胡俊杰， 萬(wàn)年新，王濤，謝純林，裴國(guó)鳳*

(1 中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430074；2 山東省膠東調(diào)水工程棘洪灘水庫(kù)管理處，青島 266111)

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)湖泊污染日益嚴(yán)重，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇，藻華頻繁暴發(fā)[1].有研究表明，在減少甚至沒(méi)有外源營(yíng)養(yǎng)鹽輸入的情況下，沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放是導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[2].藻類作為湖泊中重要的初級(jí)生產(chǎn)者和主要的物質(zhì)流動(dòng)調(diào)節(jié)者，是沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放過(guò)程中的關(guān)鍵生物因子[3].史靜[4]發(fā)現(xiàn)，在滇池富營(yíng)養(yǎng)化水體中，藻墊可以吸收溶解態(tài)的磷，吸附顆粒態(tài)的磷，并形成隔離層，減少沉積物中內(nèi)源磷的釋放.此外，底棲藻類還可以通過(guò)影響水體理化因子，間接減緩沉積物磷的釋放[5].目前，有關(guān)底棲絲狀藻類在不同營(yíng)養(yǎng)狀況水體中對(duì)沉積物磷釋放影響的研究相對(duì)較少.為了深入探究底棲絲狀藻類對(duì)沉積物磷釋放的影響，本文以底棲細(xì)鞘絲藻生物膜為實(shí)驗(yàn)材料，利用室內(nèi)“富營(yíng)養(yǎng)型(或寡營(yíng)養(yǎng)型)上覆水體-底棲細(xì)鞘絲藻生物膜-沉積物”靜態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)，評(píng)估了底棲細(xì)鞘絲藻在不同營(yíng)養(yǎng)型水體中生長(zhǎng)對(duì)沉積物磷釋放的影響,為闡明底棲絲狀藻類在高內(nèi)源負(fù)荷型受損水體生態(tài)修復(fù)中的作用提供理論基礎(chǔ)，為富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的生態(tài)恢復(fù)提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的富營(yíng)養(yǎng)型上覆水體取樣于南湖水(TP：1.336 mg·L-1、TN：7.941 mg·L-1)[5]，并用四層紗布過(guò)濾后使用，用蒸餾水作為實(shí)驗(yàn)處理系統(tǒng)的寡營(yíng)養(yǎng)型上覆水體；沉積物采集于南湖湖中心的表層沉積物(30°49 N, 114°38 E)，自然風(fēng)干后碾碎，去除石塊和動(dòng)植物殘?bào)w，混勻備用.

底棲細(xì)鞘絲藻來(lái)源于本實(shí)驗(yàn)室自野外樣品純化藻株，在40 L玻璃缸中用BG11液體培養(yǎng)基培養(yǎng)備用.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在所有處理組玻璃缸(40 cm×25 cm×30 cm)底部均勻鋪上2 kg沉積物(厚度約 3～4 cm)，根據(jù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[6]設(shè)置上覆水體為富營(yíng)養(yǎng)型處理組A、B[TLI(TP)>50]和寡營(yíng)養(yǎng)型處理組C、D[TLI(TP)<30]兩種處理系統(tǒng)，每組兩個(gè)平行. 處理組A：沉積物+28 L南湖水+40 g底棲細(xì)鞘絲藻生物膜；處理組B：沉積物+28 L南湖水；處理組C：沉積物+28 L蒸餾水+40 g底棲細(xì)鞘絲藻生物膜；處理組D：沉積物+28 L蒸餾水. 處理組A、C的底棲細(xì)鞘絲藻生物膜均勻接種至沉積物表層，所有處理組設(shè)置光照強(qiáng)度40 μmol·m-2s-1，光暗比12∶12，置于室溫(23±2) ℃中培養(yǎng)，定期向玻璃缸里補(bǔ)加相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)型的水體，保持缸內(nèi)水體容量恒定，實(shí)驗(yàn)周期60 d. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每隔5 d或10 d用便攜式測(cè)量?jī)x測(cè)定各實(shí)驗(yàn)組的水體pH(中國(guó)雷磁，PHB-4)、溶解氧(DO，中國(guó)雷磁，JPB-607)、氧化還原電位(ORP，中國(guó)雷磁，SX712)和電導(dǎo)率(EC，中國(guó)雷磁，DDB-303A)；參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)部(2012)的方法[7]每隔5 d或10 d測(cè)定各實(shí)驗(yàn)組上覆水體的總?cè)芙庑粤?TDP)和可溶性活性磷(SRP)；參照連續(xù)提取法[8]測(cè)定各處理組底棲細(xì)鞘絲藻生物膜和沉積物的弱結(jié)合態(tài)磷(NH4Cl-P)、鐵/鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)和鈣磷(Ca-P)等磷形態(tài)和總磷(TP)含量，計(jì)算顆粒態(tài)磷(PP)(PP=TP-TDP). 每個(gè)樣品測(cè)量重復(fù)3次，取平均值.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2019和SPSS 17.0 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析；采用 One way-ANOVA 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 上覆水體理化因子變化

實(shí)驗(yàn)期間，各處理組水體pH值隨時(shí)間均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)(圖1(a)). 60 d后，處理組A、C的水體pH值顯著高于處理組B、D(P<0.05)，但處理組A、C之間的水體pH值無(wú)顯著差異(P>0.05). 同時(shí)，處理組A、C的水體DO值顯著高于處理組B、D(P<0.05)(圖1(b)). 20 d后，處理組A、C的DO含量呈緩慢上升趨勢(shì)，而處理組B、D的隨時(shí)間持續(xù)呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，由最初的4.56、6.83 mg·L-1下降到2.40、2.90 mg·L-1.此外，各處理組的水體EC值均呈先上升后下降趨勢(shì)(圖1(c))，水體ORP均持續(xù)呈波動(dòng)下降趨勢(shì)(圖1(d)). 這些結(jié)果表明，上覆水體理化因子的變化與水體營(yíng)養(yǎng)水平無(wú)直接關(guān)系，而底棲細(xì)鞘絲藻生物膜在一定程度上能夠影響水體理化因子的變化.

2.2 上覆水體磷濃度變化

60 d內(nèi)，各處理組間水體TP濃度變化顯著差異(P<0.05)(圖2(a)). 實(shí)驗(yàn)前10 d，處理組D的TP濃度略高于處理組C；10 d后，處理組D的TP濃度隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸下降至相對(duì)較低水平，而處理組C隨時(shí)間小幅波動(dòng)上升. 處理組A、B的初始TP濃度為0.23 mg·L-1，實(shí)驗(yàn)前25 d，處理組A的TP濃度顯著低于處理組B(P<0.05)，處理組A、B的TDP、SRP和PP濃度隨時(shí)間延長(zhǎng)均呈下降趨勢(shì)[圖2(b)、2(c)、2(d)]，處理組C、D的PP濃度差異明顯(P<0.05)，且與同組的TP濃度變化趨勢(shì)相似. 這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，底棲細(xì)鞘絲藻生物膜能夠有效降低上覆水體的磷濃度，且滯留富營(yíng)養(yǎng)水體磷的能力明顯強(qiáng)于寡營(yíng)養(yǎng)水體.

(A)南湖水+底棲細(xì)鞘絲藻生物膜;(B)南湖水;(C)蒸餾水+底棲細(xì)鞘絲藻生物膜；(D)蒸餾水.圖1 各處理組上覆水體pH、DO、EC和ORP變化Fig.1 The dynamic changes of pH,DO,EC and ORP of overlying water

(A)南湖水+底棲細(xì)鞘絲藻生物膜；(B)南湖水；(C)蒸餾水+底棲細(xì)鞘絲藻生物膜；(D)蒸餾水.圖2 各處理組上覆水體TP、TDP、SRP、PP濃度變化Fig.2 The dynamic concentration changes of TP,TDP,SRP and PP of overlying water

2.3 底棲細(xì)鞘絲藻生物膜、沉積物的不同形態(tài)磷含量

實(shí)驗(yàn)前后，處理組A、C的底棲細(xì)鞘絲藻生物膜磷形態(tài)含量存在顯著差異(P<0.05)(圖3). 實(shí)驗(yàn)初期，NH4Cl-P、Ca-P是底棲細(xì)鞘絲藻生物膜主要的磷形態(tài)組分，二者分別占磷總量的46.04% 和39.75%。60 d后，處理組C的底棲細(xì)鞘絲藻生物膜磷形態(tài)發(fā)生了以NH4Cl-P、Fe/Al-P為主的轉(zhuǎn)變，二者分別占磷總量的42.58% 和48.08%；同時(shí)，底棲細(xì)鞘絲藻生物膜的TP含量增加，由最初的3.22 mg·g-1增加到3.77 mg·g-1(表1). 而處理組A的底棲細(xì)鞘絲藻生物膜中NH4Cl-P、Ca-P含量減少， Fe/Al-P含量增加，總磷含量下降，但由于底棲細(xì)鞘絲藻生物量的增多，磷的總量是增加的. 這說(shuō)明底棲細(xì)鞘絲藻生物膜磷形態(tài)組成及其滯留磷的能力受水體營(yíng)養(yǎng)水平的影響.

圖3 各處理組底棲細(xì)鞘絲藻生物膜不同形態(tài)磷的含量變化Fig.3 The contents changes of phosphorus forms of Leptolyngbya sp.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各處理組的沉積物磷形態(tài)變化相似(圖4). 實(shí)驗(yàn)初期，各處理組沉積物磷形態(tài)以Ca-P為主，占沉積物磷總磷的47.29%；60 d后，各處理組沉積物磷形態(tài)均以Fe/Al-P為主，分別占各處理組磷總量的68.13%、55.61%、49.96%和65.02%, 兩個(gè)不同營(yíng)養(yǎng)水平水體中沉積物磷形態(tài)含量的變化無(wú)明顯差異(P>0.05). 這些結(jié)果表明，上覆水體的營(yíng)養(yǎng)狀況會(huì)影響沉積物磷的釋放，但沉積物磷形態(tài)組成的變化與水體營(yíng)養(yǎng)水平無(wú)關(guān).

圖4 各處理組沉積物不同磷形態(tài)的含量變化Fig.4 The contents changes of phosphorus forms of sediments

2.4 上覆水體、底棲細(xì)鞘絲藻生物膜和沉積物的總磷含量

60 d后，處理組A、B的水體TP含量均減少(表1)，且處理組B的水體TP含量在實(shí)驗(yàn)前后均高于處理組A；處理組C、D的水體TP含量均增加，且處理組C的水體TP含量高于處理組D. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理組A、C的底棲細(xì)鞘絲藻生物膜TP含量與初始值相比顯著增加，處理組A、C和D的沉積物TP含量均減少，且處理組D沉積物TP含量最低，處理組B的沉積物TP含量略有上升. 由此可見(jiàn)，上覆水體為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)時(shí)，沉積物磷的釋放速度較慢，甚至?xí)l(fā)生磷沉淀現(xiàn)象；水體為寡營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)時(shí)，沉積物磷的釋放速度較快.同時(shí)，這說(shuō)明底棲鞘絲藻生物膜能夠有效減緩富營(yíng)養(yǎng)水體中沉積物磷的釋放.

表1 上覆水體、底棲細(xì)鞘絲藻生物膜和沉積物中的TP含量Tab.1 Phosphorus contents of overlying water, Leptolyngbya sp. and sediments 單位：mg

3 討論

3.1 水體理化因子對(duì)沉積物磷釋放的影響

沉積物磷的釋放會(huì)受到pH、DO等水體理化因子的影響[9].有研究表明，水體pH為8～10時(shí)，沉積物中的Fe/Al-P容易發(fā)生磷解析現(xiàn)象，產(chǎn)生較多的正磷酸鹽離子，促進(jìn)沉積物磷的釋放[10].由圖1(a)可知，各處理組上覆水體pH>7.0，呈堿性狀態(tài)，且各組的水體pH均呈上升趨勢(shì). 60 d后，除處理組B外，其他處理組的沉積物磷總量都低于初始值，這可能與水體pH的升高有關(guān). 一般情況下，高濃度DO會(huì)抑制沉積物的磷釋放[11].經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理組C中沉積物磷含量顯著大于處理組D，與上述結(jié)論相似. 然而，處理組A的沉積物磷總量遠(yuǎn)低于處理組B，這說(shuō)明沉積物磷的釋放并不完全隨DO的升高而減緩，可能原因是底棲細(xì)鞘絲藻生物膜對(duì)沉積物磷的直接同化吸收降低了沉積物磷總量；也可能是底棲細(xì)鞘絲藻生物膜的呼吸作用使沉積物表面產(chǎn)生短暫缺氧環(huán)境，促進(jìn)了沉積物的磷釋放[12].綜合來(lái)看，上覆水體理化因子的變化影響了沉積物的磷釋放，但與水體的營(yíng)養(yǎng)水平無(wú)直接關(guān)系；底棲細(xì)鞘絲藻在一定程度上能夠影響水體理化因子的變化，間接影響沉積物的磷釋放.

3.2 底棲細(xì)鞘絲藻對(duì)沉積物磷釋放的影響

有研究表明底棲藻類可以滯留水體中的磷，減緩沉積物磷的釋放[13].一方面，底棲藻類會(huì)以吸收吸附的溶解性磷和顆粒態(tài)磷形成隔離層，滯留水體中的磷，降低水體磷含量.另一方面，底棲藻類通過(guò)影響水體理化因子，如促進(jìn)水體pH和ORP的升高，進(jìn)而促進(jìn)磷與金屬鹽的共沉淀，減緩沉積物磷的釋放；同時(shí)，底棲藻類進(jìn)行光合作用產(chǎn)生的氧氣會(huì)在沉積物表面形成一層氧化膜，進(jìn)一步減緩沉積物磷的釋放[14].在本實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理組A的水體磷含量顯著低于處理組B、C，處理組C 的沉積物磷含量顯著高于處理組D，這與上述結(jié)論相似.此外，上覆水體的營(yíng)養(yǎng)狀況會(huì)影響沉積物磷的釋放速度，當(dāng)上覆水體為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)時(shí)，水體與沉積物之間磷濃度差小，導(dǎo)致沉積物向上覆水體的磷釋放量和釋放速度減小[15].60 d后，處理組B的沉積物TP含量顯著大于處理組D，這與上述結(jié)論相似. 但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，處理組A、C 的沉積物磷形態(tài)變化沒(méi)有顯著差異(P>0.05)，處理組A、C的底棲細(xì)鞘絲藻生物膜磷形態(tài)濃度存在明顯差異(P<0.05). 綜上所述，底棲細(xì)鞘絲藻可以滯留水體中的磷，減緩沉積物磷的釋放，且滯留富營(yíng)養(yǎng)水體磷的能力明顯強(qiáng)于寡營(yíng)養(yǎng)水體；水體營(yíng)養(yǎng)水平影響底棲細(xì)鞘絲藻生物膜磷形態(tài)組成及其滯留磷的能力，對(duì)沉積物磷形態(tài)組成沒(méi)有明顯影響，但影響沉積物磷的釋放.