氮磷浓度对浮游动物和沉水植物生长和相互作用的影响

氮磷浓度对浮游动物和沉水植物生长和相互作用的影响

1氮磷浓度条件的确定水生疾病是水体污染和富营养化的重要表现，其破坏已被公众认识。专家的理论研究和实践有一个共同的共识（秦伯强等，2006）。生态恢复是控制水环境的最佳途径。在生态恢复方面有两种重要而有效的措施：一是利用生物操纵技术控制藻类（刘景等，2005）；其次，利用大型水生植物和竞争藻类（莫斯巴斯，1990）来抑制藻类。一些生物操纵效果好，另一些效果不明显。氮和磷浓度的条件是决定生物操纵是否取得成功的重要指标。在水体中种植大水生植物是否能够生存并正常生长，这与水中氮和磷浓度密切相关。一般来说，水体中的氮和磷是藻类生长的限制因素，因此有必要经常使用单一的磷浓度。一些研究人员认为，在0.050.15mgl-1时，生物操作方法无法达到良好的效果（j.rgensonetal.，1998）。国外的研究结果表明，当水中氮浓度小于0.25mgl-1时，水生植物成功地抑制了藻类，并能够保持其在一个清洁的状态（scheffertal.，2001）。生物操纵能否有效，大型水生植物能否恢复和重建之间是否存在关系。因此，有必要审查磷酸浓度阈值和区域。这对生物操纵技术的应用和水生植被的恢复和重建具有重要的指导作用。因此，有必要进一步研究大型水生植物如何生长和抑制藻类的氮和磷浓度。为进一步弄清在富营养化水体中实施生物操纵所需的氮磷条件,以及同时恢复高等水生植物的可行性,我们在受控的微宇宙中的研究基础上(马帅等,2012),模拟自然水体对其进行研究,以便找出生物操纵和藻-草竞争取得好的效果的营养盐浓度范围,以期对水华控制及湖泊生态恢复提供更多的理论依据.2实验材料和方法杏仁2.1实验材料的纯化金鱼藻(Ceratophyllumdemersum):选取生长良好、长势一致的15cm顶枝做实验材料.小球藻(Chlorellavulgaris):采用Hoagland(0.1×)营养液进行纯培养,实验前采用Hoagland(0.1×)营养液于HP300G-C型光照培养箱(温度25℃、光强2000～3000lx)中预培养7d.大型溞(Daphniamagna):实验室内进行纯化培养并进行实验前的驯化(温度25℃,光强2000～3000lx,光暗比14h∶10h),实验中使用同一母体繁殖3代以上的出生6～24h的幼龄期大型溞作为实验对象.2.2初始鲜重的测定实验在带有底泥的塑料盆中进行.所用底泥为鱼池的塘泥,经干燥、混匀、过筛、灭菌后,与洗净的沙子分别以4∶1、1∶1、1∶3和全沙子的体积比配置,混匀后装入塑料盆(30cm×25cm×15cm)内,厚2cm,加入约12cm深(8L)的曝气自来水,自然形成4个营养水平,每个营养水平有3个重复.沉降1周后测初始的氮、磷含量.藻-草共培养、藻-溞共培养、藻-溞-草共培养实验时配制形成的4个氮、磷浓度梯度分别见表1、表2和表3.各处理组加入相同的小球藻浓度,使加入后小球藻的密度为0.5×105个·mL-1.金鱼藻的初始鲜重均为5g.大型溞均为10个.实验在六月和七月份进行,室内靠窗培养20d.定期补充水以保持水的体积不变.2.3培养液氮、磷浓度测定金鱼藻生物量:用吸水纸吸水后迅速称重.小球藻密度:血球计数板计数法.大型溞数目:肉眼计数.氮、磷浓度:将培养液以4000r·min-1离心10min,取其上清液进行氮磷含量测定(国家环境保护总局,2002).采用SPSS16.0统计软件对实验数据进行分析.3结果和分析结果和分析3.1小球藻和金鱼藻的培育3.1.1不同营养水平小球藻密度的增长情况由图1可见,水平1和2金鱼藻的最终质量分别为5.45g和5.95g,较初始分别增加了9%和19%.水平3和水平4,金鱼藻的最终质量较初始下降,分别下降了4.3%和42.3%.水平2金鱼藻的增长率显著高于其他水平的增长率(p<0.05).水平1小球藻的密度随时间增加,但增量不大,一直维持在0.6×105个·mL-1左右;水平2第5d小球藻的数量达到最大,为4×105个·mL-1,之后大幅度下降,密度保持在1.6×105个·mL-1;水平3和4第10d小球藻数量达到最大,然后开始下降,其中水平4小球藻密度最高达到1×106个·mL-1,后期密度也在5×105个·mL-1,显著高于其他处理组的密度(p<0.05).比较各个营养水平,水平1小球藻第20d的增长率仅为8%,远低于其他水平组.水平4小球藻第20d的增长率明显高于其他水平(p<0.05),实验结束时还维持在较高的密度.比较金鱼藻和小球藻的增长率可以看出:水平1金鱼藻的增长率略高于小球藻的增长率;其余营养水平小球藻增长率均高于金鱼藻的增长率;水平4小球藻的增长率最大,而金鱼藻为负增长.3.1.2营养水平的变化小球藻和金鱼藻共培养时的初始氮磷浓度见表1.如图2a所示:营养水平1中底质全是沙子,无营养盐释放,氮浓度是随着时间的变化逐渐下降的,从最初的平均浓度2.93mg·L-1下降为1.08mg·L-1,下降了63.1%.营养水平2、3和4随时间均呈现出几乎相同的变化:即先略微下降,又逐渐升高,然后又下降并保持稳定;最后的氮浓度低于初始的浓度,其中,水平2下降了15.3%,水平3下降了15%,水平4与初始差异不大.磷浓度随时间变化的趋势和氮相似.由图2b可见,最后的磷浓度均低于初始的浓度.营养水平1底质只有沙子,其氮、磷浓度随时间延长均下降;其他水平处理中氮和磷在第10d含量增加,然后又逐渐下降.说明两种植物的生长不断地消耗水中的氮、磷元素,有底泥的底质则给予补充,使其保持在一定浓度水平.3.2小球藻和大叶海藻的培养3.2.1大型的平均数量和营养水平小球藻和大型溞共培养时的初始氮、磷浓度见表2.由图3可知,小球藻和大型溞的增长率均随氮、磷浓度的升高逐渐增大.各营养水平的小球藻的增长率随时间变化不大,第10d小球藻的增长率最大,显著高于与其他水平(p<0.05).大型溞最后的数量随氮、磷浓度的升高,数量增加.营养水平1、2、3和4中,大型溞的最后数量分别为31个、151个、231个和190个,以水平3的增长率最大,显著高于其他水平组.比较大型溞和小球藻的增长率可以看出,除营养水平1大型溞增长率稍高于小球藻外,其他营养水平中大型溞的增长率显著高于小球藻.说明在氮、磷等营养盐充足的情况下,小球藻可以保持高的增长率,而摄食者大型溞则以更高的繁殖率增长;反过来也说明,正是由于大型溞的摄食,使小球藻的增长率保持在相对稳定的水平,不至于爆发式地增长,显示出大型溞对小球藻的有力控制效果.3.2.2营养水平和对磷浓度的变化由图4可知,氮和磷浓度均随时间延长呈现出逐渐下降的相似变化,前期下降明显,后期降幅减小.对氮浓度(图4a),营养水平1、2、3和4分别下降了83%、45%、58%和48%.对磷浓度(图4b),水平1中基本耗尽,水平2、3和4分别下降了96%、90%和80%.这与小球藻和大型溞的生物量增长情况相吻合.低营养水平下的氮、磷浓度下降的更为显著,营养水平越高,氮、磷的降幅越小.3.3海藻3.3.1金鱼藻的生长和数量藻-溞-草三者共培养时的初始氮磷浓度见表3.由图5可见,小球藻的增长率随营养水平的升高明显增大,第20d的增长率以营养水平4的为最大,显著高于其他水平(p<0.05).各营养水平的增长率随时间延长呈现先增后降的相同的变化,第10d时的增长率达到最大,到20d时均下降至小于第5d的水平.在营养水平1、2和3中,金鱼藻的生物量都较初始增加,分别为5.43g(增加8.7%)、7.12g(增加42%)、6.60g(增加32.0%),水平4中金鱼藻的最终生物量为4.52g,下降9.30%.各营养水平间金鱼藻增长率差异显著(p<0.05).各营养水平金鱼藻的生长均好于金鱼藻和小球藻共培养时.大型溞的增长率随营养水平的升高逐渐升高,在水平4又下降,与金鱼藻生物量的变化趋势相似.营养水平1、2、3和4中分别增加了17.2倍、30.3倍、33.3倍和14.7倍.以水平3的增长率最高,显著高于其他营养水平(p<0.05).营养水平1、2和3中的增加倍数明显高于小球藻和大型溞共培养时.在培养期间,水平1的水体一直清澈,金鱼藻长势尚好.水平2和3中金鱼藻长势最好,尤其是水平2,萌发了很多新枝并伸长,水质明显改善.水平4中金鱼藻长势最差,有部分分解现象,后期有所生长,水色发黑,水表面有似金鱼藻分解形成的绿色气泡状物,盆壁及底泥表面也有绿色附着.该实验表明,金鱼藻和大型溞生物量的变化趋势完全同步,二者与小球藻的则相异.从时间上看,在10d前,由于小球藻的繁殖明显快于大型溞和金鱼藻,水中营养盐又充足,所以,其增长率持续增大,10d后,大型溞可以繁殖2代以上,数量迅速增加,与金鱼藻联合作用,使得小球藻增长率持续下降;从营养水平上看,氮、磷浓度越高,则大型溞和金鱼藻对小球藻的联合抑制作用效果越差,反之,则越好.说明大型溞和金鱼藻的联合抑藻效果好于其单一的效果,并受到氮、磷浓度的明显影响.3.3.2前5d降水效果由图6可见,各个营养水平中氮、磷浓度都是下降的,随时间均表现出相同的变化趋势,前5d降幅大且显著,此后降幅较小,趋于稳定.营养水平1、2、3和4中,氮去除率(图6a)分别为68.3%、74.0%、46.0%和38.7%.磷去除率(图6b)各水平间相差不大,均值都在50%以上.4讨论4.1不同营养水平下浮游动物对浮游动物的控制效果Scheffer等(2001)认为在0.25mg·L-1以内的磷负荷下,浅水湖泊可以通过沉水植被固定营养物而维持清洁状态,而且仅仅在0.25mg·L-1左右的磷负荷下才能实现,高于此浓度,浮游植物将会占优势.在本研究的金鱼藻和小球藻共培养实验中,在平均氮浓度为2.92mg·L-1、磷浓度为0.06mg·L-1时,金鱼藻增长率稍高于小球藻.在平均氮浓度大于2.92mg·L-1、小于7.25mg·L-1,磷浓度大于0.06mg·L-1、小于0.28mg·L-1时,金鱼藻增长迅速,增长率达到最大,但仍不及小球藻的增长率.随着氮、磷浓度的升高,在氮浓度大于12.14mg·L-1、磷浓度大于0.53mg·L-1时,金鱼藻长势较差,有叶子枯萎和死亡现象,原因可能是过高的营养盐对植物造成伤害.而且在较高的营养盐浓度时,小球藻增长迅速,其增长率远高于金鱼藻,对金鱼藻具有很强抑制作用,在此浓度范围内,小球藻占据优势.这与Scheffer等(2001)的结论一致.在小球藻和大型溞共培养实验中,不同营养条件下小球藻和大型溞均随着营养水平的升高呈上升趋势,且二者生物量间显著相关,在氮、磷浓度较高时,大型溞能够对小球藻起有效的控制作用.一般来说,浮游动物对浮游植物的控制效果与水体营养程度、浮游动物密度、季节等因素有关,富营养程度越高,浮游植物生物量、叶绿素含量越高,浮游动物对浮游植物的控制作用越差,有效去除藻类所花的时间越长.但在本实验中,从二者的生物量来看,在不同营养水平的处理中,加入相同的大型溞和小球藻,共培养15d后,大型溞一直占据优势,并可以控制藻类的发展,提高水体透明度,降低氮、磷浓度,使富营养化水体得到一定程度的净化.这是水体富营养化生物治理的有效途径之一(刘建康,1995).实验中,水平1和2的处理中水体清澈,透明度高,水平3和4的处理中,前期水体浑浊,后期变清澈.在三者共培养时,氮、磷浓度对三者的生物量具有明显的影响,随着营养浓度由水平1升高到3,金鱼藻、小球藻和大型溞的生物量均增加,水质得到改善,小球藻的增长率高于金鱼藻,但小于大型溞.但营养水平升高到4时,金鱼藻出现负增长,水质变差,大型溞的增长率也开始下降.可见营养浓度越高,越有利于小球藻的生长繁殖.在氮浓度为23.92mg·L-1、磷浓度为0.64mg·L-1时大型溞增长率最大,金鱼藻也出现较高的增长率,而小球藻维持在较低的增长水平,金鱼藻和大型溞占据优势.而在水平4,即氮、磷浓度分别为25.95mg·L-1、1.18mg·L-1时,金鱼藻为负增长,大型溞的增长率也明显下降.沉水植物重建和生物操纵两者可以相辅相成.由本实验得知,小球藻和金鱼藻共培养时,在氮浓度为12.14mg·L-1、磷浓度为0.53mg·L-1时,金鱼藻就出现负增长,而在三者共培养时,在氮、磷浓度分别升高到25.95mg·L-1和1.18mg·L-1时,金鱼藻才出现负增长.使金鱼藻出现负增长的因素除了过高的氮、磷浓度外,小球藻也起到了抑制作用;在三者共培养中,由于大型溞对小球藻的控制作用使得小球藻对金鱼藻的抑制作用减弱,而且大型溞的增长率也明显高于小球藻和大型溞共培养时的增长率,原因就是金鱼藻的存在为大型溞的生长繁殖创造了更有利的条件.4.2藻体对污水中总氮、磷的去除许多研究表明,水生高等植物可维持水体长期稳定于清澈状态.因此,富营养化水体中沉水植物的恢复与重建已成为环境领域和水生态学研究的重点内容之一(Eweletal.,1987).沉水植物可以通过吸附水体中生物性和非生物性悬浮物质,提高水体透明度,改善水下光照条件,增加水体的溶解氧,其根部和植物体能分别吸收底质和水中的氮、磷,富集氮、磷的能力更强(宋碧玉等,1999;黄文成,1994),此外,不少沉水植物对藻类还有化感作用(李小路等,2008).氮、磷也是藻类生长的营养物质,小球藻的大量生长也消耗一定的氮和磷,对水体的氮和磷的去除也起到一定的作用.曾有研究肯定了藻类对污水中氮、磷等营养物的去除作用和效果(Glicketal.,1993;王关林等,1998).水溞是枝角类低等甲壳动物,可以通过摄食水中的藻类从而降低水中氮磷的浓度(朱斌等,2002).在螺、蚌、水溞、鲫鱼等水生动物实验中,水溞去除率居于首位(张喜勤等,1998).在金鱼藻和小球藻共培养的实验中,虽然第10d的氮、磷都出现增加现象,可能是由于温度的升高导致底泥的释放(刘亚丽等,2006;Gonsiorczyketal.,1997).但在实验结束时氮、磷浓度都有不同程度的下降.总之,小球藻和金鱼藻共培养能够使氮、磷浓度降低,但随着营养水平的升高,二者共培养时对氮、磷的削减作用变小.在小球藻和大型溞共培养的实验中不同营养条件下二者的共培养的结果都使氮、磷浓度下降.低营养条件下的氮、磷浓度下降的更为显著,营养水平越高,氮、磷的降幅越小,在小球藻和大型溞共培养时,对磷的去除效果优于去氮,也优于金鱼藻和小球藻共培养时对氮、磷的去除率.由此可见,浮游动物在控藻的效果上、以及对氮、磷的去除上,都是很有优势的.三者共培养对氮、磷的去除率都很高,效果更显著,更有利于使氮、磷维持在一个相对稳定的浓度,形成一个良好的生态系统.由此可见生物操纵和藻-草竞争可以同时进行,使得在相对较高的营养水平下也能起到很好的控藻效果,二者相辅相成.4.3自然水体与水体氮磷浓度的相互作用利用大型水生植物,尤其是沉水植物对藻类的克制效应控制藻类的恶性增长,提高水体的自净能力,是控制和治理湖泊富营养化的一个重要生物调控措施.生物操纵在国外进行了较广泛的实验(Lammensetal.,1990),浮游动物是生物操纵的关键因子之