HCO3-Ca 型巖溶湖附著藻類生長對沉水植物退化的驅(qū)動研究

柴曉貞，劉書敏

（1.濱州市海洋發(fā)展研究院，山東 濱州 256699；2.同濟大學(xué)，上海 200092）

隨著流域自然環(huán)境因素的變化及人類經(jīng)濟社會活動干擾強度的不斷加大，部分湖泊水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能正呈現(xiàn)退化趨勢［1，2］。退化湖泊在一定程度上喪失了自身調(diào)節(jié)功能，生態(tài)系統(tǒng)緩沖能力逐漸下降［3，4］，具體表現(xiàn)為水質(zhì)不斷惡化，水生植物退化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，沉水植物分布范圍縮小、分布深度下降，生物量及物種多樣性下降［5］，浮游藻類大量增殖逐漸成為生態(tài)災(zāi)害等［6，7］。恢復(fù)湖泊生態(tài)功能的完整性及系統(tǒng)健康并保持其自身良性循環(huán)成為湖泊保護工作的關(guān)鍵［8，9］。目前，較為常用的技術(shù)手段為通過組建退化生態(tài)系統(tǒng)的原有生態(tài)功能及結(jié)構(gòu)［10］，恢復(fù)系統(tǒng)功能及生物學(xué)潛能，確?；謴?fù)后生態(tài)系統(tǒng)具有長期穩(wěn)定性［11］。沉水植物的恢復(fù)工作已經(jīng)成為水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重點工作內(nèi)容之一。

巖溶水作為人類生產(chǎn)生活的重要水源，受氣候變化和人類活動的影響較大，其在恒溫且無光的管道或裂隙內(nèi)傳輸［12］，且?guī)r溶地下水排泄形成的湖區(qū)內(nèi)部生物群落結(jié)構(gòu)不斷變化［13，14］。巖溶水環(huán)境質(zhì)量主要受含水介質(zhì)及補給水源的影響，其通過工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染及生活污染影響水體［15］，巖溶生態(tài)系統(tǒng)易受到外界環(huán)境因子的破壞［16，17］，這實質(zhì)上反映了巖溶生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境承載的閾值彈性小、生態(tài)環(huán)境脆弱的特點［18］。因此，對脆弱巖溶生態(tài)系統(tǒng)中敏感環(huán)境下的退化觸發(fā)機制進行研究具有重要意義。

沉水植物是水體中重要的初級生產(chǎn)者，是水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成者之一［19］。當(dāng)前對沉水植物退化驅(qū)動因子的研究較多集中于水體透明度、溶解氧、營養(yǎng)鹽及底質(zhì)方面［20，21］，而對附著藻類驅(qū)動的研究較為鮮見。根據(jù)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換理論，一旦大量外源污染引入，在微小的外來因子擾動下，生態(tài)系統(tǒng)則會由原本清水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闈崴€(wěn)態(tài)，修復(fù)困難程度加大［22，23］。藻類與沉水植物生態(tài)位高度重疊，競爭激烈［24］，營養(yǎng)元素及光照等是兩者競爭的重要環(huán)境因素［25］，研究表明沉水植物葉片上附著大量增殖的藻類，不僅導(dǎo)致了沉水植物葉片細胞外擴散層厚度增加并降低無機碳的供應(yīng)能力，且附著藻類對光照及無機碳的競爭影響了沉水植物的正常生長［26，27］。針對湖泊沉水植物退化的現(xiàn)狀，通過對HCO3-Ca 型巖溶湖沉水植物退化驅(qū)動因子的研究，有利于為巖溶水退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供治理思路。

本研究以典型HCO3-Ca 型退化巖溶湖靈水湖為研究對象，通過設(shè)置外加鈣離子（Ca2+）和碳酸氫根（HCO3-）不同濃度梯度，探究不同氮（N）、磷（P）營養(yǎng)鹽濃度水平下附著藻類葉綠素a（Chl-a）的濃度變化情況。結(jié)合靈水湖水域環(huán)境現(xiàn)狀，對靈水湖沉水植物的退化驅(qū)動因子進行探究，以期為保障靈水湖作為水源地的水質(zhì)安全和巖溶湖沉水植被的生態(tài)恢復(fù)提供治理思路。

1 材料與方法

1.1 研究地點及樣本采集

靈水湖為典型的熔巖地下河出水口的大型泉群，清泉從四周石縫中涌出，位于廣西南寧市武鳴區(qū)（圖1），目前為武鳴區(qū)城區(qū)約12 萬人口的地下水飲用水源地。靈水湖水面總面積為2.93 萬m2，水深2.0～3.5 m，流量2～3 m3/s，全年的水溫變化幅度為1 ℃。靈水湖發(fā)育類型為集中徑流帶式，在水文地質(zhì)普查工作中被定為地下河出口，有9 個出水口，分別由不同方向發(fā)育的網(wǎng)絡(luò)狀裂隙或者小管道徑流匯集而成。靈水湖水源主要為降雨補給及地表水的滲漏。近年來巖溶泉、地下河出口處沉水植物逐漸退化的趨勢愈加明顯。靈水湖沉水植物主要以苦草（Vallisneria natans）為優(yōu)勢種，滿鋪于水底，呈現(xiàn)“水下森林”景觀，且水質(zhì)一直維持在地下水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，于2010 年植物生物量直線下降，沉水植物呈逐漸消亡趨勢，至2013 年湖區(qū)內(nèi)沉水植物逐漸消失。

圖1 靈水湖區(qū)位

1.2 設(shè)計

通過設(shè)計Ca2+和HCO3-不同濃度梯度探究不同N、P 營養(yǎng)水平下水生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)者生物量的響應(yīng)情況。采用容積為20 L（45 cm×30 cm×15 cm）的塑料箱進行生態(tài)箱設(shè)計，Ca2+、HCO3-濃度水平模擬靈水湖現(xiàn)狀進行設(shè)計，通過向生態(tài)箱中投加長度為20 cm 的人工水草模擬小型生態(tài)系統(tǒng)沉水植物，從而得以檢測附著藻類葉綠素a的含量。

如表1 所示，設(shè)置6 種生態(tài)箱，每種生態(tài)箱的總氮（TN）和總磷（TP）濃度不同，A 至F 總氮濃度分別設(shè)置為0.1、0.2、1.0、2.0、5.0、0 mg/L；總磷濃度分別設(shè)置為0.01、0.02、0.10、0.20、0.50、0 mg/L。每種生態(tài)箱設(shè)置6 個離子濃度水平，A1 至F1 生態(tài)箱Ca2+濃度設(shè)定為80 mg/L，A2 至F2 生態(tài)箱HCO3-濃度設(shè)定為4 mmol/L，A3至F3生態(tài)箱Ca2+濃度設(shè)定為60 mg/L，HCO3-濃度設(shè)定為3 mmol/L，A4 至F4 生態(tài)箱Ca2+濃度設(shè)定為80 mg/L，HCO3-濃度設(shè)定為4 mmol/L，A5至F5 生態(tài)箱Ca2+濃度設(shè)定為100 mg/L，HCO3-濃度設(shè)定為5 mmol/L，A6 至F6 生態(tài)箱（對照）均為自來水。

表1 生態(tài)箱營養(yǎng)鹽濃度梯度和Ca2+、HCO3-濃度設(shè)定

培養(yǎng)液所用的儲備液分別由CaCl2、NaHCO3、KNO3、KH2PO4配制而成。試驗在室內(nèi)進行，平均溫度為18～25 ℃。檢測生態(tài)箱中葉綠素a 的含量，每組重復(fù)3 次。試驗為期90 d，從30 d 開始第一次檢測，隨后每隔7 d 檢測1 次。

1.3 水樣收集與檢測

葉綠素是植物光合作用中重要的光合色素，通過測定水體中的附著藻類葉綠素a 質(zhì)量濃度可代表生態(tài)箱中附著藻類的生物量，每次測量時均使用軟毛刷將藻類洗刷下來，然后測定其質(zhì)量濃度。水中TP 測定采用鉬銻抗分光光度法（GB11893—89），水體TN 測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—89），葉綠素a 質(zhì)量濃度測定采用《水和廢水檢測分析方法》中分光光度法；Ca2+、HCO3-濃度采用德國Merck 公司生產(chǎn)的便攜式試劑盒測量，精度分別為2.0 mg/L 和0.1 mmol/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 靈水湖HCO3-、Ca2+濃度的變化

對靈水湖的監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖2）分析可知，Ca2+和HCO3-的年平均濃度水平呈緩慢上升的趨勢，其中，2011 年Ca2+平均濃度約為61.7 mg/L，2015 年為76.5 mg/L，2016 年則逐漸上升至78.0 mg/L；2011 年HCO3-平均濃度為140.0 mg/L，2016 年上升為239.1 mg/L。分析其原因可能與靈水湖巖溶水動力系統(tǒng)的稀釋效應(yīng)、CO2效應(yīng)及水動力效應(yīng)（擴散邊界層效應(yīng)）有關(guān)［28］。

2.2 添加Ca2+對Chl-a 質(zhì)量濃度的影響

通過分析生態(tài)箱附著藻類Chl-a 質(zhì)量濃度進而探究添加Ca2+對不同TN、TP 營養(yǎng)鹽濃度下Chl-a 質(zhì)量濃度的影響，其中，試驗組生態(tài)箱Ca2+濃度為80 mg/L，對照組生態(tài)箱未額外添加Ca2+，結(jié)果（圖3）表明，隨著TN、TP 營養(yǎng)鹽濃度的提升，Chl-a 質(zhì)量濃度隨之上升，且添加Ca2+處理的Chl-a 質(zhì)量濃度明顯高于對照。在TN、TP 濃度分別為0.2、0.02 mg/L 的水平下，添加Ca2+的生態(tài)箱中Chl-a 質(zhì)量濃度在7 次測量中均高于未添加Ca2+的對照生態(tài)箱；在TN、TP 濃度分別為1.0、0.10 mg/L 的水平下，前5 次測量的Chl-a 質(zhì)量濃度均高于對照，后2 次測量的Chl-a 質(zhì)量濃度均稍低于對照；在TN、TP 濃度分別為5.0、0.50 mg/L 的水平下，對照與處理的Chl-a 質(zhì)量濃度總體水平相當(dāng)。

圖3 添加Ca2+對不同TN、TP 營養(yǎng)鹽濃度下Chl-a 質(zhì)量濃度的影響

鈣元素是植物生長的必需營養(yǎng)元素，能夠有效影響植物體內(nèi)碳水化合物的形成與轉(zhuǎn)化，從而影響植物的生長進程，已有研究表明鈣元素可以增強凝集素的活性，這與微囊藻群落的形成息息相關(guān)［29］。在淺水湖泊中輪藻可以通過鈣化作用緩解氨氮對輪藻生長的毒害作用，且輪藻葉表面可形成鈣磷復(fù)合物，最終對水體的磷循環(huán)產(chǎn)生了重要影響［30］。

如圖4 所示，圖4A（第45 天）、圖4B（第90 天）為添加80 mg/L Ca2+的試驗水體與未添加80 mg/L Ca2+的空白對照水體中Chl-a 質(zhì)量濃度的變化情況。試驗水體中Chl-a 質(zhì)量濃度與對照之間差異顯著，整體來看，在相同TN、TP 營養(yǎng)鹽濃度條件下，添加Ca2+在一定程度上可促進水體生態(tài)系統(tǒng)附著Chl-a 質(zhì)量濃度的提高。

圖4 添加Ca2+對Chl-a 質(zhì)量濃度的影響

2.3 添加HCO3-對Chl-a 質(zhì)量濃度的影響

如圖5 所示，添加4 mmol/L HCO3-的生態(tài)箱，在TN、TP 濃度處于較低水平時，各試驗處理附著藻類中Chl-a 質(zhì)量濃度整體上明顯高于未添加HCO3-的對照生態(tài)箱，在TN、TP 濃度分別為0.2、0.02 mg/L 和1.0、0.10 mg/L的生態(tài)箱中，含有HCO3-的水體中Chl-a 質(zhì)量濃度上升迅速，但是二者在第5 次的測量中Chl-a 質(zhì)量濃度維持較為平穩(wěn)。在TN、TP 濃度較高的梯度中，即TN、TP 濃度分別為5.0、0.50 mg/L時，水體中Chl-a 質(zhì)量濃度并未明顯高于對照生態(tài)箱。

中國西南地區(qū)巖溶系統(tǒng)具有巖石可溶性特點，主要由CaMg（CO3）2組成的碳酸鹽巖是全球最大的碳庫［31］。植物能從HCO3-中獲取碳源，開辟新的碳循環(huán)途徑及光合作用途徑［32］。已有研究表明，植物中碳酸酐酶能將細胞內(nèi)的HCO3-轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，開啟了利用可溶性無機碳的新途徑［33］，改變了碳源來源于水氣交換所捕獲CO2的傳統(tǒng)認知。在高碳酸氫鹽的巖溶水體中，附著藻類對營養(yǎng)鹽的添加更敏感，相對低含量的營養(yǎng)鹽濃度會造成附著藻類的大量增殖［34］。

圖6A（45 d）、圖6B（90 d）分別為添加4 mmol/L HCO3-的生態(tài)箱（試驗生態(tài)箱）與未添加HCO3-的對照生態(tài)箱水體中Chl-a 質(zhì)量濃度的變化情況?？傮w而言，在2 個時間段的檢測中，試驗生態(tài)箱與對照生態(tài)箱水體中的Chl-a 質(zhì)量濃度存在顯著性差異。在45 d 時的檢測中，添加4 mmol/L HCO3-的生態(tài)箱水體中（除TN、TP 濃度分別為0.1、0.01 mg/L 的生態(tài)箱外）附著Chl-a 質(zhì)量濃度顯著高于對照生態(tài)箱，表明添加HCO3-能夠促進附著藻類Chl-a 質(zhì)量濃度的增加。在90 d 時的檢測中，除TN、TP 濃度分別為0.2、0.02 mg/L 以及5.0、0.50 mg/L 時對照生態(tài)箱水體中Chl-a 質(zhì)量濃度高于試驗生態(tài)箱外，其余試驗生態(tài)箱水體中Chl-a 質(zhì)量濃度均高于對照生態(tài)箱。

圖6 添加HCO3-對Chl-a 質(zhì)量濃度的影響

2.4 添加Ca2+和HCO3-對不同氮磷濃度水平下Chl-a 質(zhì)量濃度的影響

上述研究表明，生態(tài)箱中TN、TP 營養(yǎng)鹽濃度相同時，不同生態(tài)箱中分別添加Ca2+或HCO3-可促進附著藻類Chl-a質(zhì)量濃度的上升。設(shè)置Ca2+和HCO3-濃度分別為100 mg/L和5 mmol/L、80 mg/L 和4 mmol/L、60 mg/L 和3 mmol/L，探究同時添加Ca2+或HCO3-對不同氮磷濃度水平下Chl-a 質(zhì)量濃度的影響。結(jié)果（圖7）表明，隨著添加Ca2+和HCO3-濃度的上升，相同營養(yǎng)鹽濃度水平下的Chl-a 質(zhì)量濃度逐漸上升，同時隨著營養(yǎng)鹽濃度的提高，Chl-a 質(zhì)量濃度也呈上升趨勢。

圖7 Ca2+和HCO3-不同濃度梯度水平下Chl-a 質(zhì)量濃度的變化情況

本試驗設(shè)計中還存在不足之處，生態(tài)箱中設(shè)計的TN、TP 營養(yǎng)鹽濃度雖包含了國內(nèi)多數(shù)地表水由低至高的濃度梯度，但設(shè)計中TN 與TP 的濃度比均為10，呈現(xiàn)出一定的單一性。目前針對水體富營養(yǎng)化氮磷控制策略方面，已有不少對藻類生長限制因子的研究，主流結(jié)論為磷控制［35］、氮控制［36］、氮磷雙控制［37］學(xué)說。由于水體生態(tài)系統(tǒng)存在時間和空間異質(zhì)性的特點，不同氮磷比營養(yǎng)濃度條件下的巖溶水對附著藻類的影響還需進一步研究。

圖8A（45 d）、圖8B（90 d）為不同Ca2+和HCO3-濃度梯度下試驗生態(tài)箱與對照生態(tài)箱水體中Chl-a 質(zhì)量濃度的變化情況。整體而言，隨著Ca2+和HCO3-濃度的升高，Chl-a 質(zhì)量濃度上升，不同Ca2+和HCO3-濃度梯度水平下Chl-a 質(zhì)量濃度存在著顯著性差異，當(dāng)生態(tài)箱Ca2+和HCO3-濃度分別為100 mg/L、5 mmol/L時，Chl-a 質(zhì)量濃度最高。在45 d 模擬試驗中，在TN、TP 濃度分別為0.1、0.01 mg/L 和0.2、0.02 mg/L時，Chl-a 質(zhì)量濃度差異不明顯，其余生態(tài)箱之間均差異顯著；在90 d 模擬試驗中，TN、TP 濃度分別為0、0 mg/L 和0.1、0.01 mg/L時，Chl-a 質(zhì)量濃度差異不明顯，其余生態(tài)箱之間均差異顯著。

圖8 不同Ca2+和HCO3-濃度梯度水平下模擬不同天數(shù)時Chl-a 質(zhì)量濃度的變化

3 小結(jié)與展望

本研究結(jié)果表明，在為期90 d 的模擬巖溶水生態(tài)系統(tǒng)中Ca2+和HCO3-分別對不同營養(yǎng)鹽濃度梯度下附著藻類葉綠素a 質(zhì)量濃度產(chǎn)生顯著影響。總體而言，在添加Ca2+的生態(tài)箱水體中，Ca2+的添加促進了相同N、P 營養(yǎng)鹽濃度水平下藻類葉綠素a 質(zhì)量濃度的上升；在添加HCO3-的生態(tài)箱水體中，HCO3-的添加促進了相同N、P 營養(yǎng)鹽濃度水平下藻類葉綠素a 質(zhì)量濃度的上升；在Ca2+和HCO3-同時添加的生態(tài)箱水體中也顯著促進了附著藻類的生長。

盡管目前靈水湖水質(zhì)能較好地滿足水源地水質(zhì)的要求，但在特殊的巖溶水環(huán)境下，相同的N、P 濃度條件下高氮高鈣的巖溶水環(huán)境更加有利于附著藻類的生長，附著藻類生物量激增在一定程度上通過生態(tài)位的競爭可抑制沉水植物的生長，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的災(zāi)難性突變理論，一旦營養(yǎng)鹽水平在短時間內(nèi)超過了生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的閾值，那么靈水湖原有的草型穩(wěn)態(tài)很有可能在短時間內(nèi)系統(tǒng)垮塌，逐漸轉(zhuǎn)向以藻類為主的濁水穩(wěn)態(tài)，推測附著藻類對沉水植物的競爭是靈水湖巖溶生態(tài)系統(tǒng)災(zāi)難性轉(zhuǎn)變的重要因素。

在水體系統(tǒng)的復(fù)雜營養(yǎng)鏈級和外界干擾下，若使沉水植被的修復(fù)達到穩(wěn)定和平衡的狀態(tài)，仍存在一定的困難，實際水體修復(fù)工程的實施目前尚未形成較為完善的方法及體系，沉水植物修復(fù)仍需要大量野外觀測及原位修復(fù)工程的實施，進而總結(jié)經(jīng)驗并推廣。