洞庭湖浮游植物增長(zhǎng)的限制性營(yíng)養(yǎng)元素研究

李利強(qiáng)，黃代中*，熊劍，張屹，田琪，何英，余建清，王琦

1. 湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖南 岳陽(yáng) 414000；2. 岳陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖南 岳陽(yáng) 414000

洞庭湖為湖南省第一大湖，全國(guó)第二大淡水湖，是承納湘、資、沅、澧四水和吞吐長(zhǎng)江的過(guò)水性洪道型湖泊，有溝通航運(yùn)、繁衍水產(chǎn)、調(diào)蓄長(zhǎng)江和改善生態(tài)環(huán)境等多種功能。洞庭湖區(qū)是湖南省主要造紙、石化輕工及紡織工業(yè)基地，部分在全國(guó)舉足輕重，每天都有大量廢水產(chǎn)生（黃金國(guó)，2003）。相關(guān)研究表明，洞庭湖的 TN、TP、懸浮物和總大腸菌群是洞庭湖的主要污染因子，其中 TN和 TP尤為突出（米紅州等，2004；DU等，2001；徐開(kāi)欽等，2004）。洞庭湖水體N、P污染加劇，富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，致使洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性降低。據(jù)水產(chǎn)部門(mén)觀測(cè)調(diào)查，近 10年來(lái)，短鱭魚(yú)、銅魚(yú)、黃尾魚(yú)、針魚(yú)、鱘魚(yú)、白鱘魚(yú)等 15個(gè)品種己經(jīng)少見(jiàn)或基本滅絕；銀魚(yú)、黃魚(yú)產(chǎn)量明顯減少；其次是常規(guī)魚(yú)類(lèi)品種退化（莊大昌等，2003）。

針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生過(guò)程與機(jī)制，國(guó)內(nèi)外已有一些研究報(bào)道，但是機(jī)理目前尚未完全明了（秦伯強(qiáng)，2002；李文朝，1997；Philips等，1999）。因地理?xiàng)l件、點(diǎn)源面源營(yíng)養(yǎng)輸入、沉積物性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)及藻類(lèi)群落組成等因素影響，各湖泊浮游植物生長(zhǎng)繁殖的限制性營(yíng)養(yǎng)元素及形態(tài)差異較大（Quiblier等，2008；Becker等，2010）。藻類(lèi)增長(zhǎng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)（Nutrient Enrichment Bioassay，NEB）是一種有效檢測(cè)浮游植物營(yíng)養(yǎng)鹽限制的主要研究方法，能找出水體中浮游植物增長(zhǎng)限制性營(yíng)養(yǎng)元素，可以有效地進(jìn)行預(yù)測(cè)、控制藻類(lèi)增殖，該方法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于湖泊與海洋的限制營(yíng)養(yǎng)因子研究（吳雪峰等，2010；張亞克等，2011；Elser和Kimmel，1986）。基于室內(nèi)營(yíng)養(yǎng)添加實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，N、P都可以成為淡水藻類(lèi)生長(zhǎng)的限制因子（Henry等，1984；Zhou等，2009）。同一湖泊不同季節(jié)時(shí)，藻類(lèi)生長(zhǎng)的限制因子也可能不同。在冬春季，太湖浮游植物生物量和生長(zhǎng)速率隨磷增加而顯著增加，與氮無(wú)關(guān)，表明浮游植物生長(zhǎng)的磷限制；但是，在夏秋季水華期，氮是主要限制營(yíng)養(yǎng)因子（Xu等，2010）。洞庭湖氮、磷污染嚴(yán)重，入湖 TN、TP 總量分別為 59049 t·a-1和 6913 t·a-1（秦迪嵐等，2011）。水體氮、磷污染勢(shì)必影響洞庭湖浮游植物生物量及群落結(jié)構(gòu)。營(yíng)養(yǎng)鹽賦存形態(tài)及其濃度與浮游植物生物量增長(zhǎng)的偶聯(lián)關(guān)系如何等科學(xué)問(wèn)題在洞庭湖少有研究。本項(xiàng)目在了解洞庭湖浮游植物生物量及主要營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)組成與其含量的年變化基礎(chǔ)上，通過(guò) NEB實(shí)驗(yàn)確定洞庭湖浮游植物增長(zhǎng)的限制性營(yíng)養(yǎng)元素，可為洞庭湖水污染治理及富營(yíng)養(yǎng)化防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水樣采集

洞庭湖常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分布見(jiàn)圖1。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)左、中、右3條垂線，分別采表層（0.5 m）水樣。水質(zhì)采樣于月初進(jìn)行。

NEB實(shí)驗(yàn)于2011年9月和2012年5月在東洞庭湖采集表層水80 L作為實(shí)驗(yàn)水樣。每次采集水樣后測(cè)定生物化學(xué)指標(biāo)，具體環(huán)境特征參數(shù)見(jiàn)表 1。采集實(shí)驗(yàn)水樣時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體透明度、水溫和 pH等指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室分析TN、TP、氨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、SRP、溶解氧（DO）和葉綠素a（Chla）等指標(biāo)，以確定實(shí)驗(yàn)水樣初始營(yíng)養(yǎng)物濃度和浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力水平。

1.2 研究方法

NEB實(shí)驗(yàn)不需對(duì)培養(yǎng)水樣進(jìn)行滅菌、過(guò)濾和添加藻種等處理，而是直接利用水體中原始的生態(tài)群落進(jìn)行培養(yǎng)，可實(shí)際反映不同時(shí)期生物群落的水體添加營(yíng)養(yǎng)鹽后對(duì)浮游植物增長(zhǎng)的影響。經(jīng)形態(tài)鑒定，2011年9月和2012年5月東洞庭湖原水樣中浮游植物均以硅藻為主，優(yōu)勢(shì)種為針桿藻（Synedrasp.）、菱形藻（Nitzschiasp.）和小環(huán)藻（Cyclotellasp.）。直接量取1 L水樣分裝到1 L錐形瓶中在實(shí)驗(yàn)條件下培養(yǎng)，每個(gè)營(yíng)養(yǎng)鹽水平做6個(gè)平行樣，培養(yǎng)10 d后，一部分錐形瓶水樣取樣測(cè)定各指標(biāo)，另一部分培養(yǎng)20 d后測(cè)定水樣中各指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)條件為溫度25 ℃；光照4000 lx；光暗時(shí)間比12:12。以原湖水TN和TP作為初始營(yíng)養(yǎng)物水平，以初始營(yíng)養(yǎng)物水平的0.5倍、1.0倍和2.0倍添加營(yíng)養(yǎng)鹽，添加方案見(jiàn)表2（張亞克等，2011）。添加方式為一次性添加，以磷酸二氫鉀（KH2PO4）、硝酸鉀（KNO3）和氯化銨（NH4Cl）為添加營(yíng)養(yǎng)鹽。

1.3 測(cè)定方法

TN、TP、Chla、NH4+-N、NO3--N、亞硝態(tài)氮（NO2--N）等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2002）推薦的方法進(jìn)行分析。DIN為NH4+-N、NO3--N和NO2--N之和。溶解態(tài)總磷（DTP）用過(guò)0.45 μm濾膜后的水樣測(cè)定，實(shí)驗(yàn)步驟與TP一致。SRP用鉬藍(lán)比色法測(cè)定（MURPHY和RILEY，1962）。顆粒態(tài)磷（PP）為T(mén)P與DTP的差值，溶解態(tài)有機(jī)磷（DOP）為DTP與SRP的差值。

圖1 洞庭湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分布Fig.1 Sampling sections of water quality monitoring in Dongting Lake

表1 東洞庭湖水體環(huán)境特征參數(shù)Table 1 Environmental parameters in water phase of Dongting Lake

表2 浮游植物增長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)營(yíng)養(yǎng)鹽添加方案Table 2 Nutrient addition methods of phytoplankton growth experiment

1.4 數(shù)據(jù)處理

為了能夠消除不同時(shí)期原湖水帶來(lái)的差異（吳雪峰等，2010；張亞克等，2011），采用相對(duì)比較系數(shù)法表示添加營(yíng)養(yǎng)物對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響：

式中：DT為某營(yíng)養(yǎng)物添加組與對(duì)照組的比較系數(shù)；AT為某營(yíng)養(yǎng)添加組ρ(Chla)；AC為對(duì)照組ρ(Chla)。

采用SigmaPlot 10.0軟件作圖，采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。相關(guān)性用Pearson相關(guān)系數(shù)表示，營(yíng)養(yǎng)添加組與對(duì)照組之間的顯著性差異性比較用單因素方差分析（LSD）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體營(yíng)養(yǎng)鹽及Chl a逐月分布特征

洞庭湖水體中ρ(TN)較高，月平均值變化范圍為 1.53～2.21 mg·L-1，1-4 月ρ(TN)高于其它月份，均超過(guò) 2 mg·L-1（圖 2）。ρ(NO3--N)年平均值為 1.38 mg·L-1，月平均值介于 1.17～1.60 mg·L-1之間；ρ(NH4+-N)年平均值為 0.23 mg·L-1，月平均值介于0.06～0.56 mg·L-1之間；ρ(NO2--N)年平均值為 0.039 mg·L-1，月平均值介于 0.016～0.058 mg·L-1之間。洞庭湖水體中 TN 以溶解態(tài)無(wú)機(jī)氮為主，ρ(DIN)占ρ(TN)比例在 71.3%～98.7%之間，且溶解態(tài)無(wú)機(jī)氮中ρ(NO3--N)>ρ(NH4+-N)>ρ(NO2--N)。ρ(NO3--N)在當(dāng)年11月至次年3月較高，ρ(NH4+-N)在4月出現(xiàn)最高峰，兩者均在夏季含量相對(duì)較低。

ρ(TP)年平均值為 0.093 mg·L-1，月平均值變化范圍為 0.054～0.129 mg·L-1，ρ(TP)于 3-4 月份相對(duì)較高，8月份最低（圖3）。洞庭湖水體中磷以溶解態(tài)磷為主，ρ(DTP)占ρ(TP)比例范圍為60%～85%。磷形態(tài)組成中，ρ(SRP)>ρ(PP)>ρ(DOP)。ρ(SRP)月變化趨勢(shì)與ρ(TP)基本一致，均在春季相對(duì)較高。

洞庭湖水體中ρ(Chla)較低，年平均值僅 2.49 mg·m-3，月均值介于 1.43～4.11 mg·m-3之間。ρ(Chla)于7月和9月較高，春季相對(duì)較低（圖4）。

圖2 洞庭湖水體中氮含量月變化Fig.2 Monthly variations of nitrogen concentrations in water phase of Dongting Lake

圖3 洞庭湖水體中磷含量月變化Fig.3 Monthly variations of phosphorus concentrations in water phase of Dongting Lake

圖4 洞庭湖水體中Chla月變化Fig.4 Monthly variations of chlorophyll a (Chla) concentration in water phase of Dongting Lake

2.2 添加不同營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)洞庭湖浮游植物生物量的影響

為能消除不同時(shí)期原湖水帶來(lái)的差異，采用相對(duì)比較系數(shù)方法表示添加不同營(yíng)養(yǎng)元素浮游植物生物量與對(duì)照的差值，其中對(duì)照組結(jié)果均表達(dá)為0%（張亞克等，2011），NEB實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5-6所示。2011年9月，添加營(yíng)養(yǎng)鹽后浮游植物生物量較對(duì)照有不同程度的增加（除0.5*P外），實(shí)驗(yàn)后期浮游植物生物量高于實(shí)驗(yàn)前期，其中，添加2*NH實(shí)驗(yàn)后期相對(duì)比較系數(shù)最高，達(dá)677%。2012年5月，營(yíng)養(yǎng)鹽添加后浮游植物生物量相對(duì)比較系數(shù)低于2011年9月，且大多數(shù)處理中實(shí)驗(yàn)前期浮游植物生物量高于實(shí)驗(yàn)后期，添加2*NH實(shí)驗(yàn)前期相對(duì)比較系數(shù)最高，達(dá)385%。

3 討論

3.1 營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源

圖5 2011年9月NEB實(shí)驗(yàn)分析Fig.5 Analysis of nutrient enrichment bioassay (NEB)experiment in September, 2011

圖6 2012年5月NEB實(shí)驗(yàn)分析Fig. 6 Analysis of nutrient enrichment bioassay (NEB)experiment in May, 2012

TN、TP是影響洞庭湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)，二者一直維持較高的水平，20世紀(jì)90年代中期后全湖TN、TP超標(biāo)，成為洞庭湖水質(zhì)惡化和水體營(yíng)養(yǎng)化程度加劇的重要因子（黃代中等，2013）。ρ(TN)波動(dòng)較大，存在明顯的區(qū)域性，而且自1998年以來(lái)，一直在1.50 mg·L-1上下波動(dòng)。ρ(TP)在洞庭湖中分布較均勻，無(wú)明顯的區(qū)域性（楊漢等，1999）。春季洞庭湖水體中ρ(TN)、ρ(TP)較高，可能源于春季面源污染。洞庭湖水體中的 TN和 TP主要來(lái)源于畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流和城鎮(zhèn)生活污染（秦迪嵐等，2011）。據(jù)監(jiān)測(cè)，水體中溶解態(tài)無(wú)機(jī)氮平均占ρ(TN)的比例為 87%，溶解態(tài)總磷平均占ρ(TP)的比例為 70%，且大多數(shù)氮以硝態(tài)氮形式存在，大多數(shù)磷以磷酸鹽為主，這說(shuō)明氮、磷的來(lái)源與化肥使用有密切聯(lián)系（朱廣偉，2009）。受流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的綜合影響，洞庭湖整體水質(zhì)呈下降趨勢(shì)，富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重。

表3 NEB實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析（平均ρ(Chla)）Table 3 Analysis of variance for the nutrient enrichment bioassay (NEB) experiment: Chla

3.2 浮游植物增長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)限制因子

2011年9月份單獨(dú)添加 NH4-N對(duì)浮游植物生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用，方差分析結(jié)果顯示添加1*NH和2*NH均與對(duì)照有顯著性差異（P<0.05，表3）；單獨(dú)添加NO3--N和單獨(dú)添加P對(duì)浮游植物生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，單獨(dú)添加P有時(shí)出現(xiàn)抑制作用；添加P和NO3-N與單獨(dú)添加NO3-N結(jié)果相當(dāng)，P和NO3-N不存在交互作用。2012年5月份高氮組平均ρ(Chla)與對(duì)照有顯著性差異（P<0.05，表3）。兩次 NEB實(shí)驗(yàn)表明氮對(duì)洞庭湖浮游植物生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用，且促進(jìn)作用隨氮濃度的增加而加強(qiáng)，氮是洞庭湖浮游植物增長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)限制性因子，而磷對(duì)浮游植物生長(zhǎng)影響不大，有時(shí)出現(xiàn)抑制作用，硝態(tài)氮與磷之間不存在交互作用。洞庭湖水體中浮游植物ρ(Chla)與營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)性結(jié)果見(jiàn)表 4，2011 年 9 月ρ(Chla)與ρ(NH4+-N)顯著正相關(guān)，2012年5月ρ(Chla)與ρ(TN)、ρ(NO3--N)和ρ(NO2--N)顯著正相關(guān)，兩次采樣水體中ρ(Chla)均與ρ(TP)顯著負(fù)相關(guān)，這與 NEB實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。洞庭湖水體中TN以溶解態(tài)無(wú)機(jī)氮為主，溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽更易被浮游植物吸收利用，浮游植物對(duì)氨態(tài)氮的利用優(yōu)于硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。洞庭湖浮游植物量以硅藻為主，時(shí)空分布上均占優(yōu)；其次為綠藻和藍(lán)藻，浮游植物生長(zhǎng)亦可能受一些微量元素影響，如Si、Fe、Mn等。

4 結(jié)論

1) 洞庭湖水體主要污染物為T(mén)N和TP，其月平均值變化范圍分別為 1.53～2.21 mg·L-1和0.054～0.129 mg·L-1。洞庭湖水體中TN以DIN為主，ρ(DIN)占ρ(TN)比例在 71.3%～98.7%之間，且 DIN中ρ(NO3--N)>ρ(NH4+-N)>ρ(NO2--N)。磷形態(tài)組成中，ρ(DTP)占ρ(TP)比例范圍為 60%～85%，ρ(SRP)>ρ(PP)>ρ(DOP)。大多數(shù)氮以硝態(tài)氮形式存在，大多數(shù)磷以磷酸鹽為主，而且春季洞庭湖水體中ρ(TN)、ρ(TP)更高，這說(shuō)明氮、磷的來(lái)源與化肥使用有密切聯(lián)系。

表4 洞庭湖水體中Chla與營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)性分析Table 4 Pearson correlation coefficients between Chlorophyll a concentration and nutrient content in water phase of Dongting Lake

2) 藻類(lèi)增長(zhǎng)生物學(xué)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，氮是洞庭湖浮游植物增長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)限制因子，添加氮（尤其是氨態(tài)氮）能明顯促進(jìn)浮游植物生物量增加，且促進(jìn)作用隨氮濃度的增加而加強(qiáng)，添加磷對(duì)浮游植物生長(zhǎng)影響不大，有時(shí)出現(xiàn)抑制作用。洞庭湖水體中ρ(Chla)與氮顯著正相關(guān)，與磷顯著負(fù)相關(guān)。這些研究結(jié)果表明洞庭湖富營(yíng)養(yǎng)化控制過(guò)程中應(yīng)特別注重氮的控制。

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