穗花狐尾藻附著藻類對不同氮·磷濃度的響應

張晶　劉存歧　張亞娟　王軍霞

摘要[目的] 研究穗花狐尾藻附著藻類對水環(huán)境中不同氮、磷濃度的響應。[方法] 在室內模擬水生微宇宙環(huán)境，比較不同試驗組不同時期附著藻類的密度變化。[結果] 模擬單次大營養(yǎng)脈沖的E組與其他試驗組的水體總氮、總磷指標和附著藻類的密度均在試驗后期達到動態(tài)平衡，且各組水體總氮、總磷、水體葉綠素a和附著藻類密度差異性顯著（P<0.05），表現(xiàn)為D>E>C>B>A；在中等氮、磷濃度（TN 3 ml/L，TP 0.5 mg/L）水平下附著藻類與穗花狐尾藻能夠保持相對穩(wěn)態(tài)。 [結論] 微宇宙環(huán)境水系統(tǒng)對氮、磷及附著藻類的密度具有一定的承載能力，且附著藻類的密度與水體氮、磷濃度變化密切相關。

關鍵詞富營養(yǎng)化；氮、磷營養(yǎng)鹽；附著藻類；穗花狐尾藻

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）28-09887-04

Response of Attached Algae and Myriophyllum spicatum to Different Concentrations of Nitrogen and Phosphorus

ZHANG Jing， LIU Cunqi， ZHANG Yajuan et al

（School of Life Science， Hebei University， Baoding， Hebei 071002）

Abstract[Objective] The research aimed to study the responses of attached algae and Myriophyllum spicatum to the concentrations of nitrogen and phosphorus in water. [Method] Through indoor simulation of microcosmos aquatic system， the density changes of the attached algae at different periods of each experimental group was compared. [Result] The results showed that total nitrogen， total phosphorus， and density of attached algae in group E which stimulated a single large nutrient pulse and other groups achieved a dynamic balance at the late stage of the test. And the differences of total nitrogen， total phosphorus， chlorophyll a and density of attached algae were significant （P<0.05） between different groups， showing as D>E>C>B>A. In medium nitrogen and phosphorus concentrations （TN 3 ml/L， TP 0.5 mg/L）， the attached algae and Myriophyllum spicatum remained relatively steady. [Conclusion] This study suggested that microcosmos aquatic system had a certain bearing capacity to nitrogen， phosphorus and the attached algae， and the density of attached algae was closely related to changes of nitrogen and phosphorus concentration.

Key wordsEutrophication； Nutritive salt； Attached algae； Myriophyllum spicatum

近年來，由于人類對湖泊生態(tài)系統(tǒng)活動的加劇，導致水華等藻類爆發(fā)的現(xiàn)象頻發(fā)，許多大型湖泊中水生植物減少，甚至消失[1-3]，湖泊由草型轉向藻型，這一現(xiàn)象被環(huán)境及湖沼學專家廣泛關注。有研究者推測該現(xiàn)象可能與富營養(yǎng)化水體中的附著物增加有關[1-4]。附著物包括附著藻類、菌類、動物、無機和有機碎屑等，在沉水植物莖、葉表面組成的復雜系統(tǒng)，能夠對沉水植被的表面有遮陰作用，限制其光合作用[5-6]，長期的覆蓋最終導致沉水植被的衰退[7-9] 。而附著藻類由于其初級生產量較高，能夠通過多種途徑（如改變水理化條件、自身吸收、反硝化等）對水體的營養(yǎng)鹽循環(huán)造成影響[10]，并且敏感地響應水體環(huán)境的改變，是導致湖泊發(fā)生從草型向藻型轉化的關鍵因素。Liborioussen等的研究指出，沉水植物的生長明顯受附著在其表面的附著藻類生長的影響，附著藻類生物量的增加會使沉水植物的生長率下降[11-12]。宋玉芝等對伊樂藻的研究也表明，伊樂藻的葉綠素含量、光合作用速率、葉綠素含量會隨著附著藻類添加量的增大而顯著降低[13]。因此，相關研究多集中在附著藻類的種類和數量上[14-16]。在烘干和燃燒的基礎上，采用重量法估計附著無機物和有機物，采用葉綠素a（Chl.a）含量作為附著藻類反映附著物特征的綜合指征。

目前，附著物對沉水植物生長的影響研究較為集中，但對于微環(huán)境下不同濃度氮、磷周期性脈沖輸入的富營養(yǎng)化水體對沉水植物附著藻類的影響研究較少，而對于微環(huán)境中周期性脈沖輸入對系統(tǒng)內水體氮、磷變化規(guī)律更是鮮有探究?；诖耍ㄟ^建立基于穗花狐尾藻的微宇宙生態(tài)系統(tǒng)，周期性地向其中添加不同負荷氮、磷營養(yǎng)鹽，考察附著藻類對營養(yǎng)鹽的響應，及系統(tǒng)內水體氮、磷變化趨勢，探索附著藻類在水生態(tài)系統(tǒng)的作用，為研究草型湖泊向藻型湖泊轉化的機制和湖泊的生態(tài)系統(tǒng)修復提供理論依據與數據支持。

1材料與方法

1.1試驗設計

從白洋淀鰣鲘淀淀區(qū)采集穗花狐尾藻，進行預處理后選取長勢一致的穗花狐尾藻供試驗。試驗容器為直徑60 cm、高75 cm的圓柱形高密度聚乙烯桶，桶底鋪20 cm高泥土（采自鰣鲘淀，曬干后過0.5 mm篩），加水（原位湖水與自來水1∶1混合）至70 cm刻度，待系統(tǒng)穩(wěn)定7 d后每桶種植8株狐尾藻，試驗設4組氮、磷營養(yǎng)鹽濃度，1組空白對照（表1），每組3個平行。預培養(yǎng)7 d后按設置的氮、磷營養(yǎng)鹽（KNO3，NaH2PO4·2H2O）濃度對各試驗組每7 d進行1次添加，每14 d進行一次采樣，及時因采樣、蒸發(fā)損失的水分，維持水體穩(wěn)定在設置初始高度。試驗在透光的溫室內進行，自2012年8月開始，至2012年10月下旬植株大量死亡時結束。

1.2水質指標的測定

總氮（TN）采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定，總磷（TP）采用鉬銻抗分光光度法測定，水體葉綠素a采用90%丙酮提取后分光光度法測定[17]。

1.3附著物的采集

附著生物的采集與處理：將生物網裝入密封袋帶回試驗室，用軟毛刷將附著生物刷下連同毛刷刷洗液一并收集定容至500 ml固定，進行鏡鑒與計數[18-19]。

1.4附著物生物量的測定

將生物網帶回試驗室后放入25 ℃的烘箱內去除多余水分后進行稱重記為初始重量，再將生物網刷洗干凈后再次烘干稱重，此為生物網干重。附著物生物量=初始重量-生物網重量。

1.5數據處理

采用SPSS17.0進行數據處理。用單因素方差分析（ANOVA）分析營養(yǎng)鹽濃度對附著物的影響，用Pearson相關性分析對營養(yǎng)鹽與附著藻類密度進行相關性分析。

2結果與分析

2.1水體總磷、總氮及水體葉綠素a濃度的變化

隨著周期性營養(yǎng)脈沖的輸入，如圖1所示，8月30日的第一次脈沖輸入，E組水體總磷濃度含量在9月13日達到最高峰，為（2.0±0.4） mg/L。B、C、D和E組與空白對照A組相比較，水體總磷濃度含量均有顯著的增大，A組中水體總磷濃度一直保持較低含量，B、C、D組水體總磷濃度所有波動，但整體呈上升趨勢，且在試驗后期都相對穩(wěn)定，各組最終達到平衡點，且各組差異顯著（P<0.05），依次為：D>E>C>B>A。各試驗組水體總氮變化趨勢與總磷基本一致（圖2），E組在8月30日進行單次的營養(yǎng)鹽大脈沖后，總氮濃度含量迅速上升達到最大值，為（5.3±0.7） mg/L。各種最終平衡點與總磷次序相同。

微宇宙水體葉綠素a含量在B、C、D、E組4個試驗組與空白對照A組間變化趨勢大體一致（圖3），在8月30日之前各組葉綠素a含量很低，隨著營養(yǎng)脈沖的持續(xù)輸入，各組葉綠素a含量均波動上升，9月26日各組葉綠素a含量突然大幅度增大，此后一致保持較平穩(wěn)的態(tài)勢，各組平衡點濃度大小與總磷、總氮一致。

2.2附著藻類對不同氮、磷營養(yǎng)鹽濃度的響應

如圖4所示，2012年度微宇宙中附著藻類的密度隨著營養(yǎng)鹽的添加及時間的推移而變化，各試驗組均呈現(xiàn)波動態(tài)勢。試驗初期各組分的附著藻類密度較大，但8月30日對E組進行大量營養(yǎng)鹽的添加后，在9月13日的檢測中顯示E組附著藻類密度到達最高，可能是由于大量的營養(yǎng)鹽導致了附著藻類的迅速繁殖。當試驗結束時各試驗組的附著藻類密度差異性顯著（P<0.05），且大小依次為：B>C>D>A>E（圖4）；各試驗組的附著藻類生物量（圖5）雖有小幅波動但最終保持在了平衡水平，且與附著藻類密度的平衡點大小排序相同（由于E組的生物網上有水綿附著，其附著藻類的生物量比其他組增長顯著），說明中等濃度的周期性營養(yǎng)脈沖（TN 1 mg/L，TP 0.2 mg/L）最適宜附著藻類的生長，無營養(yǎng)脈沖的輸入和較低濃度的營養(yǎng)脈沖下附著藻類的生長繁殖受到限制；而單次的大脈沖雖會使附著藻類的密度迅速上升，但由于營養(yǎng)及空間等生長繁殖限制的因素競爭使得附著藻類的密度迅速下降。

圖4附著藻類密度

圖5附著藻類生物量

對附著藻類生物量與水體氮、磷進行相關性分析得知，附著藻類生物量與水體總氮呈顯著正相關（P<0.05）；與總磷極顯著正相關（P<0.01）。

2.3附著藻類對穗花狐尾藻生長的影響

附著藻類與穗花

狐尾藻及周圍水體環(huán)境關系密切，不僅能夠表征水體營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子的特征，與狐尾藻植物、浮游植物類群也存在相互作用。表2記錄了室內不同營養(yǎng)鹽梯度下的系統(tǒng)的表觀特征。試驗結束時各系統(tǒng)內的穗花狐尾藻生長狀況優(yōu)劣依次為：C>B>A>D>E，說明穗花狐尾藻在中等偏高的周期性營養(yǎng)鹽脈沖輸入下生長良好，而過低和過高以及單次的大營養(yǎng)脈沖輸入對穗花狐尾藻的良好生長均有影響。說明穗花狐尾藻在中等及中等偏高的周期性營養(yǎng)脈沖輸入下生長狀況要好于高營養(yǎng)和無周期性的脈沖輸入。

3討論

3.1微環(huán)境下水體總氮、總磷的變化

生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在附著藻類對氮磷營養(yǎng)鹽的負荷響應[20]和沉水植物對水體氮磷的吸收與對附著藻類的影響[8]，以及附著藻類、浮游藻類和沉水植物三者之前的關系上[21]。Meijer對荷蘭Veluwe湖的生態(tài)修復研究的結果表明，水體的營養(yǎng)鹽濃度達到一定程度后才會發(fā)生湖泊由草型向藻型的轉化，說明湖泊的水環(huán)境對營養(yǎng)鹽有一定的承載能力[22]。

在室內模擬的微環(huán)境水體氮磷營養(yǎng)鹽指標測定結果也顯示，各系統(tǒng)內的氮磷營養(yǎng)鹽濃度至試驗后期均達到動態(tài)平衡，單次的大脈沖也不至使建立系統(tǒng)坍塌（2012年E組8月30日N 0.162 g/L，P 0.025 g/L）。與Meijer對Veluwe湖的修復研究結果一致，在微環(huán)境下系統(tǒng)對周期性的營養(yǎng)脈沖同樣具有負荷能力。

3.2不同氮、磷負荷對附著藻類的影響

該研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷的周期性脈沖的輸入對穗花狐尾藻附著藻類的密度和生物量有顯著的影響。由圖5可以看出，5個系統(tǒng)內附著藻類密度差異性顯著（P<0.05）。已有研究發(fā)現(xiàn)，氮磷含量的增加造成附著藻類的增長[23-24]，可以促進附著生物對N、P的吸收來滿足自身的生長和能量的需求[25]，這與該試驗初期至9月13日各系統(tǒng)內附著藻類的密度增加情況一致，隨著周期性營養(yǎng)脈沖的輸入逐漸增大，且營養(yǎng)鹽負荷大的系統(tǒng)內附著藻類的密度也較大。宋玉芝等對N及N/P比下的附著藻類的影響研究顯示，在試驗結束時較高和較低的N/P比下附著藻類的生物量均有顯著下降，而中等濃度的N及N/P比下附著藻類的生物量有顯著增加[26]。說明中等濃度的N及N/P的較適宜附著藻類生長。這與試驗后期結果相同，隨著系統(tǒng)內營養(yǎng)鹽不斷累積和周期性的脈沖輸入，N濃度及N/P比也隨之增大，附著藻類在中等濃度的營養(yǎng)鹽脈沖下的密度最大，而較低濃度和較高濃度的周期性營養(yǎng)脈沖下附著藻類的生長均受到不同程度的抑制，且較高濃度的周期性營養(yǎng)脈沖對附著藻類密度的抑制要高于較低周期性營養(yǎng)脈沖環(huán)境。

3.3附著藻類對穗花狐尾藻的影響

在水體中，沉水植物、附著藻類和浮游藻類這三者之間存在著極為復雜的相互影響的關系[27]。試驗中，狐尾藻在試驗初期均長勢良好，隨著營養(yǎng)鹽的添加，附著藻類與沉水植物之間對營養(yǎng)和光的競爭，以及浮游藻類大量吸收光，導致沉水植物所接收的光衰減，對沉水植物產生不利影響，導致水生植被逐漸衰退甚至消亡[20，28-29]。試驗后期附著藻類的密度在較高的水平下保持動態(tài)的平衡。這是由于沉水植物也會反過來影響附著藻類，當光照和營養(yǎng)鹽充足時，沉水植物引起水體氮、磷含量的降低從而限制浮游藻類的生長，并對浮游藻類有明顯的生化抑制效應，但是隨著營養(yǎng)鹽的持續(xù)添加，沉水植物對浮游藻類的營養(yǎng)競爭就會降低，進而造成浮游藻類的大量增長[28]。

4結論

由此可見，附著藻類隨水體氮、磷營養(yǎng)脈沖的周期性輸入呈明顯的動態(tài)變化，對沉水植物的生長和衰敗起重要作用，且對水體環(huán)境中氮、磷營養(yǎng)鹽的濃度具有一定影響。因此，為防止湖泊由草型轉向藻型，應降低水體中的氮、磷負荷以減少附著藻類生物量，增加水體的透明度以加大沉水植物對光的吸收及利用；同時，以沉水植物先鋒物種逐步改善湖泊的水生態(tài)系統(tǒng)，降低甚至阻礙湖泊由草型向藻型轉變，使得湖泊可以保持良好的生態(tài)穩(wěn)態(tài)環(huán)境。

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