富營(yíng)養(yǎng)化與溫度因素對(duì)太湖藻類生長(zhǎng)的影響研究

申哲民,張 濤,馬 晶,葉 春

(1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇 南京 210036;3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

·環(huán)境預(yù)警·

富營(yíng)養(yǎng)化與溫度因素對(duì)太湖藻類生長(zhǎng)的影響研究

申哲民1,張 濤2,馬 晶1,葉 春3

(1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇 南京 210036;3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

為了研究氣候變暖和富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的影響,應(yīng)用阿列紐斯方程修正的Monod生長(zhǎng)模型定量研究長(zhǎng)期以來(lái)太湖藻類生物量與營(yíng)養(yǎng)元素和溫度的關(guān)系。研究表明,在近年來(lái)的富營(yíng)養(yǎng)化狀況下,年均氣溫每增加1.0℃,年均藻類生物量增加0.145倍。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化越嚴(yán)重,年平均氣溫對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響就越大,由此可以定量評(píng)估和預(yù)測(cè)年均氣溫升高和水體富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響。

湖泊;富營(yíng)養(yǎng)化;水華;全球變暖

0 引言

溫室效應(yīng)引起的全球變暖問(wèn)題已經(jīng)成為全球性的環(huán)境問(wèn)題,氣候變暖對(duì)水體生態(tài)體系的影響也日益明顯。近年來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,越來(lái)越多的河口、海洋和淡水水體面臨富營(yíng)養(yǎng)化的威脅。富營(yíng)養(yǎng)化是指在人類活動(dòng)的影響下,生物所需的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊等緩流水體,引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖,水體透明度和溶解氧含量下降,水質(zhì)惡化,魚類及其他生物大量死亡,水體生態(tài)系統(tǒng)和功能受到破壞的現(xiàn)象。全球變暖和富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同作用日益受到關(guān)注。

JORGENSEN指出,浮游藻類的生長(zhǎng)是富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵,著重研究了N、P負(fù)荷與浮游藻類生產(chǎn)力的相互作用和關(guān)系,揭示了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化形成機(jī)理。湖庫(kù)浮游藻類的生長(zhǎng)是由營(yíng)養(yǎng)鹽、水文氣象條件等因素控制的[1]。N、P是藻類增長(zhǎng)的限制因子,葉綠素a的含量與一定范圍內(nèi)的總氮(TN)、總磷(TP)的濃度呈正相關(guān)關(guān)系,湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化引起藻類爆發(fā),與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水文、氣象、氣候條件都有一定的關(guān)系。隨著 TN、TP濃度的升高,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越發(fā)豐富,促進(jìn)了藻類生長(zhǎng);這時(shí),升高的溫度也會(huì)使藻類生長(zhǎng)加速。筆者采用TN、TP和浮游植物的葉綠素a的年際變化及氣溫、水溫的年均數(shù)據(jù),研究年均氣溫升高和水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的影響。

1 太湖湖泊形態(tài)和數(shù)據(jù)分析模型

1.1 太湖湖泊形態(tài)

中國(guó)江蘇省南部的太湖為大型淺水碟形湖泊,它是由內(nèi)陸斷陷基礎(chǔ)上的海灣逐步發(fā)育而成的一個(gè)淺水瀉湖型湖泊,是中國(guó)第三大淡水湖,也是富營(yíng)養(yǎng)化比較嚴(yán)重的湖泊。湖盆特點(diǎn)為淺水平底,湖泊面積 2 428 km2,長(zhǎng) 68.5 km,平均寬34 km,長(zhǎng)寬比為 2,岸線長(zhǎng) 405 km,平均水深1.89 m,最大水深2.60 m,湖泊容積44.3億 m3,年平均吞吐水量約52億 m3,年交換系數(shù)1.17。1980年后,由于富營(yíng)養(yǎng)化的影響,太湖中的微囊藻引起了藍(lán)綠藻爆發(fā),致使太湖水質(zhì)越來(lái)越差。死亡藻類產(chǎn)生藻毒素,包括細(xì)胞毒素和生物毒素。這些毒素會(huì)引起野生、家養(yǎng)動(dòng)物以及人類慢性、亞慢性或急性中毒。2007年太湖藍(lán)藻爆發(fā)引發(fā)的飲用水危機(jī),再次警示人們湖、庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的嚴(yán)重性與緊迫性。定量化研究自然水體的溫度和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的協(xié)同作用是很有必要的[4]。

1.2 富營(yíng)養(yǎng)化模型

太湖中TN、TP和葉綠素a的濃度在空間和時(shí)間上有明顯的相關(guān)性。利用莫諾特模型可以分析營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)藻類生長(zhǎng)速率的影響。GOLDMAN和CARPENTER將阿列紐斯方程引入莫諾特模型中,通過(guò)溫度和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的公式,得出了乘法生長(zhǎng)模型來(lái)分析藻類生長(zhǎng)速率[2],見式(1)。量。RIER和STEVENSON利用莫諾特模型找出藻類生物量與N、P濃度的關(guān)系[3],見式(2)。

式中:PB——葉綠素 a的質(zhì)量濃度,μg/L;PBmax——葉綠素 a 的最大質(zhì)量濃度,μg/L;S——限制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(N或 P)的質(zhì)量濃度,mg/L或mg/m3;K——半飽和常數(shù),mg/L。

然而,目前還沒(méi)有簡(jiǎn)單的模型可以描述在自然水體中,年際溫度與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度長(zhǎng)期共同作用對(duì)藻類生物量的影響。將乘法生長(zhǎng)模型應(yīng)用到太湖,利用長(zhǎng)期數(shù)據(jù)研究藻類生物量與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溫度的關(guān)系。評(píng)估和預(yù)測(cè)升高的年際溫度對(duì)水體的富營(yíng)養(yǎng)化的影響。

1.3 數(shù)據(jù)分析模型

筆者采用1980—2008年 TN、TP、氣溫和水溫的年平均數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

根據(jù)公式(1)和(2),將溫度對(duì)藻類生物量的影響也引入到莫諾特模型,見式(3)。

式中:a——葉綠素 a的質(zhì)量濃度,μg/L;b——活化能常數(shù);S——限制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(N或 P)的質(zhì)量濃度,mg/L或 mg/m3;K——半飽和常數(shù),mg/L;T——溫度,℃。

在一個(gè)含有參數(shù)a,b和K的公式中,確定溫度與營(yíng)養(yǎng)元素的相關(guān)系數(shù)有一定難度。引入兩個(gè)線性回歸方程計(jì)算參數(shù),見式(4)和(5)。

式中:μ——浮游植物生長(zhǎng)速率,d-1;A——一定溫度下浮游植物最大生長(zhǎng)速率,d-1;b——活化能常數(shù);S——限制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(N或P)的質(zhì)量濃度,mg/L 或 mg/m3;K——半飽和常數(shù),mg/L;T——溫度 ,℃。

因?yàn)槊總€(gè)微胞藻屬細(xì)胞包含3.4×10-13g葉綠素a,因此可用葉綠素a來(lái)表示浮游植物生物

采用插值法計(jì)算這兩個(gè)公式。首先,由莫諾特模型可知,b是一個(gè)固定值,如初始值定為1.066[μ=0.851(1.066)T]。其次,a和K可通過(guò)公式(4)計(jì)算。最后,將K和b代人公式(5),通過(guò)線性回歸方程得到一個(gè)新的b(b′)。如果b′≠b,就用b′代替b重新開始計(jì)算。直到b′=b時(shí),a,b和K的值才能確定。

2 結(jié)果與討論

2.1 歷史數(shù)據(jù)

1980—2008年的年均 TN、TP和浮游生物量

的數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 太湖TN、TP、Chla的常年數(shù)據(jù)

由圖1可知,1990年后,太湖的年均 TN、TP質(zhì)量濃度一般都達(dá)到3.0 mg/L和100μg/L,2004年,年均 TN質(zhì)量濃度最高,為5.34 mg/L;2000年,年均 TP質(zhì)量濃度最高,為 100μg/L。隨著人口增加,生活水平的提高,及當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)與工業(yè)的發(fā)展,水體污染日益嚴(yán)重。TN、TP濃度的升高會(huì)促進(jìn)藻類的生長(zhǎng),富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象也會(huì)不斷出現(xiàn)。20世紀(jì)90年代,富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象幾乎每年都會(huì)發(fā)生,水體污染現(xiàn)象已經(jīng)成為太湖周邊主要的環(huán)境問(wèn)題。2003年以后,太湖的 TN、TP濃度略有下降,然而,藻類爆發(fā)頻率卻呈上升趨勢(shì)。2007年5月,富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重影響了無(wú)錫市的淡水供應(yīng)。

1990年以后,葉綠素a濃度總體呈上升趨勢(shì)。2006年,葉綠素a的年均質(zhì)量濃度達(dá)到最高值,大于100μg/L。然而,其濃度變化沒(méi)有規(guī)律性。藻類生長(zhǎng)情況很復(fù)雜,受環(huán)境中很多因素的影響,如溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)元素等。藻類的變化與氣溫、水溫、TN和 TP這些因素變化不一致。太湖中 TN、TP和浮游植物中葉綠素a的年際變化顯示,浮游植物的生物量每年夏天都會(huì)出現(xiàn)峰值。夏季和冬季之間,浮游植物物種的組成會(huì)發(fā)生明顯的變化。風(fēng)速和風(fēng)向影響了浮游植物的水平分布,尤其是湖中的微囊藻。浮游植物生物量變化主要是由溫度、風(fēng)和濁度控制的,長(zhǎng)期生物量的動(dòng)態(tài)變化也受營(yíng)養(yǎng)物濃度的影響。然而,準(zhǔn)確描述藻類生長(zhǎng)是水質(zhì)模型中最難的課題之一。

太湖1980—2008年的年均氣溫和水溫如圖2所示。

圖2 太湖常年氣溫、水溫變化

從圖2中可知:1980—2008年,太湖的年均氣溫每10 a上升0.800℃(R=0.860 4,n=29,P<0.000 1),比全球陸地變暖速度還要高,與BOHANNON發(fā)現(xiàn)的內(nèi)蒙古變暖速度(為全球變暖速度的2倍)很接近。其中年均溫度最高為2007年的17.5℃。由此可見,太湖是研究全球變暖對(duì)水質(zhì)影響的適合例子。

1980—2008年,太湖年均水溫的波動(dòng)很大。年均水溫每10 a增加0.626℃(R=0.383 4,n=29,P=0.040 1)。隨著太湖年均氣溫增加1.0℃,其年均水溫增加0.78℃。這與前面的結(jié)論很相似,隨著氣溫每升高1.0℃,平均水表面溫度升高0.8～1.0℃。2003年,年均水溫達(dá)到最高值20.9℃。水溫與氣溫之間有很顯著的相關(guān)性(R=0.61,n=29)。但是,由于水溫會(huì)受到湖面上運(yùn)輸船舶、水流量以及其他人為因素的干擾,水溫偏差大于氣溫。

2.2 生長(zhǎng)影響模型

上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 TN和 TP是影響浮游植物群落的結(jié)構(gòu)和功能的兩個(gè)重要因素。光合作用主要在水表面進(jìn)行,浮游植物群落也會(huì)受氣溫和水溫的影響,其與葉綠素a的相關(guān)系數(shù)如表1所示。

表1 各影響因素與葉綠素a的相關(guān)系數(shù)

由表1可看出,葉綠素a與氣溫和 TN相關(guān)性較顯著。采用插值法擬合公式(3)的最優(yōu)結(jié)果,擬合結(jié)果如圖3所示。

擬合的葉綠素a與氣溫和 TN的莫諾特修正模型如公式(8)所示:

式中:A T——?dú)鉁?,℃;TN——總氮的質(zhì)量濃度,mg/L。

TN和AT是限制藻類生長(zhǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。由于光合作用在近水面進(jìn)行,因此AT對(duì)藻類影響很大。結(jié)果表明,年均氣溫每增加1.0℃,年均藻類生物量會(huì)增加0.145倍。水體富營(yíng)養(yǎng)化程度越顯著,溫度升高對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響越大。

圖3 年均葉綠素a與AT和TN擬合結(jié)果

從歷史數(shù)據(jù)中可看出,m(TN):m(TP)=35/1,大于25/1,這時(shí),P是最小限制因子。然而,比起 TP,藻類生長(zhǎng)與 TN相關(guān)性更大[7]。主要有以下原因:細(xì)胞中的N會(huì)由于異養(yǎng)分解有機(jī)N而以氨的形式大量釋放進(jìn)入水體;藻類吸收的磷酸鹽多以聚體形式存在;藻類細(xì)胞代謝會(huì)釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),其釋放N的速度比P快;藻類生長(zhǎng)所需要的N更多。因此用莫諾特模型計(jì)算時(shí),TN是最好的預(yù)測(cè)藻類爆發(fā)的因子[8,9]。

當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足時(shí),藻類細(xì)胞組織可通過(guò)儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)維持自身生長(zhǎng)并與其他初級(jí)生產(chǎn)者競(jìng)爭(zhēng)。藻類可以從水體中吸收73%～98%的N和79%～88%的P。當(dāng)在爆發(fā)期時(shí),藻類從水中吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);反之,藻類分解時(shí)釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體中。藻類會(huì)增加沉積N、P的循環(huán)通量,在水中保留大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),這樣就導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的反饋和刺激藻類生長(zhǎng),氣候變暖會(huì)加速這種不利現(xiàn)象的反饋。

3 結(jié)論

利用改進(jìn)的生長(zhǎng)模型研究了溫度與營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)藻類生長(zhǎng)的長(zhǎng)期共同影響,結(jié)果表明,TN和氣溫是影響藻類生長(zhǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。氣溫對(duì)藻類的生長(zhǎng)影響大,因?yàn)樵孱惖墓夂献饔檬窃诮孢M(jìn)行的。藻類可以獲得水中73%～98%的N和79%～88%的 P。同時(shí),死亡的藻細(xì)胞沉積在水體,分解釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨著藻類N、P循環(huán)而累積,這樣水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)增加。水體富營(yíng)養(yǎng)化積極反饋這些結(jié)果,促使藻類生長(zhǎng),同時(shí)全球氣候變暖也加劇了這種現(xiàn)象。浮游植物N的大量釋放和湖泊沉積物內(nèi)部 P的負(fù)荷可以解釋TN是藻類生長(zhǎng)峰值的最好預(yù)測(cè)因子。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化越嚴(yán)重,氣溫對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響就越大。

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Study of Effects of Eutrophication and Temperature on Algal Growth in Taihu Lake

SHEN Zhe-min1,ZHAN G Tao2,MA Jing1,YE Chun3
(1.School of Environmental Science and Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200 240,China;2.Jiangsu Provincial Environmental Monitoring Center,Nanjing,Jiangsu 210036,China;3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China)

To know how global warming and eutrophication affect water ecosystems,the long relation of algal biomass in Taihu Lake with both nutrients and temperature has been studied quantitatively by Mode multiplicative growth model modified by incorporating Arrhenius equation.The fitted results suggest that annual mean algal biomass increases by 0.145 times when annual mean AT increases by 1.0℃.The more eutrophic the lakes are,the more effects on the algal growth AT has.Subsequently,the long-term joint effect of annual temperature increase and eutrophication on the water ecosystems can be quantitatively assessed and predicted.

lake;eutrophication;algal bloom;global warming

X172

A

1674-6732(2011)-02-0001-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.02.001

2010-07-23;

2010-08-18

國(guó)家“十一五”水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX07101—015)。

申哲民(1970—),男,副教授,博士。從事環(huán)境化學(xué)、污染控制原理與技術(shù)方面的研究。