速风的强度：风速(speed)和持续时间和持续时间(duration)受风面湖泊的长度受风面湖泊的长度(fetch)：越长，越高越长，越高波浪的影响与湖岸的几何形状和质地有关波浪的影响与湖岸的几何形状和质地有关波浪当水深当水深1/2波长时，波浪开始影响湖底波长时，波浪开始影响湖底拍岸浪冲刷湖岸拍岸浪冲刷湖岸(直接破坏、回流携带泥沙

19、直接破坏、回流携带泥沙)兰米尔环流兰米尔环流(Langmuir cells or spirals)将表面的将表面的热量和物质向下传递，重新分布营养物和浮游生物热量和物质向下传递，重新分布营养物和浮游生物Plankton sinkingPlankton rising水体中的水体中的兰米尔环流兰米尔环流。注意这些环流一个表面上有物质积累，。注意这些环流一个表面上有物质积累，而邻近的有上涌流。而邻近的有上涌流。湖面波动湖面波动Seiche(湖摆、风成流湖摆、风成流):通常由风引起通常由风引起气压差使上风处水位下降，下风低压处水位抬升，气压差使上风处水位下降，下风低压处水位抬升，下层水回流形成补偿流下

20、层水回流形成补偿流(compensation current).太湖台风时水位差太湖台风时水位差1.48 mWindCompensation CurrentSketch of Seiche漂漂 流流增水增水减水减水4.1.5 湖泊的分类湖泊的分类Lake classification按水温分按水温分:3:3类类寒带湖寒带湖温带湖温带湖热带湖热带湖(水温从不低于水温从不低于44，无逆分层，无逆分层)按湖水混合分 无无循循环环湖湖(amictic):Arctic&Antarctic,Alpine局部循环湖局部循环湖meromictic混成层混成层(mixolimnion)化变层化变层(chemoc

21、line)永滞层永滞层(monimolimnion)寡循环寡循环(oligomictic)单循环单循环(monomictic)双循环双循环(dimictic)多循环多循环(polymictic)全循环湖全循环湖(holomictic)3 3大类大类按矿化程度（含盐量）分3类淡水湖24.7(其中35为盐湖按水的主要离子12类氯化物型硫酸盐型硫酸盐-氯化物型碳酸盐型硫酸盐-碳酸盐型氯化物-碳酸盐型三成分型硅酸盐型硼酸盐型硝酸盐型磷酸盐型酸性型湖水的变型：溶解与沉淀碳酸盐型硫酸盐型氯化物型按营养类型(Trophic status)分4大类贫营养型(oligotrophic)中营养型(mesotrop

22、hic)富营养型(eutrophic)腐殖质营养型(Dystrophic)及过度类型划分方法及标准浮游植物商浮游植物商(Phytoplankton quotient,QP)(Nygaard 1949)QP=(Cy+Ch+Ce+Eu)/DeWhere：Cy：蓝藻纲 Cyanophyceae Ch：绿藻纲 Chlorophyceae Ce：中心硅藻纲 Centrales Eu：裸藻纲 Euglenineae De：鼓藻纲 Desmidiaceae贫营养型贫营养型:QP1.0中营养型中营养型:1.0 QP 3.0Freedam(1995)基于营养条件将内陆湖基于营养条件将内陆湖泊划分为泊划分为5类类

23、湖泊营养类型湖泊营养类型磷磷mg/m3叶绿素chl,mg/m3透明度SDT,m超贫营养型Ultraoligotrophic4.0 12贫营养型Oligotrophic102.5 6中营养型Mesotrophic10-352.5-83-6富营养型Eutrophic35-1008-251.5-3超富营养型Hypetrophic100251.5不同营养类型湖泊的特征不同营养类型湖泊的特征贫营养型贫营养型(Oligotrophic lake)通常很深，水清澈透明通常很深，水清澈透明 pleasant in appearance所有季节整个水层均富含溶解氧所有季节整个水层均富含溶解氧营养元素特别是营养元

24、素特别是 N和和P很低很低浮游植物初级生产力低浮游植物初级生产力低次级生产力低次级生产力低浮游植物种类多样性高、密度低浮游植物种类多样性高、密度低有根植物和其他大型植物可能存在甚至可能数有根植物和其他大型植物可能存在甚至可能数量比较大量比较大鱼类种类可能比较多鱼类种类可能比较多通常较浅通常较浅营养丰富营养丰富深水层可能夏季甚至全年无氧，甚至整个水柱缺氧深水层可能夏季甚至全年无氧，甚至整个水柱缺氧浮游植物大量存在，并可能出现藻类水华浮游植物大量存在，并可能出现藻类水华藻类多样性低，优势明显藻类多样性低，优势明显普遍存在藻类腐败引起的腥气普遍存在藻类腐败引起的腥气次级生产力高，动物多样性低次级生产

25、力高，动物多样性低大型植物减少乃至消失大型植物减少乃至消失仅少数鱼类能存活，低氧或缺氧经常导致鱼类窒死，仅少数鱼类能存活，低氧或缺氧经常导致鱼类窒死，水面上经常可见大量漂浮的死鱼水面上经常可见大量漂浮的死鱼不同营养类型湖泊的特征不同营养类型湖泊的特征富营养型富营养型Eutrophic lake可能大量接受外源性可能大量接受外源性allochthonous营养物质营养物质和有机物质和有机物质 水体通常带有颜色水体通常带有颜色stained浮游植物生产力很低浮游植物生产力很低不同营养类型湖泊的特征不同营养类型湖泊的特征营养障碍型营养障碍型Dystrophic lake4.1.6 Adaptatio

26、ns to lentic habitatsNekton(游泳生物、自游生物）游泳生物、自游生物）Plankton（浮游生物）浮游生物）Neuston（漂浮生物）漂浮生物）Benthos （底栖生物）底栖生物）vMacrophytes（大型植物）大型植物）Submerged plants（沉水植物）沉水植物）Floating leaved plants（浮叶植物）浮叶植物）Free floating plants（漂浮植物）漂浮植物）Emergent plants（挺水植物）挺水植物）Questions for thought湖泊成因有哪些？湖泊分类的方法和依据有哪些湖泊成因有哪些？湖泊分类的方

27、法和依据有哪些？湖泊的形态度量指标有哪些？与湖泊的生态特征湖泊的形态度量指标有哪些？与湖泊的生态特征有何关系？有何关系？贫营养型、富营养型和营养障碍型的区别何在？贫营养型、富营养型和营养障碍型的区别何在？区别沿岸带区别沿岸带(littoral zone)和湖心带和湖心带(limnetic)，湖心带和深底带湖心带和深底带(profundal)的依的依据是什么据是什么？为什么湖泊和池塘会发生季节性温度和溶氧的分为什么湖泊和池塘会发生季节性温度和溶氧的分层？层？湖上层、湖下层和变温层的特征是什么？湖上层、湖下层和变温层的特征是什么？热分层和对流混合对湖泊生态有何影响？热分层和对流混合对湖泊生态有何影响？人类入侵是如何影响湖泊的结构和功能的人类入侵是如何影响湖泊的结构和功能的?