氮磷濃度對浮游動物和沉水植物生長和相互作用的影響

氮磷濃度對浮游動物和沉水植物生長和相互作用的影響

1氮磷濃度條件的確定水生疾病是水體污染和富營養(yǎng)化的重要表現(xiàn)，其破壞已被公眾認識。專家的理論研究和實踐有一個共同的共識（秦伯強等，2006）。生態(tài)恢復是控制水環(huán)境的最佳途徑。在生態(tài)恢復方面有兩種重要而有效的措施：一是利用生物操縱技術控制藻類（劉景等，2005）；其次，利用大型水生植物和競爭藻類（莫斯巴斯，1990）來抑制藻類。一些生物操縱效果好，另一些效果不明顯。氮和磷濃度的條件是決定生物操縱是否取得成功的重要指標。在水體中種植大水生植物是否能夠生存并正常生長，這與水中氮和磷濃度密切相關。一般來說，水體中的氮和磷是藻類生長的限制因素，因此有必要經常使用單一的磷濃度。一些研究人員認為，在0.050.15mgl-1時，生物操作方法無法達到良好的效果（j.rgensonetal.，1998）。國外的研究結果表明，當水中氮濃度小于0.25mgl-1時，水生植物成功地抑制了藻類，并能夠保持其在一個清潔的狀態(tài)（scheffertal.，2001）。生物操縱能否有效，大型水生植物能否恢復和重建之間是否存在關系。因此，有必要審查磷酸濃度閾值和區(qū)域。這對生物操縱技術的應用和水生植被的恢復和重建具有重要的指導作用。因此，有必要進一步研究大型水生植物如何生長和抑制藻類的氮和磷濃度。為進一步弄清在富營養(yǎng)化水體中實施生物操縱所需的氮磷條件,以及同時恢復高等水生植物的可行性,我們在受控的微宇宙中的研究基礎上(馬帥等,2012),模擬自然水體對其進行研究,以便找出生物操縱和藻-草競爭取得好的效果的營養(yǎng)鹽濃度范圍,以期對水華控制及湖泊生態(tài)恢復提供更多的理論依據.2實驗材料和方法杏仁2.1實驗材料的純化金魚藻(Ceratophyllumdemersum):選取生長良好、長勢一致的15cm頂枝做實驗材料.小球藻(Chlorellavulgaris):采用Hoagland(0.1×)營養(yǎng)液進行純培養(yǎng),實驗前采用Hoagland(0.1×)營養(yǎng)液于HP300G-C型光照培養(yǎng)箱(溫度25℃、光強2000～3000lx)中預培養(yǎng)7d.大型溞(Daphniamagna):實驗室內進行純化培養(yǎng)并進行實驗前的馴化(溫度25℃,光強2000～3000lx,光暗比14h∶10h),實驗中使用同一母體繁殖3代以上的出生6～24h的幼齡期大型溞作為實驗對象.2.2初始鮮重的測定實驗在帶有底泥的塑料盆中進行.所用底泥為魚池的塘泥,經干燥、混勻、過篩、滅菌后,與洗凈的沙子分別以4∶1、1∶1、1∶3和全沙子的體積比配置,混勻后裝入塑料盆(30cm×25cm×15cm)內,厚2cm,加入約12cm深(8L)的曝氣自來水,自然形成4個營養(yǎng)水平,每個營養(yǎng)水平有3個重復.沉降1周后測初始的氮、磷含量.藻-草共培養(yǎng)、藻-溞共培養(yǎng)、藻-溞-草共培養(yǎng)實驗時配制形成的4個氮、磷濃度梯度分別見表1、表2和表3.各處理組加入相同的小球藻濃度,使加入后小球藻的密度為0.5×105個·mL-1.金魚藻的初始鮮重均為5g.大型溞均為10個.實驗在六月和七月份進行,室內靠窗培養(yǎng)20d.定期補充水以保持水的體積不變.2.3培養(yǎng)液氮、磷濃度測定金魚藻生物量:用吸水紙吸水后迅速稱重.小球藻密度:血球計數(shù)板計數(shù)法.大型溞數(shù)目:肉眼計數(shù).氮、磷濃度:將培養(yǎng)液以4000r·min-1離心10min,取其上清液進行氮磷含量測定(國家環(huán)境保護總局,2002).采用SPSS16.0統(tǒng)計軟件對實驗數(shù)據進行分析.3結果和分析結果和分析3.1小球藻和金魚藻的培育3.1.1不同營養(yǎng)水平小球藻密度的增長情況由圖1可見,水平1和2金魚藻的最終質量分別為5.45g和5.95g,較初始分別增加了9%和19%.水平3和水平4,金魚藻的最終質量較初始下降,分別下降了4.3%和42.3%.水平2金魚藻的增長率顯著高于其他水平的增長率(p<0.05).水平1小球藻的密度隨時間增加,但增量不大,一直維持在0.6×105個·mL-1左右;水平2第5d小球藻的數(shù)量達到最大,為4×105個·mL-1,之后大幅度下降,密度保持在1.6×105個·mL-1;水平3和4第10d小球藻數(shù)量達到最大,然后開始下降,其中水平4小球藻密度最高達到1×106個·mL-1,后期密度也在5×105個·mL-1,顯著高于其他處理組的密度(p<0.05).比較各個營養(yǎng)水平,水平1小球藻第20d的增長率僅為8%,遠低于其他水平組.水平4小球藻第20d的增長率明顯高于其他水平(p<0.05),實驗結束時還維持在較高的密度.比較金魚藻和小球藻的增長率可以看出:水平1金魚藻的增長率略高于小球藻的增長率;其余營養(yǎng)水平小球藻增長率均高于金魚藻的增長率;水平4小球藻的增長率最大,而金魚藻為負增長.3.1.2營養(yǎng)水平的變化小球藻和金魚藻共培養(yǎng)時的初始氮磷濃度見表1.如圖2a所示:營養(yǎng)水平1中底質全是沙子,無營養(yǎng)鹽釋放,氮濃度是隨著時間的變化逐漸下降的,從最初的平均濃度2.93mg·L-1下降為1.08mg·L-1,下降了63.1%.營養(yǎng)水平2、3和4隨時間均呈現(xiàn)出幾乎相同的變化:即先略微下降,又逐漸升高,然后又下降并保持穩(wěn)定;最后的氮濃度低于初始的濃度,其中,水平2下降了15.3%,水平3下降了15%,水平4與初始差異不大.磷濃度隨時間變化的趨勢和氮相似.由圖2b可見,最后的磷濃度均低于初始的濃度.營養(yǎng)水平1底質只有沙子,其氮、磷濃度隨時間延長均下降;其他水平處理中氮和磷在第10d含量增加,然后又逐漸下降.說明兩種植物的生長不斷地消耗水中的氮、磷元素,有底泥的底質則給予補充,使其保持在一定濃度水平.3.2小球藻和大葉海藻的培養(yǎng)3.2.1大型的平均數(shù)量和營養(yǎng)水平小球藻和大型溞共培養(yǎng)時的初始氮、磷濃度見表2.由圖3可知,小球藻和大型溞的增長率均隨氮、磷濃度的升高逐漸增大.各營養(yǎng)水平的小球藻的增長率隨時間變化不大,第10d小球藻的增長率最大,顯著高于與其他水平(p<0.05).大型溞最后的數(shù)量隨氮、磷濃度的升高,數(shù)量增加.營養(yǎng)水平1、2、3和4中,大型溞的最后數(shù)量分別為31個、151個、231個和190個,以水平3的增長率最大,顯著高于其他水平組.比較大型溞和小球藻的增長率可以看出,除營養(yǎng)水平1大型溞增長率稍高于小球藻外,其他營養(yǎng)水平中大型溞的增長率顯著高于小球藻.說明在氮、磷等營養(yǎng)鹽充足的情況下,小球藻可以保持高的增長率,而攝食者大型溞則以更高的繁殖率增長;反過來也說明,正是由于大型溞的攝食,使小球藻的增長率保持在相對穩(wěn)定的水平,不至于爆發(fā)式地增長,顯示出大型溞對小球藻的有力控制效果.3.2.2營養(yǎng)水平和對磷濃度的變化由圖4可知,氮和磷濃度均隨時間延長呈現(xiàn)出逐漸下降的相似變化,前期下降明顯,后期降幅減小.對氮濃度(圖4a),營養(yǎng)水平1、2、3和4分別下降了83%、45%、58%和48%.對磷濃度(圖4b),水平1中基本耗盡,水平2、3和4分別下降了96%、90%和80%.這與小球藻和大型溞的生物量增長情況相吻合.低營養(yǎng)水平下的氮、磷濃度下降的更為顯著,營養(yǎng)水平越高,氮、磷的降幅越小.3.3海藻3.3.1金魚藻的生長和數(shù)量藻-溞-草三者共培養(yǎng)時的初始氮磷濃度見表3.由圖5可見,小球藻的增長率隨營養(yǎng)水平的升高明顯增大,第20d的增長率以營養(yǎng)水平4的為最大,顯著高于其他水平(p<0.05).各營養(yǎng)水平的增長率隨時間延長呈現(xiàn)先增后降的相同的變化,第10d時的增長率達到最大,到20d時均下降至小于第5d的水平.在營養(yǎng)水平1、2和3中,金魚藻的生物量都較初始增加,分別為5.43g(增加8.7%)、7.12g(增加42%)、6.60g(增加32.0%),水平4中金魚藻的最終生物量為4.52g,下降9.30%.各營養(yǎng)水平間金魚藻增長率差異顯著(p<0.05).各營養(yǎng)水平金魚藻的生長均好于金魚藻和小球藻共培養(yǎng)時.大型溞的增長率隨營養(yǎng)水平的升高逐漸升高,在水平4又下降,與金魚藻生物量的變化趨勢相似.營養(yǎng)水平1、2、3和4中分別增加了17.2倍、30.3倍、33.3倍和14.7倍.以水平3的增長率最高,顯著高于其他營養(yǎng)水平(p<0.05).營養(yǎng)水平1、2和3中的增加倍數(shù)明顯高于小球藻和大型溞共培養(yǎng)時.在培養(yǎng)期間,水平1的水體一直清澈,金魚藻長勢尚好.水平2和3中金魚藻長勢最好,尤其是水平2,萌發(fā)了很多新枝并伸長,水質明顯改善.水平4中金魚藻長勢最差,有部分分解現(xiàn)象,后期有所生長,水色發(fā)黑,水表面有似金魚藻分解形成的綠色氣泡狀物,盆壁及底泥表面也有綠色附著.該實驗表明,金魚藻和大型溞生物量的變化趨勢完全同步,二者與小球藻的則相異.從時間上看,在10d前,由于小球藻的繁殖明顯快于大型溞和金魚藻,水中營養(yǎng)鹽又充足,所以,其增長率持續(xù)增大,10d后,大型溞可以繁殖2代以上,數(shù)量迅速增加,與金魚藻聯(lián)合作用,使得小球藻增長率持續(xù)下降;從營養(yǎng)水平上看,氮、磷濃度越高,則大型溞和金魚藻對小球藻的聯(lián)合抑制作用效果越差,反之,則越好.說明大型溞和金魚藻的聯(lián)合抑藻效果好于其單一的效果,并受到氮、磷濃度的明顯影響.3.3.2前5d降水效果由圖6可見,各個營養(yǎng)水平中氮、磷濃度都是下降的,隨時間均表現(xiàn)出相同的變化趨勢,前5d降幅大且顯著,此后降幅較小,趨于穩(wěn)定.營養(yǎng)水平1、2、3和4中,氮去除率(圖6a)分別為68.3%、74.0%、46.0%和38.7%.磷去除率(圖6b)各水平間相差不大,均值都在50%以上.4討論4.1不同營養(yǎng)水平下浮游動物對浮游動物的控制效果Scheffer等(2001)認為在0.25mg·L-1以內的磷負荷下,淺水湖泊可以通過沉水植被固定營養(yǎng)物而維持清潔狀態(tài),而且僅僅在0.25mg·L-1左右的磷負荷下才能實現(xiàn),高于此濃度,浮游植物將會占優(yōu)勢.在本研究的金魚藻和小球藻共培養(yǎng)實驗中,在平均氮濃度為2.92mg·L-1、磷濃度為0.06mg·L-1時,金魚藻增長率稍高于小球藻.在平均氮濃度大于2.92mg·L-1、小于7.25mg·L-1,磷濃度大于0.06mg·L-1、小于0.28mg·L-1時,金魚藻增長迅速,增長率達到最大,但仍不及小球藻的增長率.隨著氮、磷濃度的升高,在氮濃度大于12.14mg·L-1、磷濃度大于0.53mg·L-1時,金魚藻長勢較差,有葉子枯萎和死亡現(xiàn)象,原因可能是過高的營養(yǎng)鹽對植物造成傷害.而且在較高的營養(yǎng)鹽濃度時,小球藻增長迅速,其增長率遠高于金魚藻,對金魚藻具有很強抑制作用,在此濃度范圍內,小球藻占據優(yōu)勢.這與Scheffer等(2001)的結論一致.在小球藻和大型溞共培養(yǎng)實驗中,不同營養(yǎng)條件下小球藻和大型溞均隨著營養(yǎng)水平的升高呈上升趨勢,且二者生物量間顯著相關,在氮、磷濃度較高時,大型溞能夠對小球藻起有效的控制作用.一般來說,浮游動物對浮游植物的控制效果與水體營養(yǎng)程度、浮游動物密度、季節(jié)等因素有關,富營養(yǎng)程度越高,浮游植物生物量、葉綠素含量越高,浮游動物對浮游植物的控制作用越差,有效去除藻類所花的時間越長.但在本實驗中,從二者的生物量來看,在不同營養(yǎng)水平的處理中,加入相同的大型溞和小球藻,共培養(yǎng)15d后,大型溞一直占據優(yōu)勢,并可以控制藻類的發(fā)展,提高水體透明度,降低氮、磷濃度,使富營養(yǎng)化水體得到一定程度的凈化.這是水體富營養(yǎng)化生物治理的有效途徑之一(劉建康,1995).實驗中,水平1和2的處理中水體清澈,透明度高,水平3和4的處理中,前期水體渾濁,后期變清澈.在三者共培養(yǎng)時,氮、磷濃度對三者的生物量具有明顯的影響,隨著營養(yǎng)濃度由水平1升高到3,金魚藻、小球藻和大型溞的生物量均增加,水質得到改善,小球藻的增長率高于金魚藻,但小于大型溞.但營養(yǎng)水平升高到4時,金魚藻出現(xiàn)負增長,水質變差,大型溞的增長率也開始下降.可見營養(yǎng)濃度越高,越有利于小球藻的生長繁殖.在氮濃度為23.92mg·L-1、磷濃度為0.64mg·L-1時大型溞增長率最大,金魚藻也出現(xiàn)較高的增長率,而小球藻維持在較低的增長水平,金魚藻和大型溞占據優(yōu)勢.而在水平4,即氮、磷濃度分別為25.95mg·L-1、1.18mg·L-1時,金魚藻為負增長,大型溞的增長率也明顯下降.沉水植物重建和生物操縱兩者可以相輔相成.由本實驗得知,小球藻和金魚藻共培養(yǎng)時,在氮濃度為12.14mg·L-1、磷濃度為0.53mg·L-1時,金魚藻就出現(xiàn)負增長,而在三者共培養(yǎng)時,在氮、磷濃度分別升高到25.95mg·L-1和1.18mg·L-1時,金魚藻才出現(xiàn)負增長.使金魚藻出現(xiàn)負增長的因素除了過高的氮、磷濃度外,小球藻也起到了抑制作用;在三者共培養(yǎng)中,由于大型溞對小球藻的控制作用使得小球藻對金魚藻的抑制作用減弱,而且大型溞的增長率也明顯高于小球藻和大型溞共培養(yǎng)時的增長率,原因就是金魚藻的存在為大型溞的生長繁殖創(chuàng)造了更有利的條件.4.2藻體對污水中總氮、磷的去除許多研究表明,水生高等植物可維持水體長期穩(wěn)定于清澈狀態(tài).因此,富營養(yǎng)化水體中沉水植物的恢復與重建已成為環(huán)境領域和水生態(tài)學研究的重點內容之一(Eweletal.,1987).沉水植物可以通過吸附水體中生物性和非生物性懸浮物質,提高水體透明度,改善水下光照條件,增加水體的溶解氧,其根部和植物體能分別吸收底質和水中的氮、磷,富集氮、磷的能力更強(宋碧玉等,1999;黃文成,1994),此外,不少沉水植物對藻類還有化感作用(李小路等,2008).氮、磷也是藻類生長的營養(yǎng)物質,小球藻的大量生長也消耗一定的氮和磷,對水體的氮和磷的去除也起到一定的作用.曾有研究肯定了藻類對污水中氮、磷等營養(yǎng)物的去除作用和效果(Glicketal.,1993;王關林等,1998).水溞是枝角類低等甲殼動物,可以通過攝食水中的藻類從而降低水中氮磷的濃度(朱斌等,2002).在螺、蚌、水溞、鯽魚等水生動物實驗中,水溞去除率居于首位(張喜勤等,1998).在金魚藻和小球藻共培養(yǎng)的實驗中,雖然第10d的氮、磷都出現(xiàn)增加現(xiàn)象,可能是由于溫度的升高導致底泥的釋放(劉亞麗等,2006;Gonsiorczyketal.,1997).但在實驗結束時氮、磷濃度都有不同程度的下降.總之,小球藻和金魚藻共培養(yǎng)能夠使氮、磷濃度降低,但隨著營養(yǎng)水平的升高,二者共培養(yǎng)時對氮、磷的削減作用變小.在小球藻和大型溞共培養(yǎng)的實驗中不同營養(yǎng)條件下二者的共培養(yǎng)的結果都使氮、磷濃度下降.低營養(yǎng)條件下的氮、磷濃度下降的更為顯著,營養(yǎng)水平越高,氮、磷的降幅越小,在小球藻和大型溞共培養(yǎng)時,對磷的去除效果優(yōu)于去氮,也優(yōu)于金魚藻和小球藻共培養(yǎng)時對氮、磷的去除率.由此可見,浮游動物在控藻的效果上、以及對氮、磷的去除上,都是很有優(yōu)勢的.三者共培養(yǎng)對氮、磷的去除率都很高,效果更顯著,更有利于使氮、磷維持在一個相對穩(wěn)定的濃度,形成一個良好的生態(tài)系統(tǒng).由此可見生物操縱和藻-草競爭可以同時進行,使得在相對較高的營養(yǎng)水平下也能起到很好的控藻效果,二者相輔相成.4.3自然水體與水體氮磷濃度的相互作用利用大型水生植物,尤其是沉水植物對藻類的克制效應控制藻類的惡性增長,提高水體的自凈能力,是控制和治理湖泊富營養(yǎng)化的一個重要生物調控措施.生物操縱在國外進行了較廣泛的實驗(Lammensetal.,1990),浮游動物是生物操縱的關鍵因子之