趙家敏,田 偉,楊桂軍,張宏亮,湯祥明

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008;2.安陽師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院,河南 安陽 455000;3.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241003;4.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

20世紀(jì)以來,伴隨工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快,湖泊富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重[1-2]。藍(lán)藻水華的暴發(fā)不僅會(huì)影響供水危機(jī),死亡后的藍(lán)藻還會(huì)消耗大量的氧氣,從而促使水中生物窒息死亡,威脅著水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的完整性和可持續(xù)性[3]。

富營(yíng)養(yǎng)化水體中藍(lán)藻水華的暴發(fā)與藍(lán)藻本身的生理特征有關(guān),如偽空泡、固碳、光吸收及營(yíng)養(yǎng)鹽利用能力,使其在藻類競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)[4-5]。在藍(lán)藻細(xì)胞生長(zhǎng)階段,營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度、光照等環(huán)境因素對(duì)藍(lán)藻生物量影響較為顯著,為藍(lán)藻水華暴發(fā)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ);藍(lán)藻水華暴發(fā)階段主要受藍(lán)藻細(xì)胞(團(tuán))浮力作用與水動(dòng)力湍流作用的共同影響[6-7]。太湖受亞熱帶季風(fēng)影響,特別是夏季和秋季,湖水在風(fēng)浪擾動(dòng)的作用下始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境。藍(lán)藻水華在太湖中的發(fā)生往往是伴隨著一場(chǎng)大風(fēng)過程結(jié)束之后出現(xiàn)的[8], 因此水動(dòng)力在藍(lán)藻水華形成過程中起著重要作用。適當(dāng)?shù)娘L(fēng)浪擾動(dòng)會(huì)使太湖微囊藻小群體碰撞聚集形成大群體,從而獲得較快的上浮速度,待擾動(dòng)停止時(shí)漂浮于水面上[9]。擾動(dòng)條件可以在一定程度上影響營(yíng)養(yǎng)鹽的分布, 避免營(yíng)養(yǎng)鹽在環(huán)境中出現(xiàn)分布不均現(xiàn)象[10]。

目前已有關(guān)于擾動(dòng)強(qiáng)度對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽及藻類生長(zhǎng)影響的研究[11],但是太湖中由風(fēng)浪引起的擾動(dòng)通常屬于間歇擾動(dòng),而不是持續(xù)性擾動(dòng),表明水華暴發(fā)與擾動(dòng)方式之間可能存在著某種聯(lián)系。而國內(nèi)外鮮見關(guān)于擾動(dòng)方式對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽和藍(lán)藻水華影響的研究。為了解不同擾動(dòng)方式對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽及藍(lán)藻水華的影響,筆者對(duì)比了不擾動(dòng)、間歇擾動(dòng)和持續(xù)擾動(dòng)3種條件下水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a(Chl-a)濃度的變化規(guī)律,以期為藍(lán)藻水華的發(fā)生及控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與樣品采集

1.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)為半野外大桶實(shí)驗(yàn),在中國科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站生態(tài)室水池內(nèi)進(jìn)行。以9只用純水洗凈晾干的100 L有蓋塑料水桶(上口截面積為0.163 m2,桶高約0.62 m)為實(shí)驗(yàn)容器,向每只水桶內(nèi)抽入約100 L太湖水。在太湖湖邊打撈發(fā)生水華時(shí)的藍(lán)藻,藍(lán)藻藻漿用64 μm孔徑尼龍網(wǎng)濃縮(經(jīng)鑒定,藍(lán)藻的比例占85%以上,其中微囊藻占80%以上),添加適量藍(lán)藻藻漿于上述水桶內(nèi),混勻后測(cè)定水桶中Chl-a濃度,保持各水桶內(nèi)ρ(Chl-a)初始值為110 μg·L-1左右。因桶中沒有添加沉積物,為保證實(shí)驗(yàn)期間水體中營(yíng)養(yǎng)鹽充足,向水桶中添加氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽,其中TN和TP分別用NaNO3和K2HPO4·3H2O配制,保持各水桶內(nèi)水的ρ(TN)為10 mg·L-1,ρ(TP)為0.5 mg·L-1,這是2000—2008年太湖梅梁灣TN和TP濃度平均值的4倍。水體靜置1 d后開始實(shí)驗(yàn)。在6只水桶的水面下10 cm處固定變頻造浪泵(中山市捷寶電子電器有限公司生產(chǎn),型號(hào)為WP-60,功率為60 W),使用W1經(jīng)典造浪模式,使擾動(dòng)時(shí)波浪約5 cm高,接近太湖平均波高[12]。實(shí)驗(yàn)時(shí)3只水桶不做擾動(dòng)(對(duì)照組),3只水桶每天擾動(dòng)時(shí)間為24 h(持續(xù)擾動(dòng)組),其余3只每天擾動(dòng)6 h,時(shí)間為10:00—13:00以及16:00—19:00(間歇擾動(dòng)組)。水桶懸掛在有機(jī)玻璃房?jī)?nèi)的大型水池內(nèi),實(shí)驗(yàn)時(shí)玻璃房?jī)?nèi)室溫維持在29 ℃(夏季太湖平均水溫)。實(shí)驗(yàn)持續(xù)19 d (2018年7月11—29日)。

1.1.2樣品采集

實(shí)驗(yàn)開始第1、4、7、10、13、16、19天上午08:00用柱狀采樣器進(jìn)行水柱均勻采樣,采集約1 L水樣,用于測(cè)定水體中的總氮(TN)、總磷(TP)、溶解性總磷(TDP)、溶解性總氮(TDN)、磷酸鹽(PO43--P)、葉綠素a(Chl-a)、懸浮顆粒物(SS)、硝態(tài)氮(NO3--N)及氨氮(NH4+-N)。每天上午08:30用多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀(YSI)在水深約20 cm處現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體的水溫(T)、溶解氧(DO)和pH值等水質(zhì)參數(shù)。

1.2 水質(zhì)分析方法

Chl-a濃度參照陳宇煒等[13]的熱乙醇提取、分光光度法測(cè)定。測(cè)定Chl-a時(shí)將水樣過濾(混纖微孔濾膜,孔徑0.45 μm)后,濾膜避光冷凍保存 24 h 以上。在暗光條件下用一定量w=90%的熱乙醇研磨提取濾膜上的色素,再用GF/C玻璃纖維濾膜過濾提取液,采用分光光度法測(cè)定。

測(cè)定TN和TP濃度時(shí)用過硫酸鉀氧化及消解水樣,測(cè)定TDN、TDP濃度時(shí)先將水樣經(jīng)GF/F濾膜過濾后再進(jìn)行硫酸鉀氧化及消解。TN和TDN濃度采用紫外分光光度法測(cè)定, TP和TDP濃度采用鉬銻抗顯色分光光度法測(cè)定。NH4+-N濃度用納氏試劑光度法測(cè)定,NO3--N和PO43--P濃度采用流動(dòng)分析、分光光度法進(jìn)行測(cè)定。SS采用GF/C玻璃纖維濾膜(0.45 μm)過濾后,105 ℃烘干30 min稱重而得[14-15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Microsoft Excel 2013錄入,分別采用RStudio 3.5.2和Origin 2018軟件分析和作圖。利用R軟件平臺(tái)的Performance Analytics包進(jìn)行理化因子的可視化相關(guān)性分析,采用非參數(shù)Kruskal-Wallis秩和檢驗(yàn)分析不同組別之間是否存在顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體中物理因子的變化

實(shí)驗(yàn)期間各組水體中DO濃度均有減小的趨勢(shì)(圖1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),對(duì)照組、間歇擾動(dòng)組和持續(xù)擾動(dòng)組的ρ(DO)分別從初始值的9.06、9.36、9.78 mg·L-1減少到7.86、3.17和7.49 mg·L-1。間歇擾動(dòng)組的ρ(DO)在4 d內(nèi)迅速下降至3.20 mg·L-1左右,此后保持穩(wěn)定;而對(duì)照組的DO濃度在4 d內(nèi)呈上升趨勢(shì)?？傮w而言,間歇擾動(dòng)組DO濃度顯著低于對(duì)照組和持續(xù)擾動(dòng)組(P<0.01)。

實(shí)驗(yàn)期間3組的水溫變化趨勢(shì)相同,在1～13 d水溫變化比較平穩(wěn),呈先升高后降低的趨勢(shì)。隨后水溫迅速升高,在第19天時(shí)對(duì)照組、間歇擾動(dòng)組和持續(xù)擾動(dòng)組水溫分別增加到31.7、31.7和32.2 ℃。持續(xù)擾動(dòng)組水溫高于對(duì)照組和間歇擾動(dòng)組,差異不顯著(P> 0.05)。

箱體的上下線代表上下四分位數(shù);箱中橫線代表中位數(shù);線段上下線代表最大值和最小值。**表示P<0.01。

2.2 水體中氮濃度的變化

實(shí)驗(yàn)過程中水體TN、TDN及NO3--N 濃度的變化趨勢(shì)如圖2所示。TN、TDN和NO3--N 濃度在3種處理下均有所減少。間歇擾動(dòng)和持續(xù)擾動(dòng)的TN濃度略低于對(duì)照組，其中間歇擾動(dòng)的TN濃度減少得最多。對(duì)照組、間歇擾動(dòng)組和持續(xù)擾動(dòng)組ρ(TN)從實(shí)驗(yàn)前的11.94、11.66和11.7 4 mg·L-1分別減少到實(shí)驗(yàn)后的8.81、6.33和6.50 mg·L-1。對(duì)照組與間歇擾動(dòng)組、持續(xù)擾動(dòng)組之間存在顯著性差異(P<0.05)。

實(shí)驗(yàn)期間持續(xù)擾動(dòng)組的ρ(TDN)和ρ(NO3--N)低于對(duì)照組,而間歇擾動(dòng)組在1～7 d略高于對(duì)照組。對(duì)照組、間歇擾動(dòng)組、持續(xù)擾動(dòng)組的ρ(TDN)從實(shí)驗(yàn)前的10.33、10.45、10.86 mg·L-1分別減少到實(shí)驗(yàn)后的6.61、5.29、4.43 mg·L-1,但3種處理之間TDN濃度差異不顯著(P>0.05)。3組中的ρ(NO3--N)從實(shí)驗(yàn)前的9.88、9.64、9.68 mg·L-1分別降至實(shí)驗(yàn)后的4.28、1.64、2.58 mg·L-1,但3種處理之間NO3--N濃度差異也不顯著(P>0.05)。

3種處理下的NH4+-N濃度在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)均有增加,持續(xù)擾動(dòng)組的NH4+-N濃度略高于其他2組。NH4+-N濃度變化可以分為3個(gè)階段:第1階段(1～7 d)對(duì)照組、間歇擾動(dòng)組、持續(xù)擾動(dòng)組的ρ(NH4+-N)分別從0.20、0.18、0.19 mg·L-1上升到0.31、0.37、0.39 mg·L-1;第2階段分別降至0.21、0.19、0.27 mg·L-1(第10天),隨后升至0.34、0.36、0.44 mg·L-1(第13天);第3階段分別降至0.28、0.25、0.34 mg·L-1(第16天),隨后升至0.38、0.28、0.32 mg·L-1(第19天)?？傮w而言,3種擾動(dòng)方式之間NH4+-N濃度無顯著性差異(P> 0.05)。

箱體的上下線代表上下四分位數(shù);箱中橫線代表中位數(shù);線段上下線代表最大值和最小值。*表示P<0.05。

2.3 水體中磷濃度的變化

實(shí)驗(yàn)過程中水體TP和TDP濃度的變化趨勢(shì)如圖3所示。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中3組的TP和TDP濃度均在下降，其中1～10 d 的TP和TDP濃度下降很快，第10天后兩者的下降速率均放緩。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)照組、間歇擾動(dòng)組、持續(xù)擾動(dòng)組的ρ(TP)分別從初始的0.44、0.44、0.43 mg·L-1降至0.17、0.10、0.13 mg·L-1，3種處理下TP濃度無顯著性差異(P>0.05)。間歇擾動(dòng)組的TDP濃度始終占優(yōu)勢(shì)，3種條件下的ρ(TDP)分別從實(shí)驗(yàn)前的0.158、0.186、0.166 mg·L-1降至實(shí)驗(yàn)第19天的0.03、0.033、0.028 mg·L-1，間歇擾動(dòng)組與持續(xù)擾動(dòng)組之間存在顯著性差異(P<0.05)。

2.4 水體中懸浮物與葉綠素濃度的變化

實(shí)驗(yàn)過程中水體SS和Chl-a的變化趨勢(shì)如圖4所示。間歇擾動(dòng)組的SS濃度始終低于其余2組，3組中的SS濃度在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)均有所增加。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)對(duì)照組和間歇擾動(dòng)組ρ(SS)分別為27.9和20.7 mg·L-1，2組ρ(SS)在第7天均下降至最低，分別為12.5和20.7 mg·L-1，隨后分別上升至52.4和31.4 mg·L-1(第19天)。而持續(xù)擾動(dòng)組ρ(SS)在實(shí)驗(yàn)期間從20.5 mg·L-1上升至43.7 mg·L-1(1～19 d)。間歇擾動(dòng)組與對(duì)照組、持續(xù)擾動(dòng)組之間存在顯著性差異(P<0.05)。

箱體的上下線代表上下四分位數(shù);箱中橫線代表中位數(shù);線段上下線代表最大值和最小值,*表示P<0.05,**表示P<0.01。

實(shí)驗(yàn)時(shí)Chl-a濃度出現(xiàn)了較為明顯的波動(dòng),3組Chl-a濃度在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)均有所增加,持續(xù)擾動(dòng)組的Chl-a濃度增幅最大,間歇擾動(dòng)組增加最少。在實(shí)驗(yàn)初期(1～10 d)持續(xù)擾動(dòng)組的ρ(Chl-a)持續(xù)增加,在第10天達(dá)到最大值(330.5 μg·L-1),第14天減小至182.5 μg·L-1,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)又增至327.2 μg·L-1。不擾動(dòng)組與間歇擾動(dòng)組ρ(Chl-a)的變化趨勢(shì)相同,初始值分別為115.9和108.8 μg·L-1,第4天增至156.3和132.6 μg·L-1,隨后出現(xiàn)2次波動(dòng),第1次波動(dòng)的最小值分別為118.3和62.4 μg·L-1(第7天),最大值為150.0和157.4 μg·L-1(第10天)。第2次波動(dòng)在第16天出現(xiàn)最大值,分別為254.5和142.1 μg·L-1,隨后分別下降至251.8和136.2 μg·L-1(第19天)。對(duì)照組與間歇擾動(dòng)組、持續(xù)擾動(dòng)組之間存在顯著性差異(P<0.05),間歇擾動(dòng)組與持續(xù)擾動(dòng)組之間存在極顯著差異(P<0.01)。

2.5 水體中理化因子的相關(guān)性

水體中理化因子的相關(guān)性分析結(jié)果如表1所示。水體中除NH4+-N外的其余形態(tài)的氮與磷之間存在顯著相關(guān)性，Chl-a濃度與SS濃度呈顯著正相關(guān)，與TN、TDN、NO3--N濃度之間存在著顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。DO濃度與TN、NO3--N、TP濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。水溫與Chl-a濃度呈顯著正相關(guān)，與氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 實(shí)驗(yàn)期間理化因子的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 擾動(dòng)對(duì)水體中氮磷濃度的影響

實(shí)驗(yàn)期間3種處理方式下TN和NO3--N濃度均呈下降趨勢(shì),但與不擾動(dòng)相比擾動(dòng)顯著降低了水體中氮濃度。這可能是細(xì)菌的反硝化脫氮引起的。傳統(tǒng)的生物脫氮包括硝化和反硝化2個(gè)獨(dú)立的過程,白天藍(lán)藻的強(qiáng)烈光合作用使水體產(chǎn)生富氧環(huán)境,硝化細(xì)菌在堿性環(huán)境下將水體中的NH4+-N氧化為NO3--N,夜間藻類的生長(zhǎng)堆積、呼吸作用以及衰亡腐爛使水體產(chǎn)生缺氧甚至厭氧環(huán)境[16],反硝化細(xì)菌在ρ(DO)低于6.4 mg·L-1時(shí)轉(zhuǎn)向厭氧呼吸,還原NO3--N為氮?dú)?從而脫除水中氮[17]。水體擾動(dòng)會(huì)在很大程度上增加水中的氧氣,使得白天間歇擾動(dòng)與持續(xù)擾動(dòng)組氧化NO3--N的能力增強(qiáng)[18]。間歇擾動(dòng)只在白天進(jìn)行,擾動(dòng)增加了進(jìn)入水體的CO2量,為藻類的生長(zhǎng)提供碳源,因此其藻類在夜間的呼吸作用、生長(zhǎng)堆積和衰亡腐爛消耗的DO會(huì)比對(duì)照組多,而持續(xù)擾動(dòng)組夜間水體中氧氣含量偏高,導(dǎo)致反硝化脫氮能力減弱,最終導(dǎo)致間歇擾動(dòng)組去除NO3--N的效率最高(圖2)。綜上所述,間歇擾動(dòng)的TN、NO3--N濃度顯著降低可能與其較低的DO濃度導(dǎo)致反硝化脫氮作用更強(qiáng)有關(guān)。然而實(shí)驗(yàn)過程中NH4+-N濃度呈波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì),這可能與藻類生消過程中藻類殘?bào)w中有機(jī)氮的礦化有關(guān)。實(shí)驗(yàn)中藻類生消周期約一周左右,NH4+-N濃度的波動(dòng)周期與此相似,并略有滯后。當(dāng)藻類分解時(shí),細(xì)菌會(huì)通過礦化作用使有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮,導(dǎo)致NH4+-N濃度的增加[19]。

3種處理方式的TDP和TP濃度均有減少,間歇擾動(dòng)對(duì)促進(jìn)水體中TDP減少的效果更顯著。姚亮宇等[10]發(fā)現(xiàn)相對(duì)于靜水條件,有規(guī)律的、一定強(qiáng)度范圍內(nèi)的擾動(dòng)會(huì)促進(jìn)藻類對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收。這與該研究的結(jié)論一致,間歇擾動(dòng)與持續(xù)擾動(dòng)的TP濃度比對(duì)照組降幅大。另外,氮磷濃度與水溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,磷的減少可能與實(shí)驗(yàn)后期水溫升高及藻類增殖有關(guān)。溫度升高有利于提高藻類代謝速率及生長(zhǎng)速率,并通過釋放堿性磷酸酶加大對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收[20-22]。需要說明的是,實(shí)驗(yàn)過程中部分藻類會(huì)附著到桶壁上,這可能是導(dǎo)致水體中TP濃度顯著減少的另一個(gè)原因。

3.2 擾動(dòng)對(duì)水體中葉綠素含量的影響

持續(xù)擾動(dòng)的Chl-a濃度顯著高于其他2個(gè)實(shí)驗(yàn)組(圖4),并且Chl-a濃度與水溫呈顯著正相關(guān)(表1)。這可能是因?yàn)闇囟鹊纳仙龝?huì)加劇水體的垂直分層,不利于較深水體藻類的生長(zhǎng),持續(xù)擾動(dòng)更好地促進(jìn)了水體垂向混合,利于藻類生長(zhǎng)。此外,持續(xù)擾動(dòng)組由于部分水動(dòng)力擾動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能,故實(shí)驗(yàn)組的水溫始終高于其他2個(gè)實(shí)驗(yàn)組,這可能是持續(xù)擾動(dòng)組Chl-a濃度顯著高于其他2個(gè)實(shí)驗(yàn)組的另一個(gè)原因。KARP-BOSS等[23]報(bào)道,擾動(dòng)產(chǎn)生的剪切力會(huì)造成藻細(xì)胞的機(jī)械損傷,破壞其生理活性。該研究顯示持續(xù)擾動(dòng)的Chl-a濃度在第10天達(dá)到最高,約為開始時(shí)的3倍,說明該實(shí)驗(yàn)的水動(dòng)力條件(相當(dāng)于太湖實(shí)際平均風(fēng)浪強(qiáng)度)對(duì)藻類細(xì)胞沒有明顯的機(jī)械損傷。研究表明擾動(dòng)能夠影響藻類對(duì)光能和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收,改變水體中浮游植物的組成及多樣性[24]。該研究也發(fā)現(xiàn)持續(xù)擾動(dòng)組在實(shí)驗(yàn)后期時(shí)微囊藻占比從起始狀態(tài)的80%減小到40%左右,而綠藻的占比明顯升高(數(shù)據(jù)未呈現(xiàn))。另外,間歇擾動(dòng)時(shí)的DO濃度低,可能是造成Chl-a濃度低的主要原因之一,這與文獻(xiàn)[19]的結(jié)論一致。綜上所述,適宜強(qiáng)度的持續(xù)擾動(dòng)促進(jìn)了水體中Chl-a濃度的增高,加大了藻類水華發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)期間水體中的TN和NO3--N濃度均持續(xù)減少,但間歇擾動(dòng)對(duì)促進(jìn)水體中氮減少的效果最顯著。

(2)實(shí)驗(yàn)期間水體中的TP和TDP濃度均持續(xù)減少,但間歇擾動(dòng)對(duì)促進(jìn)水體中TDP減少的效果最顯著。

(3)適宜強(qiáng)度的持續(xù)擾動(dòng)促進(jìn)了水體中Chl-a濃度的增高,有利于藻類生物量的積累。

致謝:感謝中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站薛靜琛、胡洋、邵克強(qiáng)、孫敦平在實(shí)驗(yàn)過程及理化數(shù)據(jù)測(cè)試中的幫助。