武漢東湖沿岸帶底棲藻類生物量與磷的變化

武漢東湖沿岸帶底棲藻類生物量與磷的變化

1底棲藻類凈化水體如果氮磷含量過高，水體富營養(yǎng)化，將導致世界水生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)問題，尤其是淺水區(qū)。這將成為長期存在的重要問題。氮和磷的有效清除技術一直受到環(huán)境保護科學家的關注。作為重要的淡水生態(tài)系統(tǒng)高級生產(chǎn)者，底棲藻類是重要的平水生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)交換的重要環(huán)。通過吸收、吸附、氧化分解、沉淀和儲存，它是水生態(tài)系統(tǒng)重要的化學調(diào)節(jié)者（liboissetal.，2006）。根據(jù)最初的研究，滲透藻類的生長可以增加對湖泊的自凈過程。例如，農(nóng)業(yè)廢水（高負荷磷）的人工河流中的總磷含量迅速降低。研究人員（2004）也發(fā)現(xiàn)，由于下棲藻類的生長，總磷含量迅速降低。在富營養(yǎng)化湖中，這項工作表明，底棲藻類群落可以從水中去除磷，并將其留在體內(nèi)，以提高水體的自凈能力。相比之下，我國科學家對水生生態(tài)系統(tǒng)中底藻功能的研究起步較晚。陳漢輝（1999）用水網(wǎng)藻凈化水源水質(zhì)，王朝輝（1999）用水網(wǎng)藻去除富營養(yǎng)化水體中的氮、磷養(yǎng)分。馬培明等人（2005）發(fā)現(xiàn)，以絲狀藻類為主的藻類處理系統(tǒng)在富營養(yǎng)化水體中的總磷含量為79.6%。然而，這些研究僅限于實驗室規(guī)模，通過測量水體中的總磷變化來消除磷，這與藻類實際儲存能力存在一定差距。因此，我國第一本基本生態(tài)功能和磷控制科學評價的結(jié)果表明，以浮游生物為基礎的群落中的磷儲存功能應詳細論述和研究。在本研究中，以武漢東湖為代表，對人工基質(zhì)下的藻類群落進行了研究，并將其發(fā)展為成熟群落的磷負荷和各成分的磷含量變化。對地下藻的生物量與磷儲存能力的關系進行了分析，探索了地下藻在中國扁平水生態(tài)化水體修復中的潛在作用。為研究底棲藻類在水生土壤中的作用提供了實驗依據(jù)。對地下藻的利用和各成分的磷儲存能力進行了探討和探索。對地下藻的生物量和磷儲存能力的評價提出了一些問題。在捕捉中國浮游。2材料和方法表面活性劑2.1樣點設置和樣品采集用15cm×8cm×1cm大小的花崗巖作為人工基質(zhì),清洗后晾干,在每個石塊的一端粘貼尼龍繩,在尼龍繩的自由端系上eppendorf管作為浮子,在不同的繩長處打結(jié),以便測定人工基質(zhì)在水體中所處的深度.本研究中在2006年的春季(3～5月),武漢東湖的水果湖區(qū)域設立試驗樣點,分別投入80塊人工基質(zhì)于沿岸帶40cm深的水中,每隔4d取1次樣,每次取樣隨機從水中取出人工基質(zhì)3～5塊,放入樣品收集袋,貼好標簽,置于冰盒轉(zhuǎn)移到實驗室中;同時取1000mL上覆水樣,測定試驗樣點水體中的總磷及可溶性磷含量(國家環(huán)保局,2002).試驗持續(xù)至底棲藻類群落的生物量達到最高峰值并出現(xiàn)下降趨勢為止.為了測定試驗期間人工基質(zhì)上自然沉積物的總磷(TP)及各組分磷的含量,在試驗開始后的第2、18、34d分別投放6塊人工基質(zhì)于試驗樣點區(qū)域,24h后取回人工基質(zhì)上的自然沉積物樣品.2.2藻體中各組分磷的提取和測定用硬毛牙刷將一定面積人工基質(zhì)表面上的底棲藻類樣品洗下,定量到200mL,分成4份:一份用于測定底棲藻類的生物量(Chlorophylla,Chla),約20mL的樣品用90%的丙酮溶液提取葉綠素測定Chla的含量,方法參照文獻(APHA,1995);一份約50mL的藻樣用于各組分磷含量的分析,各組分磷的連續(xù)提取方法采用SMT測定法(Rubanetal.1999),將底棲藻墊中的磷分為4種,即可溶性磷(DP)、鐵結(jié)合態(tài)磷(Fe-P)、鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)和有機態(tài)磷(OP),其中有機態(tài)磷采用硝酸-高氯酸法消解(國家環(huán)保局,2002),各組分磷之和即為總磷(TP);一份約20mL的樣品保存于5%的福爾馬林溶液中,用于底棲藻類的鑒定;剩下的樣品用于測定無灰干質(zhì)(ash-freedrymass,AFDM),方法參照文獻(APHA,1995).自然沉積物樣品的磷組分分析方法同底棲藻樣,不同時期自然沉積物的總磷含量等于每天自然沉降的TP量乘以建群時間,結(jié)果中底棲藻墊的總磷含量已減去了同時期自然沉積物的總磷含量.2.3數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析方法采用SPSS11.0統(tǒng)計軟件對實驗數(shù)據(jù)進行相關分析和差異顯著性分析.3結(jié)果結(jié)果3.1自然沉降的測定試驗期間,試驗樣點區(qū)域水體的總磷(TP)和可溶性磷酸鹽(DP)的濃度分別在0.194～0.112和0.076～0.031mg·L-1之間波動(表1),變化不大,表明建群環(huán)境相對穩(wěn)定.樣點區(qū)域水柱中平均每天自然沉降的DP、Fe-P、Ca-P和O-P濃度分別為0.025、0.104、0.108和0.043μg·cm-2.水柱中磷的自然沉降量占藻墊總磷的相對百分含量隨著底棲藻類群落的發(fā)展逐漸降低,其相對含量在底棲藻類建群的中期就小于1%,故對底棲藻墊的磷分析影響不大.3.2底棲藻類tp/chla含量隨生物量的變化和對照(0d)相比,在建群的第8d,人工基質(zhì)已經(jīng)被底棲藻類全部覆蓋;隨著群落的演替,到建群的第28d,人工基質(zhì)上的底棲藻類已發(fā)展為成熟的頂級群落(圖1);觀察發(fā)現(xiàn),底棲藻類的生物量隨著群落的發(fā)展而連續(xù)積累.用底棲藻類的葉綠素a(Chla)和無灰干質(zhì)(AFDM)的含量代表底棲藻類的生物量.試驗期間,底棲藻類群落的Chla和AFDM的動態(tài)變化趨勢一致,底棲藻類生物量(Chla)的變化表現(xiàn)為:在建群早期(0～16d),生物量緩慢增加;發(fā)展到指數(shù)生長期(16～28d),生物量迅速增加并在第28d達到最高峰值(54.5μg·cm-2);隨后群落很快進入衰退期,生物量減少.建群期間,底棲藻墊的總磷含量與生物量(Chla)動態(tài)變化顯著相關,相關系數(shù)為0.972(顯著性水平α=0.01,n=18);TP的含量隨生物量變化而變化,在建群早期緩慢增加,隨著底棲藻類生物量的迅速增加,藻墊的總磷含量也快速增加,并且和Chla的含量同時達到最高峰值(96.7μg·cm-2),總磷含量也隨著成熟群落生物量的減少而降低(圖2).圖2也顯示了TP與Chla比值的變化情況.該比值的生物學意義為單位藻類生物量所負荷(滯留)的磷含量.在底棲藻類群落建群初期(0～16d),TP/Chla值從最開始的1.83降到1.04;隨著群落的發(fā)展,TP/Chla值開始緩慢地增加;即使在28d后,群落開始衰退,生物量和總磷濃度均開始降低時,TP/Chla仍然逐漸升高,在實驗結(jié)束時,達到2.43.此結(jié)果表明,隨著底棲藻類生物量的增加,底棲藻墊對磷的滯留作用也增強,由于單位Chla藻類細胞的總磷含量相對比較穩(wěn)定,額外的磷滯留可能來自藻墊中的其它生物體、底棲藻類光合作用所導致的金屬磷沉淀、藻墊對水體中顆粒態(tài)磷的過濾、截留底泥中釋放的磷.3.3底棲藻類微膠囊的總磷、總磷含量磷的分級提取結(jié)果顯示,底棲藻墊中DP、Fe-P、Ca-P和OP的含量隨著底棲藻類群落的發(fā)展而呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律:DP和Ca-P變化趨勢顯著相關,相關系數(shù)為0.900(顯著性水平α=0.01,n=18),其含量明顯隨生物量變化而變化,均在第28d達到最高峰值(分別為10.5和56.1μg·cm-2);Fe-P和OP動態(tài)變化的相關系數(shù)為0.932(顯著性水平α=0.01,n=18),雖然其最高含量(分別為26.8和16.3μg·cm-2)出現(xiàn)的時間也在第28d,但和DP、Ca-P相比,后者在底棲藻類發(fā)展為成熟群落前后(28d),含量變化幅度相對較小(圖3).分析底棲藻墊中磷形態(tài)組成與總磷的比例關系后發(fā)現(xiàn),底棲藻類建群期間,不同組分磷的百分含量差異顯著,其中Ca-P的百分含量最高,可達總磷濃度的40%～54%;其次是Fe-P,占總磷濃度的24%～34%左右,兩者之和接近總磷濃度的80%(第4d除外);OP約占總磷濃度的12%～22%,DP的百分含量最低,不到總磷濃度的10%.3.4不同種類藻群的生物量和構(gòu)成對比對于東湖的底棲藻類群落來說,綠藻類和硅藻類分別是Chlb和Chlc的貢獻者,用色素Chlb/Chla和Chlc/Chla的比值估算總生物量中綠藻和硅藻所占的比率(裴國鳳,2007).圖4顯示,建群早期的底棲藻類群落中,硅藻對總生物量的貢獻比綠藻大,表明群落以硅藻占優(yōu)勢;從指數(shù)生長期開始,綠藻的比例開始增加,并最終超過硅藻,說明后期群落以綠藻占優(yōu)勢.定性鑒定表明,硅藻群落主要由變異直鏈藻(Melosiravarians)、異極藻(Gomphonemaparvulum)等優(yōu)勢種組成,綠藻群落以團集剛毛藻(Cladophoraglomerata)占絕對優(yōu)勢.4討論4.1藻墊磷的變化Wetzel等(1996)認為,底棲藻類是基質(zhì)和面源污染中營養(yǎng)物質(zhì)釋放到水體之前的重要吸收者,在底棲藻類生物量較低的水體中總磷濃度是生物量較高水體的10倍左右;當水流過底棲藻類占優(yōu)勢的試驗性濕地后,有1/2的總磷得到了去除(Dodds,2003),這表明底棲藻類的生物量與磷的轉(zhuǎn)移率有關.在本試驗中底棲藻類群落TP/Chla比值的變化趨勢表明:實驗初期出現(xiàn)高比值的原因在于建群早期藻墊沒有形成,其生物量(Chla)很低,總磷的絕大部分貢獻來自水柱中的自然沉降顆粒;隨后藻墊迅速形成,而自然沉降有限,藻類的有機體成為總磷的主要貢獻者,所以TP/Chla逐漸降低;藻墊成熟后,除直接轉(zhuǎn)化為生物體的磷外,對顆粒物的吸附過濾作用明顯增強,加上其它生物進入群落,群落邊緣藻類光合作用形成高pH環(huán)境也導致磷的直接沉淀,因此,單位生物量藻墊所負荷的磷逐漸增加.實際上TP/Chla值可能受到許多因素的影響,第一,由于實驗中是用底棲藻類群落Chla的含量代表生物量,而低光照能夠改變Chla與TP之間的比率(Jonesetal.,1987),這種影響對底棲藻類群落是顯而易見的,由于藻墊厚度不同,光照也會呈梯度變化(Kuhletal.,1992);第二,群落的最大儲磷能力與周圍的營養(yǎng)水平有關,Portielje等(1994)的研究表明,單位干重底棲群落的最大儲磷能力和外部的營養(yǎng)負荷水平呈正相關,而和磷的吸收常數(shù)呈負相關,當水體中的可利用磷增加時一些藻類具有吸收和儲存磷的能力.Pietro(2006)的研究也顯示,在水體磷濃度大于10mg·L-1時,藻墊的總磷含量在32.8μg·cm-2的基礎上繼續(xù)增加,但此時藻墊的磷儲存能力并未達到飽和,說明藻墊對磷的轉(zhuǎn)移率與水體中的磷濃度是成比例的.底棲群落的過量快速吸磷起到了緩沖劑的作用,這種緩沖能力可以使點源污染區(qū)域的可溶性磷濃度迅速降低到較低的水平.4.2底棲藻類去除磷效果好首先,底棲藻類群落在其生長過程中能大量吸收基質(zhì)和水體中的可溶性磷酸鹽組成自身有機體,將磷滯留到生物量中,加速了磷向沉積物的流動(Dodds,2003).有研究表明,磷隨著底棲藻類在人工基質(zhì)上的生長而得到積累,如聚丙烯人工基質(zhì)上底棲藻類的總磷含量可以達到10μg·cm-2(J?bgenetal.,2004);本研究中底棲藻類的總磷濃度相對較高(最高達72.25μg·cm-2),可能與東湖底棲藻類的生物量較高有關.東湖底棲藻墊滯留的總磷濃度甚至和一些水生植物相當,例如,Kufel等(1994)發(fā)現(xiàn),波蘭的Luknajno湖底的Charaspp.總磷濃度為80μg·cm-2.此外,底棲藻類群落的光合作用所導致的pH升高可以增加對磷的化學沉淀(Dodds,2003).其次,底棲藻墊對水體中的懸浮顆粒物質(zhì)具有良好的沉淀和過濾作用,從而減弱了沉積物中磷的水平轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化.底棲藻類群落可以通過增加水在藻墊的滯留時間來減慢溶解性營養(yǎng)物質(zhì)水平運輸?shù)乃俣?藻墊中的松散絲狀藻類群體還具有良好的過濾作用,可以為去除水體的懸浮顆粒物質(zhì)提供很大的表面積,直接影響著水體中懸浮顆粒物的移動,一旦這些顆粒物被保持在底棲藻類生物體中,就會沉降到沉積物上.例如,在一個中型靜水水體中,底棲絲狀綠藻中浮游植物的密度是上覆水體的100倍(Stevensonetal.,1996).尤其在像東湖這樣的淺水富營養(yǎng)湖泊,風浪導致含有生物活性磷的顆粒物質(zhì)的再懸浮是一種普遍現(xiàn)象,顆粒物質(zhì)的過濾就顯得尤為重要;除夏季外,東湖沿岸帶底棲藻類的生物量始終較高,其中絲狀綠藻占較大優(yōu)勢(裴國鳳等,2007),這說明底棲藻墊的沉淀和過濾作用可能是導致東湖水體中磷滯留的原因之一.而覆蓋在沉積物表面的底棲藻類,還能截獲底泥和基質(zhì)中釋放的磷,減緩了水體中磷含量的增加,進而減少浮游植物的數(shù)量;底棲藻類所處微生境中的營養(yǎng)物質(zhì)比浮游植物生境中的營養(yǎng)物質(zhì)要集中得多,其代謝活性也明顯強于后者,如附生有底棲藻類的沉積物間隙水中溶解性營養(yǎng)物質(zhì)的濃度要比沉積物上覆水中的大100～1000倍(Biggs,1996).因此,底棲藻類群落在減緩水底沉積物磷的釋放中扮演了重要角色.底棲藻類群落還為許多其它水生生物(細菌、真菌、底棲動物等)提供了重要的生存環(huán)境和必要的棲息場所,這些非藻生物也為總磷濃度的增加作出了相當?shù)呢暙I.4.3藻體表面磷含量的影響除滯留在生物量中的磷外,底棲藻類還明顯影響著金屬磷的沉積,堿性沉積以鈣鎂磷為主(Wetzel,2001).若上覆水體缺氧,例如大量的底棲藻類死亡或遭遇低光照,呼吸作用可能會造成厭氧環(huán)境,此時沉積物中大量金屬磷和有機磷化合物都會釋放進入水體(Golterman,1995),高pH值會增強鈣磷化合物的沉積和碳酸鹽的沉淀.底棲藻類的光合作用會增加沉積物表面的pH值,從而增加鈣磷化合物的形成,底棲藻