摘 要: 在外源污染得到控制后,最能影响富营养化水体中藻类生长的是内源性营养盐。研 究不同富营养化湖泊中内源性营养盐的不同比例对藻类生长机制的影响,能为解决湖泊内源 性污染提供理论依据。通过室内模拟的方法,根据藻类的经验分子式,确定以磷为限制因子 时的N∶P=7.2∶0.4和以氮为限制因子时的N∶P=4.6∶1来调控上覆水中的营养盐比例, 进 行 试验。实验结果显示:温度对富营养化湖泊中藻类生长影响程度很大;内源性营养盐对富营 养化湖泊的影响程度依次是:重度富营养化湖泊>中度富营养化湖泊>中营养化湖泊,磷作为 限制因子比氮更能有效抑制湖泊藻类生长。
关键词:营养盐;藻类生长;限制因子;富营养化
中图分类号:X17文献标识码 :A文章编号:1672-1098(2010)02-0047-04
Study on Mechanism of Lake Algae Growth Control
by Regulation of Endogenous Nutrient Salts
WEI Xiang,HUANG Chuan-ling
(College of Biological and Chencical Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu Anhui 241000, China)
Abstract:After outside source pollution is controlled,endogenous nutrients arethe most important factors,which can affect algal growth in entopic water.Stu dy on influence of different proportions of nutrients on algal growth mechanismin different endogenous entropic lakes,provides a theoretical basis for endogen ous pollution control of lakes.By indoor simulation method,according to algaeempirical molecular formula,N∶P=7.2∶0.4 was determined when phosphorus asalimiting factor,and N∶P=4.6∶1 when nitrogen as a limiting factor to regula t e nutrients proportion in the water overlying. Test results showed: temperaturehas great influence on growth of algae in entropic lakes; the degree of influenc e on endogenous nutrients in eutrophication lakes are: in heavy eutrophic lake >in moderate eutrophication lakes > in moderately eutrophic lake; phosphorus asa limiting factor is more efficient than nitrogen in algal growth control.
Key words:nutrient salts; algae growth; limiting factors; eu trophication
富营养化的发生首先需要具备相应的营养物质条件,以及其它必备的微量元素[1]。引起富营养化的营养物质主要是碳、氮、磷,在正常条件下,淡水环境中存在的碳、氮、磷的比率为106∶16∶1[2]。然而目前淡水湖泊外源性污染物已经得到有效 的控制,内源性污染物成为湖泊发生富营养化的一个关键因素。内源性污染物主要是湖泊沉积物所释放的含氮、磷、有机质等营养因素的物质,内源氮、磷、有机质负荷具有影响面积大、作用时间长的特点,是削减外源污染负荷后,水体中氮、磷的主要来源[3-5] 。
目前大多对湖泊富营养化研究只是针对某一湖泊某一特定时期,在藻类治理方面大多数采用杀藻剂及其他人工方法打捞藻类,治标不治本[6]。但是一个富营养化湖泊在外源性污染物得到控制后,其功能化过程沉积物一般经过一系列的演变过程,其中中营养、中度富营养、重度富营养三阶段在湖泊富营养化过程中具有代表性[7]。湖泊在治理过程中是不停地变化的,不可能只停留在某个阶段,而不同阶段的富营养化水体中营养盐的成份是决定其藻类生长的主要因素,研究营养盐对水体藻类生长机制的影响,为从根本上、全过程治理富营养化湖泊提供科学依据。
1 实验部分
1.1 样品采集
依据卡尔森(Carlson)综合营养型评价指数TLI的计算[8],在芜湖市测得三处满足湖泊不同富营养化指数的湖泊:安徽工程科技学院景观湖泊(用J表示,综合营养型评价 指数为55.3属于中营养)、下新塘(用X表示,综合营养型评价指数为72.1属于中度富营养)、西洋湖( 用W表示,综合营养型评价指数为86.6 属于重度富营养)。分别在2009年4月中旬、6月初利用彼得森采样器在三个湖泊中选取具有代表性的三点,采集各湖泊三点沉积物。
1.2 实验方法
Stumm认为湖泊富营养化过程中藻类生长营养盐最佳氮磷原子质量比为7.2∶1[9],国内外关于湖泊富营养化中藻类生长机理资料认为:当营养盐控制中的氮磷原子质量比>15时,磷是藻类生长限制性因子;而氮磷原子质量比<5时,氮既成为藻类生长的限制因子[10]。综合以上考虑,确定以磷为限制因子时氮磷比为7.2∶0.4,氮为限制因子时氮磷比为4.6∶1。
取蒸馏水作为上覆水,根据前期大量实验表明:富营养化过程中的各湖泊内源性营养盐的最佳释放条件为溶解氧2.0 mg/L、pH值8.0,因此将沉积物上覆水的溶解氧浓度调节为2.0 mg/L,pH值调为8.0。
在实验时,将每个湖泊的三点沉积物混合均匀后,称出质量相同的两份,分别置于同样的培养容器(如图1所示45 cm×45 cm×120 cm)底部铺平 ,向培养容器中缓慢加入沉积物体积比为1∶3调节好DO、pH的蒸馏水,并根据营养盐比例不同,将相同沉积物分成氮为限制因子、磷为限制因子的两组。 4月中旬时通过加热器使培养容器中上覆水 的水温保持在12~15 ℃,每天测量水温,并通过搅拌设备使水温均匀。6月初同样方法使水温保持在18~22 ℃。每隔48 h测定每个培养容器中总氮、总磷的浓度,利用化学药剂调节培养容器中上覆水的氮磷比。从培养第二天开始每隔24 h用采样 器取每个培养容器中水样,测定其叶绿素a(chl-a)的含量及上覆水的DO、pH值,连续测定21 d天。
图1 营养盐模拟反应器
2 结果与分析
2.1 不同温度下营养盐对藻类的影响
1. J;2. X;3. W
图2 4月中旬P为限子因子ch1-a与时间的曲线图1. J;2. X;3. W
图3 6月初P为限制因子ch1-a与时间的曲线图1. J;2. X;3. W
图4 4月中旬N为限制因子ch1-a与时间的曲线图
1. J;2. X;3. W
图5 6月初N为限制因子ch1-a与时间曲线图
从图2~图5可以看出:培养容器中藻类生长一般都是先经历5 d左右的延滞期 ,接着经历10 d左右的生长期,然后在大约3 d的稳定期后开始 进入衰亡期。这是因为不同的氮磷在整体上虽然能抑制藻类的生长,但是由于氮磷的含量还是适合藻类生长需求的,藻类生长曲线变化都不大。
对比图2、图3和图4、图5中可以看出:对于同一湖泊在环境温度较低的时候其总体的叶绿素含量明显低于环境温度较高的,6月初的沉积物实验的重度富营养培养容器中二者之差在4.5倍以上,但是对于中度富营养培养容器和中营养培养容器其相差则相对较小。这是因为藻类在生长过程中环境温度控制其开始生长点,不同温度条件下,湖泊富营养化过程中的藻类在各湖泊的生长形式和主导藻类种类是不相同的,藻类生长开始时,环境温度基本上都在15 ℃左右,此时藻类生长处于复苏阶段,藻类生长并不旺盛,当环境温度到达22 ℃左右时各湖泊中藻类开始大量生长,藻类生长旺盛,如果此时不采取措施则湖泊可能爆发藻华。
在图2~图5中,三个培养容器中chl-a含量基本上在开始5 d都处于相同的水 平,这说明在藻类生长初期,内源性氮磷不是生长限制因子。当到达稳定期时,三个培养容器中chl-a的 明显呈下降趋势,这是因为当湖泊富营养化过程中的营养盐本底值很大时,其沉积物中蓝藻的种子也相应的较多,沉积物释放的营养盐也相对较多。当排除环境因子的干扰时,在相同的营养盐控制条件下,营养盐控制蓝藻效率是:中营养湖泊<中度富营养湖泊<重度富营养湖泊。
依据《中国淡水藻类》进行藻类种类的镜鉴,在实验第一阶段中观察到中度富营和重度富营养这两个培养容器中上覆水的着生藻种群主要以蓝藻门(Bacillariophyta)为主, 硅藻门(Cyanophyta)次之,绿藻门(Chlorophyta)较少。在中营养培养容器中上覆水的 蓝藻量相对较少,而硅藻占主要地位。实验第二阶段三个培养容器中着生藻种群主要以蓝藻门(Bacillariophyta)为主。第一阶段,除了中度富营培养容器中的chl-a含量大于10 μg/L,达到藻华现象外,其它两个培养容器中chl-a含量都低于10 μg/ L,未出现藻华。在第二阶段除P为限制性因子的中营养培养容器未出现藻华外,其 它各培养容器中在藻类生长峰值chl-a含量都超过10 μg/L。
2.2 不同营养盐限制因子对藻类生长调控
根据文献[11]中的国家标准与两个实验阶段中各湖泊chl-a的控制率对比(见表1)。
表1 不同比例营养盐对各湖泊chl-a的最大控制率
4月中旬chl-a平均峰值
/(μg?L-1)控制率/% 6月初chl-a峰值
/(μg?L-1)控制率/%国家标准
/%景观湖泊(N∶P=7.2∶0.4)7.74370.228.32367.99景观湖泊(N∶P=4.6∶1)8.47467.4110.65859.0110～26下新塘(N∶P=7.2∶0.4)9.46194.0916.67189.58下新塘(N∶P=4.6∶1)12.64992.0924.31484.8064～160西洋湖(N∶P=7.2∶0.4)11.77797.0652.85986.79西洋湖(N∶P=4.6∶1)15.56896.1172.39181.90160～400从表1中分析可知,在实验第一阶段和第二阶段chl-a的最大控制率都比较大,超过了6 0%,但第一阶段的控制率大于第二阶段的控制率,原因是在第二阶段温度稍低,湖泊中藻类还处于复苏期,蓝藻基本上未生长。此时抑制藻类生长的主要因素是温度,氮磷比的控制是次要因素。而在第二阶段温度升高,藻类处于繁殖期,生长旺盛,此时温度成了促进藻类生长的因素,控制氮磷比是抑制藻类生长的主要因素。但第二阶段的控制率是相对处于虚浮态,室外湖泊中的温度是不可控制的,当温度升高时,藻类大量繁殖,控制率很低。第二阶段的控制率是相对较为实际,这阶段排除了温度的干扰,另外营养盐的控制也是可以实现的。
从表中还可以看出控制营养盐比例是可以抑制藻类生长,但P为限制因子和N为限制因子时对藻类生长的抑制程度是不同的,在第一阶段和第二阶段都是P为限制因子时控制率大于N为限制因子时的控制率,是因为自然界中的氮主要是储藏在大气中,而水体中有一些藻类具有固氮能力,能够把大气中的氮转化为能被水生植物吸收和利用的硝酸盐类,所以与磷元素相比,氮作为湖泊富营养化的限制因素处于次要地位。
3 结论
(1) 温度对富营养化湖泊中藻类生长影响程度很大,在温度较低时湖泊中藻类主要以硅藻为主,在当环境温度达到22 ℃以上时富营养化湖泊中藻类开始以蓝藻为主,这时候上覆水中高的营养盐会导致湖泊发生藻华。
(2) 内源性营养盐对富营养化湖泊的影响程度依次是:重度富营养化湖泊>中度富营养化湖泊>中营养化湖泊,基本上对中营养化湖泊藻类生长影响很小。
(3) 不考虑温度因素,富营养化功能化各湖泊中的内源性营养盐对蓝藻控制率是相对较明显的,在P为限制性因子的富营养化湖泊中的内源营养盐对蓝藻的控制率最大可以达到90%,N为限制性因子的富营养化湖泊其对蓝藻的控制率也在85%以上。总体上P为限制性因子比N更能抑制湖泊藻类生长。
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(责任编辑:李 丽)
