邛海河-湖系統(tǒng)春季浮游植物磷脅迫研究

王雪梅，趙劉平，胡金朝，楊 紅

（西昌學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，四川 西昌 615013）

富營養(yǎng)化已經(jīng)成為目前世界上大多數(shù)淡水和近海生態(tài)系統(tǒng)所面臨的主要水質(zhì)問題，而氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的大量輸入是引起富營養(yǎng)化的主要原因［1］。淡水水體中最主要的限制性營養(yǎng)元素是磷，因而浮游植物對磷的生物可利用性是引發(fā)富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子［2］。在磷的眾多形態(tài)中，浮游植物僅能夠直接利用正磷酸鹽，但其含量在水體中往往不足總磷的5%，因此會很快導(dǎo)致浮游植物的磷脅迫。在磷脅迫狀態(tài)下，藻類可以通過改變種類組分或分泌提高堿性磷酸酶（AP）活性，以催化水解不能被生物制劑吸收利用的非活性磷，因而堿性磷酸酶活性（APA）的大小可以用于指示水體中磷限制或磷脅迫的狀態(tài)。

四川省西昌市邛海入選國家優(yōu)良自然湖泊，因此對邛海的保護也越來越受到重視。但近年來由于城市發(fā)展和人工濕地建設(shè)，使其匯水河流和湖區(qū)的水文、水力特征都發(fā)生了改變，對其營養(yǎng)鹽平衡和浮游植物也會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。因此，本試驗以邛海河-湖系統(tǒng)為研究對象，通過群落水平堿性磷酸酶活性分析的方法，研究其水體中浮游植物磷脅迫的狀況，探討邛海河-湖系統(tǒng)環(huán)境因子與磷酸酶活性的關(guān)系，旨在為邛海富營養(yǎng)化的防治提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

邛海位于四川省西昌市南7 km處，是攀西高原上最大的淡水湖，面積約31 km2，流域內(nèi)南高北低，湖泊南北分布，湖水平均深14 m，水位變幅小，年均水溫17.8℃左右。邛海的匯水河流北有高滄河，東有官壩河，南有鵝掌河，次一級的河流有青河、大溝河、踏溝河及海河等。除官壩河、鵝掌河外，其余多為季節(jié)性河流，以上河流匯入邛海后，由海河排泄。流域內(nèi)支溝、沖溝密布，長度大于1 km的支溝眾多，水系密度達 0.68 條 ／km2［3］。

1.2 樣品采集

經(jīng)現(xiàn)場踏查后，選取了邛海周邊有明顯徑流的6條河流設(shè)置采樣點，包括鵝掌河、踏溝河、青河、大溝河、官壩河和海河，因濕地三期封閉整修無法進入，故濕地三期范圍內(nèi)的河流未進行調(diào)查。分別在每條河流的下游、入湖河口和鄰近湖區(qū)設(shè)置監(jiān)測點，其中海河在上游和出?？?，各個監(jiān)測點的位置布局如圖1所示。于2016年4月12日使用有機玻璃采水器進行水樣采集，每個監(jiān)測點采集樣品兩份，采樣點間距離不小于50 m，同時現(xiàn)場測定水體的溫度、pH和透明度［4］，并做好記錄。采集樣品送入實驗室，并放于4℃冰箱中冷藏待分析。

圖1 邛海河-湖采樣點布設(shè)

1.3 水樣測定指標(biāo)及方法

1.3.1 葉綠素 水體中葉綠素a（Chla）的濃度主要表征浮游植物的生物量，葉綠素b（Chlb）和葉綠素c（Chlc）的濃度可用于表征浮游植物組成。采用熱乙醇-反復(fù)凍融法［5］提取葉綠素，利用分光光度計測定750、664、647、630 nm 波長處吸光度后計算各色素含量。

1.3.2 水體中堿性磷酸酶活性 水體中堿性磷酸酶可分為游離態(tài)（＜0.22 μm）、微型浮游生物態(tài)（0.22～3 μm）、浮游植物態(tài)（＞3 μm）3 種形態(tài)。 將水樣經(jīng)0.22 μm和3 μm醋酸纖維膜過濾劃分為3種形態(tài)待測水樣，采用對硝基苯磷酸二鈉（PNPP）為底物，反應(yīng)2 h后在410 nm波長處測其水解底物吸光度，計算堿性磷酸酶活性［6］。

1.3.3 水質(zhì)因子 主要對與富營養(yǎng)化有關(guān)的水質(zhì)因子進行測定，包括水中總氮（TN）、總磷（TP）和氨氮（NH4-N）濃度的測定。其中水中的總氮測定利用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法［7］，總磷測定采用鉬酸銨分光光度法［8］，氨氮的測定采用納氏試劑法［9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 邛海河-湖系統(tǒng)浮游植物葉綠素濃度空間分布

邛海春季河-湖系統(tǒng)浮游植物葉綠素濃度空間分布特征如圖2所示。從葉綠素a濃度來看，C1（青河鄰近湖域）最高，為 6 μg／L，其次是 F3（海河河流）的5.9 μg／L、B3（踏溝河河流）的 5.8 μg／L、D2（大河溝河口）的 5.0 μg／L、D3（大河溝河流）的 4.7 μg／L，最少的是E2（官壩河河口），為 0.5 μg／L。 由此可見，青河、海河、踏溝河和大溝河的浮游植物生長較其他河流更快。

通過對葉綠素b／a和葉綠素c／a的計算可知，C2和C3兩樣點葉綠素b／a和葉綠素c／a顯著高于其他樣點（P＜0.05），說明青河河口和鄰近湖域水體中綠藻和其他藻類占優(yōu)勢。此外，不同河流間的其他葉綠素占比也存在差異，由此可知，不同河流藻類組成有所不同。

圖2 邛海主要河流、河口和鄰近湖域浮游植物葉綠素濃度

按河流不同位置區(qū)域進行比較可知，不同河流的葉綠素濃度變化趨勢明顯不同。鵝掌河從河流到鄰近湖域葉綠素濃度逐漸下降，踏溝河葉綠素濃度從河流到河口下降，在鄰近湖域又有所升高，但河流的葉綠素濃度最高；青河和官壩河的葉綠素濃度從河流到河口下降，但河口到鄰近湖域急劇上升，鄰近湖域＞河流＞河口；大河溝葉綠素濃度從河流到河口上升，但在鄰近湖域濃度又下降且低于河流濃度；海河作為邛海的出水口，葉綠素濃度從河流到河口到臨近湖域呈逐漸下降趨勢。

綜上可見，邛海春季河-湖系統(tǒng)浮游植物葉綠素濃度存在明顯的空間異質(zhì)性，可能是受不同河流的水文、水質(zhì)影響［10］。

2.2 邛海河-湖系統(tǒng)堿性磷酸酶活性空間分布

邛海春季河-湖系統(tǒng)不同河流間海河的APA最高，其次是官壩河、青河，最低的是踏溝河，不同河流間的APA存在顯著差異（P＜0.05），其中海河和官壩河顯著高于其他河流（P＜0.05），其他河流間無顯著差異（P＞0.05）。

從同一河流不同位置的變化來看，鵝掌河APA從河流到河口有所增強，但變化很小，而從河口到鄰近湖域急劇增加；踏溝河APA從河流到河口急劇上升，從河口到鄰近湖域又急劇下降，河流和河口的APA無顯著差異；青河APA從河流到河口增強，從河口到鄰近湖域又急速下降，鄰近湖域小于河流；大溝河APA從河流到河口急劇上升，從河口到鄰近湖域又急劇減弱，且鄰近湖域高于河流；官壩河APA從河流到鄰近湖域逐步降低；海河從河流到河口到鄰近湖域無顯著差異（圖3）。

從不同形態(tài)APA來看，總體上3種粒徑對APA的貢獻無顯著差異（P＞0.05），但不同樣點有所不同，其中游離態(tài)（＜0.22 μm）E2 的貢獻最大，C2 的貢獻最??；微型浮游生物態(tài)（0.22～0.30 μm）C3 的貢獻最大，B1 的貢獻最?。桓∮紊飸B(tài)（＞0.30 μm）B1 的貢獻最大，A2的貢獻最小。說明不同樣點的堿性磷酸酶的主要來源存在差異。

圖3 邛海主要河流、河口和鄰近湖域堿性磷酸酶活性

2.3 水質(zhì)因子測定結(jié)果

邛海主要河流、河口和鄰近湖域的水質(zhì)因子測定結(jié)果見表1，因邛海應(yīng)執(zhí)行國家Ⅱ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可見6條河流從河流、河口到鄰近湖域水溫變化≤1℃，pH 6～9，水溫和pH符合標(biāo)準(zhǔn)。鵝掌河河流、河口、鄰近湖域總氮、總磷、氨氮含量均先減少后增加，河流（下游）總氮、總磷、最多，鄰近湖域氨氮最多，河流總氮、氨氮含量超標(biāo)，河口氨氮含量超標(biāo)，鄰近湖域總氮、氨氮含量超標(biāo)。踏溝河河流、河口、鄰近湖域總氮、總磷含量先減少后增加，氨氮含量先增加后減少，河流（下游）總磷、總氮含量最多，河口氨氮含量最多，河流總氮和氨氮含量超標(biāo)，河口氨氮含量超標(biāo)。青河河流、河口、鄰近湖域總氮含量先增加后減少，總磷含量先減少后增加，氨氮含量逐漸增加，鄰近湖域總磷、氨氮含量均最多，河口總氮含量最多，鄰近湖域和河口的總氮和氨氮含量嚴重超標(biāo)。大溝河河流、河口、鄰近湖域總氮和氨氮含量逐漸減少，總磷含量逐漸增加，河流（下游）總氮、氨氮含量最多，鄰近湖域總磷含量最多，河流、河口、鄰近湖域的總氮含量和河流、河口的氨氮含量嚴重超標(biāo)。官壩河河流、河口、鄰近湖域總氮含量先增加后減少，氨氮含量先減少后增加，總磷含量逐漸減少，河流（下游）總磷含量最多，河口總氮含量最多，鄰近湖域氨氮含量最多，河流、河口、鄰近湖域的總氮和河流、鄰近湖域的氨氮嚴重超標(biāo)。海河河流、河口、鄰近湖域總氮和總磷含量逐漸減少，氨氮含量先減少后增加，河流（上游）總氮、總磷和氨氮含量最多，河流、河口、鄰近湖域總氮含量和河流、鄰近湖域氨氮含量嚴重超標(biāo)。

表1 邛海主要河流、河口和鄰近湖域水質(zhì)參數(shù)

2.4 邛海河-湖系統(tǒng)浮游植物磷脅迫

通過將總APA歸一化為單位葉綠素活性（APAChla）進行對比分析，以消除生物量的影響。研究表明，APAChla可以作為水體磷是否缺乏狀態(tài)的一種良好指示參數(shù)。由圖4可見，E3（官壩河河流）APAchla最高，其次是 E2（官壩河河口）、C2（青河河口）、A1（鵝掌河鄰近湖域），而C1（青河鄰近湖域）APAchla最低。表明官壩河的河流受磷脅迫的程度最高，而官壩河附近主要為農(nóng)田和居住區(qū)，結(jié)合水質(zhì)測定結(jié)果中官壩河的總氮和氨氮含量嚴重超標(biāo)，分析原因可能是由于該區(qū)域居住人口多，農(nóng)業(yè)活動發(fā)達，人類生活和生產(chǎn)中大量廢水排入河流導(dǎo)致營養(yǎng)鹽的大量輸入，但由于主要污水為含氮污水，使得氮磷比升高，而磷成為限制因子。青河鄰近湖域受磷脅迫的程度最小，但其河口受磷脅迫的程度較其他位置高，主要因為青河河口為旅游區(qū)，商業(yè)活動發(fā)達，導(dǎo)致其污水集中排放，從水質(zhì)指標(biāo)可見該處總氮和氨氮含量超標(biāo)，氮磷比增大導(dǎo)致該區(qū)域浮游植物磷脅迫，而青河鄰近湖域是邛海水體透明度最高的區(qū)域，因此到鄰近湖域由于水體擴散稀釋作用及光照條件的改善使得浮游植物快速生長，解除了磷脅迫。踏溝河和大溝河在河口位置的APAchla也較河流和鄰近湖域高，可能也是由于河口人類活動較頻繁，污水排放影響了氮磷比。鵝掌河的APAChla最大值出現(xiàn)在鄰近湖域，可能因為該區(qū)域底質(zhì)主要為泥沙，河流水體到湖域后流速降低，水面變寬，大量泥沙攜帶營養(yǎng)鹽沉淀，導(dǎo)致該區(qū)域的浮游植物磷脅迫。海河作為邛海的出海河流，從鄰近湖域、河口河流（上游）APAChla不斷降低，主要因為海河周邊商業(yè)發(fā)達，大量的污水排入，嚴重時還會出現(xiàn)污水倒灌的情況，所以鄰近湖域的磷脅迫程度更高。

此外，研究表明，高APA尤其是高比例的游離態(tài)APA（粒級＜0.22 μm）能反映過去一段時間浮游植物群落的磷脅迫或限制狀態(tài)［11］。本研究中河流和鄰近湖域的游離態(tài)APA與葉綠素a呈正相關(guān)（P＜0.01），表明游離態(tài)的APA主要是由浮游植物產(chǎn)生，河流和鄰近湖域浮游植物長時間受磷脅迫；而河口的游離態(tài) APA 與葉綠素呈負相關(guān)（r＝-0.65，P＞0.05），不能由此判斷其磷脅迫狀態(tài)。

圖4 邛海主要河流、河口和鄰近湖域單位葉綠素堿性磷酸酶活性

2.5 水質(zhì)因子對堿性磷酸酶活性的影響

對邛海河-海系統(tǒng)不同區(qū)域單位葉綠素堿性磷酸酶活性與水質(zhì)因子的相關(guān)性進行分析，結(jié)果（表2）表明，APAchla與總氮、總磷、氨氮含量及氮磷比在鄰近湖域均呈負相關(guān)，在河流均呈正相關(guān)，而在河口APAchla與氨氮含量呈負相關(guān)，與其他3個水質(zhì)因子呈正相關(guān)。研究表明，磷脅迫不僅取決于磷含量，還取決于浮游植物對磷的需求［12］，鄰近湖域APAchla與氮磷比呈負相關(guān)，說明氮的輸入相對于磷過量時，也會導(dǎo)致磷的相對缺乏，過高的氮磷比也會導(dǎo)致潛在的磷脅迫與限制；而在河口APAchla與氮磷比呈顯著正相關(guān)，說明堿性磷酸酶在一定范圍內(nèi)受氮磷比的控制；河流中APAchla與氮磷比雖然呈正相關(guān)，但不顯著，說明該區(qū)域還有其他影響因子起作用。

表2 邛海河-海系統(tǒng)不同區(qū)域單位葉綠素堿性磷酸酶活性與水質(zhì)因子的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

對邛海主要河流單位葉綠素堿性磷酸酶活性與水質(zhì)因子的相關(guān)性分析見表3。鵝掌河APAchla與氨氮、總磷含量呈正相關(guān)，與氮磷比、總氮含量呈負相關(guān)，其中與氨氮含量相關(guān)性最強；踏溝河除了氨氮以外，其他環(huán)境因子都與 APAchla呈負相關(guān)，其中APAchla與氨氮含量的相關(guān)性最強，與氮磷比的相關(guān)性最弱；青河APAchla與總氮含量、氮磷比呈正相關(guān)，與其他兩個環(huán)境因子呈負相關(guān)；大溝河APAchla與總氮、總磷含量及氮磷比均呈正相關(guān)，與氨氮含量呈負相關(guān)，其中與氨氮含量的相關(guān)性最強，與總磷含量的相關(guān)性最弱；官壩河APAchla與總氮、總磷含量呈正相關(guān)，與其他兩個因子呈負相關(guān)；海河APAchla與總氮、總磷含量呈負相關(guān)，與其他兩個因子呈正相關(guān)。但所有河流APAchla與水質(zhì)因子的相關(guān)性都不顯著，因為各河流除水質(zhì)因子外還有其他因子對浮游植物影響較大，不同河流由于周邊人類活動情況不同所以其相關(guān)性也不同。因此不同河流在控制富營養(yǎng)化時應(yīng)采取不同的措施，可參考河流水質(zhì)因子與單位葉綠素APA的相關(guān)性選擇水質(zhì)的控制指標(biāo)。

表3 邛海主要河流單位葉綠素堿性磷酸酶活性與水質(zhì)因子的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

通過對邛海河-湖系統(tǒng)春季浮游植物葉綠素濃度空間分布、堿性磷酸酶活性及水質(zhì)因子的分析得到以下結(jié)論。

1）邛海春季河-湖系統(tǒng)浮游植物葉綠素濃度和堿性磷酸酶活性存在明顯的空間異質(zhì)性，進而導(dǎo)致不同河流和不同區(qū)域存在不同程度的磷脅迫。官壩河河流的脅迫程度最高，其次是官壩河河口、青河河口、鵝掌河鄰近湖域，而青河鄰近湖域的脅迫程度最低。

2）邛海春季河-湖系統(tǒng)中河流和鄰近湖域的游離態(tài)堿性磷酸酶與葉綠素a含量呈正相關(guān)（P＜0.01），河流和鄰近湖域浮游植物長時間受磷脅迫，而河口的游離態(tài)堿性磷酸酶與葉綠素呈負相關(guān) （r＝-0.65，P＞0.05），不能由此判斷其磷脅迫狀態(tài)。

3）邛海春季河-湖系統(tǒng)中鄰近湖域的單位葉綠素堿性磷酸酶與氮磷比呈負相關(guān)，說明氮的輸入相對于磷過量時，也會導(dǎo)致磷的相對缺乏，過高的氮磷比也會導(dǎo)致潛在的磷脅迫與限制；而在河口單位葉綠素堿性磷酸酶與氮磷比呈顯著正相關(guān)，說明堿性磷酸酶在一定范圍內(nèi)受氮磷比的控制；河流單位葉綠素堿性磷酸酶與氮磷比雖然呈正相關(guān)，但不顯著，說明該區(qū)域還有其他影響因子起作用。

4）邛海春季河-湖系統(tǒng)不同河流水質(zhì)因子與單位葉綠素堿性磷酸酶存在相關(guān)性但不顯著，說明各河流除水質(zhì)因子外還有其他因子對浮游植物影響較大。因此不同河流在控制富營養(yǎng)化時應(yīng)采取不同的措施，可參考河流水質(zhì)因子與單位葉綠素堿性磷酸酶的相關(guān)性選擇水質(zhì)的控制指標(biāo)。