氮磷浓度对浮游动物和大型沉水植物的影响

氮磷浓度对浮游动物和大型沉水植物的影响

如果水体中氮和磷的浓度过高，湖泊将从大型水生植物变为浮游生物，湖泊将因湖泊规模而改变为浑浊的藻类。这种藻类水处理能力频繁出现。生物操纵是用于控制藻类过量繁殖的重要技术之一,该技术以通过调节湖泊水体食物网结构来影响浮游植物初级生产力水平,达到湖泊内源治理目的。对该技术的应用显示,其对温带地区浅水型富营养化湖泊及水库生态系统的恢复具有较好的效果,但持久性差,为此Benndorf提出了生物操纵的磷负荷阈值问题。不同学者对磷负荷阈值范围的研究结果并不一致,有报道认为,生物操纵要在磷浓度在0.05—0.15mg/L和0.25mg/L时才有较好的效果。由于浮游动物对藻类的牧食作用仅能使氮磷沿食物链从一端转移到另一端,无法移出水生态系统,因此仅凭生物操纵技术无法从根本上解决水生态系统的富营养化问题。湖泊富营养化导致水体透明度降低,加之各种浮游藻类的毒害作用,使得高等水生植物的生存压力较大,而其存在对维持湖水的清澈具有重要作用,可以增强生物操纵技术效果的持久性。Scheffer,etal.也认为,在生态灾变和生态修复的可逆过程中沉水植物和浮游藻类在一定营养盐浓度范围内可以共存。为进一步弄清在富营养化水体中实施生物操纵所需的氮磷条件,及同时恢复高等水生植物的可行性,本试验以浮游植物(小球藻)、浮游动物(大型溞)及高等水生植物(金鱼藻)为材料,在不同氮磷浓度的培养液中对小球藻分别与大型溞、金鱼藻及三者间共培养时的相互作用情况进行了系统研究,以期对水华控制及湖泊生态恢复提供更多的理论依据。1材料和方法1.1不同培养形式的气调培养金鱼藻(Ceratophyllumdemersum):选取生长良好、长势一致的15cm顶枝做试验材料。小球藻(Chlorellavugaris):采用Hoagland(0.1×)营养液进行纯培养,试验前采用Hoagland(0.1×)营养液于HP300G-C型光照培养箱(温度25℃、光强2000—3000lx)中预培养7d。大型溞(Daphniamagna):实验室内进行纯化培养并进行试验前的驯化(温度25℃,光照2000—3000lx,光暗比14∶10),试验中使用同一母体繁殖三代以上的出生6—24h的幼龄期大型溞作为试验对象。1.2小球藻密度和大型的繁殖培养液的配制培养液Ⅰ:采用Hoagland(1/20)营养液为母液,通过添加含氮、磷的盐来配制高氮浓度(10.5mg/L)下磷浓度分别为0.05、0.1、0.5、2mg/L的不同浓度梯度的培养液。培养液Ⅱ:在水中添加适量的氮、磷盐类及所需的Hoagland(1/20)营养液的铁盐和微量元素,配制低氮(0.5mg/L)下磷浓度分别为0.05、0.1、0.5、2mg/L的不同浓度梯度的培养液。其中培养液Ⅰ和培养液Ⅱ的硝态氮和氨态氮比都为14∶1。小球藻和大型溞共培养在250mL的锥形瓶中加入等量的Hoagland(1/20)营养液及5个大型溞,然后分别加入离心后的小球藻母液0(对照)、0.2、2、5、10mL,每个小球藻梯度设三个重复,培养10d。观察大型溞的繁殖情况。结果显示:小球藻密度介于1.56×105个/mL和1.32×106个/mL之间时适宜大型溞的繁殖(表1)。在盛有不同浓度梯度培养液Ⅰ和Ⅱ的锥形瓶(体积为130mL)中,放入5个形态相似的大型溞和密度约为1.6×105个/mL的小球藻于培养箱内(25℃2000—3000lx)培养15d,每个磷浓度设三个重复每隔3天添加适量培养液以补充营养盐消耗。监测小球藻密度和大型溞数目的变化,以及试验前后各培养液中氮、磷浓度的变化。小球藻和金鱼藻共培养在盛有不同浓度梯度培养液Ⅰ和Ⅱ的烧杯(1000mL)中加入等量的金鱼藻(2g)和小球藻(密度约1.6×105个/mL)于培养箱内(25℃,2000—3000lx)培养15d,每个磷浓度设三个重复,每隔3天添加适量培养液以补充营养盐消耗。监测小球藻密度和金鱼藻生物量的变化,以及试验前后各培养液中氮、磷浓度的变化。藻-溞-草共培养在盛有不同浓度梯度培养液Ⅰ和Ⅱ的烧杯(1000mL)中加入等量的金鱼藻(2g)、小球藻(密度约1.6×105个/mL)及5个形态相似的大型溞于培养箱内(25℃,2000—3000lx)培养15d,每个磷浓度设三个重复,每隔3天添加适量培养液以补充营养盐消耗。监测小球藻密度、大型溞数目及金鱼藻生物量的变化,以及试验前后各培养液中氮、磷浓度的变化。1.3小球藻密度检测金鱼藻生物量:用吸水纸吸水后迅速称重。小球藻密度:以相同初始条件接种三瓶小球藻进行纯培养,定期测定680nm下的吸光值A,同时用血球计数板计量小球藻密度,建立A680值-藻细胞密度标准曲线;试验中通过测定A680值求得藻细胞密度。大型溞数目:肉眼计数。氮、磷浓度:将培养液以4000r/min离心10min,取其上清液进行氮磷含量测定。采用SPSS16.0统计软件对试验数据进行分析。2结果2.1不同浓度磷浓度对小球藻的影响由图1a可见:在高氮条件下,磷浓度为0.1mg/L时大型溞的数目显著高于其余浓度时的增量(P<0.05)。在磷浓度小于0.1mg/L时,小球藻密度增加幅度较小,培养液中水较清澈;磷浓度大于0.1mg/L时,小球藻密度急剧增加,培养液变绿。可见磷浓度不大于0.1mg/L时,大型溞对小球藻具有显著抑制作用(P<0.05);随着磷浓度增高,大型溞对小球藻的抑制程度减少。由图1b可见:在低氮条件下,随磷浓度增大,大型溞的繁殖速率逐渐增大,在磷浓度介于0.05—0.5mg/L时,小球藻增长率均较低,而磷浓度为2mg/L时小球藻增长率显著高于其余浓度时的值(P<0.05)。2.2不同浓度金鱼藻的生物量由图2a可见:在高氮条件下,磷浓度不大于0.1mg/L时,金鱼藻对小球藻的增长有较高的抑制作用,小球藻密度比起始值降低了40%—50%;磷浓度介于0.1—2mg/L时,金鱼藻生物量明显下降,而小球藻受到的抑制作用减弱,其密度呈现正增长。由图2b可见:在低氮条件下,不同磷浓度时金鱼藻与小球藻的增长率均有不同程度增加。金鱼藻的生物量呈先增后降趋势,在磷浓度介于0.1—0.5mg/L时其生物量增加约80%—90%。小球藻密度随磷浓度升高而不断增加,磷浓度为0.1mg/L时金鱼藻增长率高于小球藻,说明金鱼藻具有较强的竞争优势;继续增大磷浓度,此种竞争优势逐渐消失;在磷浓度为2mg/L时,金鱼藻完全失去竞争优势。2.3不同浓度磷对金鱼藻生物量的影响由图3可见:在高氮、低氮条件下实验时的藻-溞-草增长率变化趋势是一致的。小球藻密度要经历先增后降的过程,具体表现为前4天保持正增长,而第5天至第12天均保持负增长,且相同氮磷浓度组下第8天与第12天时的小球藻密度无显著差异(P>0.05),说明小球藻在经历一个短暂的增长期后,其种群数量很快得到了抑制;高氮比低氮条件时对小球藻的抑制作用显著(P<0.01)。金鱼藻随磷浓度的增加其生物量呈现先增后减的变化趋势,在磷浓度为0.1mg/L与0.5mg/L处理组的金鱼藻生物量增量显著高于(P<0.05)其他两个磷处理组,且在低氮条件下的金鱼藻增量比高氮条件下高出25%—30%(P<0.05)。大型溞数目随磷浓度的升高而增加,2mg/L处理组与其他处理组之间存在显著差异(P<0.05)。2.4总磷、总磷去除率由图4可见:小球藻与大型溞共培养时,高氮条件下4个磷浓度梯度间的除氮效果无显著差异(P>0.05),平均去除率均在60%以上;在磷浓度为0.1、0.5mg/L时去除率(约80%左右)高于其他两个浓度。在低氮条件下,磷浓度为0.1、0.5、2mg/L时的除氮效果显著高于0.05mg/L的浓度组;磷的去除率在4个不同浓度梯度间无显著差异。小球藻与金鱼藻共培养时,在两种氮浓度条件下均表现为:0.5mg/L磷浓度下氮、磷平均去除率均显著高于其他磷浓度下的去除率(P<0.05)。三者共培养时,在高氮条件下,磷浓度为0.5mg/L时对氮、磷的去除率均显著高于其他浓度(P<0.05);在低氮条件下,磷浓度为0.05mg/L与0.5mg/L时的氮平均去除率显著高于其他浓度,但磷去除率在4个磷浓度间无显著差异。3讨论3.1氮磷比及磷控制效果本实验清晰地说明了在富营养化水体中实施生物操纵的效果会受到氮、磷浓度以及N/P比例的明显影响。在本实验中,在高氮条件下,对应于0.05、0.1、0.5和2mg/L的磷浓度,N/P摩尔比值分别为465/1、232.5/1、46.5/1、11.6/1;在低氮条件下相对应的N/P摩尔比值分别为22/1、11.1/1、2.2/1、0.56/1。小球藻与金鱼藻共培养时,在高氮条件下,磷浓度小于0.1mg/L(N/P>232.5/1)时,金鱼藻在竞争中占据优势,而小球藻繁殖受抑制,当磷浓度大于0.1mg/L(N/P比为232.5/1—11.6/1)时,小球藻的种群数量升高,而金鱼藻的生物量则远低于初始值;这种高磷条件下不利于金鱼藻生长的现象与王郡等的研究结果基本一致。在低氮浓度时,高的磷浓度(N/P=0.56/1)能抑制金鱼藻的生长而使小球藻占优势。与低氮情况相比,高氮条件对金鱼藻、大型溞及小球藻的增长均存在一定抑制作用。从氮磷比的角度分析,也可以这样认为,在藻-草竞争中,水中氮浓度高时,很高的氮磷比对大型沉水植物有利,而较适中的氮磷比,则会使藻占据优势;而在低氮浓度时,高于氮浓度的磷,会使藻占据竞争优势。小球藻与大型溞共培养时,两者的种群数量均随磷浓度的升高而增加,且高氮浓度更利于小球藻的繁殖。在高氮情况下,大型溞在磷浓度小于0.1mg/L(N/P>232.5/1)时占优势,这和有的学者提出的生物操纵在0.05—0.15mg/L时有较好的抑藻效果相一致。低氮情况时,大型溞随磷浓度的增加(N/P比由22/1→0.56/1)其繁殖速度远高于小球藻。从氮磷比的角度看,高氮时,磷的相对缺乏有利于大型溞控制藻,低氮时,则磷浓度的增加对大型溞的控藻效果影响不大。Jeppesen,etal.也认为如果湖泊N输入很低以至于N成为营养限制因子,则即使在水体P含量很高时施行生物操纵也有可能取得成功。这与本研究的结果是一致的。在两种氮浓度下进行藻-溞-草共培养时,不同磷浓度下三者的种群数量或生物量的变化趋势基本相同,在各种氮磷浓度下(N/P比为465/1-0.56/1),8d后,小球藻一直处于负增长状态,金鱼藻和大型溞处于正增长状态,尤其是大型溞增加的幅度更加明显。原因是大型溞数量的迅速增加,加大了对小球藻的牧食压力,抑制了小球藻的增长,也为金鱼藻的生长创造了有利的环境条件。与前述的藻、溞、草三者中两者间的共培养结果相比,几乎在任何大小的氮磷比值下,小球藻都受到了抑制,而大型溞和大型沉水植物则处于优势。这说明在藻-溞系统中,大型水生植物的加入,可以大大提高溞对藻的控制效果,减小了由于N/P比的波动所引起的负面影响,也说明生态系统的复杂和生物多样性的提高,有利于增强大型水生植物的竞争力、抑制藻的繁殖。因此,单纯依靠浮游动物牧食浮游植物的生物操纵是难以取得长期良好的效果的,需要实施其他辅助措施,最有效的方法之一就是恢复水生植被。武汉月湖在磷浓度明显高于0.25mg/L的情况下,实施的生物操纵取得了初步成效,而Scheffer,etal.认为,在0.25mg/L以内的磷负荷下,浅水湖泊可以通过沉水植物固定营养物而维持清洁状态,高于此浓度,浮游植物将会占据优势。马剑敏等认为,武汉月湖在较高磷浓度下,生物操纵取得初步成效的条件之一是恢复/重建水生植被。本研究结果也证明了这一点。3.2种植沉水植物对生物操纵控藻所需的氮磷条件进行系统研究对减少水华暴发、修复富营养化水体环境以及构建大型沉水植被有重要意义。在富营养化湖泊中,浮游藻类就是利用了水体中丰富的氮磷元素大量繁殖使水表层的透光度大大降低,才制约了沉水植物的正常生长。通过浮游动物的摄食(下行作用),可以达到直接控制浮游植物的目的。在本试验大型溞和小球藻共培养中,大型溞的数量和小球藻的密度呈显著相关性,说明大型溞能对小球藻的密度起有效地控制作用。种植沉水植物(上行效应)可以保证生物操纵效果。在研究氮磷浓度对藻-溞-草共培养时的影响中发现,当磷浓度小于2mg/L时,大型溞与金鱼藻的生物量均有不同程度的升高,对小球藻有明显的抑制效果。李云祥等研究表明,适当提高磷营养水平有利于金鱼藻植株的叶绿素合成,而磷浓度过高时又不利于其合成叶绿素,可见磷浓度因子对金鱼藻能否正常生长影响较大。本实验金鱼藻是常见大型水生植物,一方面其通气组织特别发达,能在特别缺乏空气的水中进行光合作用产生氧气,提高水体的溶氧浓度,为大型溞的繁殖及生长提供足够的氧气;另一方面,在适宜的环境下生长时可抑制浮游植物生长,改变浮游植物结构,导致浮游藻类减少同时为浮游动物提供良好的生长环境,进而提