環(huán)境因子對(duì)香溪河春季藻類生長(zhǎng)影響的模擬實(shí)驗(yàn)

龍?zhí)煊?周鵬瑞,吳 磊 (重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045)

環(huán)境因子對(duì)香溪河春季藻類生長(zhǎng)影響的模擬實(shí)驗(yàn)

龍?zhí)煊?,周鵬瑞,吳 磊 (重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045)

2010年3～5月間,分3批次采集了香溪河水樣,以水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、水溫、光強(qiáng)和流速為環(huán)境因子,以Chla比增長(zhǎng)率為評(píng)價(jià)指標(biāo),在室內(nèi)進(jìn)行 L9(34)的正交藻類培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),研究了環(huán)境因子對(duì)春季優(yōu)勢(shì)硅藻生長(zhǎng)的影響.結(jié)果表明,在實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的水平范圍內(nèi),水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度總氮(TN)為3.5mg/L、總磷(TP)為0.3mg/L,水溫20℃,光強(qiáng)為4700lx以及流速為0.1m/s時(shí),最適宜藻類生長(zhǎng).4因子對(duì)藻類生長(zhǎng)影響大小依次為光強(qiáng)、流速、水溫、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度.流速在0.05m/s和0.1m/s的情況下,藻類生長(zhǎng)率明顯高于靜水.當(dāng)TN＜1.5mg/L,TP＜0.1mg/L時(shí),增加TN、TP濃度可顯著促進(jìn)藻類生長(zhǎng);當(dāng)TN、TP濃度分別達(dá)到3.5mg/L、0.3mg/L時(shí), N、P濃度的增加對(duì)藻類生長(zhǎng)影響甚微.

香溪河；正交實(shí)驗(yàn)；比增長(zhǎng)率；適宜生長(zhǎng)條件

研究表明[1-5],影響藻類生長(zhǎng)的主要因素有營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫、光照和水體流動(dòng)狀況等.三峽水庫(kù)蓄水后,水文條件發(fā)生了明顯改變,特別是次級(jí)河流,受干流回水頂托的影響,流速緩慢、泥沙沉積、水質(zhì)變清,有利于陽(yáng)光在水中照射,這些給庫(kù)區(qū)水體中藻類的生長(zhǎng)提供了有利的環(huán)境條件.目前有關(guān)庫(kù)區(qū)次級(jí)河流環(huán)境條件對(duì)藻類生長(zhǎng)影響方面的研究,單一因素的研究已見(jiàn)報(bào)道[6-7],尤其庫(kù)區(qū)次級(jí)河流營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)及氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽單一因素的研究較多[8-9].將流速與營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫和光強(qiáng)等因素的綜合研究,尚鮮見(jiàn)報(bào)道.三峽水庫(kù)湖北庫(kù)區(qū)最大的支流—香溪河自水庫(kù)建成蓄水后,春季不同程度地暴發(fā)硅藻水華,硅藻的暴發(fā)和香溪河流速的減緩不無(wú)關(guān)系,表明流速是藻類生長(zhǎng)的重要影響因素[10].基于此,本實(shí)驗(yàn)從香溪河庫(kù)灣取水,模擬香溪河春季藻類生長(zhǎng)所處的實(shí)際環(huán)境狀況,把流速與其他影響因素綜合起來(lái),在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn),以Chla比增長(zhǎng)率作為研究指標(biāo),分析在不同氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、水溫、光強(qiáng)和流速綜合作用下,香溪河春季藻類生長(zhǎng)的適宜環(huán)境條件,定量化分析這些環(huán)境因子在藻類生長(zhǎng)過(guò)程中所起的作用,以期為香溪河春季水華的防治提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)環(huán)境條件及采樣

蔡慶華等[11]對(duì)三峽水庫(kù)22條入庫(kù)支流庫(kù)灣的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),香溪河在重度富營(yíng)養(yǎng)化之列.張晟等[12]對(duì)三峽水庫(kù) 13條主要支流回水區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度調(diào)查表明,TN含量范圍為0.601～10.1mg/L,TP含量范圍為0.01～0.756mg/L.黃鈺鈴等[13]對(duì)香溪河富營(yíng)養(yǎng)化的研究表明:TN濃度變化范圍為 0.24～4.83mg/L,TP濃度變化范圍為 0.03～0.82mg/L;香溪河水溫隨水深和季節(jié)差別較大,如 6月份水溫在 10m 處有明顯的分層,10m處水溫為19～20℃,10m以上越接近表層水溫越高,2m處約25℃,表層有29℃,且當(dāng)水溫低于14℃時(shí)藻類生長(zhǎng)情況較差,葉綠素濃度維持在較低水平,水華暴發(fā)時(shí)表面水溫大都在 20～30℃間.從流速上看,從香溪河口向上游約 17km水體流速在 0.010～0.001m/s之間,河道與庫(kù)灣之間約有 8.0km 范圍為過(guò)渡區(qū)域,流速?gòu)?0.10m/s到0.01m/s[14].實(shí)驗(yàn)用水取自香溪河庫(kù)灣高陽(yáng)鎮(zhèn)附近(分 3批次采集,分批次實(shí)驗(yàn)),藻種是香溪河中的混合藻,水樣水質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 香溪河原水的水質(zhì)參數(shù)Table 1 Water quality parameters of natural water in the Xiangxi River

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

實(shí)驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)的雙環(huán)形水槽動(dòng)態(tài)水力模擬裝置(圖 1).裝置材料為有機(jī)玻璃,內(nèi)環(huán)水槽平均半徑為 0.4m,外環(huán)水槽平均半徑為 0.9m,中間是無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī),帶動(dòng)槳板使水流動(dòng),水體流速由電機(jī)轉(zhuǎn)速確定.靜態(tài)實(shí)驗(yàn)在水族箱中進(jìn)行,水族箱使用容積64L,有效水深40cm.

LS45A型旋杯式流速儀,DR5000紫外分光光度計(jì),ZDS-10型照度計(jì),離心機(jī),100YYJ-180型東洋齒輪無(wú)級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī),HS-300防暴型加熱棒,節(jié)能日光燈等儀表用于實(shí)驗(yàn).

圖1 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Sketch of indoor simulated experiment device

1.3 正交實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)用水分批取回后先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜置3d,用33μm浮游生物網(wǎng)過(guò)濾后分配到3個(gè)容器中(每個(gè)容器64L)再通過(guò)添加硝酸鉀(KNO3)和磷酸二氫鉀(KH2PO4),調(diào)到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度.共3批9組實(shí)驗(yàn),第1批實(shí)驗(yàn)從2010年3月17～4月3日,包括1,2,3組實(shí)驗(yàn);第2批從4月4～4月21日,包括4,5,6組實(shí)驗(yàn);第3批從4月23～5月10日,包括7,8,9組實(shí)驗(yàn).每組實(shí)驗(yàn)周期為 18d(藻類生長(zhǎng)遵循微生物生長(zhǎng)的一般規(guī)律:適應(yīng)期、對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期、穩(wěn)定期和衰亡期,經(jīng)過(guò)這4個(gè)過(guò)程即為藻類的一個(gè)生長(zhǎng)周期,本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)藻類生長(zhǎng)周期約為18d).

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table 2 Factors levels of orthogonal experiment

光強(qiáng)根據(jù)香溪河春季時(shí)段光強(qiáng)已有研究成果[15],結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件選取有代表性的低中高 3個(gè)水平.因此,根據(jù)香溪河春季藻類生長(zhǎng)所處的環(huán)境狀況,確定實(shí)驗(yàn)的各水平(表 2).水溫用可調(diào)式絕緣電熱棒控制,精確度為±1℃;不同光強(qiáng)用日光燈盞數(shù)控制(所測(cè)光強(qiáng)均為液面光強(qiáng));光暗時(shí)間比 12h:12h,用繼電器自動(dòng)控制;水體流速用無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)控制.正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 藻類適宜生長(zhǎng)條件正交實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment and calculated results of the appropriate conditions for algal growth

1.4 項(xiàng)目測(cè)定

隔天定時(shí)(9:00)取 50mL水樣測(cè) TN,用過(guò)硫酸鉀氧化－紫外分光光度法測(cè)定;TP用鉬酸銨分光光度法測(cè)定;Chla用丙酮提取分光光度法測(cè)定,具體方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[16];pH值、DO直接在容器中測(cè);每次取樣后記錄容器內(nèi)液面高度,每天定時(shí)(8:30)用蒸餾水補(bǔ)充容器內(nèi)蒸發(fā)損失的水分.

由于各批水樣初始Chla濃度不同,故選用藻類的比增長(zhǎng)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo),以反映各種因子綜合作用下藻類生物量的增加速度.

比增長(zhǎng)率的計(jì)算:

式中,為比增長(zhǎng)率;tx為 Chla 峰值,mg/L;0x為對(duì)數(shù)期初始時(shí)Chla含量,mg/L;t為從對(duì)數(shù)期實(shí)始時(shí)到峰值的時(shí)間,d.根據(jù)所測(cè)得的Chla量,計(jì)算每組實(shí)驗(yàn)藻類的比增長(zhǎng)率.

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表3知,在營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(A)、水溫(B)、光強(qiáng)(C)和水體流速(D)4因素及不同水平組合下, 差別較大, 隨光強(qiáng)水平的升高而增加最明顯;營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平升高, 變化不大.在9組實(shí)驗(yàn)中,其中 4號(hào)實(shí)驗(yàn)對(duì)藻類的生長(zhǎng)最有利,

最高為 0.632,其組合水平為 A2B1C2D3,是藻類生長(zhǎng)最優(yōu)方案;第 1號(hào)實(shí)驗(yàn)藻類生長(zhǎng)緩慢, 為0.304,水平組合為 A1B1C1D1.從各因素均值極差jR可以得出,在營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫、光強(qiáng)、水體流速 4因素中,對(duì)藻類生長(zhǎng)影響最大的是光強(qiáng),其次是水體流速,再是溫度,影響最小的是營(yíng)養(yǎng)鹽濃度.

從營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、水溫、光強(qiáng)和流速各水平下的均值jk及圖2可以看出,光強(qiáng)對(duì)jk影響顯著,順序?yàn)?4700lx＞7300lx＞2200lx.光強(qiáng)從 2200lx 增加到 4700lx時(shí),jk增加顯著;當(dāng)繼續(xù)增加到7300lx時(shí),jk有所降低;說(shuō)明在此實(shí)驗(yàn)水平內(nèi),藻類生長(zhǎng)最佳光強(qiáng)是 4700lx.本實(shí)驗(yàn)前后測(cè)出的優(yōu)勢(shì)藻均為硅藻,浮游硅藻所適應(yīng)的光照強(qiáng)度較一些綠藻低[17],過(guò)高的光強(qiáng)將破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),不利藻類生長(zhǎng).流速的影響次之,jk隨流速的增加而增加,但增加的幅度有所減小;當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度從1水平增加到2水平時(shí),jk增加較大,營(yíng)養(yǎng)鹽濃度從2水平增加到3水平時(shí),jk變化很小,幾乎沒(méi)有什么變化,即在不同的 N、P營(yíng)養(yǎng)鹽濃度區(qū),流速對(duì)藻類生長(zhǎng)影響存在差異.在實(shí)驗(yàn)的低濃度區(qū)(TN在1.5mg/L以下,TP在0.1mg/L以下),其對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響隨N、P濃度的增加而升高較快,在實(shí)驗(yàn)的中濃度區(qū)(TN在 3.5mg/L,TP在 0.3mg/L),N、P濃度再增加時(shí),對(duì)藻類生長(zhǎng)影響甚微.

圖2 各因素及水平下藻類生長(zhǎng)趨勢(shì)Fig.2 The trend of algal growth under different factors and levels

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析

對(duì)藻類生長(zhǎng)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析(表4),其中顯著性水平a分別為0.01和0.05.在現(xiàn)有水平范圍內(nèi),光強(qiáng)和流速對(duì)藻類生長(zhǎng)影響顯著,水溫對(duì)藻類生長(zhǎng)影響其次,營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)藻的生長(zhǎng)影響不顯著,說(shuō)明N、P營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)藻類生長(zhǎng)影響有一個(gè)范圍,當(dāng)水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均達(dá)到一定水平時(shí),營(yíng)養(yǎng)鹽不再是藻類生長(zhǎng)的限制性因素,營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加,對(duì)藻類生長(zhǎng)影響不大.

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析和顯著性檢驗(yàn)Table 4 Variance analysis and significance test of orthogonal experiment results

2.3 討論

營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫、光強(qiáng)和流速都是影響藻類生長(zhǎng)的重要環(huán)境因素.有關(guān)研究表明,適宜的流速有利于藻類生長(zhǎng)和繁殖,也有利于空氣融入增加水體中的二氧化碳以增加藻類的光合作用.此外,流動(dòng)的水體可降低藻細(xì)胞周圍代謝產(chǎn)物的濃度,避免代謝產(chǎn)物長(zhǎng)期聚集在藻細(xì)胞周圍對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制[18].實(shí)際水體中,流速對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響是多方面的疊加效應(yīng),其影響機(jī)理目前還不十分清楚,有關(guān)適宜流速范圍也無(wú)定論.在本實(shí)驗(yàn)的條件下,流速在0.05m/s和0.1m/s時(shí),藻類生長(zhǎng)率明顯高于靜水,表明香溪河春季回水區(qū)的流速有利于藻類的生長(zhǎng).本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)藻為硅藻,由于硅藻有較硬的硅殼,體積和重量都大于藍(lán)藻,且無(wú)氣囊可浮于水中,因此一些硅藻的懸浮需要依靠水流的作用,這也應(yīng)是靜水中硅藻不能成為優(yōu)勢(shì)藻的原因之一.在河道水體中,硅藻像河中的泥沙一樣,靠一定的縱向流速與流速梯度等產(chǎn)生表面壓力所形成的浮力來(lái)懸浮于水中[19].不同的水流速度與速度梯度所產(chǎn)生的浮力不同,對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響也不同.

香溪河營(yíng)養(yǎng)鹽濃度已很高,如果短期內(nèi)不能使其降低,由于春季回水區(qū)流速有利于藻類的生長(zhǎng),因此在氣候適宜時(shí)回水區(qū)易暴發(fā)硅藻水華,在應(yīng)急情況下,可通過(guò)水庫(kù)調(diào)度等方法改變河流的水動(dòng)力狀況來(lái)避免水華發(fā)生.

3 結(jié)論

3.1 針對(duì)香溪河的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)以水體營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫、光強(qiáng)和流速的正交實(shí)驗(yàn),在本實(shí)驗(yàn)所設(shè)的水平范圍內(nèi),營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,水溫對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響不顯著,光強(qiáng)、水體流速對(duì)藻類的生長(zhǎng)影響顯著,4因素對(duì)藻類影響重要程度的主次順序是光強(qiáng)＞流速＞水溫＞營(yíng)養(yǎng)鹽濃度.

3.2 當(dāng)TN為3.5mg/L,TP為0.3mg/L,水溫控制在 20℃,光強(qiáng)為 4700lx,流速為 0.1m/s時(shí),最適宜香溪河春季藻類生長(zhǎng).

3.3 香溪河營(yíng)養(yǎng)鹽濃度目前較高,如果短時(shí)期內(nèi)不能使其降低,鑒于春季回水區(qū)流速基本上≤0.1m/s,流速能促進(jìn)硅藻生長(zhǎng),當(dāng)氣候條件適宜時(shí)易暴發(fā)硅藻水華.

3.4 在低濃度區(qū)(TN＜1.5mg/L,TP＜0.1mg/L),N、P濃度的增加能顯著促進(jìn)藻類生長(zhǎng),當(dāng) TN、TP濃度達(dá)到3.5mg/L、0.3mg/L時(shí),再增加N、P濃度,對(duì)藻類生長(zhǎng)影響甚微.

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The simulating experiment for the impacts of environmental factors on Spring algae growth in Xiangxi River.

LONG Tian-yu*, ZHOU Peng-rui, WU Lei (Key Laboratory of the Three Gorges Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China). China Evironmental Science, 2011,31(2)：327～331

Three batches of water samples were collected from Xiangxi River between March to May 2010, and the L9(34)orthogonal experiments of algae growth were conducted in laboratory. Nutrient concentrations in water, water temperature,light intensity and water flow velocity were selected as environmental factors, and the growth rate of Chla was taken as evaluation index. The effects of environmental factors on the growth of preponderant diatoms in spring were studied. The optimal conditions for algal growth under the condition of the orthogonal experiments were 3.5mg/L for total nitrogen(TN), 0.3mg/L for total phosphorus (TP), 20℃ for water temperature, 4700lx for light intensity and 0.1m/s for flow velocity. The degree of impact of environmental factors on the algal growth was light intensity, velocity, water temperature and nutrient concentration in turn. The algae growth rates in flow water with velocity being 0.05m/s or 0.1m/s was significantly higher than that in static water. The increase of TN and TP concentration could obviously promote the algae growth when TN＜1.5mg/L, TP＜0.1mg/L;the effects of increasing TN and TP concentrations on algae growth was little when TN and TP concentrations respectively reached 3.5mg/L and 0.3mg/L.

Xiangxi River; orthogonal experiment; specific growth rate; optimal growth conditions

X522

A

1000-6923(2011)02-0327-05

2010-07-04

國(guó)家水體污染與治理科技重大專項(xiàng)(2009ZX07104-002和2009ZX07104-001)

* 責(zé)任作者, 教授, longty128@yahoo.com.cn

龍?zhí)煊?1960-),女,重慶人,教授,博士,主要從事水污染控制與水環(huán)境模擬研究.發(fā)表論文50余篇.