（环境科学专业论文）巢湖水华时空分布特征及成因初步分析.pdf

间隙水中以n h 4 + - n 为主，其浓度随温度的增加而升高：d o n 呈先下降后上升的趋势通 量计算结果表明，沉积物作为n h 4 + - n 的“源 一直由间隙水向上覆水释放，西半湖扩散 通量在1 3 0 6m g ( m 2 d ) - - 3 2 9 4r a g ( m 2 d ) 之间，东半湖扩散通量在4 5 4m g ( m 2 d ) 1 7 4 1m g ( m 2 d ) 之间 ( 5 ) f n 、e n 呈夏季低而秋、冬季节高的分布趋势；h n 在冬季含量较高，而春、夏季 节含量较低；r n 含量的季节性变化不明显；t n 含量在夏较低而秋、季节较高；心含 量的季节性变化顺序为冬季 春季 秋季 夏季不同季节对有效氮起主要作用的氮形 态不同，春季为酸解氨基酸态氮( 从n ) ，夏季、秋季为可交换态氮( e n ) ，冬季为游离态 氮( f n ) ( 6 ) 充足的营养来源是藻类异常增殖的关键，沉积物作为水华暴发营养物质的内源和 “种源”，为浮游藻类的生长提供必要的营养和“种子 ：风浪的扰动加速了藻类的增 殖以及藻类在水一沉积物界面的交换量：在风速小于3m s 。1 时，团状水华在水面漂移速 度与风速呈指数相关性，相关性系数为0 9 1 ，当风速大于3l i p s 。1 时，藻类上下混合沉入 水中：主导风向决定了水华的分布状况，试验期间，同一采样点，当其处于下风向时， 湖水表层生物量是处于上风向时的8 8 倍。 关键词：藻类生物量；入湖河流；环境因子；氮形态：围隔实验；巢湖 t h ep r i l i m i n a r ys t u d yo nt h es p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o n a n dt h ec a u s e so fa l g a eb l o o mi nc h a o h ul a k e a b s t r a c t i no r d e rt o i d e n t i f yt h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c i n go fa l g ab l o o m i n gi nc h a o h u l a k e ，s i t uo b s e r v a t i o na n dc o n s t r u c t e de n c l o s u r es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw e r ec o n d u c t e d f o ro n ey e a r a l g a ed i s t r i b u t i o ni nc h a o h ul a k ea n dv a r i a t i o no fd o m i n a n ts p e c i e sw a s i n v e s t i g a t e d t h ei n f l o wr i v e r s a r ec l u s t e r e da n dt h ep o l l u t i o nl e v e l sa r ec l a s s i f i e db y s t a t i s t i c a lm e t h o d sa n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e na l g a lb i o m a s sa n dt h er i v e rn u t r i e n t si n p u t 1 0 a d sa r ed e r i v e d i n o r g a n i cn i t r o g e nf l u x e sa tw a t e r s e d i m e n ti n t e r f a c ew a sa n a l y z e d ， s e a s o n a lo c c u r r e n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r e en i t r o g e n ，t h ee x c h a n g e a b l en i t r o g e n ，t h e a c i dh y d r o l y s a b l en i t r o g e na n dt h er e s i d u a ln i t r o g e ni nt h es u r f a c es e d i m e n to fc h a o h u l a k ew e r es t u d i e db ys e q u e n t i a le x t r a c t i o nm e t h o d s q u a n t i t a t i v er e s e a r c ho na l g a b l o o m i n gp r o c e s sw a sc o n d u c t e da n dh o r i z o n t a lt r a n s f e r e n c ea n d v e r t i c a lh y b r i de f f e c t so f b l o o m i n ga l g ac a u s e db yw i n dw a v e si nc h a o h ul a k ew e r ea l s oo b s e r v e d t h er e s u l t s i n d i c a t e st h a t ： ( 1 ) c y a n o b a c t e r i aa l g a ed o m i n a t e di nb l o o ma l g a ea l lt h ey e a rr o u n di nc h a o h ul a k e ，b u t d i f f e r e n td o m i n a n ts p e c i e sa p p e a r e di nd i f f e r e n ts e a s o n s a n a b a e n ad o m i n a n t e di ns p r i n g w i t hm i c r o c y s t i sa ss u b d o m i n a n ts p e c i e ；m i c r o c y s t i sd o m i n a t e dt h r o u g ht h ew h o l es u m i i l e r a n da u t u m n 功ea l g a eb i o m a s si ns u r f a c es e d i m e n t sh a dat e n d e n c yt og r a d u a l l yd e c r e a s e f r o mj a n u a r yt oe a r l ys u m m e r , a n dm i m m u ma p p e a r e db e t w e e nj u n ea n dj u l y ，w h i l ei t i n c r e a s e dt h r o u g hm i d s u m m e ra n da u t u m n ，m a x i m u ma p p e a r e di nw i n t e r m u l t i p l e s t e p w i s er e g r e s s i o ns h o w e dt h a tt e m p e r a t u r ew a st h em o s ts i g n i f i c a n t f a c t o rw h i c h i m p a c t e dt h ev a r i m i o no fa l g a eb i o m a s si nc h a o h ul a k e ( 2 ) t h ei n f l o wr i v e r sc o u l db ec l a s s i f i e di n t ot h r e et y p e s ，n a m e l yu r b a np o l l u t i o nr i v e r s ， c l e a ra q u a t i cf l o wr i v e r s ，a n dw a t e rq u a l i t ys t a b l er i v e r s t h ei n p u tl o a do fc o d m 、 n h 4 + - n 、t n 、t pf r o mu r b a np o l l u t i o nr i v e r st ot h ew h o l el a k ea r e4 1 2 9 、8 9 4 9 、 7 2 2 7 a n d6 0 14 t oa l li n f l o wr i v e r sr e s p e c t i v e l y o r g a n i cp o l l u t i o ni st h em a i n p o l l u t i o nr e s o u r c eo fi n f l o wr i v e r sb yf a c t o ra n a l y s i s 砀pp o l l u t i o nr a n ko fn i n ei n f l o w r i v e r sa r ea sf o l l o w s ：n a n f e ir i v e r s h i w u l ir i v e r p a i h er i v e r s h u a n g q i a or i v e r z h e g a o r i v e r y u x ir i v e r b a i s h i s h a nr i v e r z h a o h er i v e r h a n g b ur i v e r t h ea l g a lb i o m a s sa n dt h e n h 4 + - n ，t n ，t pi n p u t so f i n f l o wr i v e r sa r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e d ，w h i l et h et ni n p u t sc o u l d i n c r e a s et h ea l g a lb i o m a s sm o r es i g n i f i c a n t l y ( 3 ) c h a o h ul a k ec o u l db ed i v i d e di n t os e v e r ep o l l u t e da r e a , m o d e r a t e l yp o l l u t e da r e a ，a n d m i l d l yp o l l u t e da r e af r o mt h ew e s tt ot h ee a s t t h ec h l aa n dd t na r et h ed i r e c t i v ef a c t o r s f o rt h e s i g n i f i c a n t l ys p a t i a l d i f f e r e n t i a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n t t h e p o l l u t i o n c l a s s i f i c a t i o ns e q u e n c eo fm o n i t o r i n gs i t e sw a sn a n f e ir i v e ri n l a k ea r e a s h i w u l ir i v e r i n l a k ea r e a t a n g x ir i v e ri n l a k ea r e a w e s tl a k ec e n t e ra r e a p a i h er i v e ri n l a k ea r e a h a n g b ur i v e ri n l a k ea r e a z h o n g m i a oa r e a z h a o h er i v e ri n l a k ea r e a e a s tl a k ec e n t e r a r e a s h i pf a c t o r y z h o n g h a nt o w na r e a t h ec l a s s i f i c a t i o ns e q u e n c eo fm o n t h l ya v e r a g e w a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t yw a sa u g u s t j u n e s e p t e m b e r a p r i l m a y j u l y o c t o b e r j a n u a r y m a r c h d e c e m b e r n o v e m b e r f e b r u a r y t h es c r e e n e dr e l a t i v e l yi m p o r t a n t e n v i r o n m e n t a lf a c t o r st oa l g a lb i o m a s sv a r y 晰t hs e a s o n s t h et p , t n ，t e m p e r a t u r e ，n 0 3 - n a n dn i - h + - na r ec l o s e l yr e l a t e dt oa l g a lb i o m a s sa l lt h ey e a rr o u n d ( 4 ) n h 4 十- nd e c r e a s e da st h ea l g a lb l o o mi n t e n s i t yi n c r e a s e d ，w h i l ed i s s o l v e dt o t a ln i t r o g e n i n c r e a s e da p p a r e n t l ya f t e ra l g a lb l o o m ，n 0 3 。- nd e c r e a s e do n l yd u r i n gs e r i o u sa l g a lb l o o m p e r i o di no v e r l y i n gw a t e r n 0 3 。- na n dn i - 1 4 + - nw e r et h em a i np a r to fn i t r o g e nb e f o r ea l g a l b l o o m ( i na p r i la n dm a y ) a n dt h e nd o nw a st h em a i np a r ta f t e rt h a t i np o r ew a t e r , n h 4 + _ nw a st h em a i np a r to fn i t r o g e nw h i c hi n c r e a s e da st e m p e r a t u r er i s e d d i s s o l v e d o r g a n i cn i t r o g e nd e c r e a s e df i r s ta n dt h e ni n c r e a s e d f l u x e sc a l c u l a t i o nr e s u l t ss u g g e s t e d t h a tt h es e d i m e n tw a st h es o u r c eo fn h 4 + - nw h i c hd i s s o l v e df r o mp o r ew a t e rt oo v e r l y i n g w a t e r , n h 4 十- nf l u x e sw e r er a n g e df r o m1 3 0 6m g ( m 2 d ) , - 。3 2 9 4m g ( m 2 d ) i nw e s ts e m i l a k e ，a n dw e r er a n g e df r o m1 3 0 6m g ( m 2 d ) - - - 3 2 9 4m g ( m 2 - d ) i ne a s ts e m il a k e ；t h e s e d i m e n tw a st h ep o o lo fn 0 3 。- nb e f o r ea l g a lb l o o mp e r i o d ，b u tw a st h es o u r c eo fn 0 3 - n w h i c hi n c r e a s e dn i t r a t ec o n c e n t r a t i o n si no v e r l y i n gw a t e ra f t e rt h a t ( 5 ) t h ec o n c e n t r a t i o n so ff na n de nw a sl o w e ri ns u m m e ra n dh i g h e ri na u t u m na n d w i n t e r ；h nh a dah i g h e rl e v e li nt h ew i n t e ra n dal o w e rl e v e li ns p r i n ga n ds u m m e r ；w h i l e r nv a r i e dl i t t l e ；t h et nc o n c e n t r a t i o n sh a dal o w e rl e v e li ns u m m e ra n dh i g h e rl e v e li n a u t u m na n dw i n t e r ；t h es e a s o n a lo r d e ro fm i n e r a l i z a b l en i t r o g e n ( m _ n ) c o n t e n tw a sw i n t e r s p r i n g a u t u m n s u n m l l e r t h en i t r o g e nf o r m sp l a y i n gam a j o rr o l eo na v a i l a b l en i t r o g e n h a dad i s p a r i t yi nd i f f e r e n c es e a s o n s ，w h i c hw a st h ea m i n oa c i dn i t r o g e n ( a a n ) i ns p r i n g ， e ni ns u m m e ra n da u t u m n ，f ni nw i n t e r ( 6 ) s u f f i c i e n tn u t r i e n ts o u r c e sp l a y e dac r u c i a lr o l ei na l g a lb l o o m i n gp r o c e s s s e d i m e n t s u p p l i e dn u t r i e n t sa n ds e e d sf o rt h i sp r o c e s sa st h er e s o u r c eo fn u t r i e n t sa n da l g a es e e d s h y b r i dc a u s e db yw i n dw a v e sa c c e l e r a t e da l g am u l t i p l i c a t i o na n da l g as e d i m e n t a t i o na n d s u s p e n s i o no nw a t e r - s e d i m e n ti n t e r f a c e w h e nw i n ds p e e dw a sl e s st h a n3 m s 1 a l g ac l u s t e r s d r i f t e do nw a t e rs u r f a c ew i t hs p e e dw h i c hw a se x p o n e n t i a ld e p e n d e n to nw i n dv e l o c i t y w i t hd e p e n d e n tc o e f f i c i e n te q u a l i n g0 9 0 5 2 w h e nw i n ds p e e dw a sl a r g e rt h a n3 m s 一，a 1 黔 m i x e du p d o w nt o g e t h e ra n ds a n ki n t ol a k ew a t e r l e a d i n gw i n dd i r e c t i o n sd o m i n a t e t h e d i s t r i b u t i o n so fa l g ab l o o m s d u r i n gt h et e s tp e d o da l g ab i o m a s so ns u r f a c ew a t e ri n l e e w a r dw i n di s8 8t i m e sa st h a to nu p p e rd d f i k e y w o r d ：a l g a lb i o m a s s ；i n f l o wr i v e r s ；e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ；n i t r o g e ns p e c i a t i o n ； e n c l o s u r ee x p e r i m e n t ；c h a o h ul a k e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特= 5 | l j n 以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：可书鼢签字日期：列口年吵月乃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权佥 旦巴些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：滴厶 导师签名： 签字日期：知一年吨月毖e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日怫l 沪中月；沪 电话： 邮编： 致谢 时光如水，三年的研究生生活转瞬即逝。蓦然回首，有太多的人和事浮现在眼前。 曾经沧海难为水，我想说：谢谢了! 我学校指导老师孙世群教授，我必须衷心感谢。孙老师治学严谨，学识渊博，他 深知授人以鱼不如授人以渔，在其门下，耳濡目染，潜移默化，“小王，科学的态度 一定要严谨 一直萦绕耳边，从此以后我时刻谨记。与其相处，我还明白了许多待人 接物与为人处世的道理。其旺盛的精力、平易近人的人格魅力，孜孜不倦的话语教导， 是我永远学习的榜样。我衷心祝愿：老师合家欢乐，一生平安。 感谢中国环境科学研究院湖泊创新基地的姜霞研究员。两年来，她对我的关怀无 微不至，从论文的选题，到实验设计，再到论文的修改，她事必躬亲，倾注了数不完 的心血和精力。我衷心感谢：老师您辛苦了! 感谢安徽环境科学研究院贾良清院长给我实习的机会，在此表示衷心的感谢。 感谢“皖西大别山一淠史杭灌区生态补偿机制研究 课题组的张乐师兄、程静师 姐、邹婷、王辉师兄，是你们让我懂得了作为研究生的快乐，从此学会了打乒乓球。 感谢“巢湖生态安全评估”课题组的钟立香师姐，汤宝靖同学。现场围隔实验的 早出晚归，巢湖浪尖上的快艇、晒掉了皮的胳膊和脸，在脑海中不断浮现。怎能忘记 师姐的细心指导，她的办事效率、超强的学习能力是我永远学习的榜样。 感谢室友占李睿、高芮在论文写作过程中及在外实习期间给予的帮助。 感谢中国环境科学研究院湖泊创新基地的杨苏文老师，与她的讨论让我懂得了许 多新观点。感谢实验室的武建军、王秋娟、战玉柱、臧建光、石志芳、徐景琪、丁静、 胡松山同学，他们意气风发，终日沉溺于学术，与之朝夕相处，不由为之动容。谢谢 你们，我的兄弟姐妹。 感谢生我养我的父母，你们的支持是我前进的动力。 作者：王书航 2 0 10 年1 月2 6e l 第一章绪言 湖泊富营养化是指水体中营养物质过多，导致藻类大量繁殖，水体透明度急 剧下降，沉水植物、底栖藻类、鱼类和浮游动物大量死亡。死亡生物体在腐败过 程中消耗大量的溶解氧，引起上覆水体底部和沉积物形成缺氧条件，进一步促进 了沉积物中营养物质向上覆水体的迁移，加剧了水华的发生n 2 】。近年来随着湖 泊水体富营养化问题的日益严重，人们对湖泊环境中氮磷等营养元素的含量、分 布和迁移转换规律以及对藻类竞争演替的影响极其关注 6 1 。 1 1 藻类对水中氮、磷及微量元素的响应 水体中氮、磷等营养元素逐渐富集，才使致使浮游藻类异常增殖，自养型生 物( 浮游藻类) 在水体中建立优势地位，因此，水体中总磷总氮浓度过低，不可能 发生富营养化，水中磷、氮等营养盐超标是发生富营养化的必要条件h 8 1 。 1 1 1 藻类对水中氮及形态的响应 在过去的几十年中，氮只被认为是绝大多数海区的限制因子口1 ，上世纪6 0 年 代才开始研究氮源对湖泊蓝藻生长的影响n 们。研究表明藻类对不同形态的氮吸收 存在明显差异，在硝酸氮和氨氮同时存在的条件下氨会优先被吸收，氨氮的存在 对于浮游植物吸收硝酸氮具有抑制作用，而且硝酸盐的吸收速率要小于氨氮n 1 1 4 3 。这是由于非铵盐的其他氮源在被利用之前均须先转化为氨氮，氨氮再与谷氨 酸在谷氨酰胺合成酶( g s ) 作用下合成谷氨酰胺进而被藻细胞利用，同时氨氮的存 在又对蓝藻吸收和利用其它的氮源具有抑制作用n 朝。例如，在巢湖水华发生期间， 氨态氮随蓝藻的生长变化明显，而硝态氮变化未表现出与藻类生长的相关性，同 时有研究认为，藻类生长所要求的氨态氮的含量浓度大于0 5m g l 时，叶绿素含 量较高，在有氨态氮存在时，藻类一般优先利用氨态氮，当其被耗尽时才利用硝态 氮6 i 。但是也有结果表明夏季藻类生长主要是利用氨态氮，而春季主要是利用硝 态氮n 刀。也有研究认为不同藻类对铵态氮、硝态氮的吸收具有选择性。细弱海链 藻选择吸收铵态氮，而对硝态氮的吸收不明显：裸甲藻优先吸收铵态氮，同时也少 量吸收硝态氮：而角毛藻优先吸收亚硝态氮，而对氨态氮则无明显吸收n 引。杨苏 文曾对太湖蓝藻、绿藻和硅藻生长及竞争特性进行了研究，认为在氨氮浓度高时， 铜绿微囊藻有很强的贮存氨氮的能力，并能形成优势藻种，在氨氮浓度低时，四 尾栅藻和谷皮菱形藻对氨氮的吸收能力较强，低浓度的硝氮有利用蓝藻的形成优 势，高浓度的硝氮有利用绿藻形成优势。 1 1 2 藻类对水中磷及形态的响应 磷是浮游藻类长发育的必需元素，它作为底物或调节物直接参与藻类光合作 用的各个环节。上世纪7 0 年代，针对磷限制条件下，不同环境因子对藻细胞摄取 磷的影响研究开始大量展开【伸】。 藻类得到磷后，在体内合成含磷化合物，用于自身的新陈代谢，主要是能量 转变效应。含有叶绿素的藻类，磷化合物参加光合作用，因此对磷的需要更大【2 0 1 2 l l 。 水中磷形态主要包括无机磷及有机磷两大类，以溶解的或颗粒形态存在，总 磷( t p ) 、总溶解磷( t d p ) 、溶解有机磷( d o p ) 、颗粒磷( t p p ) ，溶解性磷酸盐( d i p ) 它们之间的相互转化。英国国家环境署规定，静止的水体总磷浓度达8 6 u 8 l 时， 水体即处于富营养化【z z l ，而我国一般规定水体中总磷浓度达0 0 2 m g l 时，水体 处于富营养化。有研究结果表明藻类对不同形态的磷的吸收利用能力不同。磷用 于能量传递和核酸合成细胞的过程，主要以无机离子h p 0 2 。、h 2 p 0 4 。的形式被吸 收，磷的消耗依赖于培养基中的磷浓度、细胞内的磷浓度、p h 值、n a + ，m 8 等离 子的浓度和温度，同时，浮游藻类对正磷酸盐的吸收有积累效应。水体中的可溶 性正磷酸盐为藻类可直接利用的磷源，其它形式的磷一般较少为藻类利用，即使 在磷非常限制的湖泊水体中，也约有4 0 的溶解性总磷不能被生物利用，也不参与 湖泊中磷的循环，颗粒磷则通过释放或生物转化也可被藻类利用【z 3 】。 1 1 3 藻对水中微量元素的响应 虽然氮磷是限制藻类增长的两个主要元素，但许多研究证明，像铁、钼、稀 土元素等微量元素可以单独或是与氮或磷共同限制藻类的增长，尤其是在以蓝藻 为主导的湖泊水体。 2 0 世纪6 0 年代，在整湖试验中，首次发现钼在年内的某些时段限制藻类的 增长，从而开创了微量元素对藻类增长限制影响的研究和应用【z ”。 2 0 世纪8 0 年代末，发现铁限制造成富含氮、磷的亚寒带北太平洋地区表面 的大洋水体浮游植物生物量很低的现象后，铁对赤潮藻生理生态的影响逐渐引起 了人们的重视【2 5 2 6 。铁在光合作用和硝化过程中，必不可少的营养元素。有研究 表明，当铁浓度在0 i - - 1 o m g l 时，藻类群落开始从绿藻向蓝藻演替。某些藻 类仅吸收无机铁，有的吸收溶解铁，许多藻类吸收鏊合的铁。许多湖泊中可溶性 铁的绝对量可以是千差万别，但在夏季藻类繁殖期间可溶性铁的浓度偏低却是一 个普遍的现象。 近年来稀土元素在化肥中广泛应用，研究发现水体中含量很低的稀土元素 ( 如斓、礼、铱等) 对水华藻类的生长也有一定影响【z 7 1 。 1 1 4 藻类对氮磷比的响应 在研究氮、磷物质与水质富营养化的过程中发现氮、磷浓度的比值与藻类增 值有密切的关系。r e d f i e t d 在1 9 7 9 年研究发现，当微藻细胞接近于饱和营养生 长时，细胞内的碳：氮：磷的原子比约为1 0 6 ：1 6 ：1 ，该种比率被称为r e d f i e t d 比 率，相对应的氮、磷质量比为7 2 ：1 ，当湖泊中可能被藻类吸收的氮磷比小于1 6 ：1 时，氮可能是限制性营养盐；反之，如果此比率大于1 6 时，磷可能是限制性营养 盐【z 剐。在国内一般认为，湖泊水体中氮磷重量比( n p ) 大于1 0 时，磷是湖泊富营 养化的限制性营养元素【z 9 】。也有研究表明如果湖泊的氮磷比低于2 9 ：1 ，蓝藻水 华将会占据优势，高于这一比值，蓝藻在整个藻类生物量中的份额就会下降口0 1 。 当湖水的总氮和总磷浓度的比值在1 0 ：1 - 2 5 ：1 的范围时，藻类生长与氮、磷浓度 存在着直线相关关系，湖水总氮与总磷的浓度比为1 2 ：1 1 3 ：1 时，最适宜于藻 类增殖，若总氮对总磷浓度之比小于此值时则藻类增殖可能受到影响【3 1 】。但是 有人认为，每种藻类均有自己最佳的氮磷比，而氮、磷浓度之比是决定某一优势藻 发生的主要限制因子，而且某种氮磷比只是适合某一藻类发生的限制因素，不同 藻类、不同环境下的限制因素不同，而且不同藻类的氮磷可能是种类特异的p 2 1 。 有研究表明在目前太湖湖水、巢湖湖水n ：p 分别为4 0 ：1 和1 0 ：1 时，通过模拟 蓝藻( 铜绿微囊藻) 、绿藻( 四尾栅藻) 和硅藻( 小环藻) 混合竞争生长的影响， 发现目前的太湖和巢湖的氮磷水平，低有机质( 3 0 m g l ) 条件下，铜绿微囊藻 在竞争生长中占有明显优势，而随着水体中可溶性有机质和氮磷浓度的升高，四 尾栅藻逐渐占据竞争优势。同时还有学者认为较低的n p 不是蓝藻水华发生的 条件而是结果【j 川。 1 2 藻类对沉积物中氮磷的响应 沉积物作为上覆水体营养物质的内源，为浮游藻类的生长提供必要的营养。 当间隙水中氮和磷的含量超过上覆水体时，间隙水体中氮和磷就被释放到上覆水 体中去，同时沉积物中相当部分的污染物会重新释放到水体中，成为引起湖泊富 营养化的重要物源，被称为湖泊中潜在的“化学定时炸弹”b 钔。特别对于浅水湖 泊，表层沉积物的细颗粒在风浪扰动下能够悬浮在上覆水体中，为浮游藻类利用 营养物质提供了便利的条件，这一过程可能会改变湖泊富营养化水体藻华暴发的 营养盐限制条件。 ， 1 2 1 水沉积物界面氮的形态分布及迁移转化 沉积物中氮的存在形态和形式直接影响其参与生物地球化学循环的进程和 途径，以及对氮循环的贡献大小，因此，对氮形态的研究是研究沉积物中氮的生 物地球化学循环的前提p w 】。根据沉积物中氮的循环形式，将氮形态分为可交换 态氮、固定态氮和有机态氮【3 8 】；依据氮的不用结合形式，将沉积物中的氮分为 总氮、有机态结合氮和无机态结合氮，其中无机态结合氮可分为交换态结合氮和 非交换态结合氮。近几年来，利用分级浸取分离法将沉积物中的氮分为可转化态 氮和非转化态氮，并将可转化态氮区分为四种形态：离子交换态氮、碳酸盐结合 态氮、铁锰氧化态氮及有机态和硫化物结合态氮，并广泛应用海洋沉积物中p 训。 氮素在湖泊沉积物水体界面的迁移和转化是一个复杂的生物化学过程。在 富氧条件下。沉积物库中的有机氮化物经矿化作用生成氨氮，并首先在孔隙水中 累积，其中一部分氨氮会被沉积物颗粒所吸附，有一部分氨氮被氧化成硝态氮 【4 0 4 1 】 0 沉积物中含氮有机物在微生物的氨化作用下降解为离子态的氮化合物。氨化 细菌的第一步是将蛋白质水解，释放出相应的氨基酸和含氮碱基，然后通过呼吸 作用，再将这些化合物转化为简单的可给态氮【4 2 1 ，关于湖泊沉积物氨化作用仅限 于氨化微生物的研究，对氨化反应的过程研究较岁4 删。 沉积物对氨氮的吸附解吸是影响沉积物中氮迁移转化的一个重要过程。沉 积物中有机物质经过微生物矿化作用，会产生大量的氨氮，并首先在孔隙水中累 积，其中一部分氨氮会被沉积物颗粒所吸附，这不仅会影响到氨氮向上覆水中的 扩散，而且还会影响氮在沉积物中的硝化和反硝化过程。研究结果显示，当水体 中氨氮浓度小于1 4 0 m g l 时，沉积物对氨氮的吸附呈线性关系，且其等温吸方 程与f r e u n d u c h 等温吸附式相吻合【4 5 - 4 7 1 ，沉积物对氨氮的吸附主要在两个小时 内完成，之后逐渐达到吸附解析平衡【矧。 硝化和反硝化作用是沉积物- 水界面氮元素迁移和转化的主要形式。在富氧 条件下，沉积物氮中的有机氮化经矿化作用生成n h 4 * - n ，在有氧情况下，迅速氧化 成为n 0 3 。n 和n 0 2 。n 通过扩散进入沉积物的厌氧层中，经反硝化作用还原成n 2 n 0 2 等散逸进入大气或者通过异化还原为n h 4 + 而释放【4 9 】。沉积物中的硝化与反 硝化作用可以降低沉积物中n h 4 + - n 的浓度，与此同时硝化作用消耗水体和沉积 物中的d o ( 溶解氧) ，往往导致底层缺氧【5 0 1 。沉积物- 水界面n 0 3 。- n 和n h 4 + - n 的 扩散通量的研究对于水环境中氮的循环具有非常重要的作用，特别对于浅水湖泊， 沉积物对于水环境体系的营养水平是主要控制因子之一【5 11 。研究表明，渤海莱 州湾沉积物- 水表明的沉积物n 0 3 - n 和n h 4 + n 的扩散通量分别为0 0 3 8 3 6 5 m m o ( m z d ) 和0 9 6 - 2 5 2 m m o ( m z d ) l “j 。 1 2 2 水一沉积物界面磷的形态分布及迁移转化 上覆水中的磷可被铁铝水化物、粘土矿物、磷灰石或有机质吸附和固定，不 同形态磷的生态学意义不同，因此，了解表层沉积物中磷的形态对于分析湖水富 营养化，研究藻类水华暴发状况是很有意义的。 表1 1 沉积物磷分级提取的主要方法 t a b l e1 1t h em a i nm e t h o d so fp h o s p h o r u si n t h es e d i m e n t 方法提取荆 c j 法( 1 9 5 7 年) w 法( 1 9 7 6 年) 缺点 a n h - c i1 o m o i l b n h ( fo 5 m o l l p h 8 2 c n a o h0 1 t o o l l d h c l0 5 m o i 几 e c b d f n a o h a c b do 2 2 ，l 。0 1 0 m o i t , b n a o h0 1 m o i l c h c l0 5 m o l l a n h 4 c 1 1 0 m o l 几 b n a o h 01 m o i l 不稳性磷( 1 a b i l ep ) 铝结合态磷( a i p ) 铁结合态磷( 胁p ) 钙结合态磷( c a - p ) 可还原水溶性磷( r s p ) 惰性磷( r e f r a c t o r y - p ) 非磷灰岩磷( n a p ) 铁铝结合态磷( f e 。a i - p ) 磷灰岩磷( a p ) 不稳性磷( 1 a b i l ep ) 铁铝结合态磷( f e , a i p ) n l f 提取的f e p 被c a f 2 重吸附 有磷酸铁的沉淀产 生 碱质沉积物中碳酸 盐对磷的重吸附c d b 溶解部分钙磷及有机磷 n h c l 溶解少量 f e a i p 注：c b d ：柠檬酸钠一碳酸氢钠一连二亚硫酸钠n t a ：氨基三乙酸 h a n t k e 等人发现在其试验湖泊中，6 0 溶解态有机磷( d o p ) 可为磷酸酶水解， 且水解速率释放随湖泊营养水平的升高而增高【5 3 1 。研究表明，环境因子的变化对 湖泊尤其是浅水湖泊水沉积物界面磷释放具有重要的影响作用。随环境温度的 升高，沉积物释p 量逐渐增加【5 4 】；p h 值会影响p 的赋存形态，随p h 值增大，磷酸根离 子从沉积物中解吸速率增长较快，使更多内源p 释放到上覆水体中1 5 5 - 5 6 1 ；一般认为 在厌氧状态下，沉积物更易向水体释放p 【57 】；光照强度与沉积物水界面的磷释放 量有明显的负相关【5 引。沉积物对磷的吸附和固定，除了微生物通过同化作用而变 为有机态外，还包含以下三种机制：物理吸附，这种吸附一般是可逆的。化 学吸附，水中存在的钙、镁、铁、铝等阳离子可以和磷酸盐产生溶解度非常小的 化合物。物理化学吸附，由于固相表面所带的阴离子，使溶液中的磷酸根阴离 5 子能够通过离子交换而被吸附在固相表面。l i j k l e m a 等【5 9 】认为磷的吸附动力学包 含着非常复杂的过程，包括生物和非生物作用。其中之一就是通过沉积物颗粒和 有机聚团吸附水体中的溶解态磷。在增加外源输入磷时，沉积物会吸附磷，但是 当外源磷减少时，沉积物又会释放磷，这时就很有可能成为湖泊富营养化的来源 0 6 0 。沉积物与水体的物质交换主要通过扩散来实现，交换的强度主要取决于沉积 物间隙水中的营养物质浓度梯度【6 l 】。研究结果表明，p 0 4 3 p 存在从底泥间隙水 向上覆水扩散的危险，扩散强度与底泥中微生物活一i 生( f d a ) 、碱性磷酸酶活性 ( a p a ) 相关。 1 3 藻类季节性竞争演替对沉积物氮、磷形态的响应 富营养水体藻类也存在明显的季节性演替，通常情况下，冬季，由于水温低、 光强低，浮游植物的生产力很低，数量较少；春季，虽然水温仍然较低，但光照时间 增长，会有硅藻的大量出现；而沉积物中营养物质的释放也存在季节性差异【6 2 1 。 研究表明，梅梁湾4 个季节沉积物总磷及各组分磷含量大小关系为春 夏 冬 1 0 积温4 9 0 0 5 1 0 0 。 历年土壤最大冻结深度9 ll c m 。 流域主导风向，夏季为南东南风，冬季为东北风，历年最大风速1 8 m s ，多 年平均风速4 1 m s ，年大风( 芝18 m s ) 出现日数为2 0 8 天。多年均湿度7 7 ， 最大湿度8 1 ，出现在3 月，最小湿度7 0 ，出现在1 0 月。多年平均气压为1 0 1 4 0 百帕，最高1 0 4 4 8 百帕。 多年平均降水量为1l o o m m ，流域各站最大年降水均值为1 4 5 0 m m ，最小年 均值为6 3 0 m m ，倍比2 3 。降水在流域内空间分布不均，西部降水量 9 4 7 0 - 15 9 6 5 m m ( 最大年降水均量) ，最高降水量2 2 4 8 8 m m 。降水在时间分布 上也不均匀，3 5 月降水占年降水量的2 8 ，6 8 月占年降水量的3 9 ，9 - 1 1 月 占年降水量的2 1 ，1 2 - 2 月占年降水量的11 o 尤其是每年6 、7 月份由于副热 带太平洋高气压与北方冷空气交锋而形成的梅雨季节，雨量集中，局部地区5 - 9 月降水量占全年降水量的6 5 ，从而形成了较大的地面径流，洪涝时有发生，也 导致了部分地区水土流失发生严重。