漢江水華硅藻生物學特性初步研究

殷大聰，黃 薇，吳興華，宋立榮

(1.中國科學院水生生物研究所淡水生態與生物技術國家重點實驗室，武漢 430072;2.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010;3.湖北省環境科學研究院，武漢 430072)

1 研究背景

自上個世紀90年代以來，漢江中下游干流及支流早春硅藻水華頻繁發生，從2000年至今，已陸續報道了7次較為嚴重的早春硅藻水華，漢江中下游早春硅藻水華的暴發頻率似乎有逐漸加劇的趨勢。

已有的文獻報道顯示，漢江硅藻水華的暴發與春季枯水期水流速度低有關。盧大遠等［1］對漢江水華發生提出了水華的“指示因子”，他認為:當水體流速≤0.8m/s，流量≤500 m3/s，水溫≥10℃，pH≥8.0，DO≥12 mg/L的時候，可以作為漢江水華暴發的“警戒值”;陳根祥等［2］通過分析研究1992年、1998年、2000年漢江發生水華的年份和未發生水華的年份的漢江相關水文站點的水位、流量，也提出了相應的水文預警參數。

一直以來，針對漢江水華硅藻的生物學研究都是以小環藻為研究對象［3－5］，研究對象的錯誤導致了研究結果的應用失當和解釋的錯位。鄭凌凌等［6］通過電子顯微技術和現代分子技術，對漢江水華硅藻的分類地位進行了深入的研究鑒定，認為漢江早春水華硅藻為冠盤藻屬(Stephanodiscus sp.)，并在此基礎上，對2010年漢江水華硅藻的分類地位作了種的鑒定，認為2010年春季漢江水華硅藻優勢種為漢斯冠盤藻(Stephanodiscus hantzschii)。

以往針對漢江水華硅藻的生物學特性研究很少，僅有的一些研究結果是以分離自東湖的小環藻為試驗對象開展的，而針對冠盤藻的生物學特性的研究國內至今還未見報道，因此，開展漢江早春水華硅藻優勢種——漢斯冠盤藻(Stephanodiscus hantzschii)的生物學特性研究顯得尤為必要，這對分析漢江早春硅藻水華爆發的原因，尋找解決的途徑有積極的意義。鑒于此，2010年漢江冠盤藻水華暴發初期，在室內進行了針對冠盤藻生物學特性的研究，從水體流速、水體溫度以及光照強度3個因素研究其對冠盤藻生長繁殖的影響。

2 材料與方法

2.1 試驗用水樣及培養裝置

2010年1月24日在漢江武漢宗關段采集300 L水樣，帶到室內在環形培養槽培養(圖1)。環形培養槽的規格為:外環半徑為18cm，內環半徑為7cm，深度30cm。每個環形培養槽有兩扇攪拌葉，攪拌葉通過中間的傳動桿與調速電機相連，6套環形培養槽的電機與各自的變速器相連接，通過調節變速器來控制攪拌葉的轉速，從而控制水流速度，試驗設計如表1。

2010年2月7日，采集自漢江宗關段的原水樣，帶回到室內置于1 L的燒杯中培養，每個燒杯中注入1 L的漢江原水樣，試驗設計如表2。

圖1 室內河流模擬裝置——環形培養槽Fig.1 Annular cultivation tank used in the laboratory for imitating the river hydrological dynamics

表1 各個環形培養槽的水流速度和光照強度設置Table 1 Settings of water velocity and illumination intensity in each annular cultivation tank

表2 水體流動性及水體溫度對冠盤藻生長影響的試驗設置Table 2 Settings of water velocity and water temperature in each beaker for the experiment of Stephanodiscus hantzschii growth

從漢江宗關采集來的水樣，用網孔直徑為1.5mm的紗網濾去水中較大的顆粒漂浮物后(浮游植物及浮游動物不會被濾去)，不添加任河外源營養物，直接將取自漢江的原水注入到環形培養槽中，每個環形培養槽中水的深度都控制在28cm。

2.2 試驗方案設計

2.2.1 光照和流速對冠盤藻生長的影響試驗設計

試驗過程中水體的流速、光照設置如表1所示，試驗期間，水溫控制在6℃，光暗周期為12 h∶12 h。

2.2.2 水溫對冠盤藻生長的影響試驗設計

取6只1 L的大燒杯，每只燒杯中注入1 000 mL的漢江原水樣，利用溫控生化培養箱進行培養，溫度分別設置了2，7，15℃的3個溫度梯度，試驗設置如表2所示，水體的攪動采用磁力攪拌子攪拌，攪拌的速度設置在10轉/s，以期達到充分攪拌，光暗周期為12 h∶12 h。

2.3 樣品的分析處理

不定期對這6個環形培養槽及6只燒杯取樣，每次取水樣5 mL，加入1滴魯哥氏液固定后進行顯微計數;每次取樣之前，把各個槽(燒杯)的水樣進行充分的攪動，以達到水中藻體均勻分布。

營養鹽的測定:溶解性總氮(STN)、溶解性總磷(STP)和溶解性硅(SSi)的測定方法參照國家環保部頒布的國標方法進行。

3 試驗結果

3.1 光強和流速對漢江水華硅藻生長的影響

從2010年1月24日采自漢江的原水在不同的流速和光照條件下進行培養發現，經過7 d的培養后，到1月31日(圖2)，6個環形培養槽中的冠盤藻的密度由最初的6.81×106個/L，增加到平均密度為29.00×106個/L(密度范圍為28.35×106～31.48×106)，形成了較為嚴重的硅藻水華(藻體密度大于1.0×107個/L)，13 d之后(2月7日)，6個培養槽中的冠盤藻的密度都達到了密度峰值，平均密度為83.98×106個/L(密度范圍為72.18×106～118.17×106)，水色呈現黑褐色，第4個環形培養槽(光強:25 μE/(m2·s)，流速:0.2m/s的環境下)中的冠盤藻的密度最高，達到了118.17×106個/L;而后隨著時間的延長，冠盤藻的密度開始下降，到試驗結束時，2月17日(23 d之后)，6個環形培養槽中的冠盤藻的平均密度仍然達到5.30×107個/L。

圖2 環形培養槽原江水培養的藻類密度的變動情況Fig.2 Changes of phytoplankton abundance in unamended river water sample in six annular cultivation tanks

3.2 漢江水華硅藻在不同溫度和攪動條件下生長狀況研究

采集自漢江的原水樣在室內進行了不同溫度條件下培養試驗，實驗過程中冠盤藻的生長狀況如圖3所示，在初始藻密度一致的條件下，經過9 d的培養，7℃靜置培養的燒杯(B2)中藻密度最高，達到了75.79×106個/L;在15℃靜置培養環境下(C2)冠盤藻的密度明顯高于同溫度下攪拌培養(C1)。培養進行到第14 d，處于2℃環境下培養的冠盤藻的密度明顯高于15℃(C1，C2)，略高于7℃靜置培養(B2)條件下的冠盤藻的密度。

圖3 不同溫度條件和攪拌作用下冠盤藻的生長狀況Fig.3 Stephanodiscus hantzschii abundances in different water temperatures and different flow velocities

3.3 環境因子與藻類密度之間的相關關系

在室內進行的環形培養槽實驗中，15 μE/(m2·s)和25μE/(m2·s)兩組光照條件對冠盤藻生長影響不顯著(p＞0.05)，在0～0.5m/s的不同的攪拌速度培養條件下對冠盤藻生長影響沒有顯著差異(p＞0.05)。

在不同的溫度條件下，溫度與冠盤藻的密度呈一定的負相關，但相關關系不明顯(Pearson r=－0.180，p=0.475)。冠盤藻的密度與溶解性總氮和溶解性總磷呈顯著的負相關關系(Pearson r=－0.570，p=0.013，Pearson r=－0.574，p=0.013)，與溶解性硅呈極顯著的負相關關系(Pearson r=0.600，p=0.009)。

表3 藻體密度與理化因子之間的相關性關系Table 3 Correlations between phytoplankton density and physico-chemical parameters

4 討論

近年來，世界各地水華事件頻繁發生。世界最大規模的三峽工程建成蓄水后不久，在庫區及其支流已多次報道了嚴重的水華事件［7－9］;漢江中下游自上個世紀90年代以來，已發生7次影響較大的早春硅藻水華事件。況琪軍等［3］研究認為，漢江中下游水體中豐富的氮磷營養是導致硅藻大量繁殖形成水華的主要原因;陳根祥等［2］通過研究漢江早春期間的水文因素，認為漢江冬春季適應的水文條件的變化是水華發生的主要因素之一，并從水文角度提出了漢江水華的預警水位和流量，另外還指出較高的長江水位對漢江武漢段產生了明顯的頂托作用;王紅萍等［10］等利用模型研究了水文因素對藻類水華的作用機理;殷大聰等［11］從種源來源的角度分析了漢江中下游早春硅藻水華暴發的原因。以上這些研究為漢江早春硅藻水華預防控制提供了科學指導。

然而，自上個世紀90年來以來的20多年里，報道了7次大規模的漢江早春硅藻水華事件，針對漢江早春水華硅藻的生物學特性的研究國內至今卻未見報道。從我們的研究結果來看，漢江早春水華硅藻——漢斯冠盤藻(Stephanodiscus hantzschii)對低溫有著較好的耐受性;Ha等研究了韓國Nakdong河流中藻類的季節演替規律發現，冠盤藻在3～10℃的溫度范圍內都是其適宜的生長溫度區間［12］，這與我們的研究結果相一致。從流速對冠盤藻生長的影響結果看，在試驗設定的流速范圍內(0～0.5m/s)，冠盤藻的生長繁殖速率無明顯差異，在2010年水華期間，通過對發生硅藻水華的河段進行了流速現場測定，發現水華發生的河段，水體流速范圍波動較大，在0～0.76m/s流速河段內，都有水華發生，這也就解釋了漢江中下游硅藻水華為何總是發生在冬春季節，因為這期間漢江正處于枯水期，流量流速都較低，水溫也是一年中最低的時期，適宜的氣候和水文條件觸發了漢江早春硅藻水華的暴發。

在本試驗過程中發現，硅元素的濃度與冠盤藻的密度之間有著極顯著的相關關系，說明硅元素在硅藻的生長過程中有著非常重要的作用。早在1979年，日本學者Tsunogai［13］對硅元素在春季硅藻水華中的作用提出了硅元素地位假說，指出在春季期間，各種營養鹽都充足的條件下，硅藻就會成為優勢競爭類群而導致硅藻水華;該作者還指出，在海洋中，硅殼中的硅與磷的原子之比遠大于海水中的比例，當海水中的硅幾乎被硅藻消耗殆盡的時候，鞭毛藻就會取代硅藻而成為優勢類群，這一結論也適用于解釋漢江早春硅藻水華發生的原因，由于水體中硅元素含量較高，使得硅藻在生長競爭中處于有利地位而成為優勢種群，最終導致水華的發生，加上漢江水華發生期，漢江流域處于冬春季節，水溫較低，浮游動物的生長繁殖受到抑制，使得硅藻的被攝食壓力減小，隨著水溫的升高，浮游動物增殖加快，增加了對硅藻的攝食壓力，促進硅藻水華的消亡。

以往的研究結果認為，當水溫為7～15℃左右，水流速度低于0.7m/s的時候是漢江水華發生的臨界閾值，而本研究結果顯示，冠盤藻水溫為2℃左右生長繁殖良好，與15℃條件下無顯著差別，這顯示了冠盤藻對低溫環境有著較好的適應性。此外，通過采集漢江水華初期的原水樣在室內培養的結果表明，漢江水體中的營養鹽濃度在短時間內足以滿足硅藻快速增殖而形成水華的需要，表明了近年來漢江水體的富營養化形勢較為嚴峻。

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