不同環(huán)境因素影響下直鏈藻垂向分布特性研究

盧金鎖, 楊 喆, 張 旭, 張 博

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

近年來(lái)水庫(kù)逐漸成為重要的供水水源[1], 水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化和庫(kù)區(qū)內(nèi)原水質(zhì)惡化現(xiàn)象較為常見(jiàn)[2-3]。研究表明[4-6]夏秋兩季是水庫(kù)內(nèi)藻類高發(fā)季節(jié), 富營(yíng)養(yǎng)化水庫(kù)受分層影響而營(yíng)養(yǎng)鹽含量失衡, 當(dāng)某一環(huán)境因素改變時(shí), 水庫(kù)內(nèi)的藻類短時(shí)間內(nèi)大量繁殖并聚集在水體表層造成水華現(xiàn)象, 對(duì)庫(kù)區(qū)水體水質(zhì)及原水水質(zhì)造成嚴(yán)重的危害[7-8]。

庫(kù)區(qū)藻類分布受光照、降雨和水動(dòng)力條件等多種環(huán)境因素影響[9], 目前關(guān)于誘發(fā)藻類形成水華主要從水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽含量[10]、光照影響[11-12]和水動(dòng)力條件[13-14]等環(huán)境因素角度研究, 作者以北方地區(qū)的峽谷型深水庫(kù)水源——金盆水庫(kù)中夏秋兩季優(yōu)勢(shì)藻種之一的直鏈藻為代表[15], 在實(shí)驗(yàn)室的自制沉降柱條件下模擬不同環(huán)境因素對(duì)水中直鏈藻時(shí)空分布的影響, 總結(jié)出對(duì)應(yīng)直鏈藻的時(shí)空分布規(guī)律, 統(tǒng)計(jì)方差分析得出各環(huán)境因素對(duì)藻類分布的影響程度, 以對(duì)水庫(kù)取水規(guī)避藻類應(yīng)用借鑒。

1 材料和方法

1.1 藻種來(lái)源與培養(yǎng)條件

直鏈藻(Melosira)在分類學(xué)上屬于硅藻門(mén)(Bacillariophyta), 鏈狀群體, 藻細(xì)胞呈圓柱形。鏈長(zhǎng)一般為 8～35 μm, 由一個(gè)個(gè)節(jié)狀殼面連接, 一般為 3～15節(jié), 常見(jiàn)于湖泊、水庫(kù)等淡水系統(tǒng)中[16]。直鏈藻從中國(guó)淡水藻種庫(kù)(FACHB-Collection)處購(gòu)買(mǎi)。將其置于光照培養(yǎng)箱中, 利用CSI培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng), 箱內(nèi)溫度控制在(25±1)℃, 光強(qiáng)設(shè)置在(3000±100)lx 左右, 光照時(shí)間設(shè)置為L(zhǎng)∶D=12 h∶12 h, 每天搖晃3次, 達(dá)到穩(wěn)定期的周期在30 d左右[17-18]。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)定

本實(shí)驗(yàn)的主體實(shí)驗(yàn)裝置為一個(gè)自制的圓柱形有機(jī)玻璃沉降柱, 如圖1所示。柱高4 300 mm, 直徑150 mm, 在側(cè)外壁從上至下設(shè)置了17個(gè)直徑為8 mm的取樣口, 相隔取樣口之間的距離為35 cm。取樣管向柱內(nèi)伸至10 mm處, 為了避免取到吸附在內(nèi)壁上的直鏈藻造成取樣誤差; 沉降柱上方設(shè)置多級(jí)可調(diào)控?zé)粝淇稍O(shè)置不同光照強(qiáng)度, 燈箱內(nèi)設(shè)置噴頭用于模擬降雨實(shí)驗(yàn)和設(shè)置風(fēng)扇用于散熱; 沉降柱底部設(shè)置閥門(mén)和流量計(jì)用于調(diào)節(jié)出流流量。將沉降柱內(nèi)水體上部300 mm設(shè)為隔熱區(qū)域, 下部4 000 mm為實(shí)驗(yàn)水體區(qū)域, 并用5 mm厚黑色保溫膜包裹沉降柱表面覆蓋整個(gè)實(shí)驗(yàn)水體區(qū)域, 起到遮光保溫的作用。

圖1 沉降柱裝置示意圖Fig.1 Settling column device schematic diagram

1.3 測(cè)定方法

沉降柱上方及柱內(nèi)水體光強(qiáng)由光照計(jì)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)前配制不同直鏈藻含量的水, 用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(HydrolabDS5)測(cè)定其葉綠素 a濃度, 并用丙酮萃取-紫外分光光度法進(jìn)行校核[19], 并使用可見(jiàn)紫外分光光度計(jì)(HydrolabDR5000)測(cè)其在650 nm波長(zhǎng)時(shí)的吸光值, 建立直鏈藻的葉綠素 a濃度與吸光值之間線性方程[20]即: y=1569x+0.596(R2=0.999), 以便實(shí)驗(yàn)中只需取少量水樣檢測(cè)其吸光值, 計(jì)算對(duì)應(yīng)的葉綠素a。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

沉降柱內(nèi)水將金盆水庫(kù)原水經(jīng)過(guò)孔徑為 0.45 μm微孔纖維濾膜過(guò)濾, 為避免濾膜中的有機(jī)物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響, 使用前對(duì)濾膜進(jìn)行煮沸處理; 為使沉降柱內(nèi)的原水充分均勻混合并使其雜質(zhì)沉淀,在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前12 h便將其注入進(jìn)沉降柱內(nèi), 注水量約為 70.7 L; 為了能夠同時(shí)模擬直鏈藻上浮和下沉特性, 將已培養(yǎng)至穩(wěn)定期的直鏈藻液利用注射器從7號(hào)取樣口緩慢注入沉降柱內(nèi), 將沉降柱以 7號(hào)取樣口為界分為上浮區(qū)和下沉區(qū)(圖 1), 分別通過(guò)改變沉降柱上部燈數(shù)量、下部出流水量和上部噴頭出流量,形成 5組不同的光照、取水出流引起的水動(dòng)力和降雨條件下, 研究直鏈藻懸浮特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照條件對(duì)直鏈藻垂向分布影響

直鏈藻液從沉降柱中部 7號(hào)取樣口被注入進(jìn)沉降柱后, 調(diào)整燈箱開(kāi)啟燈數(shù)量, 使其在沉降柱水面處光強(qiáng)分別為0、1 000、3 000、7 000、10 000 lx, 間隔0.5～4 h在上浮區(qū)2號(hào)和下沉區(qū)15號(hào)取樣口進(jìn)行取樣,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)間周期為2 d。在不同光照條件下上浮區(qū)直鏈藻隨時(shí)間的分布如圖2a所示, 在不同光照條件下下沉區(qū)直鏈藻隨時(shí)間的分布如圖2b所示。

由圖2a可知, 在高濃度藻液加入后, 0.5 h之內(nèi)直鏈藻迅速向表層擴(kuò)散, 使表層水體中藻類濃度提高, 說(shuō)明直鏈藻在光的誘導(dǎo)下明顯上浮, 呈現(xiàn)一定趨光性, 這與 Lashaway[21]研究結(jié)論一致。但在不同光強(qiáng)呈現(xiàn)不同上浮特性, 在光強(qiáng)為1 000 lx時(shí), 表層達(dá)到最大需要0.5 h, 而在光強(qiáng)為10 000 lx時(shí)表層達(dá)到最大需要 2.5 h, 說(shuō)明在較強(qiáng)光強(qiáng)時(shí)由于光可到達(dá)較深, 直鏈藻無(wú)需上浮至表層, 上浮速度較慢。在上浮區(qū)直鏈藻分布穩(wěn)定時(shí), 光強(qiáng)在3 000 lx時(shí)表層直鏈藻濃度最大, 其次為 7 000 lx, 最小為無(wú)光強(qiáng), 說(shuō)明直鏈藻適合在3 000 lx左右生長(zhǎng), Wang[22]研究表明直鏈藻適合在低光強(qiáng)環(huán)境下生長(zhǎng), 其最適光強(qiáng)為2 800 lx左右。

由圖 2b可知, 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后下沉區(qū)內(nèi)直鏈藻的濃度變化緩慢且在24 h之后達(dá)到平衡, 其中在最大光強(qiáng)10 000 lx達(dá)到平衡時(shí), 底部直鏈藻的濃度最低,表明在頂部高光強(qiáng)下, 沉降柱內(nèi)整體光強(qiáng)較高, 直鏈藻在深度上分布廣泛, 在頂部低光強(qiáng)下, 直鏈藻難以在沉降柱內(nèi)生長(zhǎng), 而沉降至底部。這一點(diǎn)也可在表1中得出。由表1可知, 在0～3 000 lx光強(qiáng)時(shí)上浮區(qū)和下沉區(qū)內(nèi)各個(gè)取樣點(diǎn)的濃度值大致相同,在7 000和10 000 lx光強(qiáng)時(shí)上浮區(qū)內(nèi)位于沉降柱中部的6號(hào)取樣點(diǎn)的濃度值分別為53、60 μg/L要高于其余的取樣點(diǎn)濃度值, 而光強(qiáng)為10 000 lx時(shí)下沉區(qū)內(nèi)同樣位于沉降柱中部的 8、9號(hào)取樣點(diǎn)濃度值分別為63、66以及66、70 μg/L要高于其余的取樣點(diǎn)濃度值。

圖2 不同光照條件下直鏈藻的垂向分布分析圖Fig.2 Vertical distribution diagram of Melosira under different light conditions

表1 不同光照直鏈藻濃度在穩(wěn)定時(shí)間時(shí)垂向分布情況(單位: μg/L)Tab.1 Vertical distribution of different light Melosira concentrations at stable time (unit: μg/L)

2.2 不同水動(dòng)力條件對(duì)直鏈藻垂向分布影響

直鏈藻液從沉降柱中部 7號(hào)取樣口被注入進(jìn)沉降柱后, 改變沉降柱底部出流流量分別為8、15、23、30和36 mL/min, 每次實(shí)驗(yàn)間隔5～8 h在上浮區(qū)2號(hào)和5號(hào)以及下沉區(qū)9號(hào)和15號(hào)取樣口進(jìn)行取樣, 4個(gè)取樣點(diǎn)的藻液濃度值隨時(shí)間分布如圖3a～e所示。

由圖3a～e可知, 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中4個(gè)取樣點(diǎn)的藻濃度差值由開(kāi)始時(shí)的相差較大到結(jié)束時(shí)的相差不大,越接近結(jié)束時(shí)間時(shí) 4個(gè)取樣點(diǎn)間的藻濃度分布趨勢(shì)基本不變且測(cè)得的各自取樣點(diǎn)藻濃度基本不變。對(duì)比圖2與圖3, 以上浮區(qū)的2號(hào)取樣點(diǎn)和下沉區(qū)的15號(hào)取樣點(diǎn)為例, 光強(qiáng)設(shè)置為3 000 lx。由圖2可知, 當(dāng)沉降柱底部沒(méi)有出流時(shí), 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2 d后沉降柱內(nèi)直鏈藻濃度趨于穩(wěn)定且光強(qiáng)為3 000 lx時(shí), 15號(hào)取樣點(diǎn)的藻濃度為78 μg/L; 由圖3可知, 受到實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)投加直鏈藻液濃度不同的影響, 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)15號(hào)取樣點(diǎn)的藻濃度范圍為 55～70 μg/L, 當(dāng)改變沉降柱底部出流流量時(shí), 實(shí)驗(yàn)平衡時(shí)間大大縮短, 出流流量最小即8 mL/min時(shí)實(shí)驗(yàn)平衡時(shí)間為8 h, 而出流流量最大即36 mL/min時(shí)實(shí)驗(yàn)平衡時(shí)間為5 h, 說(shuō)明隨著出流流量的逐漸增大促使對(duì)應(yīng)水域內(nèi)直鏈藻被動(dòng)遷移加快, 能夠在越短的時(shí)間內(nèi)聚集, 這與 Wang[23]的研究結(jié)論一致。同時(shí)對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn), 無(wú)論沉降柱底部出流流量是否發(fā)生改變, 在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi) 2號(hào)取樣點(diǎn)的藻濃度變化趨勢(shì)基本一致, 說(shuō)明沉降柱底部出流流量的改變對(duì)下沉區(qū)內(nèi)直鏈藻垂向分布的影響要大于對(duì)上浮區(qū)內(nèi)的, 由此可以推斷出隨著水深的增加, 越靠近出流流量改變的水層其對(duì)應(yīng)的直鏈藻垂向分布越受其影響。

2.3 不同降雨條件對(duì)直鏈藻垂向分布影響

直鏈藻液從沉降柱中部 7號(hào)取樣口被注入進(jìn)沉降柱后, 1 h后進(jìn)行降雨實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí), 模擬降雨強(qiáng)度分別為1.67、5、8.33、11.67和15 mm/min, 降雨持續(xù)45 min, 降雨期間取樣間隔15 min, 第二次模擬降雨在第一次結(jié)束4.5 h后進(jìn)行, 間隔7 h在上浮區(qū)2號(hào)和5號(hào)以及下沉區(qū)9號(hào)和15號(hào)取樣口進(jìn)行取樣, 4個(gè)取樣點(diǎn)的藻液濃度值在不同降雨條件下隨時(shí)間的分布如圖4a～d所示。

由圖4a可知, 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后1 h之內(nèi)沒(méi)有開(kāi)始降雨, 上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻受到光照影響迅速上浮, 之后降雨開(kāi)始上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻向下層遷移, 降雨 45 min后的降雨間隔期內(nèi), 上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻受到光照影響再次向表層遷移, 二次降雨開(kāi)始后, 上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻再次向下層遷移。測(cè)得 2號(hào)取樣點(diǎn)的藻濃度在降雨期間, 降雨強(qiáng)度最小即1.67 mm/min時(shí)藻濃度下降幅度為23%, 而降雨強(qiáng)度最大即15 mm/min時(shí)藻濃度下降幅度為 49%, 說(shuō)明隨著降雨強(qiáng)度增大, 降雨開(kāi)始后表層直鏈藻的下降幅度也增大。由圖4b可知,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始未發(fā)生降雨時(shí), 上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻受到光照影響迅速上浮, 而發(fā)生降雨時(shí), 表層直鏈藻向下層遷移,測(cè)得5號(hào)取樣點(diǎn)的藻濃度在降雨期間, 降雨強(qiáng)度最小即1.67 mm/min時(shí)藻濃度下降幅度為3.5%, 而降雨強(qiáng)度最大即15 mm/min時(shí)藻濃度上升幅度為11.8%。

結(jié)合圖4a和4b可知, 隨著降雨強(qiáng)度增大越靠近表層水體的直鏈藻對(duì)應(yīng)的垂向分布越受其影響且降雨強(qiáng)度越大趨勢(shì)越明顯, 同時(shí)受降雨影響的水深也隨降雨強(qiáng)度的增大而增大。相對(duì)于預(yù)防水華現(xiàn)象發(fā)生來(lái)說(shuō), 降雨對(duì)水中直鏈藻的垂向分布產(chǎn)生的影響是正面的影響, 是否可以采用人工降雨的方式來(lái)阻止或推遲水華現(xiàn)象的發(fā)生, 關(guān)于這一觀點(diǎn)是否可行目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者沒(méi)有做過(guò)相關(guān)研究得出過(guò)類似結(jié)論, 還需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證此觀點(diǎn)的正確性。

由圖4c和4d可知, 在5組不同降雨模擬的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 9號(hào)和15號(hào)取樣點(diǎn)的藻濃度變化沒(méi)有明顯波動(dòng), 僅受自重影響而遞減和遞增, 說(shuō)明降雨對(duì)水中直鏈藻垂向分布的影響是存在范圍的, 隨著水深的增加降雨對(duì)沉降柱內(nèi)直鏈藻的垂向分布影響減弱。

2.4 直鏈藻垂向分布與環(huán)境因素定量分析

利用單因素方差分析方法對(duì)上浮區(qū)以及下沉區(qū)內(nèi)的直鏈藻在光照、水動(dòng)力以及降雨這3個(gè)環(huán)境因素影響下測(cè)得的葉綠素a濃度值進(jìn)行分析并運(yùn)用SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 從中得出光照、水動(dòng)力以及降雨這3個(gè)環(huán)境因素哪一個(gè)對(duì)上浮區(qū)內(nèi)的直鏈藻垂向分布影響最大,哪一個(gè)因素對(duì)下沉區(qū)內(nèi)的直鏈藻垂向分布影響最大。

圖4 不同降雨條件下直鏈藻的垂向分布Fig.4 Vertical distribution diagram of Melosira with different amount of rainfall

表2、表3分別表示的是3個(gè)環(huán)境因素對(duì)上浮區(qū)以及下沉區(qū)內(nèi)直鏈藻垂向分布的影響程度, 其中組別1表示的是光照條件、組別2表示的是底部出流流量條件、組別 3表示的是降雨條件。從表中顯著性影響一行中的數(shù)據(jù)可知, 光照以及降雨條件對(duì)上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 而底部出流流量條件則對(duì)下沉區(qū)內(nèi)直鏈藻的垂向分布具有顯著影響。其中, 光照條件的改變促進(jìn)上浮區(qū)內(nèi)的直鏈藻垂向向水體表層遷移, 而降雨條件的改變則抑制上浮區(qū)內(nèi)的直鏈藻垂向向水體表層遷移。

3 結(jié)論

直鏈藻具有較強(qiáng)的趨光性且適合在低光強(qiáng)環(huán)境下生長(zhǎng), 實(shí)驗(yàn)?zāi)M確定直鏈藻的最適光強(qiáng)為3 000 lx,光強(qiáng)的改變對(duì)沉降柱內(nèi)直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 隨著水深的增加, 光強(qiáng)對(duì)水中直鏈藻垂向分布影響減弱。

沉降柱底部出流流量的改變對(duì)下層水體內(nèi)直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 且隨著出流流量的增大, 對(duì)應(yīng)的直鏈藻垂向分布變化波動(dòng)越明顯, 同時(shí)越靠近底部出流流量改變的水層, 其對(duì)應(yīng)的直鏈藻垂向分布越受其影響, 能夠在越短的時(shí)間內(nèi)聚集,當(dāng)出流流量最小即8 mL/min時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間為8 h, 而當(dāng)出流流量達(dá)到最大即36 mL/min時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間為5 h。

表2 單因素方差分析3種環(huán)境因素對(duì)上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻垂向分布的影響Tab.2 Effect of three kinds of environmental factors on the vertical distribution of Melosira in the floating zone analyzed by one-way ANOVA

表3 單因素方差分析3種環(huán)境因素對(duì)下沉區(qū)內(nèi)直鏈藻垂向分布的影響Tab.3 Effect of three kinds of environmental factors on the vertical distribution of Melosira in the sinking zone analyzed by one-way ANOVA

降雨強(qiáng)度的改變對(duì)表層水體內(nèi)直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 對(duì)于聚集在表層的直鏈藻來(lái)說(shuō),降雨對(duì)其產(chǎn)生抑制作用, 降雨強(qiáng)度越大, 表層水體內(nèi)直鏈藻就越偏離水體表層, 同時(shí)隨著水深的增加,降雨對(duì)直鏈藻的垂向分布影響減弱。

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