滆湖和骆马湖春季浮游植物光合作用活性的研究*

李大命，阳 振，于 洋，唐晟凯，张彤晴，周 刚

(1:江苏省淡水水产研究所，南京 210017)

(2:中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008)

浮游植物是水生生态系统的重要组成部分，分布广泛，种类繁多，也是生态系统中的主要初级生产者.浮游植物是水环境的重要指示生物，广泛用于湖泊水体环境的评价，可以指示湖泊的营养水平[1].反过来，环境条件也能直接影响浮游植物的群落结构和种群丰度[2-4].湖泊富营养化是当今世界面临的重大水环境问题，导致夏季蓝藻水华频繁发生，严重威胁水生态系统安全.富营养水平是影响浮游植物竞争力及其优势种属差异的重要因素，这种差异源于浮游植物生理特征对富营养化的响应不同[5].因此，原位研究不同营养水平湖泊浮游植物最基本的生理指标——光合活性，对于深入认识浮游植物的演替规律和蓝藻水华的形成过程有重要作用.

叶绿素荧光技术是评价植物光合活性的一种快速、无损伤的常用方法，在过去几十年里取得了很大进展.叶绿素荧光参数众多，能提供光合作用的多种信息.德国Walz 公司生产的Phyto-PAM 浮游植物分析仪可用于测定不同类群微藻(如蓝藻、绿藻和硅藻)的光合活性、生长、叶绿素含量、光能利用效率等，并可用于确定水体中不同类群微藻含量，该仪器所需样品量少，灵敏度高[6].近年来，该仪器被广泛用于水华蓝藻的光合活性研究，如吴晓东等原位研究了太湖、巢湖和玄武湖越冬蓝藻的光和活性并比较了3 个湖泊间的差异[7]，Verspagen 等测定了底泥中微囊藻最大光量子产量的动态变化[8]，Goto 等调查了日本琵琶湖浮游植物光合活性的时空变化，并分析了光合活性与环境因子间的关系[9].

本研究采用Phyto-PAM 浮游植物荧光仪测定营养水平不同的两个湖泊——滆湖和骆马湖在春季浮游植物的光合作用活性，探讨湖泊富营养化对浮游植物光合作用活性和群落结构的影响，同时为滆湖和骆马湖的蓝藻水华监测和预警提供基础数据.

1 材料和方法

1.1 采样点和水样采集

滆湖(31°29' ～31°42'N，119°44' ～119°53'E)位于太湖流域西部，是苏南地区仅次于太湖的第二大湖泊，属长江三角洲浅水湖泊类型.湖面长茄形，南北长25 km，东西平均宽约6.6 km，水域面积164 km2，常年平均水深1.27 m，总蓄水量2.15×108m3.具有饮用、灌溉、航运、游览和水产养殖等多种使用功能.滆湖水质污染严重，TN 和TP 超标严重，总体处于V 类水质，超富营养化阶段[10].根据滆湖营养水平和项目要求，设置6 个采样点，从北到南依次为G1 至G6(图1).

骆马湖(34°00' ～34°14'N，118°06' ～ 118°18'E)位于江苏省北部，是江苏省第四大淡水湖泊.南北长27 km，最大宽20 km，平均宽9.63 km.最大水深5.5 m，平均水深3.3 m，水域面积260 km2，是具有防洪、灌溉、调水、水产、承运等综合利用功能的平原型水库[11].1990s 以来，由于区域经济的高速发展，影响了湖水水质，生态环境受到破坏，湖泊朝富营养化方向发展.本研究在骆马湖设置6 个采样点(L1 ～L6)(图1).

图1 滆湖和骆马湖采样点Fig.1 Sampling sites in Lake Gehu and Lake Luoma

水样采集在2012年4月中旬进行，采用GPS 对采样点准确定位，使用有机玻璃采水器采集表层水样10.0 L，混合均匀，取3.0 L 带回实验室进一步分析.

1.2 理化因子测定

采用多功能水质参数仪YSI 6600(Yellow Spring Instruments，USA)原位测定采样点水体的理化参数，包括温度(temperature，Tem)、溶解氧(Dissolved oxygen，DO)和pH 值.用赛氏盘测定水体的透明度(SD)，钼酸铵分光光度法测定总磷(TP)，碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定总氮(TN)，正磷酸盐(-P)、硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)用0.45 μm 滤膜抽滤后采用连续漂流分析仪(Skalar Sanplusanalyzer，Netherlands)测定.叶绿素a (Chl.a)采用经过GF/C 滤膜抽滤200 ～400 ml 水样，充分研磨后，90%丙酮萃取的方法进行测定[12].

1.3 浮游植物镜检和计数

取1 L 水样，加入10 ml 鲁哥试剂进行固定，室温静置48 h，最后浓缩至30 ml.浮游植物密度和种类组成在显微镜下进行计数和鉴定.计数方法采用目镜行格法，一般随机计数两个垂直方格.每个样品计数2 次，取平均值，浮游植物丰度用cells/L 表示.浮游植物种属的鉴定参照《淡水浮游生物研究方法》[13]和《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[14].

1.4 浮游植物光合活性测定

应用浮游植物荧光仪Phyto-PAM (Phyto-PAM，ED，Walz，Germany)测定浮游植物光合活性.取水样3 ml，经过充分的暗适应(15 min)后，首先打开光量子密度很弱的测量光(Measuring radiation，ML)，仪器检测到最小荧光F0，接着打开饱和脉冲(saturation pulse)，得到最大荧光值Fm，即可计算出最大光量子产量Fv/Fm，该值反映了浮游植物光合活性的最大潜能.设定仪器每隔20 s 加以强度逐渐增大的光化光(Actinic light)，同时记录光量子产量，得到快速光响应曲线(Rapid light curves，RLC).再次打开饱和脉冲，获得有效量子产量(ΦPSII)，该值反映光照状态下PSII 的实际光合能力.分析软件为Phytowin 2.13(Walz，Germany).

1.5 数据的处理和分析

数据采用MS-Excel 2003 和SPSS 16.0 软件进行分析，应用t-test 进行显著性水平检验，采用Origin 8.0进行作图.

2 结果和分析

2.1 滆湖和骆马湖水体理化因子

两个湖泊采样点水体的理化因子存在差异(表1、图2):采样期间，滆湖和骆马湖的水体温度分别为17.8和16.2℃，差异不显著(P ＞0.05).滆湖和骆马湖水体的总氮浓度分别为4.66 和3.38 mg/L，总磷浓度分别为0.201 和0.034 mg/L，滆湖的总氮、总磷浓度极显著高于骆马湖(P ＜0.01).2 个湖泊采样点的溶解性氮、磷浓度也具有相同趋势.滆湖的TN/TP 低于骆马湖.滆湖和骆马湖水体的pH 值相似，滆湖水体的溶解氧浓度低于骆马湖，差异不显著(P ＞0.05).滆湖水体的透明度(23 cm)极显著低于骆马湖(109 cm)(P ＜0.01).滆湖水体的叶绿素a 浓度和营养状态指数(Trophic state index，TSI)[6]平均值分别为39.59 μg/L 和66.4，均极显著大于骆马湖的叶绿素a 浓度(3.12 μg/L)和 TSI(40.6)(P ＜0.01).结合2个湖泊的氮、磷浓度及透明度可以得出，采样期间，滆湖水体属于富营养和超富营养化水平，骆马湖属于中营养化水平.

2.2 滆湖和骆马湖浮游植物丰度

滆湖浮游植物丰度在 530×104～4200×104cells/L 之间(图 3)，平均值为 2918×104cells/L，群落组成以蓝藻门、硅藻门、隐藻门和裸藻门为主，优势种属有点状平裂藻(Merismopedia punctata)、微囊藻属(Microcystis)、螺旋藻属(Spirulina)、颗粒直链硅藻(Melosira granulata)、卵形隐藻(Cryptomonas ovata);骆马湖浮游植物丰度在 260×104～510×104cells/L 之间(图 3)，平均值为 379× 104cells/L，群落组成以硅藻门、绿藻门和金藻门为主，优势属有小环藻属(Cyclotella)、桥弯藻属(Cymbella)、四角藻属(Tetraëdron)、栅藻属(Scenedesmus)、锥囊藻属(Dinobryon).滆湖的浮游植物丰度极显著高于骆马湖(P ＜0.01)，优势种属也存在差异.

表1 滆湖和骆马湖水体的理化因子Tab.1 Physico-chemical parameters of Lake Gehu and Lake Luoma

图2 滆湖(a)和骆马湖(b)水体的叶绿素a 浓度和营养状态指数Fig.2 Chl.a concentration and TSI of Lake Gehu (a)and Lake Luoma (b)

图3 滆湖(a)和骆马湖(b)浮游植物丰度Fig.3 Abundance of phytoplankton from Lake Gehu (a)and Lake Luoma (b)

2.3 滆湖和骆马湖浮游植物的光合作用活性

滆湖和骆马湖中浮游植物群落的光合作用活性具有显著差异:在滆湖水样中，Phyto-PAM 荧光仪检测到蓝藻和硅藻的光合作用活性，其最大光量子产量分别在0.36 ～0.52 和0.27 ～0.53 之间，有效光量子产量分别在0.25 ～0.37 和0.25 ～0.36 之间，没有检测到绿藻的光合作用活性;在骆马湖水样中，检测到绿藻和硅藻的光合作用活性，其最大光量子产量分别在0.45 ～0.65 和0.41 ～0.49 之间，有效光量子产量分别在0.25 ～0.32 和0.19 ～0.25 之间，没有检测到蓝藻的光合作用活性(图4).

图4 滆湖(a、c)和骆马湖(b、d)浮游植物群落的最大光量子产量和有效光量子产量Fig.4 Fv/Fm and ΦPSII of phytoplankton in Lake Gehu (a，c)and Lake Luoma(b，d)

快速光响应曲线(RLC)有3 个特征参数:线性区段斜率(α)、最大电子传递速率(Maximum electron transport rate，ETRmax)和饱和光照强度点(Saturating light intensity，IK).其中参数α 与ETRmax 表征浮游植物的光合作用效率，IK表征浮游植物对光照强度的适应能力.滆湖和骆马湖浮游植物群落的快速光响应曲线的特征参数存在极显著差异:滆湖水体中仅检出蓝藻和硅/甲藻的光合作用活性，没有检出绿藻的光合作用活性，骆马湖则检出绿藻和硅/甲藻的光合作用活性，没有检出蓝藻的光合作用活性.从特征参数可以看出，滆湖浮游植物群落中蓝藻有较高的光合作用效率，骆马湖中绿藻有较高的光合作用效率，滆湖中硅藻的光合作用效率显著高于骆马湖(P ＜0.05)，且两个湖泊中浮游植物的快速光响应曲线的特征参数存在空间差异(表2).

3 讨论

调制荧光仪(Pulse Amplitude Modulated，PAM)基于叶绿素荧光原理设计，可以提供光合作用过程中的诸多信息，已成为研究植物光合作用的有效工具[15].与传统的光合作用测定方法相比，PAM 检测法具有快速、方便、灵敏度高等优势.叶绿素荧光参数众多，常用的有最大光量子产量、有效光量子产量和光响应曲线3 个特征参数[16].Phyto-PAM 浮游植物荧光分析仪能区分不同的浮游植物类群，分别测定其光合活性，对浮游植物具有定性和定量分析功能，已成为浮游植物生理生态学研究中最常用的工具之一[16].目前，已应用Phyto-PAM 荧光仪在室内开展了紫外辐射、营养盐、温度、光照、重金属等对藻类光合活性的研究[17-19].近年来Phyto-PAM 在野外浮游植物光合活性研究中应用逐渐增多，重点是测定水华蓝藻的光合作用活性.蓝藻光合作用活性已经成为蓝藻水华监测和预警的重要基础数据[20-21].

表2 光合活性参数——线性区段斜率、最大电子传递速率(μmol/(m2·s))和饱合光照强度点(μmol/(m2·s))Tab.2 The photosynthetic parameters:efficiency(α)，maximum electron transport rate(ETRmax)and saturating light intensity(IK)

该研究首次采用Phyto-PAM 浮游植物荧光仪原位测定滆湖和骆马湖春季浮游植物的光合作用活性.结果表明，2 个湖泊中浮游植物群落的光合作用活性差异显著:在处于富营养和超富营养化水平的滆湖浮游植物群落中，蓝藻有较高的光合作用活性，在浮游植物群落中具有竞争优势，绿藻受到抑制;在处于中营养水平的骆马湖浮游植物群落中，绿藻和硅藻有较高光合作用活性，蓝藻的光合作用活性受到抑制.这与2 个湖泊的浮游植物群落组成具有一致性，滆湖浮游植物群落组成以蓝藻门、硅藻门、隐藻门和裸藻门为主，而骆马湖浮游植物群落组成以硅藻门、绿藻和金藻门为主.已有研究表明，富营养化改变湖泊浮游植物的群落结构，有利于蓝藻在浮游植物群落中取得竞争优势[22].结合本文研究结果可以得出，浮游植物群落结构的变化与浮游植物群落的光合作用活性有关，湖泊富营养提高了蓝藻的光合作用活性，有利于其取得竞争优势.在滆湖和骆马湖分别检出少量的绿藻和蓝藻细胞，但Phyto-PAM 并未检出其光合作用活性，可能是由于藻密度较低，达不到Phyto-PAM 的检测限[7]，也可能是因为它们的光合活性受到其它藻类群落抑制所致.

本研究中，滆湖和骆马湖不同湖区的浮游植物光合作用活性存在差异.比如，滆湖蓝藻和硅藻最大光量子产量分别在0.36 ～0.52 和0.27 ～0.53 之间，骆马湖绿藻和硅藻最大光量子产量分别在0.46 ～0.65 和0.41 ～0.49 之间.浮游植物的快速光响应曲线的特征参数在湖区间也存在差异，这可能与不同种类浮游植物的光合作用效率、采样点浮游植物的种类组成及环境因子差异有关.Goto 等调查了日本琵琶湖浮游植物最大光量子产量的季节变化，并分析与环境因子的关系，揭示了浮游植物光合活性与与浮游植物生物量、种类组成间的特定关系[9].Zhang 等研究了太湖浮游植物光合作用对光照和风浪扰动的响应，探讨了蓝藻、绿藻和硅/甲藻光合活性的日变化特征[20].此外，光照、温度、营养盐等均能影响浮游植物的光合作用活性[17-19].由此可见，浮游植物的光合作用活性受浮游植物群落组成和环境因子的综合影响.

综上所述，采样期间滆湖属于富营养化和超富营养化水平，浮游植物群落组成以蓝藻、硅藻、隐藻和裸藻为主，蓝藻密度和光合作用活性较高，生长潜能大，随时间推移，夏季发生蓝藻水华的可能较大，需要密切监测;骆马湖营养水平相对较低，浮游植物群落以硅藻、绿藻、金藻为主，硅藻和绿藻光合作用活性较高，没有检测到蓝藻的光合作用活性，发生蓝藻水华的概率较低.

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