淀山湖浮游藻類增長的氮磷限制性營養(yǎng)研究*

張亞克 梁 霞 方焰星 張絢璇 詹躍武 何池全

(上海大學環(huán)境與化學工程學院，上海，200444)

淀山湖浮游藻類增長的氮磷限制性營養(yǎng)研究*

張亞克 梁 霞＊＊方焰星 張絢璇 詹躍武 何池全

(上海大學環(huán)境與化學工程學院，上海，200444)

2009年1月至12月對淀山湖浮游藻類生物量及主要營養(yǎng)元素N、P含量進行了監(jiān)測，并利用藻類增長的生物學評價(NEB)方法對浮游藻類增長的限制性營養(yǎng)元素進行了研究，采用雙變量相關性分析了水體中N、P含量與浮游藻類生物量的相關性.結果表明，磷含量與藻類生物量有顯著的正相關(Rmax=0.980)，添加磷能明顯促進藻類生物量的增加，且促進作用隨磷濃度的增加而加強;在夏秋之際(7月—9月)藍藻占優(yōu)勢藻類時，水體中的氮(氨氮)限制了藍藻的增長，氨氮含量與藻類生物量呈現(xiàn)正相關(Rmax=0.691)，硝氮對淀山湖藻類增長促進作用不明顯，部分時間表現(xiàn)為抑制作用，磷與硝氮之間存在一定的交互作用.

氨氮，硝氮，磷，浮游藻類，營養(yǎng)限制，淀山湖.

水體富營養(yǎng)化的治理是一個世界性的難題［1－2］，在湖泊、水庫和緩流態(tài)水域中，藻類是主要初級生產(chǎn)者［3－5］，氮、磷等營養(yǎng)物在水體中過量累積且外部條件適宜時，容易導致藻類大面積瘋長形成水華暴發(fā)［6－7］.我國大多數(shù)湖泊水體中氮磷含量普遍存在超標現(xiàn)象［8－10］，是造成水體富營養(yǎng)化的主因.藻類增長的生物學評價(Nutrient Enrichment Bioassay，NEB)是一種有效檢測浮游植物營養(yǎng)物限制的主要研究方法，能找出水體中浮游植物增長限制性營養(yǎng)元素［11］，并且通過統(tǒng)計試驗前后營養(yǎng)鹽濃度及藻類葉綠素的變化，可預測以后水體富營養(yǎng)化的程度［12－14］，是有效地進行預測、控制藻類增殖的一種方法.

上海市的唯一湖泊淀山湖是上海市郊區(qū)飲用水供水水源和水產(chǎn)品養(yǎng)殖基地，其水質(zhì)具有重要意義［15］.但是近年來淀山湖整體水質(zhì)狀況呈逐年下降趨勢，淀山湖水體功能定位是Ⅱ類，2001年—2007年淀山湖的水質(zhì)均未達到Ⅱ類水質(zhì)標準一般為Ⅳ—Ⅴ類，部分湖區(qū)劣于Ⅴ類［16］，嚴重影響到淀山湖生態(tài)系統(tǒng)的完整性及上海市郊區(qū)飲用水供水安全［17］.

本研究通過藻類增長的生物學評價試驗確定淀山湖浮游藻類增長的限制性營養(yǎng)元素，為淀山湖富營養(yǎng)化的防治對策及綜合治理提供決策依據(jù).

1 材料與方法

1.1 水樣采集

于2009年1月至12月每月同一時期在淀山湖四號航標處采集表層水樣，采集水樣24 h內(nèi)即進行TN(GB/T 11894—89)、TP(GB/T 11893—89)、葉綠素a［18］等指標的測定，淀山湖采樣點位如圖1所示.

圖1 淀山湖地理位置及采樣點位置Fig.1 Geagraphic location of Dianshan Lake and sampling sites

1.2 研究方法

根據(jù)李比西的最低因子定律(Liebig's Law of the Minimum)，植物的生長受它所需要的而存在量最低的營養(yǎng)物質(zhì)所限制［19－21］，藻類增長的生物學評價按照如下營養(yǎng)鹽添加方案設計，試驗不需對培養(yǎng)水樣進行滅菌、過濾和添加藻種等處理，而是直接利用水體中原始的生態(tài)群落進行培養(yǎng)［11］，可實際的反映含不同時期生物群落的水體在加富營養(yǎng)鹽后對浮游植物增長的影響.淀山湖2009年不同月份水體TN、TP含量如表1所示.

表1 2009年不同月份淀山湖TN、TP含量Table 1 The content of TN and TP in Dianshan Lake in different months

應用標準方法測定淀山湖營養(yǎng)物水平狀態(tài)，在充分考慮未來淀山湖可能達到的營養(yǎng)物水平的前提下，每個月份試驗按原淀山湖水營養(yǎng)物水平(表2)的 0.5倍、1倍、2.0倍添加 P、NO3－N、NH3－N 以及P+NO3－N作為培養(yǎng)液營養(yǎng)物水平，營養(yǎng)鹽具體添加方案如表2.量取2 L水樣于錐形瓶中按照方案添加不同濃度營養(yǎng)鹽在人工氣候室內(nèi)進行培養(yǎng)，每個營養(yǎng)水平設置3個平行樣，溫度:(25±1)℃;空氣濕度70%，光照:4000 Lx，光暗時間比:12∶12，培養(yǎng)一個生長周期.每天取固定量水樣用孔徑25 mm玻璃纖維濾膜抽濾，后用90%丙酮萃取葉綠素a.萃取液于3500 r·min－1離心20 min，取上清液利用分光光度法測定其葉綠素值.實驗方法和計算按規(guī)范［22－23］進行.

表2 藻類增長實驗營養(yǎng)鹽添加方案Table 2 Nutrient addition methods of algae growth test

1.3 分析方法

藻類最大現(xiàn)存量是指藻類在一個生長周期內(nèi)其生物量所能達到的最大值，可用葉綠素a含量X(chl－a)來表征;藻類最大比增長速率是指藻類在一個生長周期內(nèi)最大的比增長速率.

數(shù)據(jù)處理為了能夠消除不同時期原湖水帶來的差異，采用相對比較系數(shù)方法來表達添加營養(yǎng)物對藻類增長的影響［24－26］.

數(shù)據(jù)處理均由SPSS 13.0 for Windows軟件包完成，對12個月藻類室內(nèi)培養(yǎng)的增長趨勢進行分析，并對不同濃度營養(yǎng)元素與相應藻類葉綠素間的相關性［27］進行分析，以確定不同營養(yǎng)鹽添加對藻類生物量的相關性及交互作用的顯著性.

2 結果與討論

2.1 淀山湖葉綠素a、TN、TP的年變化

水體中葉綠素一定程度上可以表征水體中浮游藻類的生物量，是浮游植物現(xiàn)存量的重要指標［28］，2009年對淀山湖進行了12個月份的水質(zhì)監(jiān)測，其葉綠素a，TN，TP的變化情況如圖2所示.

圖2 淀山湖葉綠素a，總氮及總磷濃度的月變化Fig.2 The monthly variation of chlorophyll a，TN and TP in Dianshan Lake

王麗卿［29］，程曦［30］等研究發(fā)現(xiàn)淀山湖歷年來在春季和秋季均會出現(xiàn)一個藻類增長高峰期，本實驗對淀山湖的監(jiān)測也得到了類似結果.由圖2可以看出2009年淀山湖藻類生物量出現(xiàn)兩個高峰，一個出現(xiàn)在春季2—5月，另一個出現(xiàn)在秋季8月份，秋季藻類最高生物量(29.86 mg·m－3)明顯低于春季(39.68 mg·m－3).水體中營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化及不同季節(jié)藻類優(yōu)勢種群的演替是形成此現(xiàn)象的主要原因.淀山湖藻類的群落演替規(guī)律［31］為春季以硅藻和綠藻為主，夏秋季為綠藻和藍藻，冬季以硅藻為主.由于受到不同季節(jié)水溫、水文和氣象因素的影響，冬季氮磷營養(yǎng)隨水體懸浮顆粒物的積累水體中N、P濃度較高［32］，但由于氣溫較低，且冬季光照時間較短，導致冬季浮游藻類并沒有出現(xiàn)大量增長;春季(1月至3月)氣候轉(zhuǎn)暖，日照時間有所增加且水體中TP、TN均具有較高含量，這給硅藻、綠藻增長提供了有利條件，因此導致在春季4月份時藻類生物量達到峰值;夏季(5月至8月)水體中優(yōu)勢種逐漸轉(zhuǎn)為以藍藻為主，由于前期藻類大規(guī)模增長營養(yǎng)物間的競爭導致消亡氮磷得以釋放，水體中氮磷含量有微量上升，特別是氮含量的上升給藍藻增長提供了有利條件，在8月份藻類的生物量達到另外一個峰值.

2.2 添加營養(yǎng)鹽對淀山湖藻類生長的影響

對每月所采水樣按照表2方案添加不同濃度氮磷營養(yǎng)鹽后進行培養(yǎng)，選擇有代表性的幾個月份藻類增長情況，其結果如圖3.由圖3可以看出1月、5月、6月、8月、11月和12月培養(yǎng)實驗中，前兩天添加不同濃度營養(yǎng)鹽組與原湖水組生物量基本相同，從第3天開始添加不同濃度P的藻類生物量開始明顯大于原湖水組的藻類生物量，而除8月份外添加不同濃度NH3－N的藻類生物量則低于原湖水組的藻類生物量，表現(xiàn)出明顯抑制作用，添加P+NH3－N對藻類增長也表現(xiàn)出明顯的促進作用.在淀山湖2月—4月，7月—10月無論添加何種營養(yǎng)鹽對藻類增長基本沒有影響，生物量一直處于很低水平(葉綠素a＜40 mg·m－3).這是由于此時期剛好處于淀山湖藻類大規(guī)模增長時期，湖水中氮磷含量趨于飽和，導致添加外源氮磷營養(yǎng)并不能明顯促進藻類增長，說明此時期淀山湖浮游植物的增長已基本不再受營養(yǎng)物的限制.而5月—6月、11月—次年1月這幾個月份屬于夏初和冬初，處于藻類增長的準備時期，添加外源營養(yǎng)元素明顯促進了藻類生物量的增加.

圖3 藻類增長的生物學評價試驗浮游植物增長曲線Fig.3 Phytoplankton growth curves of the nutrient enrichment bioassay test

程曦等［30］通過對浮游藻類群落的長期連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn)淀山湖浮游藻類存在明顯的群落演替，主要表現(xiàn)為春季硅藻、綠藻，夏秋季藍藻以及冬季硅藻為主的特點.由于不同種類藻類細胞的元素組成存在著差異，且不同種藻類對營養(yǎng)鹽的生理響應不同，因此藻類群落演替也是導致本實驗不同月份藻類增長趨勢出現(xiàn)顯著差異的一個重要原因.特別是試驗中發(fā)現(xiàn)8月份添加氮磷都增加了藻類生物量，8月份淀山湖藻類以藍藻為主且藍藻自身具有固氮作用，因此導致8月份添加氮磷對藻類增長都具有明顯的促進作用.

2.3 添加不同 NH3－N、NO3－N、P下藻類增長的的氮磷限制分析

為了能夠消除不同時期原湖水帶來的差異，采用相對比較系數(shù)方法來表示添加不同營養(yǎng)元素藻類生物量與空白間的差值，其中原湖水的結果均表達為0%，結果如圖4所示.

由圖4可以看出，全年除了4月、6月份外其余10個月份添加P后藻類相對比較系數(shù)大部分在40%與105%之間，添加P后浮游植物生物量遠大于原湖水.在2月、3月和8月添加NH3－N和NO3－N后藻類生物量高于原湖水，其余月份添加NH3－N和NO3－N則并沒有表現(xiàn)出對藻類增長的促進作用，相反部分時間添加NH3－N和NO3－N抑制了藻類的增長，如4月、5月和6月3個月份.全年除了4月、5月和6月添加NO3－N+P對藻類增長具有抑制作用外，其余月份添加NO3－N+P對藻類增長都體現(xiàn)出不同程度的促進作用，表明在全年中共同添加NO3－N和P時部分時間表現(xiàn)出對浮游藻類增長的促進作用，部分時間則表現(xiàn)出抑制作用，二者之間存在一定的交互作用.

圖4 添加不同營養(yǎng)鹽下藻類增長相關系數(shù)的變化Fig.4 The variation of correlation coefficient in different nutrient addition methods

考慮N、P添加量對藻類增長的影響，可以看出在4月、5月和6月藻類大規(guī)模增長時不管添加何種營養(yǎng)物對藻類增長均是抑制作用;其余月份除了1月外，添加P明顯的促進了藻類的增長，而且是隨著添加量的增大這種促進作用越明顯，表明P是淀山湖藻類增長的限制因子;在2月、3月份表現(xiàn)出添加N能促進藻類增長，7月、8月和9月則表現(xiàn)出添加NH3－N能明顯促進藻類生物量的增加，添加不同量NO3－N并沒有明顯促進藻類的增長，相反還出現(xiàn)不同程度的抑制作用;添加NO3－N+P對藻類增長也表現(xiàn)出促進作用，如2、3月表現(xiàn)為大于單一添加P營養(yǎng)物的促進作用，其余月份則表現(xiàn)為緩和了NO3－N，NH3－N營養(yǎng)物對藻類增長的抑制作用，這從另一方面說明了P對淀山湖藻類增長的促進作用.

2.4 營養(yǎng)鹽對藻類生長平均最大現(xiàn)存量和平均最大特定增長率的影響

添加不同種類和不同水平營養(yǎng)鹽試驗組藻類平均最大現(xiàn)存量(Xmax)和平均最大特定增長率(Lmax)見表3.從表3可以看出藻類現(xiàn)存量全年中除4月、9月、10月添加P及NO3－N+P增加不明顯外，其余月份添加P及NO3－N+P藻類的現(xiàn)存量明顯大于原湖水組，最大藻類現(xiàn)存量出現(xiàn)在8月份，單獨添加P組為144.92 mg·m－3，添加 NO3－N+P 組為 139.05 mg·m－3;全年中添加 NO3－N 及 NH3－N 營養(yǎng)組除 3 月，8 月藻類的現(xiàn)存量略大于原湖水組，其余月份始終沒有較高的現(xiàn)存量均低于原湖水組，最大藻類現(xiàn)存量也出現(xiàn)在8 月份，單獨添加 NO3－N 組為 110.53 mg·m－3，添加 NH3－N 組為 110.63 mg·m－3;說明 N 的加入沒有明顯促進淀山湖藻類的繁殖增長，而在原湖水中所添加的P營養(yǎng)組，最終都有較大的現(xiàn)存量，因此與N相比，P的加入明顯促進了淀山湖藻類繁殖增長.

全年中添加P及NO3－N+P組的藻類平均最大增長率變化與藻類現(xiàn)存量變化類似，除4月、9月、10月藻類增長率增加不明顯外，其余月份藻類的增長率明顯大于原湖水組;在2月、3月、8月、11月添加NO3－N及NH3－N營養(yǎng)組藻類的最大增長率也大于原湖水組;說明對P和N對淀山湖藻類的生長速度都有促進作用，但P對藻類最大增長率的影響顯著，說明P是淀山湖藻類生長繁殖的限制因子;同時由于4月、9月、10月這3個月份淀山湖藻類處于大規(guī)模增長的后期，湖水中各營養(yǎng)鹽處于飽和狀態(tài)，藻類普遍趨于衰亡，因此在4月、9月、10月添加各營養(yǎng)鹽藻類增長出現(xiàn)了負增長率.

2.5 添加不同 NH3－N、NO3－N、P下對藻類增長的的相關性分析

由數(shù)據(jù)分析可知，在淀山湖對藻類生長起著限制作用的因子可能是磷，進一步對添加P、NH3－N、NO3－N下的藻類葉綠素含量進行相關分析如表4所示.

由表4知，大部分添加不同濃度P與藻類葉綠素之間在0.05的水平上差異顯著，添加P對于2月、3月、7月—9月和11月、12月份水樣的藻類葉綠素含量呈顯著性正相關，說明P是淀山湖藻類增長的第一限制性元素，添加P能明顯促進淀山湖的藻類增長;添加NH3－N對于4月份和5月份水樣中藻類葉綠素含量呈顯著性負相關，在7月—9月份呈現(xiàn)顯著性正相關;添加NO3－N對于5月、6月、9月、12月份的水樣中藻類葉綠素含量也呈顯著性負相關，說明N不是淀山湖藻類增長的限制性元素，相反增加NO3－N含量表現(xiàn)出對藻類增長具有一定的抑制性作用.

表4 淀山湖全年藻類葉綠素含量相關性分析Table 4 The correlation analysis of full year algae chlorophyll in Dianshan Lake

3 結論

藻類增長生物學評價實驗表明，磷是淀山湖浮游植物增長的第一限制性因子，添加磷能明顯促進藻類生物量的增加，且促進作用隨磷濃度的增加而加強;在夏秋之際藍藻占優(yōu)勢藻類時，水體中的氮(氨氮)限制了藍藻的增長，硝氮對淀山湖藻類增長促進作用不明顯，部分時間表現(xiàn)為抑制作用，磷與硝氮之間存在一定的交互作用，同時添加磷和硝氮對藻類增長有一定的促進作用.

［1］Shanna Chen，Xiaolan Chen，Yan Peng，et al.A mathematical model of the effect of nitrogen and phosphorus on the growth of blue－green algae population［J］.Applied Mathematical Modeling，2009，33:1097－1106

［2］Schindler D W，Heckey R E，et al.Eutrophication:More Nitrogen Data Needed［J］.Science，2009，324:721－723

［3］劉信安，湛敏，馬艷娥.三峽庫區(qū)流域藻類生長與營養(yǎng)鹽吸收關系［J］.環(huán)境科學，2005(4):96－99

［4］Walter Mulbry，Shannon Kondrad，Carolina Pizarro，et al.Treatment of dairy manure effluent using freshwater algae:Algal productivity and recovery of manure nutrients using pilot－scale algal turf scrubbers［J］.Bioresource Technology，2008(99):8137－8142

［5］Soyupak S.，Mukhallalati L，Yemisen D，et al.Evaluation of eutrophication control strategies for the Keban Dam reservoir［J］.Ecological Modeling，1997(97):99－110

［6］李輝，潘學軍，史麗瓊，等.湖泊內(nèi)源氮磷污染分析方法及特征研究進展［J］.環(huán)境化學，2011，30(1):281－285

［7］Lars H?kanson，A general process－based mass－balance model for phosphorus eutrophication as a tool to estimate historical reference values for key bioindicators，as exemplified using data for the Gulf of Riga［J］.Ecological Modeling，2009(220):226－244

［8］李建平，吳立波，戴永康，等.不同氮磷比對淡水藻類生長的影響及水環(huán)境因子的變化［J］.生態(tài)環(huán)境，2007，16(2):342－346

［9］李姍姍，郭沛涌，吳龍永，等.廈門市石兜坂頭水庫水體生物有效磷與葉綠素a分布特征及其相關性［J］.環(huán)境化學，2011，30(2):483－486

［10］Ao Jingqiao，Chen Qiuwen，Chen Yongcan.Three－dimensional eutrophication model and application to Taihu Lake，China［J］.Journal of Environmental Sciences，2008，20:278－284

［11］吳雪峰，程曦，李小平.淀山湖浮游植物營養(yǎng)限制因子的研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2010，19(3):292－298

［12］李桂欣.AGP試驗在珠江口監(jiān)測的應用［D］.廣州:中國海洋大學，2006.6－11

［13］李坤陽，儲昭升，金相燦，等.巢湖水體藻類生長潛力研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2009，28(10):2124－2131

［14］William M，Lewis J R，Wayne A，et al.Control of Lacustrine Phytoplankton by Nutrients:Erosion of the Phosphorus Paradigm［J］.Internat Rev Hydrobiol，2008，93:446－465

［15］施瑋，吳和巖，趙耐青，等.淀山湖水質(zhì)富營養(yǎng)化和微囊藻毒素污染水平［J］.環(huán)境科學，2005，26(5):55－61

［16］鄭曉紅，汪琴.淀山湖水質(zhì)狀況及富營養(yǎng)化評價［J］.環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2009，21(2):69－70

［17］張鼎國，楊再福.淀山湖生態(tài)環(huán)境的演變與對策［J］.水利漁業(yè)，2006，26(1):61－63

［18］國家環(huán)境保護總局水和廢水監(jiān)測分析方法編委會.水和廢水監(jiān)測方法(第4版)［M］.北京:中國環(huán)境科學出版社，2002

［19］Legovic T，Cruzado A.A model of phytoplankton growth on multiple nutrients based on the Michaelis－Menten－Monod uptake，Droop's growth and Liebig's law ［J］.Ecological Modeling，1997，99:19－31

［20］Hugo Antonius，Van den，Berg.Multiple nutrient limitations in unicellular:reconstructing Liebig's law ［J］.Mathematical Biosciences，1998，149:1－22

［21］尹澄清，蘭智文.富營養(yǎng)化水體中藻類生長限制因素的確定及其應用［J］.環(huán)境化學，1993，12(5):380－384

［22］國家環(huán)保局《水生生物監(jiān)測手冊》編委會編.水生生物監(jiān)測手冊［M］.南京:東南大學出版社，1993

［23］American Public Health Association.Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater［M］.15th Ed.New York.1980

［24］Arar E J，Collins G B.In Vitro determination of chlorophyll a and pheophytin a in marine and freshwater algae by fluorescence(Method 445.0) ［R］.National Exposure Research Laboratory，Office of Research and Development，U.S.Environmental Protection Agency，1997

［25］Goldman C R，Wetzel R G.A study of t he primary productivity of Clear Lake，Lake County［J］.California Ecology，1963，44(2):283－294

［26］Orne A J，Goldman C R.Nitrogen fixation in Clear Lake，California.1.Seasonal variation and the role of the heterocyst［J］.Limnol Oceanogr，1972，17(5):678－692

［27］李志輝，羅平.SPSS for Windows統(tǒng)計分析教程(第二版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003

［28］吳潔，錢天鳴，虞左明.西湖葉綠素a周年動態(tài)變化及藻類增長潛力試驗［J］.湖泊科學，2001.13(2):143－148

［29］王麗卿，張軍毅，王旭晨，等.淀山湖水體葉綠素a與水質(zhì)因子的多元分析［J］.上海水產(chǎn)大學學報，2008，17(1):59－64

［30］程曦，李小平.淀山湖氮磷營養(yǎng)物20年變化及其藻類增長響應［J］.湖泊科學，2008，20(4):409－419

［31］由文輝.淀山湖著生藻類群落結構與數(shù)量特征［J］.環(huán)境科學，1999，20:59－62

［32］林建偉，朱志良，趙建夫，等.負載硝酸鹽有機改性沸石抑制底泥氮磷釋放的效果及機制研究［J］.環(huán)境科學，2008，29(2):356－361

STUDY ON THE LIMITING NUTRIENT ELEMENT OF PHYTOPLANKTON GROWTH IN DIANSHAN LAKE

ZHANG Yake LIANG Xia FANG Yanxing ZHANG Xunxuan ZHAN Yuewu HE Chiquan

(School of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai University，Shanghai，200044，China)

The biomass of phytoplankton and content of N，P in Dianshan Lake were investigated from January，2009 to December，2009.The limiting nutrient element of phytoplankton growth was analyzed by nutrient enrichment bioassay experiment，and the correlation between biomass of phytoplankton and content of N，P was investigated by bivariate correlation analysis.The results showed that the content of phosphorus was positively correlated with the biomass of phytoplankton(Rmax=0.980).Addition of phosphorus obviously boosted biomass of phytoplankton，and the facilitation was stronger with large addition of phosphorus.The growth of cyanobacteria was restricted by ammonia nitrogen in water in the summer and fall，when cyanophyta was in predominance.The content of ammonia nitrogen was positively correlated with the biomass of phytoplankton(Rmax=0.691).There was no significant enhancement on the biomass of phytoplankton by the nitrate in Dianshan lake，which sometimes caused the inhibition of phytoplankton.There were effects of interactions between nitrate and phosphorus.

ammonia nitrogen，nitrate，phosphorus，phytoplankton，nutrient limitation，Dianshan Lake.

2010年11月23日收稿.

* 上海大學創(chuàng)新基金項目(No.A.10－0111－08－006)資助.

＊＊通訊聯(lián)系人，E－mail:asituva@shu.edu.cn