【word】 滇池北部重点水域蓝绿藻季节性变动下水体N∶P比值变化研究

【word】 滇池北部重点水域蓝绿藻季节性变动下水体N∶P比值变化研究 滇池北部重点水域蓝绿藻季节性变动下水 体N?P比值变化研究 滇池北部重点水域蓝绿藻季节性变动下 水体N:P比值变化研究 何锋,段昌群,杜劲松,韩亚平,郭艳英,潘珉,宋任彬 (1.昆明市滇池生态研究所,昆明650228; 2.云南大学生命科学学院暨云南生物资源保护与利用国家重点实验室培育基地,昆明650091) [摘要】受多种因素影响,滇池外海北部水域为蓝藻富集区.调查研究了蓝藻生物量季节性变动规律,对区 域原水(不过滤)和净水(过滤了藻类)中N和P含量的变化也进行了监测.目的是研究蓝藻季节性消长对 水体N和P含量的影响.结合生态化学计量学理论和方法,分析两者之间的关系.研究表明,4一l1月,为 蓝藻水华爆发的时段,其中以5—9月最为严重.通过分析,水体N和P随蓝藻生物量呈现相应变动规律,水 体叶绿素和TN,TP之间都呈现正相关关系,相关系数分别为0.955和0.952.利用生态化学计量学分析,蓝 藻和水体中N:P比值没有固定性,表明蓝藻没有表现出强烈的化学计量特征,而蓝藻的季节性变动也没有导 致本区域水体具化学计量特性.通过分析滇池水体N:P比值与蓝藻 生物量变化之间相关关系,相关系数为 一 0.308,表明富营养化水体中N:P比率对蓝藻生物量直接影响不大.因 此,只有通过降低水体中N和P的浓 度.才能控制蓝藻的爆发. [关键词]滇池;蓝绿藻;N:P比值;变化;生态化学计量学 [中图分类号]X524[文献标识码]A[文章编号]1009—1742(2010)06一 o094一o5 1前言 滇池位于云贵高原中部,面积约300km,是中 国第六大淡水湖,地处长江,红河,珠江三大水系分 水岭地带,属于长江水系?.随着流域内人口的增 长及城市化进程的加快,滇池水质不断恶化,从 1992年起滇池开始大规模爆发蓝藻水华.近年的 滇池监测数据表明,滇池水华问题日趋严重.滇池 水华多发生于海埂,晖湾一带,盛时延伸至观音 山.滇池外海北部水域位于昆明主城区下游,人 口密度大,水体污染负荷大,成为滇池污染最为严重 的水体区域.在夏秋季节,该水域蓝藻水华大量暴 发,且因受主导风西南风及滇池湖流影响,致使滇池 外海北部离湖岸约200m的水域蓝藻水华大量富 集,使该区域成为蓝藻水华发生最为严重的区域,严 重影响了滇池水体生态环境. “化学计量学”指的是化学反应里,反应物和生 成物中,元素的比例模型,是利用限定比例法则和物 质守恒定律进行研究的化学分支学科l3J.近年来, 生态化学计量学在湖泊富营养化研究中有了深入发 展,推动了从元素到生物圈水平尺度的研究’3l4J. 在对滇池蓝藻季节性变动研究中,利用生态化学计 量学方法研究N:P比值变化,将能进一步有助于分 析蓝藻的变化特性,为分析湖内营养物质循环有极 大作用和意义. 2材料与方法 2.1采样点位布置及样品采集 采样点布置:以滇池北部蓝藻常年爆发和富集 的水域为主要研究对象,范围为从海埂公园南门经 [收稿日期]2009—12—20 [基金项目]国家重大水专项湖泊主题滇池第四课题(2009ZX07102) [作者简介]何锋(1978一),男,云南大理市人,博士研究生,主要研究方 向为污染及恢复生态学;E—mail:hthunter@163.corn 94中国工程科学 船闸到晖湾西端的近岸约200m的区域.如图1所 示:在滇池外海蓝藻分布的主要区域,布设5个水环 境采样点,以样点附近地点命名为:公安码头,索道 站,船闸,海埂和山邑村.此外,在距离公安码头约 3km处的湖中设一个对照点. 研究时段及采样频次:2008年1月到2008年 12月为一个研究周期,在蓝藻爆发的淡季(1,2,3, 4,11,12月),每个月采样1次,而蓝藻爆发的重点 时期(5月至10月),每个月采样3次. 样品采集方法:采用有机玻璃取样桶,采集了 0,0.5ITI水样,每个样点区域采集3个平行样,带回 实验室,当天进行分析. 2.2分析项目及方法 分析项目:将原水摇匀,分析原水中TN,TP, Chl—a;把原水用定量滤纸抽滤,取过滤出的净水, 分析TN,TP的浓度.水体总氮用碱性过硫酸钾消 解一紫外分光光度法(GB11894—89);水质总磷用 钼酸铵分光光度法(GB11893—89);蓝藻叶绿素采 用丙酮提取双波长分光光度法I9J. 根据测定结果,利用Excel及SPSS等数理统计 软件分析未过滤水和过滤水中TN,TP以及N:P比 值的月季动态变化,并分析这些指标与水体藻类之 间的关系. 图1蓝藻清除区域及水环境监测点 Fig.1ThekeyareaofBlue—green algaebloomingandwaterquality moal~ringsites 3结果与分析 3.1蓝藻月季动态变化 根据对藻类的定性和定量分析,研究区域的藻 类均以蓝藻门占绝对优势,其中以微囊藻(Microcys. tis)为优势种群,占据水体藻类生物量的90%以上. 衡量水体中藻类数量的多少,目前主要用单位 体积中藻的个数和水体叶绿素浓度来表示.由于水 体叶绿素测定相对便捷准确,因此,目前常把水体中 叶绿素a含量作为表征水体中藻类的生物量的重要 指标. 1)对照点蓝藻月季动态变化.通过对滇池外 海3km对照点全年水质进行监测,其结果表明: 1_3月及9—12月为藻量的低潮期,而从4—8月, 藻量相对较高,但水体叶绿素全年相对趋于稳定,变 化不是特别剧烈.与蓝藻富集区水体叶绿素含量相 比,对照点水体月均叶绿素含量大大低于蓝藻富集 区水体叶绿素含量.对照点水体叶绿素月季动态变 化状况如图2所示. 图2对照点及蓝藻富集区水体 叶绿素a月季动态变化状况 Fig.2ThevariationofChl—aconcentrations bothincontrolsiteandthekeyareaof blue—greenalgaeblooming 2)滇池外海北部蓝藻富集区藻类生物量月季 动态变化.对滇池外海北部蓝藻富集区水体叶绿素 进行全年监测.结果表明:从1_3月及l2月为藻 量的低潮期,接近对照点的水平,4—11月为藻量的 高潮期,其中8月达到最高峰,平均水体叶绿素为 1978g/L.在藻量高潮期,蓝藻富集区水体叶绿素 月均浓度均远高于同期对照点浓度,显示出强烈的 季节变动性.其变化状况如图2所示. 3.2滇池外海北部水域水体TN,TP及N:P比值 月均变化 1)对照点水体TN,TP及N:P比值月均变化. 研究表明,滇池外海对照点水体TN和TP全年波动 相对平缓.TN月均变化范围为1.71—3.68mg/L, TP月均变动范围为0.131—0.410mL,N:P比值 范围为6.38—13.1.如图3所示,在7,8月份,水体 TN和TP浓度有上升趋势,而在4—8月,水体N:P 比值略有下降趋势.从4_8月,水体叶绿素含量相 对升高,表明蓝绿藻生物量增加.藻类对氮和磷均 有富集作用,尤其是对磷的富集作用突出,才导致了 2010年第l2卷第6期95 该时段N:P比值的降低. 2)蓝藻富集区原水中TN,TN,TP及N:P比值 月均变化.监测结果如图4所示,2008年1月到次 年4月,水体总氮基本在2,4mg/L.4月以后,水 体总氮含量急剧上升,8月达最高,为17.2mg/L. 8—12月,随水温下降之后,总氮也急剧下降.水体 中总氮含量的季节变化趋势与蓝藻生物量的季节变 化趋势相似. 水体总磷也体现出类似的变化趋势,从2008年 4月开始,水体总磷急速上升.8月达最高,为 2.9mg/L.8—12月,随水温下降之后,总磷也急剧 下降.水体中总磷含量的季节变化趋势与蓝藻生物 量的季节变化趋势相似. 计算水体TN和TP月均浓度的比值,发现N:P 比值月均变化范围为4.78,13.5,其季节变化无明 显规律,表明水体中没有稳定的N:P比值,蓝藻的 季节变化没有导致水体具有稳定的化学计量特性. ? g 筵 注:N:P比值为无量纲 图3对照点水体TN.TP及N:P比值月季 动态变化 Fig.3ThemonthlyvariationofTN,TP andN:Pratioincontrolsite 世 殛 注:N:P比值为无量纲 图4滇池外海蓝藻富集区原水TN.TP及N:P 比值月季动态变化 F.4ThemonthlyvariationofTN,TPand N:Pratioinoriginalwaterofthe keyareaofblue—greenalgaeblooming 3)蓝藻富集区过滤水中TN,TP及N:P比值月 均变化.监测研究结果见图5,研究表明,在滇池外 海北部蓝藻富集区过滤水中,TN和TP全年波动相 96中国工程科学 对平缓,TN月均变化范围为1.31,2.54mg/L,TP 月均变动范围为0.153,0.362mg/L,N:P比值范 围为6.42,13.7.表明水体没有稳定的N:P比值. ? g 注:N:P比值为无量纲 图5滇池外海蓝藻富集区过滤水TN.TP及 N:P比值月季动态变化 Fig.5ThemonthlyvariationofTN.TPand N:Pratiointhe~teredwaterofthe keyareaofblue—greenalgaeblooming 3.3蓝藻季节性变动对水体N:P比值影响分析 1)对照点蓝绿藻月季动态变化与TN,TP及 N:P比值间相关性分析.水体叶绿素含量是衡量水 体蓝绿藻生物量的主要指标,通过对外海对照点水 体叶绿素浓度与TN,TP及N:P比值间相关性分析, 如表1所示,结果表明:水体叶绿素浓度与水体TN, TP,呈现明显的正相关关系,相关系数分别为0.692 和0.881;与原水N:P比值呈现负相关性,相关系数 为一0.711;而与过滤水的N:P比值呈正相关关系, 相关系数为0.526. 2)外海北部重点水域蓝藻月季动态变化与TN, TP及N:P比值问相关性分析.通过对外海北部重 点水域水体叶绿素浓度与TN,TP及N:P比值间相 关性分析,如表1所示,结果表明:水体叶绿素浓度 与水体TN,TP,呈现极其显着的正相关关系,相关 系数分别为0.955和0.992;与原水N:P比值相关 系数为一0.308,相关不显着;与过滤水的N:P比值 相关系数为0.420.从相关性上看,可分析出蓝藻对 水体的氮和磷具有很强的吸收能力,并且蓝藻的季 节性变动将主导水体TN和TP浓度的变化. 表1水体叶绿素与TN.TP及 N:P比值间的相关系数 Table1Correlationanalysisbetween Differentfactors 4结语 对滇池北部蓝藻富集的重点区域进行了12个 月的研究,通过对数据的分析,结合相关研究结果, 得出如下的结论: 1)滇池北部水域的所有研究点在研究时段内, 水质总氮和总磷含量均达到地表水V类或V类标 准以上,氮磷浓度远远超过蓝藻大爆发所需的浓度 水平.水体总氮,总磷在秋冬季节月季变化不太明 显,但是从4月份开始,水体总氮变动幅度大,到 8月份达到最高值.对照点水体氮磷全年变化相对 平缓. 2)监测研究结果表明,滇池外海北部蓝藻富集 的重点区域,藻类均以蓝藻门占绝对优势,全年以微 囊藻(Microcystis)为优势种,这与李原等(2005年) 关于滇池蓝藻种类季节性分布状况相符?.每年 4—11月份,滇池北部水域叶绿素含量普遍都高,与 光照,水温及主导风向和湖流都有关.刘丽萍 (1999年)对滇池蓝藻成因进行分析,蓝藻消长和分 布特征和笔者研究总体相似J.孔繁翔(2005年) 对大型浅水湖湾蓝藻复苏影响因素也进行了综合阐 述,涉及蓝藻生物特性,水质,光照,水温及主导风向 和湖流等几个方面的因素?. 3)在滇池外海北部蓝藻富集区域,水体叶绿素 浓度与水体TN,TP,呈现极其显着的正相关关系, 相关系数分别为0.955和0.992;与原水N:P比值 相关系数为一0.308,相关不显着;与过滤水的N:P 比值相关系数为0.420.从相关性上看,可分析出蓝 藻对水体的氮和磷具有很强的吸收能力,并且蓝藻 的季节性变动将主导水体TN和TP浓度的变化. 在国内外早期和近期研究中,关于水体中N和 P对蓝藻爆发的影响的研究取得了很大进展,很多 研究发现,合适的N:P浓度比值对蓝藻的增长有很 大的影响[】,合适的比值有的认为是7.2_l.而 滇池北部水域,原水N:P比值范围为4.78,13.5, 过滤水N:P比值范围为6.42,13.7.表明蓝藻富 集区水体中没有稳定的N:P比值,也就没有显着的 生态化学计量特性.水体叶绿素与N:P比值相关 系数为一0.308,无明显相关性.表明在蓝藻富集严 重的区域,蓝藻生物量与N:P比值间无明显相关 性,蓝藻生物量的富集受环境因子的综合影 响]. 4)对照点水体N:P比值范围为6.38,13.1,也 表明水体中没有稳定的N:P比值.但水体叶绿素和 N:P比值间有明显的负相关关系,相关系数为 一 0.711.J.J.Elsereta1.(2000)认为,在生物增 长和迅速生长阶段,将需要摄人大量的磷酸盐,以利 于形成足够RNA模板,以合成各种蛋白质.如此以 来,使体内磷的含量相对升高,导致N:P比下 降. 总之,对于富营养化湖泊,在N和P浓度超出 蓝藻爆发的水平后,由于水体和淡水藻类无明显的 N:P化学计量特性.但生态化学计量学的理论在研 究湖泊生态系统物质循环中是具有重要的作用和意 义J.由于在适宜的水温,光照条件下,蓝藻爆发 的根本性制约因子为富营养化水体中的氮和磷浓 度.而水体N:P比值的变化受生物因素和非生物 因素的综合影响,直接与蓝藻生物量间关联性不显 着.因此,在湖泊治理中,只有通过降低水体N,P 浓度,才能从根本上控制蓝藻水华的爆发. 参考文献 [1]杨一光,杨桂华.滇池自然地理概要[J].云南大学(自然 科学版),1985,7(增刊)):1—8 [2]刘丽萍.滇池水华特征及成因分析[J].环境科学研究,1999, 12(5):36—37 [3]SternerRW,ElserJJ.EcologicalStoichiometry—Thebiology ofelementsfrommoleculestothebiosphere[M].PrincetonUni— versityPress,Princeton.2002 [4]王绍强,于贵瑞.生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征 [J].生态,2008,8,28(8):3937—3947 [5]SternerRW.Seasonalandspatialpatternsinmacroandmicronu trientlimitationinJoePoolLake[J].TexasLimnolOceanogr, 1994,39:535—550 [6]SternerRW,SmutkaTM,MckayRML,eta1.Phosphorusand tracemetallimitationofalgaeandbacteriainLakeSuperior.Lim— nol[J].Oceanogr,2004,49:495—507 [7]SternerRW,AndersenT,ELSERJJ,eta1.Scale—dependent carbon:nitrogeN:Phosphorussestonstoichiometryinmarineand freshwaters.Limnol[J].Oceanogr,2008,53:1169一l180 [8]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法编委会编.水和废 水监测分析方法.第4版[M].北京:中国环境科学出版社, 2OO2 [9]谢贤群,王立军.水环境要素观测与分析[M].北京:中国标 准出版社,1998 [1O]李原,张梅,王若南.滇池的水华蓝藻的时空变化[J]. 云南大学(自然科学版),2005,27(3):272—276 [11]孔繁翔,高光.大型浅水富营养化湖泊中蓝藻水华形成机 理的思考[J].生态,2005,25(3):589—595 [12]SmithVH.Lownitrogentophosphorusratiosfavordominanceby bluegreenalgaeinlakephytoplankton[J].Scince,1983,221: 2010年第12卷第6期97 [13] [14] [15] [16] [17] 669—67l SmithVH.Lightandnutrienteffectsofftherelativebiomassof bluegreenalgaeinlakephytoplankton[J].CanadianJournalof FisheriesandAquaticSciences,1986,43:148—153 SmithVH.BennettSJ.Ni~ogen:phosphorussupplyratiosand phytoplanktoncommunitystructureinlakes[J].Archivftir Hydrnbiologie,1999,146:37—53 陈善娜,陈小兰,刘开庆,等.水华蓝藻生消的生物数学理论 及其应用[J].云南大学(自然科学版),2005,27(2): l6l一165 王绍强,于贵瑞.生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特 征[J].生态,2008,8,28(8):3937—3947 ZhangLixia,BaiYongfei,HanXingguo.ApplicationofN:P [18] fl9] 【20] StoiehiometrytoEcologyStudies[J].ActaBotanieaSinica, 2003,45(9):1009—1018 ElserJJ,GorokhovaE,SternerRW,eta1.Biologicalstoichi— ometryfromgenetoecosystem[J].EcologyLetters,2000,3:540 — 550 ElserJJ,AcharyaK,KyleM,eta1.Growthrate—stoiehiomet— rycouplingsindiversebiota[J].EcologyLetters,2003,6:936 — 943 JeyasinghPD,WeiderLJ.Fundamentallinksbetweengenes andelements:evolutionaryimplicationsofecological stoichiometry[J].Molecularecology,2007,22(16):4649, 4661 InvestigationontheN:Pratiovaryingunderthe blue-greenalgaseasonalbloominginnorth areaofOuterDianchiLake HeFeng,DuanChangqun2,DuJinsong,HanYaping, GuoYanying,PanMin,SongRenbin (1.KunmingInstituteofEcologyofDianchiLake,Kunming650228,China; Resource&Sch 2.LaboratoryforConservationandUtilizationofBio— oolofLifeSciences. YunnanUniversity,Kunming650091,China) [Abstract]Forseveralreasons,thenorthareaoftheDianchiLakeisprolificofblue.greenalga.Inthispa. per,thedynamicbiomassofalgawasinvestigated.BothoftheconcentrationsofNandPinoriginalwaterandin filteredwaterwerealsobemonitored.Theaimofthestudyistofigureoutthealga’sinfluenceontheconcentra tionsofNandPinthewater,andtoanalyzetherelationshipbetweenthembyusingthemethodofecologicalstoi. chiometry.ItisdisclosedthatfromApriltoNovemberisthemainstageofalgablooming.Especially, algablooms seriouslyandisuncontrolledfromMaytoSeptember.Bydataanalysis,wefindthattheconcentrationsofNandP varyconformingtothedynamicofthebiomassofalga,andthereispositivecorr shipbetweenthem.The elation— correlationco?efficientbetweentheconcentrationsofNinwaterandalga’sbiomassis0.955. betweentheconcen. trationsofPinwaterandalga’sbiomassis0.952.Bytakenthemethodofstoichiometryanalysis,wefindboththe N:Pratiosofalgaandwaterarenotconstant.andbothofthemhavenosignificantecologicalstoichiometryofthe N:Pratio.Wealsomadecorrelation.shipanalysisbetweentheN:Pratioofwaterandbiomas8ofalga.Thecorrela. tion—shipbetweenthemis-0.308,whichillustratsthatthebiomassofalgaisnotrelatedtotheN:Pratioofwater. Thuswecandeclarethatthereisonlyonemostefficientwaytocontrolblue—g reenalgabooming, toreducethecon- centrationofNandPinwaterofeutrophiclakes. [Keywords]theDianchiLake;blue-greenalga;theN:Pratio;variation:ecologicalstoichiometry 98中国工程科学