养殖水体中ph、do和叶绿素a的关系

养殖水体中ph、do和叶绿素a的关系

近年来，随着农业和畜牧业的快速发展，人口急剧增加，大量氮和磷养分进入海洋、河流、湖泊和水库等水体，导致水体富营养化。富营养化最显著的特征是某种藻类异常增殖,打破水体生态平衡链,导致整个水体环境条件发生变化。水体的pH值是反映水体化学的一个重要指标,常被作为生态环境影响因素来考虑。研究表明在藻类繁盛天然水中,pH可高达9～10,过高的pH又对藻类的光合作用产生抑制作用。DO是水生生物生理代谢的限制因子之一,其高、低可表征水生生物生长状况和水体污染程度。在藻类丰富水体中,DO浓度因植物光合作用及水生生物呼吸作用而呈现一定周期性变化。叶绿素a是反映藻类数量的重要指标,常被作为评价水体富营养化状况的主导因子。藻类生长与水体中多种环境因子密切相关,例如氮、磷、光照强度和周期、水温、pH和DO等,藻类数量变化是这些因子综合作用的结果。有学者提出,在富营养化水体中,pH或DO与藻类数量存在较好相关性,通过对pH或DO的监测,可以对“水华”或“赤潮”现象进行预测和预警。在对某一特定水体进行长期pH和DO监测时,可利用二者显著相关这一特点相互引证、及时发现异常现象或监测偏差。但不同水体中pH、DO、叶绿素a之间的相互影响不同,三者之间的相关性也不尽相同,不能一概而论。根据水体生态系统的复杂程度,可将水体分为养殖水体和非养殖水体两大类。其中养殖水体是指被用于人工养殖鱼类、甲壳类、贝类等经济生物的水体,非养殖水体是指除养殖水体以外的水体。目前,这两大类水体中的环境监测和研究已引起了人们的普遍关注。本文收集近20年来国内、外室内研究水体(实验室微型生态系统)和室外研究水体(现场围隔实验水体和养殖水域水体)的实验资料,重点分析和总结养殖水体中pH、DO、叶绿素a之间的相关性,以期为养殖水体水质监测,预警和及时治理水体富营养化提供支持。将有续文讨论非养殖水体中的情况。1基础研究1.1水景对co、hco-3的影响水体pH主要受CO2含量的影响。水中CO2与水以及碳酸盐和碳酸氢盐作用,构成一个复杂可逆碳酸盐系统。系统中各种不同成分按下列平衡相互联系:CO2(g)⇔CO2(aq);KH=10-1.5(1)CO2(aq)+H2O⇔H2CO3;K1=10-2.8(2)H2CO3⇔HCO-3+H+;K2=10-3.5(3)HCO-3⇔CO2-32−3+H+;K3=10-10.3(4)CO2-32−3+Me2+⇔MeCO3↓(5)CO2(aq)+H2O+MeCO3⇔Me(HCO3)2(6)式中:Me2+表示二价金属离子。上述平衡控制着水体中pH的变化,其中任何一种离子浓度的变化都将引起pH的改变。CO2含量又受藻类光合作用、水生生物呼吸作用、水温、有机物质氧化分解等的影响。藻类光合作用是把水中CO2转化为有机物C6H12O6和O2,水生生物呼吸作用是利用有机物,产生CO2。光合作用及呼吸作用反应式如下:6CΟ2+6Η2Ο+E光照→C6Η12Ο6+6Ο2(7)C6Η12Ο6+6Ο2→6CΟ2+6Η2Ο+E(8)6CO2+6H2O+E→光照C6H12O6+6O2(7)C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+E(8)式中:E代表能量。相对空气而言,CO2在水中沿浓度梯度扩散很慢,而藻类光合作用可快速减少CO2,使(9)式平衡偏移,促使水中HCO-3分解,OH-浓度或活度增加,pH升高。相反,水生生物呼吸作用可增加CO2,对水中HCO-3分解有抑制作用,从而使pH降低。HCO-3的解离平衡反应:HCO-3⇔OH-+CO2(9)水温通过影响光合酶和呼吸酶的活性来控制藻类光合作用速率及水生生物呼吸作用速率,进而决定(7)、(8)式代谢活动消耗或产生的CO2量。研究表明,一定温度范围内,水温升高可促进藻类的光合作用及水生生物的呼吸作用。水温对CO2在水中的溶解度也有一定的影响。大气压一定时,随着水温的升高,CO2气体分子运动速率加快,容易自水面逸出,因此在水中的溶解度降低;反之,水温降低,CO2的溶解度升高。当水体含有衰亡的藻类或其他有机污染物质时,该有机物可在生物化学氧化作用下被转化为CO2,HNO2和HNO3,导致pH降低。氧化作用反应如下:RCΗ(ΝΗ2)CΟΟΗ+Ο2→RCΟΟΗ+CΟRCH(NH2)COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3(10)2ΝΗ3+3Ο2→2ΗΝΟ2+2Η2Ο(11)2ΗΝΟ2+Ο2→2ΗΝΟ3(12)2NH3+3O2→2HNO2+2H2O(11)2HNO2+O2→2HNO3(12)从上述关系式可以看出,水体的pH与藻类生命活动密切相关。更有研究表明,在藻类丰盛的水体中,当藻类数量增加到一定数量级时,其数量的多少和生命活动的旺盛程度对水体的pH起主导作用。1.2de表征生物活性DO的收入主要包括水生植物的光合作用和大气复氧,水生生物好氧是DO的主要支出。DO的浓度变化遵循以下关系式:dCdt=ka(Csat-C)+Ρt-Rg(tr﹤t﹤ts)(13)Rg=R+k1(BΟD)(14)dCdt=ka(Csat−C)+Pt−Rg(tr﹤t﹤ts)(13)Rg=R+k1(BOD)(14)式中:tr为日出时间,d;t为测定时间,d;ts为日落时间,d;ka为复氧常数,与水文、水温条件有关,d-1;C为DO的浓度,mg/L;Csat为一定温度下,DO的饱和浓度,mg/L;Pt为t时刻,植物或藻类光合作用速率,它是温度、光照和叶绿素a的函数,mg/(L·d);Rg为水生生物的呼吸作用,mg/(L·d);R为植物或藻类呼吸作用速率,mg/(L·d);BOD为生化需氧量,mg/L;k1为生化需氧量常数,取决于溶解性有机碳和营养盐的浓度,d-1。其中植物或藻类光合作用速率见下面关系式:Ρt=ΡmaxΙtΙk√1+(ΙtΙk)2(15)式中:It为时测太阳辐射,Ly/d;Ik为植物或藻类生长最佳的光照强度,500Ly/d;Pmax为最大光合作用速率,mg/(L·d)。可见,水体的DO也与藻类的生命活动有关。当藻类数量增加到一定数量级时,其数量的多少和生命活动的旺盛程度控制了水体中DO的变化。1.3h+2ehg+4h3.2oaqe0的氧化还原电化学特征pH和DO的变化均在某种程度上受藻类光合作用、水生生物呼吸作用、水温、有机物质氧化分解等的影响,并且CO2的消耗或产生往往伴随着O2的产生或消耗,因此二者之间存在一定的联系,并可能相互影响。一般水体中,水本身具有氧化-还原性质,并与酸度有关。2H++2e⇔H2(g)E0=0O2(g)+4H++4e⇔2H2O(aq)E0=+1.23V由上面的氧化还原电极电对反应式可知,pH值降低,即H+的浓度或活度增大会促进水的氧化还原反应向正反应方向进行,则H+与O2反应生成水,使DO降低;反之,pH值升高又会使氧化还原反应向负方向进行。但pH值过高,又对藻类的光合作用有抑制作用,从而抑制DO的增大。2实验水体的水体表1采用SPSS13.0软件,对已有研究中pH与叶绿素a进行了相关和回归分析。因目前尚未收集到这方面的实验室资料,研究水体主要是现场围隔实验水体和养殖水域水体。水样监测时间一般在上午8:00—10:00之间。2.1u3000投加量及水质潘家口水库围隔实验(2009年8—10月)共设5个围隔(2.9m×2.9m×(1.5～1.8)m;长×宽×深度),其中0#围隔为实验对照,1#围隔只投鱼饵,2#围隔单养鳙鱼(密度:95.2g/m3)并投鱼饵,3#围隔单养鲤鱼(密度:67.2g/m3)并投鱼饵,4#围隔鳙鲤混养(密度:66.2g/m3)并投鱼饵。1#～4#围隔每日投加3次鱼饵,每次投加量分别为16.7、16.7、20和20g。这里将2#～4#围隔作为养殖水体对待。采用YSI6600监测仪现场监测pH、水温、DO、矿化度、电导率、叶绿素a。监测时间一般在上午8:00—10:00之间(绝大部分实验时间天气晴好,光照强度大于105lx)。监测对象包括上述5个围隔水体和围隔周围的库区水体。监测频率为每两天监测一次(9月9日14:33监测,数据未采用)。有鱼围隔(2#～4#)叶绿素a平均含量分别为52、89和57μg/L,均小于90μg/L。由图1可见,2#～4#围隔pH与叶绿素a均无相关性。这是因为有鱼围隔生态系统比较复杂,pH变化一方面受藻类光合作用的影响,CO2的消耗促进HCO-3的解离;另一方面还受水生生物呼吸作用、饵料残渣、鱼类排泄物及底部沉积物中有机物氧化分解等的影响,产生的CO2抑制HCO-3的解离,可能是这两方面相互作用使得pH与叶绿素a关系复杂、无相关性。2.2ph与叶绿素a的关系实验期间夏季和秋季潘家口水库叶绿素a平均含量仅为5.4μg/L,小于10μg/L,pH与叶绿素a无相关性,如图2所示。原因也可能是一方面受藻类光合作用影响;另一方面是因为库区大面积网箱养殖带来水生生物呼吸作用及饵料残渣和鱼类排泄物氧化分解等,如前所述;同时潘家口水库又属于深水型水库,水体自身自净能力较强,这些因素的综合作用使得pH与叶绿素a关系复杂。S.Porrello等的研究表明6—11月期间,在封闭式海鱼养殖场中,当叶绿素a平含量小于10μg/L时,pH与叶绿素a无明显相关(表1)。夏季和秋季同安湾丙州养殖水体中叶绿素a平均含量约3μg/L,小于10μg/L。不同于水体交换能力弱的水库或封闭式渔场养殖水体,海湾养殖水域水体在水流和波浪的作用下与外海水体交换能力较强,水体中的残饵、排泄物等有机污染物很快被驱散,产生的CO2量减少,对HCO-3的解离平衡影响减弱,如(9)式所示,即对pH的影响减小。因此藻类光合作用消耗CO2控制了HCO-3的解离平衡,pH与叶绿素a呈显著正相关(表1)。因此,现有资料表明,在水体交换能力弱的夏季和秋季养殖水域水体中,当叶绿素a平均含量低于10μg/L时,pH与叶绿素a无明显相关甚至无相关;在水体交换能力强的夏季和秋季养殖水域水体中,当叶绿素a平均含量低于10μg/L时,pH与叶绿素a呈显著正相关。在叶绿素a平均含量低于90μg/L的夏季和秋季现场围隔实验水体中,pH与叶绿素a无相关。3相关和回归分析采用SPSS13.0软件,对已有研究中DO与叶绿素a进行了相关和回归分析,如表2所示。同上,这里研究水体也主要是现场围隔试验水体和养殖水域水体。水样监测时间一般在上午8:00—10:00之间。3.1其他藻类和藻类有机物夏季和秋季潘家口水库围隔实验中,生态系统比较复杂的2#～4#围隔DO与叶绿素a均无相关性,如图3所示。这是因为DO一方面受藻类光合作用的影响,产生的O2导致DO升高;另一方面又受水生生物呼吸作用,饵料残渣、鱼类排泄物及底部沉积物中有机物氧化分解等因素的影响,O2的消耗导致DO降低,可能是这两方面相互作用使得DO与叶绿素a关系复杂,不相关。这和Takehiko等的研究结论一致。在他们不同鲢鱼密度的围隔2#～6#中,叶绿素a平均含量均小于90μg/L,DO与叶绿素a无明显相关(表2)。3.2养鱼液中do与叶绿素a的关系实验期间夏季和秋季潘家口水库中DO与叶绿素a不相关,如图4所示。原因也可能是一方面受藻类光合作用影响;另一方面是因为库区大面积网箱养殖带来水生生物呼吸作用及饵料残渣和鱼类排泄物氧化分解,如前所述;同时潘家口水库水体自身有较强的净化能力,这些因素的综合作用使得DO与叶绿素a关系复杂。S.Porrello等封闭式海鱼养殖场中DO与叶绿素a无明显相关(表2)。不同于水体交换能力弱的水库或封闭式渔场养殖水体,同安湾丙州养殖水体中的有机污染物在水流和波浪作用下很快被驱散,O2的消耗减少,对DO的影响较小,如式(13)所示,DO的变化主要受藻类光合作用的影响,二者呈显著正相关。但水体交换能力较强的流沙湾养殖水体中夏季和秋季DO与叶绿素a不相关,这可能与海域具体的生境条件、养殖种类和养殖密度有关。因此,现有资料表明,在水体交换能力弱的夏季和秋季养殖水域水体中,当叶绿素a平均含量低于10μg/L时,DO与叶绿素a无明显相关甚至无相关;在水体交换能力强的夏季和秋季养殖水域水体中,当叶绿素a平均含量低于10μg/L时,DO与叶绿素a可能呈显著正相关或无相关。在叶绿素a平均含量低于90μg/L的夏季和秋季现场围隔实验水体中,DO与叶绿素a无明显相关甚至无相关。4水体ph与do相关分析pH和DO的相关性研究见表3。采用SPSS13.0软件对已有研究中pH与DO进行了相关和回归分析。同上,这里研究水体主要是现场围隔试验水体和养殖水域水体。水样监测时间一般在上8:00—10:00之间。4.1月之后18:32文献研究了pH和DO在现场围隔实验水体中的日变化。东周水库有鱼围隔2#～6#中,pH和DO呈现出明显的日变化,即pH和DO在早晨6:00时最低,日出后整个白天,pH和DO从最小值逐渐增加至日落前,在18:00时达到最大。原因在于日出之后,水体中的藻类开始进行光合作用,迅速消耗水中CO2,pH升高。光合作用同时产生O2,虽然白天水生生物进行呼吸作用耗O2,但O2耗量远小于光合作用的O2产量。因此,经过整个白天的积累,在日落前pH和DO都上升到最大值。但黑夜后,藻类和其他水生生物只能进行呼吸作用消耗O2,积累CO2,因此,pH和DO在次日早晨6:00时又达到最小值。潘家口水库围隔实验中,2#～4#围隔pH和DO均呈较显著正线性相关(r=0.94～0.97,P<0.01),如图5所示,这是藻类光合作用、水生生物呼吸作用、有机物质氧化分解等因素相互作用的综合体现。4.2水体中ph和do的相关性pH和DO的日变化规律也表现在养殖水域水体中。研究表明,养殖水域水体中pH与DO存在显著正线性相关性。前文中pH与DO的变化均主要受藻类光合作用的影响;后文认为菊花心江蓠可有效地利用鱼或虾代谢产生的废物,对水体有很强的净化作用,并使得水体中的pH和DO维持稳定。文献表明,在有机污染严重,碱度较高的黄河壶口-三门峡段渔业水域水体中,CODMn成为影响水体中DO变化的主要因素,而且较高的碱度抑制了水生生物的生长,因此削弱了pH对DO的控制作用,导