洞庭湖浮游植物增长的限制性营养元素研究

2014-07-16李利强黄代中熊剑张屹田琪何英余建清王琦

生态环境学报 2014年2期

李利强，黄代中*，熊剑，张屹，田琪，何英，余建清，王琦

1. 湖南省洞庭湖生态环境监测中心，湖南岳阳 414000；2. 岳阳市环境监测中心，湖南岳阳 414000

洞庭湖为湖南省第一大湖，全国第二大淡水湖，是承纳湘、资、沅、澧四水和吞吐长江的过水性洪道型湖泊，有沟通航运、繁衍水产、调蓄长江和改善生态环境等多种功能。洞庭湖区是湖南省主要造纸、石化轻工及纺织工业基地，部分在全国举足轻重，每天都有大量废水产生（黄金国，2003）。相关研究表明，洞庭湖的 TN、TP、悬浮物和总大肠菌群是洞庭湖的主要污染因子，其中 TN和 TP尤为突出（米红州等，2004；DU等，2001；徐开钦等，2004）。洞庭湖水体N、P污染加剧，富营养化日趋严重，致使洞庭湖生态系统中生物多样性降低。据水产部门观测调查，近 10年来，短鲚鱼、铜鱼、黄尾鱼、针鱼、鲟鱼、白鲟鱼等 15个品种己经少见或基本灭绝；银鱼、黄鱼产量明显减少；其次是常规鱼类品种退化（庄大昌等，2003）。

针对富营养化发生过程与机制，国内外已有一些研究报道，但是机理目前尚未完全明了（秦伯强，2002；李文朝，1997；Philips等，1999）。因地理条件、点源面源营养输入、沉积物性质、微生物群落结构及藻类群落组成等因素影响，各湖泊浮游植物生长繁殖的限制性营养元素及形态差异较大（Quiblier等，2008；Becker等，2010）。藻类增长的生物学实验（Nutrient Enrichment Bioassay，NEB）是一种有效检测浮游植物营养盐限制的主要研究方法，能找出水体中浮游植物增长限制性营养元素，可以有效地进行预测、控制藻类增殖，该方法已经广泛地应用于湖泊与海洋的限制营养因子研究（吴雪峰等，2010；张亚克等，2011；Elser和Kimmel，1986）。基于室内营养添加实验的结果发现，N、P都可以成为淡水藻类生长的限制因子（Henry等，1984；Zhou等，2009）。同一湖泊不同季节时，藻类生长的限制因子也可能不同。在冬春季，太湖浮游植物生物量和生长速率随磷增加而显著增加，与氮无关，表明浮游植物生长的磷限制；但是，在夏秋季水华期，氮是主要限制营养因子（Xu等，2010）。洞庭湖氮、磷污染严重，入湖 TN、TP 总量分别为 59049 t·a-1和 6913 t·a-1（秦迪岚等，2011）。水体氮、磷污染势必影响洞庭湖浮游植物生物量及群落结构。营养盐赋存形态及其浓度与浮游植物生物量增长的偶联关系如何等科学问题在洞庭湖少有研究。本项目在了解洞庭湖浮游植物生物量及主要营养盐形态组成与其含量的年变化基础上，通过 NEB实验确定洞庭湖浮游植物增长的限制性营养元素，可为洞庭湖水污染治理及富营养化防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 水样采集

洞庭湖常规水质监测断面分布见图1。每个监测断面设左、中、右3条垂线，分别采表层（0.5 m）水样。水质采样于月初进行。

NEB实验于2011年9月和2012年5月在东洞庭湖采集表层水80 L作为实验水样。每次采集水样后测定生物化学指标，具体环境特征参数见表 1。采集实验水样时现场测定水体透明度、水温和 pH等指标，实验室分析TN、TP、氨态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、SRP、溶解氧（DO）和叶绿素a（Chla）等指标，以确定实验水样初始营养物浓度和浮游植物初级生产力水平。

1.2 研究方法

NEB实验不需对培养水样进行灭菌、过滤和添加藻种等处理，而是直接利用水体中原始的生态群落进行培养，可实际反映不同时期生物群落的水体添加营养盐后对浮游植物增长的影响。经形态鉴定，2011年9月和2012年5月东洞庭湖原水样中浮游植物均以硅藻为主，优势种为针杆藻（Synedrasp.）、菱形藻（Nitzschiasp.）和小环藻（Cyclotellasp.）。直接量取1 L水样分装到1 L锥形瓶中在实验条件下培养，每个营养盐水平做6个平行样，培养10 d后，一部分锥形瓶水样取样测定各指标，另一部分培养20 d后测定水样中各指标。实验条件为温度25 ℃；光照4000 lx；光暗时间比12:12。以原湖水TN和TP作为初始营养物水平，以初始营养物水平的0.5倍、1.0倍和2.0倍添加营养盐，添加方案见表2（张亚克等，2011）。添加方式为一次性添加，以磷酸二氢钾（KH2PO4）、硝酸钾（KNO3）和氯化铵（NH4Cl）为添加营养盐。

1.3 测定方法

TN、TP、Chla、NH4+-N、NO3--N、亚硝态氮（NO2--N）等监测项目均根据《水和废水监测分析方法》（国家环境保护总局，2002）推荐的方法进行分析。DIN为NH4+-N、NO3--N和NO2--N之和。溶解态总磷（DTP）用过0.45 µm滤膜后的水样测定，实验步骤与TP一致。SRP用钼蓝比色法测定（MURPHY和RILEY，1962）。颗粒态磷（PP）为TP与DTP的差值，溶解态有机磷（DOP）为DTP与SRP的差值。

图1 洞庭湖水质监测断面分布Fig.1 Sampling sections of water quality monitoring in Dongting Lake

表1 东洞庭湖水体环境特征参数Table 1 Environmental parameters in water phase of Dongting Lake

表2 浮游植物增长实验营养盐添加方案Table 2 Nutrient addition methods of phytoplankton growth experiment

1.4 数据处理

为了能够消除不同时期原湖水带来的差异（吴雪峰等，2010；张亚克等，2011），采用相对比较系数法表示添加营养物对浮游植物生长的影响：

式中：DT为某营养物添加组与对照组的比较系数；AT为某营养添加组ρ(Chla)；AC为对照组ρ(Chla)。

采用SigmaPlot 10.0软件作图，采用SPSS 13.0软件进行数据统计。相关性用Pearson相关系数表示，营养添加组与对照组之间的显著性差异性比较用单因素方差分析（LSD）。

2 结果与分析

2.1 水体营养盐及Chl a逐月分布特征

洞庭湖水体中ρ(TN)较高，月平均值变化范围为 1.53～2.21 mg·L-1，1-4 月ρ(TN)高于其它月份，均超过 2 mg·L-1（图 2）。ρ(NO3--N)年平均值为 1.38 mg·L-1，月平均值介于 1.17～1.60 mg·L-1之间；ρ(NH4+-N)年平均值为 0.23 mg·L-1，月平均值介于0.06～0.56 mg·L-1之间；ρ(NO2--N)年平均值为 0.039 mg·L-1，月平均值介于 0.016～0.058 mg·L-1之间。洞庭湖水体中 TN 以溶解态无机氮为主，ρ(DIN)占ρ(TN)比例在 71.3%～98.7%之间，且溶解态无机氮中ρ(NO3--N)>ρ(NH4+-N)>ρ(NO2--N)。ρ(NO3--N)在当年11月至次年3月较高，ρ(NH4+-N)在4月出现最高峰，两者均在夏季含量相对较低。

ρ(TP)年平均值为 0.093 mg·L-1，月平均值变化范围为 0.054～0.129 mg·L-1，ρ(TP)于 3-4 月份相对较高，8月份最低（图3）。洞庭湖水体中磷以溶解态磷为主，ρ(DTP)占ρ(TP)比例范围为60%～85%。磷形态组成中，ρ(SRP)>ρ(PP)>ρ(DOP)。ρ(SRP)月变化趋势与ρ(TP)基本一致，均在春季相对较高。

洞庭湖水体中ρ(Chla)较低，年平均值仅 2.49 mg·m-3，月均值介于 1.43～4.11 mg·m-3之间。ρ(Chla)于7月和9月较高，春季相对较低（图4）。

图2 洞庭湖水体中氮含量月变化Fig.2 Monthly variations of nitrogen concentrations in water phase of Dongting Lake

图3 洞庭湖水体中磷含量月变化Fig.3 Monthly variations of phosphorus concentrations in water phase of Dongting Lake

图4 洞庭湖水体中Chla月变化Fig.4 Monthly variations of chlorophyll a (Chla) concentration in water phase of Dongting Lake

2.2 添加不同营养盐对洞庭湖浮游植物生物量的影响

为能消除不同时期原湖水带来的差异，采用相对比较系数方法表示添加不同营养元素浮游植物生物量与对照的差值，其中对照组结果均表达为0%（张亚克等，2011），NEB实验结果如图5-6所示。2011年9月，添加营养盐后浮游植物生物量较对照有不同程度的增加（除0.5*P外），实验后期浮游植物生物量高于实验前期，其中，添加2*NH实验后期相对比较系数最高，达677%。2012年5月，营养盐添加后浮游植物生物量相对比较系数低于2011年9月，且大多数处理中实验前期浮游植物生物量高于实验后期，添加2*NH实验前期相对比较系数最高，达385%。

3 讨论

3.1 营养盐来源

图5 2011年9月NEB实验分析Fig.5 Analysis of nutrient enrichment bioassay (NEB)experiment in September, 2011

图6 2012年5月NEB实验分析Fig. 6 Analysis of nutrient enrichment bioassay (NEB)experiment in May, 2012

TN、TP是影响洞庭湖水体富营养化的主要营养指标，二者一直维持较高的水平，20世纪90年代中期后全湖TN、TP超标，成为洞庭湖水质恶化和水体营养化程度加剧的重要因子（黄代中等，2013）。ρ(TN)波动较大，存在明显的区域性，而且自1998年以来，一直在1.50 mg·L-1上下波动。ρ(TP)在洞庭湖中分布较均匀，无明显的区域性（杨汉等，1999）。春季洞庭湖水体中ρ(TN)、ρ(TP)较高，可能源于春季面源污染。洞庭湖水体中的 TN和 TP主要来源于畜禽养殖、农田径流和城镇生活污染（秦迪岚等，2011）。据监测，水体中溶解态无机氮平均占ρ(TN)的比例为 87%，溶解态总磷平均占ρ(TP)的比例为 70%，且大多数氮以硝态氮形式存在，大多数磷以磷酸盐为主，这说明氮、磷的来源与化肥使用有密切联系（朱广伟，2009）。受流域社会经济发展等因素的综合影响，洞庭湖整体水质呈下降趋势，富营养化日趋严重。

表3 NEB实验结果方差分析（平均ρ(Chla)）Table 3 Analysis of variance for the nutrient enrichment bioassay (NEB) experiment: Chla

3.2 浮游植物增长的营养限制因子

2011年9月份单独添加 NH4-N对浮游植物生长具有明显的促进作用，方差分析结果显示添加1*NH和2*NH均与对照有显著性差异（P<0.05，表3）；单独添加NO3--N和单独添加P对浮游植物生长有一定的促进作用，单独添加P有时出现抑制作用；添加P和NO3-N与单独添加NO3-N结果相当，P和NO3-N不存在交互作用。2012年5月份高氮组平均ρ(Chla)与对照有显著性差异（P<0.05，表3）。两次 NEB实验表明氮对洞庭湖浮游植物生长有明显的促进作用，且促进作用随氮浓度的增加而加强，氮是洞庭湖浮游植物增长的主要营养限制性因子，而磷对浮游植物生长影响不大，有时出现抑制作用，硝态氮与磷之间不存在交互作用。洞庭湖水体中浮游植物ρ(Chla)与营养盐的相关性结果见表 4，2011 年 9 月ρ(Chla)与ρ(NH4+-N)显著正相关，2012年5月ρ(Chla)与ρ(TN)、ρ(NO3--N)和ρ(NO2--N)显著正相关，两次采样水体中ρ(Chla)均与ρ(TP)显著负相关，这与 NEB实验结果一致。洞庭湖水体中TN以溶解态无机氮为主，溶解态营养盐更易被浮游植物吸收利用，浮游植物对氨态氮的利用优于硝态氮和亚硝态氮。洞庭湖浮游植物量以硅藻为主，时空分布上均占优；其次为绿藻和蓝藻，浮游植物生长亦可能受一些微量元素影响，如Si、Fe、Mn等。

4 结论

1) 洞庭湖水体主要污染物为TN和TP，其月平均值变化范围分别为 1.53～2.21 mg·L-1和0.054～0.129 mg·L-1。洞庭湖水体中TN以DIN为主，ρ(DIN)占ρ(TN)比例在 71.3%～98.7%之间，且 DIN中ρ(NO3--N)>ρ(NH4+-N)>ρ(NO2--N)。磷形态组成中，ρ(DTP)占ρ(TP)比例范围为 60%～85%，ρ(SRP)>ρ(PP)>ρ(DOP)。大多数氮以硝态氮形式存在，大多数磷以磷酸盐为主，而且春季洞庭湖水体中ρ(TN)、ρ(TP)更高，这说明氮、磷的来源与化肥使用有密切联系。

表4 洞庭湖水体中Chla与营养盐的相关性分析Table 4 Pearson correlation coefficients between Chlorophyll a concentration and nutrient content in water phase of Dongting Lake

2) 藻类增长生物学评价实验表明，氮是洞庭湖浮游植物增长的主要营养限制因子，添加氮（尤其是氨态氮）能明显促进浮游植物生物量增加，且促进作用随氮浓度的增加而加强，添加磷对浮游植物生长影响不大，有时出现抑制作用。洞庭湖水体中ρ(Chla)与氮显著正相关，与磷显著负相关。这些研究结果表明洞庭湖富营养化控制过程中应特别注重氮的控制。

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