兩淮采煤沉陷區(qū)水域水體富營養(yǎng)化及氮、磷限制模擬實驗*

王婷婷，易齊濤＊＊，胡友彪，嚴家平，喻懷君，董祥林

(1:安徽理工大學地球與環(huán)境學院，淮南232001)

(2:安徽理工大學測繪學院，淮南232001)

(3:淮北礦業(yè)股份有限公司，淮北235000)

兩淮礦區(qū)是我國13個大型煤炭基地之一，也是集煤化工、電力供應、資源綜合利用等功能于一體的煤炭基地.兩淮礦區(qū)在為國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展做出重要貢獻的同時，也付出了土地資源、水資源和生態(tài)環(huán)境資源破壞的巨大代價.相對于西北部煤礦區(qū)干旱脆弱的生態(tài)環(huán)境，兩淮采煤沉陷區(qū)是我國中東部煤礦開發(fā)過程中生態(tài)環(huán)境改變的另一方面的典型代表，兩淮礦區(qū)由于特殊的地理地質(zhì)條件，如第四系厚松散沉積層、地勢低洼、高潛水位、河網(wǎng)密布等特征，使得這些沉陷區(qū)具備了水資源賦存的良好條件，通常積水區(qū)面積能占到整個沉陷區(qū)面積的30%～50%，形成了富水的區(qū)域性生態(tài)系統(tǒng).

現(xiàn)階段兩淮采煤沉陷區(qū)面積約300 km2，至2020年兩淮沉陷區(qū)面積將進一步擴展至500 km2以上［1］，淮南礦區(qū)相關(guān)研究資料表明，淮南沉陷積水區(qū)面積約100 km2，至2020年可儲備約(7～10)×108m3以上的淡水資源，將建成防洪排澇、工農(nóng)業(yè)用水及漁業(yè)養(yǎng)殖等綜合功能的大型平原水庫或生態(tài)湖泊群.淮北現(xiàn)有采煤沉陷區(qū)總庫容約6000×104m3，至2020年可達1.32×108m3［2］，沉陷區(qū)水資源已經(jīng)使淮北市的城市生態(tài)發(fā)展格局發(fā)生了重要改變.鑒于兩淮采煤沉陷區(qū)水資源對礦區(qū)社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要性，保持其水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的健康尤為重要，其中水體富營養(yǎng)化問題一直是被關(guān)心的重要問題.

兩淮不同的礦區(qū)沉陷積水區(qū)，根據(jù)其形態(tài)、面積、人為改造活動等特征，分別形成水塘、湖泊、濕地和平原水庫等不同景觀類水體.這些水域多由農(nóng)業(yè)土地沉陷覆水形成，受礦區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展等影響，地處農(nóng)業(yè)活動中心區(qū)域或城鎮(zhèn)生態(tài)恢復帶上，分別執(zhí)行著水源保護地、漁業(yè)活動區(qū)、濕地生態(tài)恢復區(qū)等不同水體功能，營養(yǎng)狀況差異較大.此前兩淮沉陷區(qū)水生態(tài)環(huán)境相關(guān)研究主要集中于水量評估和水質(zhì)的評價［3］，部分較深入的研究涉及了水體浮游生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境因子關(guān)系［4-5］，但局限于較小的礦區(qū)范圍.

實際上，這些沉陷積水區(qū)水體生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和整個礦區(qū)生態(tài)環(huán)境息息相關(guān)，各礦區(qū)地理氣候、生態(tài)環(huán)境和人為活動特征很大程度上將會在沉陷區(qū)水體生態(tài)環(huán)境中得以體現(xiàn)，即沉陷區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的響應.此前有研究表明［6］，兩淮采煤沉陷區(qū)水體營養(yǎng)水平起點較高，同時具有“中營養(yǎng)-輕度富營養(yǎng)”、“中度富營養(yǎng)”至“富營養(yǎng)化”多類營養(yǎng)狀態(tài)，水體N、P含量和比例梯度具有較大的跨度，總體體現(xiàn)出P相對N限制的特點.然而，單純憑營養(yǎng)鹽的比例關(guān)系很難準確判斷營養(yǎng)限制問題，因為N、P存在不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，其生化利用性差別較大［7］，因此常常需要進行室內(nèi)或現(xiàn)場營養(yǎng)加富培養(yǎng)實驗進一步驗證.本文選取兩淮地區(qū)3個代表性的沉陷區(qū)水域進行營養(yǎng)限制實驗，旨在觀察浮游植物生長對營養(yǎng)鹽類添加的響應，從而進一步確定水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)平衡狀況，在此基礎上總結(jié)出兩淮采煤沉陷區(qū)的營養(yǎng)限制種類、一般規(guī)律和關(guān)鍵特征，探討沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)者對不同礦區(qū)生態(tài)環(huán)境特征的響應情況，研究結(jié)果可以為區(qū)域水資源管理、漁業(yè)活動、生態(tài)恢復或重建相關(guān)的營養(yǎng)元素調(diào)控提供更加科學的依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況和采樣點設置

兩淮礦區(qū)含煤面積達15000 km2以上，其中淮南煤田面積約3600 km2，煤炭資源儲量約153.6×108t，淮北礦區(qū)煤田面積約8600 km2，煤炭資源儲量約370×108t，淮南煤炭資源賦存總體上比淮北集中，資源開采條件較好.兩淮礦區(qū)地理上屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，其中淮南礦區(qū)位于我國南北地理分界線附近，礦區(qū)內(nèi)地表水系豐富，屬于淮河水系，而淮北礦區(qū)內(nèi)河流數(shù)量和徑流量均較小，屬于洪澤湖水系.除此以外，兩淮地區(qū)土壤植被景觀亦存在較大區(qū)別.首先在兩淮各選取一代表性區(qū)域進行研究，分別為淮北“朱-楊莊”礦和淮南“潘謝”采煤沉陷區(qū)(圖1a).

淮北市現(xiàn)共有采煤沉陷區(qū)30多處，已形成東(東湖)、南(南湖)、西(西湖)、北(塑里)、中(中湖)和西南(臨渙、海孜、童亭采煤沉陷區(qū))6大水域，總水域面積32 km2，平均每年以3%～5%的速度增加.東湖、中湖、南湖位于“朱-楊莊”礦沉陷區(qū)內(nèi)，屬于安徽省淮北市資源枯竭城市礦山地質(zhì)環(huán)境治理重點項目，水域面積超過10 km2，調(diào)蓄庫容2476.2×104m3.南湖濕地公園已經(jīng)建成，東湖濕地公園將于2013年建成，而中湖濕地公園也在規(guī)劃建設中.根據(jù)項目計劃，3個湖將和當?shù)睾恿魉地炌?，形成湖泊系列，同時屬于城市生態(tài)恢復的中心地帶，為淮北市的水源保護地.淮南潘謝礦區(qū)位于安徽省淮河北岸的農(nóng)業(yè)活動區(qū)，礦區(qū)東西長近58 km，南北寬6～25 km，面積達865 km2［8］，由于數(shù)十年的煤炭持續(xù)開采，現(xiàn)已形成大規(guī)模的沉陷積水區(qū)，水域面積約70 km2，并呈現(xiàn)快速擴張的趨勢.因此，綜合考慮兩淮沉陷區(qū)水體功能、生態(tài)環(huán)境特征、人為活動影響的因素，本文擬選取淮北南湖國家城市濕地公園和淮南潘謝礦區(qū)沉陷積水區(qū)(顧橋礦、謝橋礦)內(nèi)3個水域站點開展相應研究.

圖1 選定的兩個分礦區(qū)地理位置與水系(a)及采樣點分布(b:淮北南湖濕地公園;c:潘謝礦區(qū)顧橋沉陷積水區(qū);d:潘謝礦區(qū)謝橋沉陷積水區(qū))Fig.1 Locations of selected two sub-coal mining subsidence areas and hydrologic regime(a);and sampling sites in the HBNH(b)，PXGQ(c)and PXXQ(d)

1)淮北南湖(HBNH)研究站點:南湖公園位于淮北市烈山區(qū)，占地5.3 km2，其中水域面積2.6 km2，平均水深4.2 m，是十大國家城市濕地公園之一，也是全國首個在煤礦開采沉陷區(qū)上建設而成的濕地公園.南湖自形成以來已有30年的歷史，現(xiàn)為淮北市水源保護地，南湖基本上為封閉式水體，周圍有良好的生態(tài)緩沖帶，受人為活動影響較小，常年水質(zhì)保持良好狀態(tài).根據(jù)湖區(qū)形狀，采樣點圍繞湖心島布置，共設8個水質(zhì)采樣點(圖1b)，其中HBNH-4、HBNH-7、HBNH-8采樣點進行N、P限制模擬實驗.

2)潘謝顧橋(PXGQ)研究站點:位于顧橋礦工業(yè)廣場西北側(cè)的沉陷區(qū)內(nèi)，水域面積約10 km2，平均水深4.0 m，由礦區(qū)內(nèi)道路分割為4個部分，本研究選取其西北部較為穩(wěn)定的水域為研究對象，水域面積約4.0 km2.本沉陷區(qū)積水歷史較短(約5 a左右)，和外界水系無溝通渠道，現(xiàn)主要用于當?shù)剞r(nóng)民的漁業(yè)活動，每年有魚苗投放，但無餌料添加，水體保持較為自然的狀態(tài)，水質(zhì)狀態(tài)較好.在此水域共設9個水質(zhì)采樣點，在中間斷面上取PXGQ-2、PXGQ-5、PXGQ-8 3個采樣點進行營養(yǎng)鹽限制模擬實驗(圖1c).

3)潘謝謝橋(PXXQ)研究站點:位于謝硚礦工業(yè)廣場西北部沉陷區(qū)內(nèi)，整個水域面積超過10 km2，平均水深4.5 m.本研究選取其西北部水域為研究對象，其面積約3.0 km2，沉陷積水歷史約15 a，與區(qū)內(nèi)主要農(nóng)業(yè)渠道謝展河連通，接納周圍農(nóng)業(yè)活動排水，本水域漁業(yè)活動亦為自然散養(yǎng)型.共設7個水質(zhì)采樣點，其中在PXXQ-2、PXXQ-5、PXXQ-6 3個采樣點進行氮、磷限制模擬實驗(圖1d).

1.2 樣品采集與分析方法

2011年和2012年分別對PXGQ和PXXQ兩個研究站點進行了春、夏、秋、冬季度采樣工作，HBNH則進行了2012年4個季節(jié)的采樣工作.采樣方法根據(jù)文獻［9］進行，每個水質(zhì)采樣點用有機玻璃采水器采集表層水樣保存待分析.本文相關(guān)水質(zhì)調(diào)查及分析的指標包括:水溫和透明度(SD)、pH、TN、硝態(tài)氮(-N)、亞硝態(tài)氮(-N)、銨態(tài)氮(-N)、TP、正磷酸鹽(-P)、葉綠素 a(Chl.a).水溫和 pH用 pH儀(YSI pH100)現(xiàn)場測定，透明度用賽氏盤測定，水質(zhì)分析方法主要參照相關(guān)國家標準進行［10］，其中TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP用鉬酸銨分光光度法測定，-N用紫外分光光度法測定，-N用水楊酸-次氯酸鹽光度法(A)測定，-N用N-(1-萘基)-乙二胺光度法(A)測定.Chl.a用分子熒光法分析測定，首先用Chl.a標準品對熒光分光光度計(RF-5310PC，島津公司)進行校準，混合纖維膜過濾100 ml水樣后避光冷凍保存，分析時置于10 ml丙酮(90%)離心管中凍融提取數(shù)次，低速離心(3500轉(zhuǎn)/min)后取上清液進行測定，同時扣除膜空白.

營養(yǎng)狀態(tài)參數(shù)的計算采用均值、標準差的方法，選取SD、TN、TP和Chl.a共4個指標，用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)［11-12］進行評價，計算公式如下:

式中，TLI(∑)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);wj為j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重;rij為第j種參數(shù)與基準參數(shù)Chl.a的相關(guān)系數(shù);m為評價參數(shù)的個數(shù);TLI(j)代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，分別由以下公式計算:

首先計算各站點每個季度所有水質(zhì)采樣點營養(yǎng)鹽和狀態(tài)指數(shù)的均值，然后以年均值和標準差來表征各水域總體營養(yǎng)狀況.TN∶TP和DIN∶DIP作為傳統(tǒng)的營養(yǎng)限值指標廣泛用于評價水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu).此外，大量研究表明，在水庫、湖泊、河口、近海等人為活動影響較大的水體中，藻類有分泌堿性磷酸酶利用有機磷的能力［13-14］，而利用有機氮則較為困難，因此Ptacnik等［7］提出用DIN:TP表征水域N或P限制的標準.所以，本文研究水域水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)選用TN∶TP、DIN∶TP及DIN∶DIP 3個特征參數(shù)進行分析.

1.3 氮、磷限制模擬實驗

營養(yǎng)限制模擬實驗均隨2012年10月秋季水質(zhì)采樣進行，采樣當天從各研究站點擬定的模擬實驗采樣點采集桶裝水樣后(約10 L)，避光帶回實驗室，立刻用200 μm的篩絹過濾除去大型浮游動物和大顆粒懸浮物，分別量取1 L水樣裝于不同的錐形瓶中.實驗中所用的錐形瓶在使用前都用1∶10鹽酸浸泡過夜并用水樣潤洗.每個采樣點設置4組實驗:對照組、加氮組(+N)、加磷組(+P)和加氮加磷組(+N+P).營養(yǎng)鹽添加濃度根據(jù)及時測定的N、P濃度確定，P的添加以實測-P濃度的5～10倍左右加富，N的添加匹配溶解無機氮和無機磷酸鹽(DIN∶DIP)比值達Refield比［15］(氮磷摩爾比約16∶1).3個研究站點營養(yǎng)鹽添加濃度見表1，其中HBNH和PXGQ營養(yǎng)鹽添加濃度相同，-N和-P的添加量分別為0.3 mg/L和0.06 mg/L，而PXXQ站點P的添加量為前二者的2倍(0.12 mg/L)，N的添加量為0.4 mg/L.由于研究水域面積不大，水體混合較為均勻，各采樣點水質(zhì)差異較小，同時考慮到光照培養(yǎng)箱容量問題，水樣氮、磷模擬實驗中不設平行組，而是通過觀察3個采樣點藻類生長對氮、磷添加的響應來確定整個水域的營養(yǎng)限制類別.

將加好營養(yǎng)鹽的各組錐形瓶放入光照培養(yǎng)箱中(GZX-150BS-Ⅲ)，培養(yǎng)箱中溫度設置為秋季的一般水溫20℃，光照強度按照實際研究站點特征設置，其中13:00設置最大值5000 lx，然后按照從早到晚進行20%、40%、60%、80%和100%5個梯度設置，光暗周期比為14 h∶10 h.每天早晚各搖瓶一次以使浮游植物混合均勻和防止生物聚集.從加入營養(yǎng)鹽當天開始每天抽取25 ml培養(yǎng)液，用0.45 μm的混合纖維素膜過濾，濾液進行營養(yǎng)鹽的測定，濾膜則裝入離心管中冷凍保存待測Chl.a，同時記錄pH變化.每天測定各培養(yǎng)組Chl.a含量以便觀察藻類生長變化，在對營養(yǎng)添加有明顯響應的培養(yǎng)組藻類Chl.a含量達到峰值后下降至接近初始值時結(jié)束實驗(見結(jié)果部分，約10 d)，實驗結(jié)束后分別對各研究站點營養(yǎng)鹽樣品同批次測定，以減少實驗誤差.在培養(yǎng)實驗開始(0 d)到Chl.a達到峰值時段(4～5 d)，根據(jù)水體N、P濃度差值來確定藻類指數(shù)生長期間N、P吸收比率，其中培養(yǎng)開始時-P濃度由于藻類的快速吸附，大幅度降低，所以采用添加量作為初始值來計算P的吸收量.

表1 營養(yǎng)限制模擬實驗添加氮、磷濃度*Tab.1 Added nitrogen and phosphorus concentrations for nutrient enrichment bioassays

2 結(jié)果與分析

2.1 3個站點的營養(yǎng)狀態(tài)與結(jié)構(gòu)特征

HBNH站點屬于水源保護區(qū)，Chl.a、TP和 TN 均值都相對較小，分別為13.07 mg/m3、0.056 mg/L和1.00 mg/L，TLI值范圍為50±10，屬于中營養(yǎng)-輕度富營養(yǎng)化水體.PXGQ水域受人為擾動較小，形成歷史較短，保持較為自然的狀態(tài)，Chl.a含量約為HBNH站的2倍，TLI均值為53±6，水體處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài).PXXQ站點盡管也屬于自然漁業(yè)活動區(qū)，但可能受周圍農(nóng)業(yè)活動影響較大，Chl.a及營養(yǎng)鹽含量明顯高于其他2個研究站點，TLI均值為63±6，屬于中度富營養(yǎng)化水體(表2).

表2 研究站點營養(yǎng)鹽濃度及營養(yǎng)狀態(tài)年均值統(tǒng)計分布*Tab.2 Annual values of nutrient concentrations and trophic level index in the three studiedsites

2012年秋季，HBNH 3個采樣點TP含量均為0.085 mg/L，TN含量范圍為1.28～2.04 mg/L;PXGQ站TP、TN 濃度范圍分別為0.054～0.134 mg/L和0.71～0.77 mg/L;PXXQ 站TP、TN 濃度范圍則分別為0.058 ～0.072 mg/L和2.16～2.26 mg/L(表3).總體上TN濃度PXGQ站最低，PXXQ站最高;TP濃度PXGQ站最低，HBNH站最高.-P濃度均處于較低的范圍之內(nèi).無機氮中-N為主要組分，但調(diào)查期間PXXQ站-N濃度遠高于其他2個站點，因為此站點和當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)干渠謝展河連通，N的輸入受當?shù)剞r(nóng)業(yè)活動影響較大，表現(xiàn)出較大季節(jié)變動性，調(diào)查期間-N濃度可能與此相關(guān).

從營養(yǎng)比例結(jié)構(gòu)來看，秋季 TN∶TP，DIN∶TP 均大于文獻［16-17］給出的 P 限制標準(16∶1、5∶1)，DIN∶DIP范圍為111.9 ～1321.6，主要是由于水體中-P濃度極低所致，所以3個站點受P限制可能性較大，限制比值PXXQ高于HBNH，PXGQ最低(表3).然而，3個站點Chl.a仍然保持著較高的濃度，特別是PXGQ站，Chl.a含量高達30 mg/m3，這些結(jié)果均暗示藻類有利用有機磷或儲存P庫的能力.

表3 各研究站點模擬實驗初始(2012年秋季)氮、磷濃度及比例結(jié)構(gòu)特征Tab.3 Initial N，P concentrations and their ratios in the sampling sites for nutrient enrichment bioassays(Autumn，2012)

2.2 藻類生長對營養(yǎng)鹽添加的響應

2.2.1 淮北南湖站 HBNH站3個點的藻類生長呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，+N+P組的Chl.a濃度從第1 d開始迅速上升，第5 d達到最大值(約30 mg/m3)，然后藻類生長進入衰退狀態(tài)，Chl.a濃度逐漸下降，直至維持在較低的濃度水平.而+P組Chl.a濃度從第1 d開始迅速上升，到第3 d達到峰值(平均24.6 mg/m3)，此后迅速下降，相比較+N+P組，藻類生長維持的時間相對較短.整個實驗過程中對照組和+N組的Chl.a濃度并未呈現(xiàn)明顯波動，一直處于比較低的狀態(tài)(圖2a).+P組和+N+P組添加的-P濃度從培養(yǎng)初期(第0 d)開始迅速下降，至第3 d-P基本耗竭，而對照組和+N組的-P濃度一直保持低濃度狀態(tài)(圖2b).相比對照組和+N組，+P組的-N濃度從第1 d開始有明顯下降的趨勢，從初始的平均0.25 mg/L降至 0.10 mg/L左右，而 +N+P 組中-N也顯示了大量的消耗，從初始的平均0.52 mg/L降至0.10 mg/L 左右(圖2c).

綜上所述，HBNH站研究期間顯示了P限制的特點，即藻類生長對單獨加N沒有明顯的響應，加P和同時加N和P對藻類的生長有明顯的促進作用，并表現(xiàn)出營養(yǎng)鹽的消耗.

2.2.2 淮南潘謝顧橋站 PXGQ站第1 d就出現(xiàn)了藻類的快速生長，這可能是因為室內(nèi)培養(yǎng)溫度(20℃)略高于采樣時水溫(16℃)所致.除去溫度的影響，相比對照組和+P組，+N組和+N+P組從第2 d開始藻類出現(xiàn)明顯的生長，第4 d達到高峰，+N組3個采樣點Chl.a濃度平均峰值為39.0 mg/m3，+N+P組平均峰值46.7 mg/m3，此后藻類生長進入衰退狀態(tài)，Chl.a濃度最終下降至約 10 mg/m3左右 (圖2d).+P組和 +N+P組的-P在第1 d就幾乎被藻類吸收殆盡(圖2e)，表明水體P處于匱乏狀態(tài)，P的快速吸收也可能是因為藻類體內(nèi)存在P庫［18］，長時間處于貧營養(yǎng)鹽環(huán)境中的藻體轉(zhuǎn)移到正常培養(yǎng)液中會迅速消耗介質(zhì)中的營養(yǎng)鹽，并在體內(nèi)積累后慢慢利用［19］，即藻類對營養(yǎng)鹽吸收有“奢侈消費”能力.+N組和+N+P組的-N濃度從第1 d開始下降，并分別在第4 d或第3 d達到最小值，從最初的平均0.46 mg/L最終降至0.16 mg/L左右(圖2f).對照組和+P組的-N濃度在下降3 d后保持在低濃度的狀態(tài).

綜上所述，PXGQ站點研究期間顯示了N限制的特點，即藻類生長對單獨+P沒有明顯的響應，+N和+N+P對藻類的生長有明顯的促進作用，并表現(xiàn)出N、P的消耗.

2.2.3 淮南潘謝謝橋站 同HBNH站一樣，PXXQ站表現(xiàn)出P限制的特點，即相比對照組，+N組不能刺激藻類的生長，而+P組和+N+P均能顯著加速藻類的生長，Chl.a分別在培養(yǎng)4 d后達到峰值，+P組最大Chl.a均值為125.2 mg/m3，+N+P 組 Chl.a峰值平均為124.4 mg/m3(圖3a).由于本站點 P 元素添加量是前兩個研究站點的2倍，同時N元素濃度較高，因此，藻類生物量達到的峰值遠高于其他兩個站點.+P組和+N+P組-P濃度在第0 d測得的值要遠小于添加的濃度(0.12 mg/L)，此后從第2 d開始隨藻類生長而急劇下降，到第3 d基本耗竭(圖3b).+P組和+N+P組-N從第3 d開始下降，濃度分別從初始的0.90 mg/L和1.20 mg/L下降至最終的0.15 mg/L，而對照組和+N組-N濃度沒有出現(xiàn)顯著消耗的情況(圖3c).由于本站點-N濃度較高，因此對培養(yǎng)過程中-N濃度也進行了測定，4組-N濃度均表現(xiàn)出下降的趨勢，但對照組和+N組下降趨勢明顯緩于+P組和+N+P組(圖3d).由于對照組和+N組沒有出現(xiàn)藻類的生長，-N可能被藻吸附或發(fā)生了一定的硝化作用.+P組和+N+P組的-N則明顯被藻類前3 d的生長所耗竭，此后開始利用-N作為N源，表現(xiàn)為-N的消耗，這是因為藻類在-N和-N同時出現(xiàn)在介質(zhì)中時，優(yōu)先利用-N作為合成自身生物質(zhì)的N源［16］.

圖2 HBNH站(a，b，c)和PXGQ站(d，e，f)Chl.a、-P和-N濃度隨培養(yǎng)時間的變化Fig.2 The changes of concentrations of Chl.a，-P，-N in HBNH site(a，b，c)and PXGQ site(d，e，f)during the incubation courses

2.3 藻類生長對N、P的消耗過程與比率

圖3 PXXQ站采樣點Chl.a(a)、-P(b)、-N(c)和NH+4-N(d)和濃度隨培養(yǎng)時間的變化Fig.3 The changes of concentrations of Chl.a(a)，phosphorus(b)，nitrate(c)and ammonium(d)in PXXQ site during the incubation courses

3 討論

描述海洋藻類生物組成的C∶N∶P=106∶16∶1的Redfield相關(guān)學說［15］一直是研究浮游植物營養(yǎng)限制及群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的最經(jīng)典的參考標準，此后在各類水生態(tài)系統(tǒng)研究的應用中不斷得到發(fā)展和修正.如Smith等［17］提出解釋藍藻水華的N∶P比學說，即一定條件下藍藻生物量與N∶P比呈負相關(guān)，當TN∶TP＞29(質(zhì)量比)時，藍藻變得稀少.越來越多的研究表明，N、P限制在不同類型生態(tài)系統(tǒng)中并不是一個確定的值，Sterner等［18］對湖泊、近海及遠海等2000個以上觀察數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)C∶N∶P比在懸浮物高的富營養(yǎng)水體中相對較低，提出將Redfield比修正為指數(shù)形式的建議.Ptacnik等［7］進一步指出由于不同水環(huán)境中N、P可利用形態(tài)存在顯著差別，提出了TN∶TP、DIN∶TP、(PON+DIN)∶(POP+DIP)等表征營養(yǎng)限制的綜合指標體系，其中DIN∶TP能更好地預測藻類的限制情況.本研究中，3個不同站點秋季TN∶TP分別為42.1、24.1和75.4，根據(jù)一般的限值標準，均表現(xiàn)出P限制的特點，而模擬研究實驗證明PXGQ站點卻受N限制，盡管DIP濃度極低，添加的P在培養(yǎng)期間也快速被藻類所吸收，但可利用性-N的缺乏使其受到明顯N限制，這可能是由于初期沉積環(huán)境-農(nóng)業(yè)土壤淹水條件下活性有機質(zhì)缺氧條件分解中反硝化造成的.

最近王菲菲等［22］報道了淀山湖、小興凱湖和洱海3個不同營養(yǎng)狀態(tài)和氮磷比結(jié)構(gòu)的湖泊夏季藻類生長對營養(yǎng)物質(zhì)添加的響應，3個湖泊 TN/TP含量及比例(質(zhì)量比)分別為2.428/0.250(N∶P=10)、0.610/0.068(N∶P=9)和0.537/0.021(N∶P=29)，其中淀山湖和小興凱湖出現(xiàn)了明顯的 N 限制，N、P濃度較小的洱海則為N、P共同限制.不同P的添加量能導致藻類增長率出現(xiàn)顯著的梯度變化，這與本文研究結(jié)果一致.但是，富營養(yǎng)化的淀山湖和中度富營養(yǎng)化的小興凱湖N限制可能分別屬于兩種不同的限制類型，因為淀山湖TP濃度大于0.25 mg/L，P的濃度已經(jīng)導致對P的添加沒有響應，小興凱湖可能由于生物可利用N較缺乏而出現(xiàn)N限制的情況，和許海等［21］的研究結(jié)果一致.王松波等［23］對30個富營養(yǎng)養(yǎng)殖池塘(P＞0.4 mg/L)相關(guān)研究也表明，浮游植物對N的響應要顯著大于P，即富營養(yǎng)化水體對P的升高不敏感.

另一方面，浮游生物活動也會改變水體的N、P結(jié)構(gòu)，Xie等［24］曾報道武漢東湖中水華的發(fā)生誘導沉積物釋放P而顯著降低水體氮磷比的生物驅(qū)動機制.其他相關(guān)研究也表明，浮游生物活動和生態(tài)環(huán)境因子季節(jié)性變化對水體氮磷比結(jié)構(gòu)影響較大［25］，水生態(tài)計量學研究理論表明［26-28］，甲殼類浮游動物中小型枝角類具有比翹腳類更低的氮磷比，能夠富集P，從而產(chǎn)生級聯(lián)的“上行效應”，即進一步導致浮游植物的P限制.鄧道貴等［5，29］曾經(jīng)報道了HBNH研究站點浮游動植物群落結(jié)構(gòu)分布特征，發(fā)現(xiàn)藍綠藻和小型甲殼類浮游動物具有較大的豐度，同時具有明顯的季節(jié)變化，和本文P限制相關(guān)研究結(jié)果一致，因此在今后研究中需要進一步擴展至不同季節(jié)范圍，同時和浮游動植物群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換結(jié)合起來.

從沉陷積水區(qū)環(huán)境來看，由于歷史、人為活動等原因，已經(jīng)表現(xiàn)出不同的營養(yǎng)狀態(tài).PXGQ和HBNH站由于受人為活動影響較小，TN、TP濃度相對較低，PXXQ站可能受周圍農(nóng)業(yè)活動影響，TN、TP及Chl.a的濃度顯著高于前兩個站點.另一方面，兩淮采煤沉陷積水區(qū)其起源于沉陷覆水的農(nóng)田，沉積環(huán)境不同于一般的湖相沉積物，沉陷區(qū)土層中活性鐵氧化物能在淹水的還原條件下向表層遷移并重新氧化形成非晶氧化物，從而對P的遷移有顯著的束縛作用［8］，從而成為導致沉陷區(qū)水域P相對N缺乏的重要原因之一.

綜上所述，兩淮沉陷區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)起點相對較高，盡管積水時間較短、封閉性水體PXGQ出現(xiàn)了N限制的特點，但是，未來兩淮沉陷區(qū)水質(zhì)管理的關(guān)鍵可能仍然在于P元素的控制.根據(jù)最新生態(tài)化學計量學“生長速率假說”［26-27，30］，P是生物體生長速率的最重要的控制元素，低N∶P條件下，高含量的P能夠分配到核糖體RNA中滿足生物快速生長的需要，現(xiàn)在兩淮采煤沉陷區(qū)一些水體濃度由于人為活動，已經(jīng)正在接近或超過0.1 mg/L的界限，值得我們重點關(guān)注，亟需制定有針對性的水生態(tài)環(huán)境重建、恢復與保護對策，如對水源保護區(qū)、生態(tài)恢復濕地應減少外源有機物的輸入，保持水體的“好氧”狀態(tài)和相對“P限制”的特點.而對以漁業(yè)增產(chǎn)為目的的水域，則通過合理的生物操縱等手段調(diào)節(jié)P的可利用性，在保持水體營養(yǎng)平衡的條件下提高水體的初級生產(chǎn)或生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，在滿足差別化的水體功能條件下保證區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的健康.

4 結(jié)論

1)兩淮礦區(qū)3個不同特征的代表性研究水域營養(yǎng)狀態(tài)與結(jié)構(gòu)特征表明，總體上P相對N缺乏，營養(yǎng)限制實驗進一步證明了其中HBNH、PXXQ站藻類生長受P元素限制，而PXGQ站則由于可利用性無機N的缺乏，顯示出N限制的特點.

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