背角無齒蚌對水體凈化作用的研究

魏小飛, 關保華, 劉正文,2

1. 華中農(nóng)業(yè)大學水產(chǎn)學院, 武漢430070

2. 中國科學院南京地理與湖泊研究所, 湖泊科學與環(huán)境國家重點實驗室, 南京 210008

背角無齒蚌對水體凈化作用的研究

魏小飛1, 關保華2,*, 劉正文1,2

1. 華中農(nóng)業(yè)大學水產(chǎn)學院, 武漢430070

2. 中國科學院南京地理與湖泊研究所, 湖泊科學與環(huán)境國家重點實驗室, 南京 210008

通過設置不同生物量的背角無齒蚌, 研究其對再懸浮水體總懸浮質(zhì)(TSS)、葉綠素 a(Chla)及水體營養(yǎng)鹽含量的影響。結(jié)果表明： (1)背角無齒蚌可以快速降低水體中總懸浮質(zhì)(TSS)和葉綠素a(Chla)的濃度; (2)增大背角無齒蚌生物量可加快水體總懸浮質(zhì)(TSS)和葉綠素 a(Chla)濃度的下降速度; (3)背角無齒蚌在第 2天可降低水體總氮(TN)、總磷(TP)、總?cè)芙饬?TDP)的含量, 升高總?cè)芙獾?TDN)的含量, 但試驗結(jié)束時, 空白組和有蚌組總氮(TN)、總?cè)芙獾?TDN)、總磷(TP)、總?cè)芙饬?TDP)均沒有顯著差異(P＞0.05)。因此, 背角無齒蚌可在水體生態(tài)修復初期用于快速降低水體懸浮物和浮游藻類含量, 但從長期看, 不能明顯改善水體營養(yǎng)鹽含量。

濾食性底棲動物; 總懸浮質(zhì); 葉綠素a; 營養(yǎng)鹽; 透明度

1 前言

湖泊富營養(yǎng)化是當今世界面臨的重大環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計, 目前全球約有 75%以上的封閉型水體存在富營養(yǎng)化問題[1], 我國絕大多數(shù)湖泊也已經(jīng)富營養(yǎng)化或者正在富營養(yǎng)化中[2]。隨著水體富營養(yǎng)化進程的加快, 沉水植物的衰退和消失變成了一個普遍現(xiàn)象[3-4], 進而導致水體內(nèi)浮游藻類和沉積物再懸浮的增加[5], 水體透明度降低, 最終破壞整個生態(tài)系統(tǒng)。沉水植物不僅能夠快速吸收水體和沉積物中的營養(yǎng)鹽, 分泌產(chǎn)生他感物質(zhì)抑制浮游植物生長[7],而且在密度較高的情況下, 可以改變湖水流向和流強, 影響湖水與底泥之間物質(zhì)交換平衡[8], 因此, 沉水植物恢復是淺水富營養(yǎng)化湖泊修復的關鍵[6]。但沉水植物的良好生長受多方面因素影響, 其中高懸浮物導致的低透明度是沉水植物恢復的主要限制因子[9]。因此在生態(tài)修復初期, 我們需要迅速提高水體的透明度, 降低水體中懸浮質(zhì)的含量, 從而為沉水植物的生長提供有利的條件。國內(nèi)外已有研究表明,濾食性枝角類可以控制浮游植物, 提高透明度, 促進沉水植物恢復[10], 而淡水雙殼類軟體動物作為濾食性生物, 也能濾食水中的浮游藻類[11]和有機碎屑[12],提高水體透明度。

背角無齒蚌(Anodonta woodiana) 是我國淡水水體中分布很廣的淡水雙殼類軟體動物之一[13], 是典型的濾食性動物。研究表明, 背角無齒蚌在濾水過程中能形成大量的“假糞”, 產(chǎn)生顯著的生物沉降作用, 可加速水體中懸浮顆粒物向底層轉(zhuǎn)移, 有助于提高水體透明度[14-15]。但與此同時, 貝類的排泄作用不斷的向水體內(nèi)排放氨、尿素、尿酸、氨基酸、可溶性磷等營養(yǎng)物質(zhì), 且氨氮占總排泄量的60%—70%[16], 從而可能提高水體溶解性營養(yǎng)鹽的濃度。因此, 能否利用背角無齒蚌修復富營養(yǎng)化水體生態(tài)系統(tǒng)有著十分顯著的意義。本研究以蘇州太湖東山附近本地的土著背角無齒蚌為研究對象, 比較其不同生物量對水體的凈化能力的大小, 以求為今后的富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復提供科學依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

背角無齒蚌采自太湖, 選取大小一致(50.0 ± 5.0 g)、健康的個體備用。試驗用水為河蟹養(yǎng)殖池塘水。底泥采自太湖, 用 40目篩網(wǎng)除去螺類、石子等雜物,混勻后備用。試驗裝置為150 L的藍色塑料桶, 規(guī)格是底徑45 cm、口徑60 cm、高75 cm。攪動泵功率為3 W, 流量200 L·h-1。

2.2 試驗設計

試驗于2013年9月20日至9月30日在中科院南京地理與湖泊研究所位于蘇州市東山鎮(zhèn)的野外試驗站進行。試驗共設3個處理, 每個處理設置3個平行(見表1)。每個試驗桶鋪設約10 cm厚底泥, 加水130 L, 3 W攪動水泵固定于距離底泥10 cm處, 24小時連續(xù)工作并保證攪動方向一致。待水桶內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定, 向各處理組分別放入對應生物量的背角無齒蚌, 河蚌用尼龍網(wǎng)掛于距水面20 cm處, 尼龍網(wǎng)底部置塑料平板, 減少尼龍網(wǎng)對河蚌活動的影響。

試驗期間, 每天觀察桶內(nèi)河蚌和水泵攪動情況,確保水泵的正常運行和河蚌的準確位置, 保持桶內(nèi)水位穩(wěn)定。

2.3 試驗指標及測定方法

試驗過程中對所有試驗桶水體總懸浮質(zhì)(TSS)、葉綠素a(Chla)、總氮(TN)、總?cè)芙獾?TDN)、總磷(TP)、總?cè)芙饬?TDP)濃度等指標進行測定, 待攪動水泵工作穩(wěn)定后, 采集水樣作為本底值, 之后每兩天采樣一次, 用柱狀采水器采集1 L水樣, 用于理化指標的測定。同時YSI測定實時水體溫度、pH等指標。采樣后, 補充相同體積的蟹塘水。

相關指標及測定方法： TSS采用重量法; Chla采用丙酮萃取分光光度法; TN和TDN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法; TP和TDP采用堿性過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法; 具體分析方法參考金相燦和屠清瑛(1990)[17]。

2.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

所有試驗數(shù)據(jù)均由Microsoft Excel 2010處理,由Origin Pro 8.5生成圖形; 所有試驗數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計及檢驗統(tǒng)計均采用 SPSS19.0進行, Repeated Measures對重復測量數(shù)據(jù)進行分析, 多元方差分析使用 Multivariate分析方法, 其中顯著性水平為 P＜0.05, 極顯著性水平位P＜0.01。

3 結(jié)果與分析

表1 不同處理組背角無齒蚌設置情況Tab. 1 Initial value of Anodonta woodiana in different treatments

3.1 不同處理組水體總懸浮質(zhì)濃度的變化

水體TSS濃度變化見圖1。在整個實驗期間, 所有處理組TSS濃度呈逐步下降趨勢, 低蚌組TSS濃度低于空白組, 但差異不顯著(P＞0.05)。高蚌組TSS濃度顯著低于空白組 (P＜0.05)。有蚌處理組TSS濃度在試驗開始 2 d后出現(xiàn)顯著的下降, 空白組 TSS濃度與低蚌組存在顯著差異(P＜0.05), 低蚌組與高蚌組存在顯著差異(P＜0.05), 空白組與高蚌組存在極顯著差異(P＜0.01)。試驗結(jié)束時, 各處理組間TSS濃度差異不顯著, 但高蚌組濃度在試驗期間一直低于空白組和低蚌組。

3.2 不同處理組水體葉綠素a濃度的變化

水體Chla濃度變化見圖2, 空白組呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢但始終高于其他處理組, 低蚌組變化不大, 高蚌組整體呈現(xiàn)下降趨勢, 其中空白組與高蚌組存在顯著差異(P＜0.05)。試驗開始后第2天空白組 Chla濃度與低蚌組存在顯著差異(P＜0.05), 與高蚌組存在極顯著差異(P＜0.01), 低蚌組與高蚌組差異不顯著(P＞0.05)。試驗結(jié)束時, 各處理組 Chla濃度差異不顯著, 但高蚌組＜低蚌組＜空白組。

3.3 不同處理組氮濃度的變化

各處理組TN濃度變化見圖3A?？梢钥闯? 各個處理組 TN濃度均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢, 但各個組別間差異不顯著(P＞0.05)。高蚌組試驗第 2天 TN濃度與第 1天相比存在極顯著差異(P＜0.01),第7天TN濃度與第2天相比存在顯著差異(P＜0.05)。試驗結(jié)束時, 低蚌組和高蚌組 TN濃度均略高于空白組, 但差異不顯著(P＞0.05)。

各處理組TDN濃度變化見圖3B。與TN變化趨勢不同的是, 各個處理組TDN濃度均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢, 但不同處理組之間差異不顯著(P＞0.05)。第 2天, 空白組 TDN濃度與高蚌組存在顯著差異(P＜0.05)。試驗結(jié)束時, 各處理組 TDN濃度關系為空白組＜低蚌組＜高蚌組, 但差異不顯著(P＞0.05)。

3.4 不同處理組磷濃度的變化

不同處理組TP濃度變化見圖4A。各個組TP濃度均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢, 其中空白組TP濃度顯著高于高蚌組(P＜0.05)。多元方差分析表明, 第2天空白組TP濃度與高蚌組存在顯著差異(P＜0.05),低蚌組TP濃度也顯著高于高蚌組(P＜0.05), 但空白組與低蚌組差異不顯著(P＞0.05)。試驗結(jié)束時各處理組TP濃度由高到低的順序為： 空白組＞低蚌組＞高蚌組,但差異不顯著(P＞0.05)。

圖1 不同處理組總懸浮質(zhì)濃度變化Fig. 1 Comparison of total suspended substance in different treatments

圖2 不同處理組葉綠素a濃度變化Fig. 2 Comparison of Chla in different treatments

圖3 不同處理組總氮及總?cè)芙獾獫舛茸兓疐ig. 3 Comparison of TN and TDN in different treatments

圖4 不同處理組總磷及總?cè)芙饬诐舛茸兓疐ig. 4 Comparison of TP and TDP in different treatments

不同處理組TDP濃度變化見圖4B。其中空白組呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢, 而低蚌組與高蚌組則呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢, 但各個組別之間差異不顯著(P＞0.05)。多元方差分析表明, 第 2天空白組TDP濃度與高蚌組存在顯著差異(P＜0.05), 其他組別之間差異不顯著。試驗結(jié)束時, 各處理組TDP濃度由低到高的順序為： 空白組＜低蚌組＜高蚌組, 但差異不顯著(P＞0.05)。

4 討論

貝類可以通過濾食懸浮顆粒提高水體透明度,從而改善生態(tài)系統(tǒng)的光照條件[18]。研究表明, 背角無齒蚌能控制浮游藻類的生長[19]?？刂茟腋∥锘蚋∮沃参锬芰εc貝類濾水率有關, 而不同體重的背角無齒蚌的濾水速率有明顯區(qū)別, 特別是體重小于100 g 的蚌的濾水速率顯著增加[13]。本研究顯示, 背角無齒蚌的濾食可以快速降低水體TSS和Chla的濃度, 尤其是在懸浮物和浮游藻類較多時, 其濾食作用更為明顯; 且加大背角無齒蚌生物量可加快水體TSS和Chla濃度的下降速率。

本試驗初期, 水體內(nèi)懸浮物和浮游藻類濃度較高, 在背角無齒蚌的濾食作用下, 水體懸浮物和浮游藻類快速下降, 總氮、總磷含量也下降; 但隨著水體懸浮物和浮游藻類的減少, 水體中總?cè)芙獾腿芙庑钥偭椎暮恐饾u上升, 可能與背角無齒蚌本身的營養(yǎng)鹽排泄作用有關[22-23], 在試驗結(jié)束時有蚌組和無蚌組在總磷含量上并沒有顯著差異。而目前我們普遍采用氮、磷、葉綠素等指標來評定水體的富營養(yǎng)化程度[24]。因此, 背角無齒蚌的存在并不能顯著降低營養(yǎng)鹽濃度。因此, 貝類的排泄也為浮游藻類的生長提供營養(yǎng)鹽, 但當?shù)p殼類的濾食強度增加到一定程度并超過藻類的生長時, 就可以在較高的營養(yǎng)水平下抑制浮游藻類的生長, 從而保持較高的水體透明度[21]。因此, 我們可以利用背角無齒蚌的濾食作用來去除水體內(nèi)的懸浮顆粒物和浮游藻類, 從而提高水體的透明度, 可為沉水植物的生長提供良好的條件, 促進沉水植物的恢復, 從而恢復以沉水植物為主的清水態(tài)淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)。

5 結(jié)論

綜上所述, 背角無齒蚌可快速降低水體內(nèi)懸浮顆粒物和浮游藻類的含量, 提高水體透明度, 且在一定范圍內(nèi), 增大背角無齒蚌生物量可加快懸浮顆粒物和浮游藻類的下降速度, 但并不能長期明顯改善水體內(nèi)營養(yǎng)鹽含量, 因此單純依靠背角無齒蚌進行富營養(yǎng)化水體的修復工作是不可行的。

在富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復中, 沉水植物是降低水體內(nèi)營養(yǎng)鹽含量的主要因素, 而沉水植物生長的重要先決條件就是提高水體的透明度, 從而使得沉水植物能夠獲得充足的光照進行生長。因此, 在富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復中, 可以利用背角無齒蚌的濾食作用首先降低水體懸浮顆粒物和浮游藻類的含量,提高水體透明度, 為后期沉水植物的生長提供良好的條件, 在整個生態(tài)修復過程中存在重要意義。

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Research on water purification of Anodonta woodiana

WEI Xiaofei1, GUAN Baohua2,*, LIU Zhengwen1,2

1. College of Fisheries, Hua Zhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
2. State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

Our study aims to reveal the influence of Anodonta woodiana on the total suspended substance (TSS), chlorophyll a (Chla) and water nutrients via setting different levels of Anodonta woodiana biomass. The results are as follows. (1) Anodonta woodiana could lower the concentrations of TSS and Chla in the water quickly. (2) The concentrations of TSS and Chla decreased faster in the treatments of high biomass of Anodonta woodiana. (3) Anodonta woodiana decreased the concentrations of TN, TP, TDP and boosted the TDN in the second day, while there was no significant difference (P ＞0.05) between the blank treatments and the Anodonta woodiana treatments at the end of this experiment. This study indicates that Anodonta woodiana can reduce the TSS concentrations and phytoplankton biomass obviously it the beginning of ecological restoration process, but it does not improve the water qualities in a long term view.

filter-feeding zoobenthos; total suspended substance; chlorophyll a; nutrients; transparency

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.008

A

1008-8873(2016)01-056-05

2015-03-17;

2015-05-12

國家自然科學基金(31270409);國家科技重大專項(2013ZX07101014-2)

魏小飛(1989—), 男, 河北保定人, 碩士研究生, 研究方向為淺水湖泊生態(tài)修復, E-mail： xiaof_wei@163.com

*通信作者：關保華, 女, 博士, 副研究員, 主要從事水生植物生態(tài)學、湖泊生態(tài)修復科學與技術的研究, E-mail： bhguan@niglas.ac.cn

魏小飛, 關保華, 劉正文. 背角無齒蚌對水體凈化作用的研究[J]. 生態(tài)科學, 2016, 35(1)： 56-60.

WEI Xiaofei, GUAN Baohua, LIU Zhengwen. Research on water purification of Anodonta woodiana[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 56-60.