异龙湖水体营养物质变化与硅藻的生态指示.doc

异龙湖水体营养物质变化与硅藻的生态指示摘要：通过对云南异龙湖 19932010 年水体理化指标（总氮、氨氮、总磷、溶解氧、COD、BOD5、透明度）、生物指标等的监测表明：异龙湖属重富营养型湖泊，现已查明有相当多的硅藻种受各种水环境条件(温度、酸碱度、营养盐、PH值、金属离子浓度等)的影响，并发现了一些指示环境的硅藻代表种类。因此,探讨环境因子与硅藻群落组成的相互关系,用硅藻群落的变化来指示相关环境因子,为保护湖泊生态提供科学的依据。关键词：异龙湖；硅藻；主成分分析；环境因子硅藻是微藻中的一种，在地球上的分布非常普遍，淡水、半咸水、海水及陆地上潮湿的地方都有硅藻的身影。硅藻与人类的生活和生产关系十分密切，现已广泛地应用于食品、工业、医药等领域；如水产养殖。近年来关于硅藻的研究主要集中在废水处理、环境监测、再生能源等方面，硅藻在这些方面的应用还有待进一步开发（刘杨平等，2009）。硅藻对水环境变化非常敏感，硅藻属种及其组合特征在指示和监测营养变化、湖泊营养演化研究上的重要性已被大量古湖沼学研究结果所证实。2000年欧盟水框架指导委员会已将硅藻推荐为当前水环境整治决策中可以用来确定营养水平的一个行之有效的生物指标（支崇远，2005）。1 技术与方法1.1 研究区概况异龙湖位于石屏县异龙镇东南3km 处。年平均水温180，极端最高气温345，极端最低气温-24，年温差小于11；湖北岸靠乾阳山，湖岸线较平直，岸坡多为 35的高坡；南岸为五爪山,山峦丘陵起伏，沟谷发育形如五爪伸入湖中，形成大小72 湾，现已围湖成田，湖湾不复存在，岸坡地势低缓，坡度多 20，坡积厚度约 20m。湖东、西两面地形平缓，已开恳为农田，湖西为冲积坝。异龙湖入湖河流主要有城河、城南河、城北河。城河与上游的赤瑞湖相通，入湖河流除城河有常流水外，其它均为季节性河流。湖泊泄流防洪靠青鱼湾隧道泻入五郎河，经小河底河进入红河。异龙湖正常水位 141412m 时， 蓄水量 11300 万 m3，平均水深2175m，最大水深 6155m，正常水位湖岸线62190km。湖泊多年平均湖面面积 30163km2。湖水依赖地表径流，湖面降水和地下水补给，多年平均入湖径流量4764 万m3（师丽萍等，2005）。由于1971年进行了大规模放水围湖造田等不合理的开发利用，致使异龙湖水位急剧下降，湖区面积大大缩减，异龙湖出口海口河年年干涸,河道淤积堵塞严重，河面越来越窄，已失去源头作用，使得泸江源头断流。同时县城及湖周村镇居民生活污水、工业及农业废水未经任何处理直接排入湖内，加之网箱养鱼，造成异龙湖水体严重污染，水质已超地面水环境质量V类标准，呈现严重的富营养化状态；流域森林植被功能差，水土流失加剧；湖泊沼泽化程度加剧，水深日趋变浅；洪旱灾害频繁，水供需矛盾突出，严重影响了湖周及泸江下游区域社会经济的可持续发展（荆春燕等,2003）。1.2 样品的采集、处理与测定本次试验数据主要来源于云南大学资环学院黄玥老师所提供的异龙湖内部1-64m（每隔1米取一次样品），不同硅藻变化数据。以及1993-2010年，异龙湖水体几种主要水环境因子含量变化数据，这些环境因子分8类，其中由于透明度数据的部分缺失，固在本次研究中将透明度数据剔除了。本次研究的藻类涵盖了包括Achnanthes delicatula、Achnanthes exigua在内的29种硅藻。1.3 分析与统计本次研究结合硅藻样本数据以及异龙湖水体环境数据，在经过基本数据的校正和检查后，运用国际标准化科研软件C2，进行主成分分析，并在结果中有针对性的剔除一些意义不大的样本，使得最后的结果变得清晰可分析。2 结果与分析2.1 理化指标2.1.1 温度温度是影响藻类细胞生理变化的主要因素，其变化能够迅速导致藻细胞新陈代谢和生长繁殖的变化。硅藻多在温度较低的春秋季生长繁殖，适温范围在1025度。异龙湖年平均水温180，极端最高气温345，极端最低气温-24，年温差小于11。表明异龙湖热量资源对水生生物的生长有利。2.1.2 pH 值水体中藻类吸收CO2，常导致水质向弱碱性转变。大多数硅藻的最适PH值为7.8-8.2的微碱性环境。但不同种类之间PH值的适宜范围也不同。异龙湖硅藻大部分种属都生存在碱性环境中，只有个别种属（如Eunotia pectinalis var. minor）适宜在中性和酸性环境中生长。2.1.3 溶解氧水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标，水中溶解氧含量受到两种作用的影响：一种是使DO下降的耗氧作用，包括耗氧有机物降解的耗氧，生物呼吸耗氧；另一种是使DO增加的复氧作用，主要有空气中氧的溶解，水生植物的光合作用等。这两种作用的相互消长，使水中溶解氧含量呈现出时空变化。由图可知，异龙湖的溶解氧整体较低，年平均含量平均为5.87mg/L，表明异龙湖总体上是一个较差的氧化环境，不利于有机物矿化与营养盐再生。2.1.4 5日生化需氧量化学需氧量表示在强酸性条件下重铬酸钾氧化一升污水中有机物所需的氧量，可大致表示污水中的有机物量。COD是指标水体有机污染的一项重要指标,能够反应出水体的污染程度。化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。2.1.5 总氮总氮是指水中各种形态无机和有机氮的总量。包括NO3-、NO2-和NH4+等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮，以每升水含氮毫克数计算。常被用来表示水体受营养物质污染的程度。水中的总氮含量是衡量水质的重要指标之一。其测定有助于评价水体被污染和自净状况。地表水中氮、磷物质超标时，微生物大量繁殖，浮游生物生长旺盛，出现富营养化状态。2.1.5 透明度透明度是表示光线透射入水体的深度。透明度的大小取决于光源状态、水中悬浮有机或无机细微物质、浮游生物等。浮游生物的大量繁殖会使透明度降低，浮游生物数量减少能够使透明度升高。光线较弱，透明度较小；光线较强，透明度升高。据异龙湖硅藻种属数据了解，站位6、7、8和30两个阶段各种硅藻种属数据均为0，湖水两次干涸，故湖水透明度无数据。从图中看，1998到2008年异龙湖透明度无曲线表示。2.2 营养物质指标2.2.1 氨氮 氨氮是指水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。水中氨氮含量增高时指以氨或铵离子形式存在的化合氨。氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。异龙湖全湖19932010 年水体中氨氮含量变化见图，期间氨氮含量变化总体下降并于2000年趋于平稳又略有回升趋势，年平均氨氮含量为0.35mgL-1。最高含量出现在1994 年为1.42 mgL-1，最低质量浓度出现在2000 年为0.08 mgL-1。亚硝态氮是水体中氮循环过程极不稳定的中间产物，易被氧化为硝态氮。2.2.2 总磷总磷指的是水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果，以每升水样含磷毫克数计量。水中磷可以元素磷、正磷酸盐、缩合磷酸盐、焦磷酸盐、偏磷酸盐和有机团结合的磷酸盐等形式存在。其主要来源为生活污水、化肥、有机磷农药及近代洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等。水中的磷是藻类生长需要的一种关键元素，过量磷是造成水体污秽异臭，使湖泊发生富营养化和海湾出现赤潮的主要原因。异龙湖全湖19932010 年水体中总磷含量变化见图，期间总磷含量变化先下降后上升，年平均总磷含量为0.07mgL-1。最高含量出现在2010年为0.15 mgL-1，最低质量浓度出现在2004 年为0.03 mgL-1。根据表1可知，异龙湖水体根据总磷含量总体为IV类水，总磷含量较高，水体富营养化严重。2.2.3 叶绿素A叶绿素（chlorophyll)是一类与光合作用(photosynthesis)有关的最重要的色素。光合作用是通过合成一些有机化合物将光能转变为化学能的过程。叶绿素实际上存在于所有能营造光合作用的生物体，包括绿色植物、原核的蓝绿藻（蓝菌）和真核的藻类。叶绿素从光中吸收能量，然后能量被用来将二氧化碳转变为碳水化合物。叶绿素是衡量初级生产力的指标,可直接或间接反映水质富营养化的程度。异龙湖全湖19932010 年水体中叶绿素A含量变化见图，期间叶绿素A含量呈现先下降后上升的基本特点。年平均叶绿素A含量为55.56mgL-1。最高含量出现在2010年为179.46 mgL-1，最低质量浓度出现在2004 年为13.63mgL-1。19962008 年这一时期营养盐等生态因子不适宜藻类生长，是导致这一时期叶绿素A 较低的重要原因。2.3 PCA分析结果主成分分析是通过对属种数据的分析，在双轴图中间接地反映出各硅藻种属的关系。PCA分析结果表明，前两个轴的特征值解释了69%的硅藻信息量。图中根据主要硅藻种的分布, Fragilaria construens 和Cyclotella stelligera 等呈反相关关系, 代表了营养梯度的主要方向。脆杆藻属（Fragilaria ）属于富营养藻类，位于营养梯度的正方向, 而小环藻属（Cyclotella）等作为清洁藻类, 则位于营养梯度的负方向。 3 结论对样品数据在C2中做PCA分析，得到草图后，剔除了其中冗杂的硅藻类，保留了其中6个较为明显的硅藻样本，分别是Fragilaria construens var# venter、Mastogloia elliptica、Fragilaria construens、Achnanthes lanceolata var# elliptica、Navicula menisculus、Cyclotella stelliger，其中Fragilaria construens var# venter无论是在第一贡献值还是在第二贡献值上均较高，其第一、第二贡献值分别2.65、2.75，表明该藻类在整个样点中影响较大，其余各藻类只在单一的贡献值上表现突出，第一贡献值最大的为Fragilaria construens达到了4.59，最小的为Cyclotella stelliger-1.14。在第二贡献值上最大的依然是Fragilaria construens var# venter，最小的为Navicula menisculus，为-3.69。对每个样点做PCA分析，发现样点在空间上有明显的集聚现象，我们剔除了其中的一些集聚冗杂的点，转而以部分点代替整体点，本次数据样品取自异龙湖1-64m，每隔1m取样，对其做主主成分分析主要是想知道在垂直深度上，那些地区是影响硅藻生长的关键地区。由图分析可知，10-20m的地区其贡献值最大，在9m处第一贡献值达到了1.56。最小贡献值出现在55m附近，达到了-0.90。在第二贡献值上，最大的仍然集中在15m附近处，达到了0.80。最小的集中在45m处，为-0.76。我们可以据此判断，10-20m对硅藻的生长影响较大，而且是正的方向的影响，而越往深处去，对硅藻的影响越偏向于负的影响。多数学者认为氮、磷等营养物质浓度升高，是藻类大量繁殖的原因，其中又以磷为关键因素。影响藻类生长的物理、化学和生物因素(如阳光、营养盐类、季节变化、水温、pH值，以及生物本身的相互关系)是极为复杂的。因此，很难预测藻类生长的趋势，也难以定出表示富营养化的指标。目前一般采用的指标是：水体中氮含量超过0.2-0.3ppm，生化需氧量大于10ppm，磷含量大于0.01-0.02ppm，pH值7-9的淡水中细菌总数每毫升超过10万个，表征藻类数量的叶绿素-a含量大于10mg/L。分析水体的优势类群，生物量排在前10的藻类中，直链藻、脆杆藻等属于富营养藻类，且小环藻、脆杆藻等都是耐污能力较强的藻类，均在此水体中存在较大的量。此外，异龙湖水体中总氮、总磷等含量均较高。因此说明水质有富营养化趋势。由此看出，湖泊富营养化与水体中营养物质密切相关，尤其是氮、磷。藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中，又把大量的氮、磷等营养物质释放入水中，供新的一代藻类等生物利用。因此，富营养化了的水体，即使切断外界营养物质的来源，水体也很难自净和恢复到正常状态。参考文献：1 羊向东;沈吉;夏威岚;朱育新.龙感湖近代沉积硅藻组合与营养演化的动态过程.古生物学报.2002.455-4602 董旭辉,羊向东,王荣.长江中下游地区湖泊富营养化的硅藻指示性属种.中国环境科学, 2006, 26(5): 570-5743 姚敏,刘倩,李艳玲,等.南京市两个小型富营养湖泊浮游硅藻的季节性变化.湖泊科学, 2009, 21(5): 693-699 4 胡胜华,高云霓,张世羊，周巧红，徐栋，吴振斌. 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