楚韻湖浮游植物初級生產(chǎn)力及粒級與水質(zhì)的關(guān)系分析

鞠晨曦,姜漢軍,劉開放

(信陽農(nóng)林學(xué)院 水產(chǎn)學(xué)院,河南 信陽 464000)

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是魚類等水生生物的餌料[1]。浮游植物的相關(guān)研究對保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等具有重要意義。隨著生態(tài)學(xué)學(xué)科的發(fā)展,其研究范圍已經(jīng)從個體擴展到生態(tài)系統(tǒng),傳統(tǒng)的分類方式已經(jīng)不足以適應(yīng)現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)的研究。粒徑作為一種新的分類方式,與傳統(tǒng)分類方式相比,更為直觀、便于統(tǒng)計[2]。粒徑譜理論研究可追溯到生態(tài)學(xué)家Elton,后經(jīng)過幾十年的發(fā)展,逐漸應(yīng)用到浮游植物的研究。20世紀(jì)90年代,王榮等[3]初次把粒徑譜理論這一概念引入到國內(nèi),此后粒徑這一理論在各種研究中逐漸展開。學(xué)術(shù)界一致將浮游植物分為三類,分別為小型浮游植物(Mirco,20～200 μm)、微型浮游植物(Nano,2～20 μm)、微微型浮游植物(Pico,<2 μm)。

關(guān)于浮游植物群落結(jié)構(gòu)對水質(zhì)影響的研究,國內(nèi)學(xué)者大多以浮游植物的種類對其群落結(jié)構(gòu)加以區(qū)分,選擇的研究地點多為我國臨近海域及內(nèi)陸大中型水庫、湖泊等[4-6],而對淡水小池塘水體浮游植物群落結(jié)構(gòu)對水質(zhì)的影響研究較少,以不同粒級來區(qū)分浮游植物群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究則更少。楚韻湖是信陽農(nóng)林學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院國家級校內(nèi)實訓(xùn)基地,面積為30.5畝,是一個典型的小池塘水體。本文以楚韻湖為研究對象,通過測定楚韻湖水質(zhì)指標(biāo)、初級生產(chǎn)力及其不同粒級浮游植物生物量,全面分析浮游植物在淡水小池塘水體中的群落結(jié)構(gòu),并分析浮游植物群落結(jié)構(gòu)及初級生產(chǎn)力與水質(zhì)的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 采樣站位設(shè)置與采樣方法

在楚韻湖設(shè)置1#和2#采樣點,如圖1所示。采集方法依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》執(zhí)行[7]。于2019年12月25日在楚韻湖進(jìn)行采樣。首先用手持測深儀(SM-5)測得采樣點的水深,在連續(xù)晴天后的某一上午采集楚韻湖采樣點表層水樣,用于水質(zhì)和初級生產(chǎn)力測定。用薩氏透明度盤測透明度,YSI(Pro 20)測定水溫和溶解氧,pH計(B-2)測定pH。

圖1 楚韻湖采水樣點

1.2 室內(nèi)水化指標(biāo)測定

表1 水樣測定項目和測定方法

1.3 葉綠素a含量及初級生產(chǎn)力的測定

在楚韻湖1#和2#站位各取20 L水樣,1#和2#水樣中各取500 mL分別依次以20、2、0.22 μm的濾膜對所測水樣進(jìn)行分級抽濾。抽濾后,用化學(xué)分析濾紙將抽濾后濾膜上的水吸干,隨后放到離心管中,用體積分?jǐn)?shù)為90 %的乙醇溶液作萃取液,放入冰箱遮光冰凍20 h。隨后取出進(jìn)行三次離心,前兩次離心15 min,第三次離心2 min。每次離心都取離心管的上清液倒入未使用過的離心管中。隨后使用分光光度計依次在750、664、647、630 nm測出裝有離心管上清液(用石英玻璃皿狀)的水樣的吸光度。并按照J(rèn)effrey-Humphrey的方程式進(jìn)行計算[8]:

Chl-a=[11.64×(E664-E750)-2.16×(E647-E750)+0.1×(E630-E750)]× v/(V×L)

式中:E750、E664、E647和E630分別是萃取離心后的樣品在750、664、647、630 nm波長處的吸光值;Chl-a為葉綠素a含量;v是樣品提取液體積(mL);V是抽濾水樣體積(mL);L是比色皿規(guī)格(1 cm)。

本次測定初級生產(chǎn)力的方法是黑白瓶法,分別為白、黑和初始瓶三種瓶,采集瓶體積為350 mL。設(shè)立三組平行實驗,黑瓶用四層黑色塑料袋包裹。將全部采集瓶灌滿水,并溢出采集瓶3倍的水體。黑瓶和白瓶立即蓋上蓋子,初始瓶立即滴加MnSO4和堿性KI各1.5 mL進(jìn)行初始氧的固定。黑瓶和白瓶懸掛在水中,深度為透明度的50%,曝光24 h。24 h后立即向每個采集瓶中滴加MnSO4和堿性KI各1.5 mL固定溶解氧,然后蓋好瓶塞上下倒轉(zhuǎn),使水樣中溶氧被完全固定。拿回實驗室靜置,沉淀基本完全后可以進(jìn)行酸化,酸化的水樣立即用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,當(dāng)?shù)味ㄖ了畼宇伾尸F(xiàn)淺黃色時,加入1 mL淀粉指示劑,繼續(xù)用Na2S2O3滴定至藍(lán)色剛剛褪去并在20 s內(nèi)不變色,記錄好滴定消耗Na2S2O3的體積。進(jìn)行公式計算[9]:

凈初級生產(chǎn)量=LB-IB

呼吸量=IB-DB

總初級生產(chǎn)量=LB-DB

式中:LB是白瓶;IB是初始瓶;DB是黑瓶

1.4 水質(zhì)分析標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)進(jìn)行,如表2所示。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)部分項目限制值

2 結(jié)果與分析

2.1 水樣測定結(jié)果

在楚韻湖采樣點1#和2#現(xiàn)場測定部分指標(biāo),通過整理如表3所示。

表3 楚韻湖采樣記錄

水樣室內(nèi)測定匯總?cè)绫?所示。

表4 水樣測定結(jié)果匯總表

2.2 楚韻湖葉綠素a測定結(jié)果

根據(jù)Jeffrey-Humphrey的方程式得出結(jié)果,楚韻湖1#和2#水樣不同粒級浮游植物葉綠素a結(jié)果見比例圖(圖2)。1#站不同粒級浮游植物葉綠素a比例為:小型浮游植物占91 %;微型浮游植物占7 %;微微型浮游植物占2 %,2#站不同粒級浮游植物葉綠素a比例為:小型浮游植物占93 %;微型浮游植物占5 %;微微型浮游植物占2 %。

圖2 楚韻湖1#(a)、2#(b)站位不同粒級浮游植物葉綠素a比例 圖3 楚韻湖1#和2#平均生產(chǎn)力情況

2.3 楚韻湖初級生產(chǎn)力測定結(jié)果

通過黑白瓶法公式計算,整理結(jié)果如圖3所示。

1#站位總平均生產(chǎn)力為6.40 g(O2)/m2·d,凈平均生產(chǎn)力為3.96 g(O2)/m2·d,平均呼吸作用為2.44g(O2)/m2·d;2#站位總平均生產(chǎn)力為6.67 g(O2)/m2·d,凈平均生產(chǎn)力為2.04 g(O2)/m2·d,平均呼吸作用為4.64 g(O2)/m2·d。

2.4 綜合分析

結(jié)合表2和表4看,楚韻湖水質(zhì)評估為劣V類。楚韻湖是水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)漁業(yè)水域,按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)的相關(guān)規(guī)定,水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)漁業(yè)水域?qū)儆贗II類。說明楚韻湖水質(zhì)不達(dá)標(biāo),氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)高,水體富營養(yǎng)化程度高。

從浮游植物生物量方面比較,并結(jié)合表4分析,楚韻湖1#和2#葉綠素a分別為106.87 mg/m3、111.56mg/m3。有關(guān)研究表明,葉綠素a含量與水質(zhì)中的總磷含量呈顯著正相關(guān),而總磷是富營養(yǎng)化的重要因素,葉綠素a含量越高,水體越容易富營養(yǎng)化[9]。富營養(yǎng)化分為輕度、中度和重度三級,葉綠素a含量大于70 mg/m3的水質(zhì)為重度富營養(yǎng)化[10],而楚韻湖水質(zhì)已經(jīng)是重度富營養(yǎng)化水平。

從初級生產(chǎn)力方面看,楚韻湖的總生產(chǎn)力和凈生產(chǎn)力都比較高,1#總生產(chǎn)力比2#略低,但1#凈生產(chǎn)力比2#凈生產(chǎn)力高,總體來說浮游植物生物量豐富,且2#呼吸作用強于1#。

從浮游植物粒級方面看,楚韻湖中小型浮游植物所占比例達(dá)90 %以上,而微型僅占5 %左右,微微型浮游植物占2 %。水體的富營養(yǎng)化,使得具有吸收效率高、生長周期快等特點的小型浮游植物占據(jù)著優(yōu)勢[11]。劉國才[12]等在對蝦養(yǎng)殖生態(tài)系中研究不同粒級浮游生物呼吸率和初級生產(chǎn)率測定時得出,在保持整個系統(tǒng)有機碳的供給上,微型浮游植物起著重要作用。雖然楚韻湖初級生產(chǎn)力水平較高,但微型浮游植物過少,將會影響楚韻湖的碳循環(huán)。趙文[13]等的研究表明隨著水體富營養(yǎng)化程度加重,微微型浮游植物生物量及其初級生產(chǎn)力會減少,這個結(jié)論和本文一致。

楚韻湖水質(zhì)富營養(yǎng)化可能與宿舍樓生活污水管破裂,部分污水從東北角流入楚韻湖有很大關(guān)系,2#采樣點離污水排放口較近,這可能也是2#總氮、總磷、葉綠素a及總平均生產(chǎn)力等都高于1#的原因。2021年8月,楚韻湖經(jīng)過綜合整治,污水管道重新鋪設(shè),底泥晾曬并用生石灰處理,相信后期楚韻湖水質(zhì)會有極大改善。

3 結(jié)論

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量》(GB3838-2002)來對楚韻湖水質(zhì)進(jìn)行評價,水質(zhì)為劣V類,總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)高,水體富營養(yǎng)化程度高。

楚韻湖初級生產(chǎn)力水平較高,說明水中浮游植物生物量較高,但楚韻湖中小型浮游植物占比很高,達(dá)到90 %以上,微型和微微型浮游植物占比低。其中微型和微微型浮游植物生物量和水體富營養(yǎng)化有直接關(guān)系。隨著水體富營養(yǎng)化程度加深,微型和微微型浮游植物生物量減少。