不同外源營養(yǎng)負荷對浮游藻類群落結構特征的影響

李 艷 王洪鑄 馬碩楠, 梁小民 王海軍

(1. 中國科學院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

水體富營養(yǎng)化是全球普遍存在的水環(huán)境問題之一, 其結果可導致水華暴發(fā)、魚類死亡和生態(tài)系統(tǒng)退化, 并可產(chǎn)生嚴重的供水危機。造成湖泊富營養(yǎng)化和藻類大量繁殖的原因較多[1—3], 但根本原因是外源營養(yǎng)(主要是氮、磷)輸入量的增加[4,5]。關于富營養(yǎng)化的治理, 有許多全湖實驗和湖泊治理實踐表明只控磷就可使湖泊貧營養(yǎng)化[6,7]。其中較為典型的是位于加拿大安大略實驗湖區(qū)Lake 227中為期46年的全湖實驗[8,9]。在Lake 227中, 當外源磷輸入保持不變, 逐漸降低(甚至停止)外源氮輸入后, 浮游藻類總量未明顯變化, 始終保持在較高水平, 在藻類群落結構方面也一直是中、富營養(yǎng)型藻類占優(yōu)勢。由于類似全湖實驗多數(shù)位于溫帶至亞寒帶地區(qū)[6,10,11], 其結論在低緯度亞熱帶地區(qū)的適用性尚有待驗證。

地處亞熱帶的長江流域湖泊眾多, 總面積達1.8×104km2。這些湖泊面臨嚴重的富營養(yǎng)化問題,藍藻水華頻發(fā)。在人口密集和經(jīng)濟發(fā)達的中下游,超過40%的湖泊處于富營養(yǎng)-超富營養(yǎng)狀態(tài)[12]。為了在全生態(tài)系統(tǒng)尺度上檢驗亞熱帶水體中氮和磷等對浮游藻類群落的影響, 我們在位于長江中游的實驗池塘開展了全生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)添加實驗, 設4種處理, 即加氮加磷(+N+P)、只加P(-N+P)、只加氮(+N-P)和氮、磷都不加(-N-P)(對照)。從浮游藻類總量來看, -N+P處理和+N+P處理相差不大, 二者均高于-N-P處理; +N-P處理和-N-P處理相差不大, 二者均低于+N+P處理[13]。本文主要從浮游藻類群落結構方面探討不同氮和磷營養(yǎng)負荷對水體富營養(yǎng)化的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)域概況

實驗系統(tǒng)(30°17′20″N, 114°43′45″E)位于長江中游南岸, 地處保安湖東北岸圩區(qū)(圖 1)。該區(qū)域屬于溫暖濕潤的亞熱帶季風氣候, 年均氣溫約19℃,年均降雨量約1031 mm(圖 2)。

圖1 實驗池塘位置示意圖Fig. 1 Location of the experimental ponds

圖2 實驗期間本研究區(qū)域氣溫和降雨量Fig. 2 Air temperature and precipitation during the experiment

1.2 實驗系統(tǒng)構建

本實驗系統(tǒng)由1個面積約3000 m2藕塘改造而成, 即先清淤, 然后分別筑堤分割成4個大小相等的小池塘, 最后從保安湖引入沉積物和湖水以模擬自然湖泊。建成后的池塘水深約1.5 m, 單個池塘水域面積約500 m2。

1.3 實驗處理

本實驗設置4種處理: 加氮加磷(+N+P)、只加磷(-N+P)、只加氮(+N-P)和氮、磷都不加(-N-P)(對照)。本實驗在2010年12月至2012年6月開展。實驗系統(tǒng)于2010年11月22日全面建成, 12月22日進行第一次調(diào)查, 以反映實驗系統(tǒng)的初始狀態(tài)(表 1和表 2)。實驗中所添加的氮肥和磷肥分別為NH4Cl和Na2HPO4·12H2O。施肥一般在測定水體環(huán)境參數(shù)后第二天上午10:00—12:00進行。施肥時先將肥料溶解于裝有湖水的聚乙烯水桶中, 然后均勻潑灑于水面。

表1 各實驗池塘沉積物初始環(huán)境參數(shù)Tab. 1 Initial conditions of the sediments of the experimental ponds

表2 實驗期間各實驗池塘水體初始環(huán)境參數(shù)Tab. 2 Initial conditions of the waterbodies of the experimental ponds

在實驗期間, 各實驗系統(tǒng)按照目標濃度施肥(表 3)。總氮和總磷的目標濃度(分別為2.0和0.2 mg/L)的設定均參考中國地表水劣V類水質標準[14]。各處理的施肥量是根據(jù)各池塘實測濃度與目標濃度的差值計算得來。計算公式:

表3 各實驗池塘處理方式及施肥量Tab. 3 Treatments and the amount of fertilizers added to the experimental ponds

式中,F為應施加的氮肥或磷肥量, g;T為目標濃度,mg/L;M為實測濃度, mg/L;V為實驗池塘體積, m3。

2010年12月至2011年6月(第一階段), 各池塘皆按計算量的一半進行施肥, 以模擬水體營養(yǎng)水平逐步上升的過程。-N+P處理在第一階段也添加了一定量氮肥, 以模擬氮輸入逐步減少的過程。2011年7月至2012年6月(第二階段), 各池塘均按計算量進行施肥, 以維持所設置的目標濃度。在實驗期間,每月施肥1—2次。

1.4 樣品采集與分析

水的物理、化學及生物指標每月監(jiān)測一次。物理指標的測定和水樣的采集一般在上午08:00—12:00進行。水溫、pH和電導率等使用儀器PRO Plus(Yellow Spring Instruments, 美國)在水下20 cm處測定, 水深和透明度分別使用測深錘和透明度盤(黑白板)測量。水樣使用長1.5 m、直徑10 cm的全水層采水器于池塘中間和四周選擇5個采集點并混合。取1 L上述混合水樣裝于聚乙烯瓶中用于測定水體化學指標?；瘜W指標的測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[15]測定。浮游藻類鑒定參照《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[16]。浮游藻類功能群的劃分基于Padisák等[21]于2009年提出的39個功能群。

數(shù)據(jù)處理使用軟件Excel 2010。各處理間總氮、總磷和浮游藻類葉綠素a的差異性檢驗使用非參數(shù)檢驗Friedman test。當結果顯示各處理差異顯著時(P＜0.05), 使用Wilcoxon-Nemenyi-McDonald-Thompson post-hoc tests進行多重比較。

2 結果

2.1 水體理化性質

在實驗期間, 各處理基本理化性質如表 4。就總氮而言, 各處理差異顯著(n=19,P＜0.001)。其中-N+P處理、+N+P處理和+N-P處理間的總氮差別不明顯(n=19,P=0.001—0.96), 三者均顯著高于-N-P處理(n=19,P＜0.001; 表 4)。就總磷而言, 各處理差別同樣顯著(n=19,P＜0.001)。2個加磷處理(-N+P和+N+P)的總磷均高于2個未加磷處理的(+N-P和-N-P;n=19,P=0.001—0.78)。浮游藻類葉綠素a與總磷類似(表 4), 2個加磷處理(-N+P和+N+P)高于2個未加磷處理(+N-P和-N-P;n=19,P=0.001—0.36)。

表4 實驗期間各處理方式基本理化參數(shù)Tab. 4 Physical-chemical characteristics of the experimental ponds during the experiment

2.2 種類組成

在實驗期間, 各處理中浮游藻類種類數(shù)相差不多, 其中+N+P處理共鑒定浮游藻類8門55屬79種,-N+P處理7門49屬75種, +N-P處理7門47屬75種,-N-P處理7門49屬75種(圖 3)。各處理中均是綠藻門種類最多, 其次是藍藻門。+N+P處理中藍藻和綠藻分別為12種和38種, -N+P處理中為13種和37種, +N-P處理中為13種和39種, -N-P處理中為11種和40種(圖 3)。

圖3 實驗期間各處理中各門浮游藻類種類數(shù)Fig. 3 Species number of various phytoplankton phytum in different treatments during the experiment

2.3 各類群密度優(yōu)勢度

在實驗初期(2010.12.30—2011.02), 各處理藻類功能群組成相似, 均是貧營養(yǎng)型藻類最多, 其次是富營養(yǎng)型的藻類(表 5)。各處理貧營養(yǎng)型藻類(35.9%—86.7%)均為功能群E、F和X3。+N+P處理的富營養(yǎng)型藻類(34.6%)為功能群D、J、M、P、Y和X2, -N+P處理(12.7%)中為H1、J、M、Y和X2, +N-P處理(56.3%)中為功能群D、Y和X2,-N-P處理(13.3%)中為功能群H1、J、M、Y和X2。在實驗中、后期(2011.03—2012.06), +N+P處理中富營養(yǎng)型藻類最多(55.0%), 為功能群D、G、H1、J、M、Y和X2; 其次是適宜渾濁水體的藻類(36.0%), 為功能群MP和S1(表 5)。-N+P處理中同樣是富營養(yǎng)型的藻類最多(63.2%), 為功能群H1、J、M和X2; 其次是適宜渾濁水體的藻類(33.9%),為功能群MP和S1(表 4)。+N-P處理中適宜渾濁水體的藻類最多(40.4%), 為功能群S1; 其次是富營養(yǎng)型藻類(39.2%), 為功能群D、H1、J、M、P、Y和X2; 此外貧營養(yǎng)型藻類也較多(13.4%), 為功能群NA、E、F和X3(表 5)。-N-P處理中富營養(yǎng)型藻類最多(56.6%), 為功能群D、H1、J、M、Y和X2; 其次是適宜渾濁水體的藻類(32.9%), 為功能群MP和S1; 此外貧營養(yǎng)型藻類也較多(7.6%), 屬功能群A、E、F和X3(表 5)。

2.4 各類群生物量優(yōu)勢度

在實驗初期, 各處理藻類組成相似, 均是富營養(yǎng)型和貧營養(yǎng)型藻類較多(表 6)。在+N+P處理中,富營養(yǎng)型藻類占41.1%, 為功能群D、J、M、P、Y和X2; 貧營養(yǎng)型藻類占58.1%, 為功能群E、F和X3(表 6)。-N+P處理中富營養(yǎng)型藻類占36.3%, 為功能群H1、J、M、Y和X2; 貧營養(yǎng)型藻類占60.7%, 為功能群E、F和X3(表 6)。+N-P處理的富營養(yǎng)型藻類占73.0%, 為功能群D、Y和X2; 貧營養(yǎng)型藻類占15.5%, 為功能群E、F和X3; 此外, 適宜渾濁水體的藻類也較多, 占11.5%, 為功能群MP(表 6)。-N-P處理的富營養(yǎng)型藻類占7.7%, 為功能群H1、J、M、Y和X2; 貧營養(yǎng)型藻類占91.5%, 為功能群E、F和X3。到實驗中、后期, -N-P處理的中營養(yǎng)型藻類最多, 占50.6%, 為功能群Lo和W2; 其次是適宜有機質豐富的水體的藻類, 占25.1%, 為功能群W1; 富營養(yǎng)型藻類也較多, 占17.2%, 為功能群D、G、H1、J、M、Y和X2(表 6)。-N+P處理的中營養(yǎng)型藻類占61.2%, 為功能群Lo和W2; 富營養(yǎng)型藻類占30.4%, 為功能群H1、J、M和X2(表 5)。在+N-P處理中無明顯優(yōu)勢類群, 富營養(yǎng)型藻類占22.0%, 為功能群D、H1、J、M、P、Y和X2; 中營養(yǎng)型藻類占19.7%, 為功能群Lo和W2; 貧營養(yǎng)型藻類占10.6%, 為功能群NA、E、F和X3; 適宜有機質豐富的水體的藻類占34.4%, 為功能群W1; 適宜渾濁水體的藻類占13.3%, 為功能群S1(表 6)。在-N-P處理中貧營養(yǎng)型藻類占絕對優(yōu)勢(91.5%), 屬功能群A、E、F和X3。

表5 實驗期間各處理中適宜不同生境的藻類密度占比Tab. 5 Percentage of phytoplankton adapting to different habitats based on density in different treatments during the experiment

3 討論

3.1 控制外源氮負荷對富營養(yǎng)型藻類總量影響

在實驗初期(2010.12—2011.02), 由于實驗系統(tǒng)剛剛建立, 考慮到生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性, 本文主要分析中、后期(2011.03—2012.06)的實驗結果。從藻類密度來看, 在實驗中、后期, -N+P處理的中、富營養(yǎng)型藻類占比(64.2%)和+N+P處理(60.1%)相差不多, 這二者略高于-N-P處理(58.5%; 表 5)。-N+P處理的貧營養(yǎng)型藻類占比(1.5%)和+N+P處理(3.2%)相差不多, 這二者均低于-N-P處理(7.6%)。就藻類生物量來看, 在實驗中、后期, -N+P處理的中、富營養(yǎng)型藻類占比(91.5%)明顯高于-N-P處理(7.9%), 甚至略高于+N+P處理(67.8%; 表 6)。-N+P處理的貧營養(yǎng)型藻類占比(1.7%)和+N+P處理(2.3%)相差不多, 這二者均顯著低于-N-P處理(91.5%)。

表6 實驗期間各處理中適宜不同生境的藻類生物量占比Tab. 6 Percentage of phytoplankton adapting to different habitats based on biomass in different ponds during the experiment

只控氮之所以不能控制水體富營養(yǎng)藻類的量是因為氮的相對缺乏(5＜氮磷比＜25)能夠誘導大量固氮藍藻生長, 這些固氮藍藻能夠通過生物固氮作用為水體補充氮源, 從而使得水體營養(yǎng)仍然維持在較高水平[13]。在-N+P處理中出現(xiàn)了大量固氮藍藻,在實驗中、后期, -N+P處理中固氮藍藻密度占藻類總量的34.0%, 這一比例在+N+P中為20.4%。就絕對數(shù)量而言, -N+P處理的固氮藍藻和異形胞數(shù)量分別是+N+P處理的5.0和4.5倍。在本實驗系統(tǒng)中水體固氮酶活性與固氮藍藻異形胞的密度呈顯著正相關, 因此, 在本研究中異形胞的數(shù)量可在一定程度上表征水體固氮酶活性(未發(fā)表數(shù)據(jù))。此外, 在相對缺氮狀態(tài)下, 生態(tài)系統(tǒng)還可能通過降低反硝化等作用提高生態(tài)系統(tǒng)的凈生物固氮量, 這一點已在我們同步開展的中宇宙實驗中得到驗證[22]。另外, 在實驗開始后, -N+P處理的總氮逐步上升,第4個月(2011年3月)即與+N+P處理的總氮相當, 隨后甚至超過后者[13]。以上分析表明, 在本實驗系統(tǒng)-N+P處理中, 生態(tài)系統(tǒng)能夠通過增加生物固氮量或降低反硝化量等過程彌補水體氮的不足。

上述結果與加拿大實驗湖區(qū)的研究結果類似。Lake 227在實驗期間磷肥添加量保持不變, 所添加肥料的氮磷比由約12(1969—1974)降至約5(1975—1989)和0(1990—2009)[8,17]。在實驗前(1968年), 浮游藻類優(yōu)勢類群為隱藻(Cryptomonasspp.)、平板藻(Tebellariaspp.)、金杯藻(Kephyrionspp.)和小環(huán)藻(Cyclotellaspp.)等[18]。隱藻屬功能群Y, 多出現(xiàn)在富營養(yǎng)湖泊[13]; 平板藻屬功能群N, 常見于中營養(yǎng)水體變溫層[20]; 金杯藻屬功能群X2, 常見于中營養(yǎng)型湖泊[21]; 小環(huán)藻屬功能群A, 常見于營養(yǎng)水平較低的清潔水體[21]。自1969年開始添加氮肥和磷肥后, 除這些藻類外, 還出現(xiàn)了大量中、富營養(yǎng)型藻類, 如顫藻(Oscillatoriaspp., 功能群Tc[23,24])和螺旋藻(Spirulinaspp., 功能群S2[25])等。此后雖然該湖2次削減氮的輸入量, 但水體中仍有大量富營養(yǎng)型藻類。1990年完全停止氮肥添加, 但水體中富營養(yǎng)型的束絲藻(Aphanizomenonspp., 功能群H1)一直是占比最大的類群(＞50%); 其次是澤絲藻(Limnothrixspp.)。澤絲藻為功能群S1, 常見于渾濁水體, 對弱光的耐受性較強[26]。類似案例還有很多,如加拿大的Far Lake。該湖在實驗前浮游藻類主要優(yōu)勢類群是適宜清潔水體的藻類, 如錐囊藻(Dinobryonspp., 功能群E)。1979—1981年間僅添加磷肥, 在此期間, 中-富營養(yǎng)型的多甲藻(Peridiniumspp.)、隱藻(Cryptomonasspp.)等的數(shù)量大量增長[10, 21]。

3.2 控制外源磷負荷對浮游藻類群落演替的影響

從藻類密度來看, 在實驗中、后期, +N-P處理的中、富營養(yǎng)型藻類占比(45.6%)低于+N+P處理(60.1%), 甚至低于-N-P處理(58.5%), 且該處理的貧營養(yǎng)型藻類占比(13.4%)高于+N+P(3.2%)和-N-P處理(7.6%; 表 5)。從藻類生物量來看, 在實驗中、后期, +N-P處理的中、富營養(yǎng)型藻類占比(41.7%)雖然高于-N-P處理, 但低于+N+P(67.8%)和-N+P處理(91.6%; 表 6)。以上結果表明, 在本實驗系統(tǒng)中減少磷的輸入能夠推動湖泊藻類群落從富營養(yǎng)型向貧營養(yǎng)型演替。

加拿大實驗湖區(qū)也有類似結果。Lake 226是一個“8”字形湖泊, 實驗前, 該湖浮游藻類主要以貧營養(yǎng)型的金藻為主, 如錐囊藻(Dinobryonspp., 功能群E)[11]。在該湖的西南區(qū)僅添加氮肥, 藻類組成未發(fā)生明顯改變。在該湖的東北區(qū)同時添加氮肥和磷肥, 除原來的金藻外, 湖泊中還出了許多富營養(yǎng)型藻類, 如長胞藻(Dolichosperumspp., 功能群H1)和顫藻(Oscillatoriaspp., 功能群Tc)。

除全湖實驗外, 許多湖泊治理實踐也表明, 減少磷的輸入能夠推動湖泊藻類群落從富營養(yǎng)型向貧營養(yǎng)型演替。如Lake Washington, 在實施以控磷為主的截污工程后, 富營養(yǎng)型藻類的優(yōu)勢被明顯削弱: 治理工程前期(1962—1968年), 藍藻占藻類總量的90%以上, 其中最主要的類群是富營養(yǎng)型的顫藻(Oscillatoriaspp., 功能群Tc), 而到工程治理后期(1976—1978年), 藍藻占比下降到20%以下, 顫藻自1976年便已消失[27,28]。中國杭州西湖自1985年開始以削減外源和引水為主的綜合治理, 到2013年,湖水總磷均值下降了58.2%—78.3%, 總氮只下降了7.7%—16.7%[29]。在治理工程開展過程中, 富營養(yǎng)型藻類占比有所下降, 而貧營養(yǎng)型藻類占比有所增加。如2002年時, 西湖中藍藻占絕對優(yōu)勢, 主要是顫藻(Oscillatoriaspp., Tc)、平裂藻(Merismopediaspp., 功能群Lo)和尖頭藻(Raphidiopsisspp., 功能群H1)等中、富營養(yǎng)型藻類。到2006年時雖然優(yōu)勢類群仍是藍藻, 但是中營養(yǎng)型的小環(huán)藻(Cyclotellaspp., 功能群B)和冠盤藻(Stephanodiscusspp., 功能群B)分布的區(qū)域增大, 而且各湖區(qū)還出現(xiàn)了一些新的優(yōu)勢類群, 如曲殼藻(Achnanthesspp., 功能群MP)[30]。類似的案例國內(nèi)外還有很多[31—33]。

4 結論

本次全生態(tài)系統(tǒng)實驗表明: (1)在亞熱帶地區(qū),減氮不能控制浮游藻類群落的中、富營養(yǎng)型藻類的量, 因為氮的相對缺乏能夠誘導固氮藍藻大量生長, 這些藻類可以通過生物固氮作用為水體提供氮源, 使水體營養(yǎng)維持在較高水平; (2)只控磷能夠推動藻類群落從中-富營養(yǎng)型向貧營養(yǎng)型演替。本研究結論可為亞熱帶地區(qū)水體氮管理策略的制定提供一定的理論依據(jù)。但由于本研究為營養(yǎng)添加實驗, 因此關于富營養(yǎng)水體治理中外源營養(yǎng)控制措施的效果仍需要更多研究加以證實。