不同生物組合對白洋淀富營養化的調控作用

水生生物干預方法對富營養化湖泊生態恢復是水環境領域的熱點[1.12]。沉水植物和底棲軟體動物作為水生態系統中的組成成分,其產生的環境效應是水環境質量改善的重要依據[13~26]。近年來,有關引種大型沉水植物和底棲軟體動物進行湖泊生態修復的應用也更加廣泛:董志龍等的研究表明,在巢湖中移植沉水植物后,浮游植物總生物量大幅減少;馬劍敏等在東湖進行的圍隔實驗證明,水生植被的重建進一步改善了圍隔內的水質和生物群落,圍隔內的生態系統得到良性循環;潘建林等研究了三角帆蚌(Hyriopsiscumingii)、雙旋環鯪螺(Bellamyadispiralis)等大型貝類對太湖梅梁灣水質有明顯的改善作用。作為北方草型湖泊典型代表的白洋淀,近幾年水體富營養化已呈現出日益嚴重趨勢,由此引起湖泊生物多樣性下降、生態系統退化等一系列生態環境問題。在白洋淀,穗花狐尾藻(Myriophyllumspicatum)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)、圓頂珠蚌(Uniodouglasiae)分布廣泛、成活率高、耐污性強,因此,本研究于2010年8~10月,選取上述3種水生生物作為研究對象,在研究區建立的10個原位圍隔(3m×3m)中,開展4組不同生物組合類型實驗,通過揭示浮游植物群落動態和水質變化特點,研究穗花狐尾藻、金魚藻和圓頂珠蚌對白洋淀富營養化水體的影響。1學習方法1.1總磷、氨氮質量濃度實驗區位于白洋淀馬堡村杜家淀,圍隔由防水帆布固定在木樁上圍成,防水帆布底部連接石龍埋入底泥15cm,頂部高出水面20cm。實驗區水深1m,底質為腐質軟泥。由于圍隔建成的時間不同,造成圍隔內水體理化指標初始值出現差異:水體透明度為27~54cm;pH為7.92~8.30;總磷質量濃度為0.10~0.17mg/L;總氮質量濃度為1.35~1.89mg/L;氨氮質量濃度為0.55~0.68mg/L;化學需氧量(CODMn)的質量濃度為12.42~14.75mg/L;葉綠素a質量濃度為17.41~31.38mg/m3。通過前期實驗分析,篩選出穗花狐尾藻和金魚藻的最佳移植密度,本階段實驗,設計了不同生物組合以研究穗花狐尾藻、金魚藻、圓頂珠蚌和圓頂珠蚌+金魚藻對富營養化水體的調控作用,分別在圍隔中移植密度為10株/m2穗花狐尾藻組(A組)、20株/m2金魚藻組(E組)、195g/m2圓頂珠蚌組(H組)、20株/m2金魚藻+195g/m2圓頂珠蚌組(K組)及空白對照組(G組),每組設2個平行,共10個圍隔,圍隔外的湖水設為W組。1.2浮游植物總磷、氨氮、葉綠素a含量的測定用塞氏盤目視法測定水體透明度(SD)。用玻璃電極法測定水體pH。用過硫酸鉀氧化-鉬酸銨分光光度法測定總磷含量。用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮含量。用納氏試劑比色法測定氨氮含量。用KMnO4指數法測定化學需氧量。用分光光度法測定葉綠素a含量。在實驗室中,對浮游植物樣品進行沉淀、濃縮和鏡檢計數。實驗測定數據采用2個平行樣的平均值。1.3處理數據用SPSS軟件進行數據處理。2結果與分析2.1總磷、氨氮濃度和總氮含量由圖1可知,實驗期間,放養了生物的圍隔處理組透明度都有不同程度增大,且都高于對照組。在7d后,A組、E組和K組的水體透明度增大最為明顯,分別達到88cm、87cm和93cm,之后水體透明度一直在85cm左右浮動,H組透明度增加幅度不大,從47cm增加到64cm;對照組透明度基本無變化;圍隔外水體的透明度較小,并有減小趨勢,最后減小到6cm。由圖2可知,5個處理組水體的pH都有增加的趨勢,其中A組和K組的pH增加最快,分別增加了0.71和0.73,其他處理組的pH增加了0.55,圍隔外水體的pH增加了0.3。由圖3可知,5個處理組的總磷質量濃度先減小后增加,E組的總磷質量濃度減少最快,從初始的0.17mg/L減少到6周后的0.055mg/L;6周后,A組和K組的總磷質量濃度減少至0.085mg/L和0.08mg/L,H組和G組的總磷質量濃度減少至0.05mg/L和0.04mg/L;圍隔外水體總磷質量濃度先增加后減少,6周后為0.15mg/L。由圖4可知,總體上,圍隔處理組總氮含量呈現減少趨勢。其中,A組的總氮含量減少最明顯,6周后,總氮質量濃度減少了1.05mg/L;其次,K組總氮質量濃度減少了0.775mg/L;對照組總氮質量濃度減少了0.405mg/L;圍隔外水體總氮質量濃度顯著增加,6周后達到2.56mg/L。由圖5可知,氨氮質量濃度集中變化在0.5~0.8mg/L之間。除H組的氨氮濃度在波動上升外,其他處理組氨氮含量都在減小,其中K組氨氮濃度下降最明顯,6周后氨氮濃度減少為0.21mg/L;A組、E組和G組減少了約0.17mg/L;圍隔外湖水的氨氮濃度在上升,6周后達到1.33mg/L。由圖6可知,5個處理組化學需氧量濃度在第3周達到最低,之后出現先增加后減少。H組和K組的化學需氧量減少最明顯,分別減少了3.15mg/L和2.73mg/L,A組和E組分別減少了2.29mg/L和1.77mg/L,對照組和圍隔外水體的化學需氧量含量變化很小,分別減少了0.39mg/L和0.37mg/L。2.2葉綠素a含量的變化由圖7可知,實驗結束時,各組葉綠素a含量都低于對照組,各組葉綠素a含量的變化都呈現不規律的波動變化。6周后,K組和A組葉綠素a含量減少最明顯,分別減少了23.20mg/m3和20.71mg/m3;其次,G組和E組的葉綠素a質量濃度分別減少了14.92mg/m3和14.54mg/m3,H組減少了5.25mg/m3;圍隔外湖水體葉綠素a含量維持在較高水平,6周后,葉綠素a的質量濃度增加了5.48mg/m3,達到57.51mg/m3。2.3藻類屬的種類通過對不同圍隔處理組剛灌水時的本底和移植沉水植物后的7次取樣的觀察,共鑒定出浮游植物7門108種(屬)。其中,綠藻(Chlorophyta)的物種最多,為50種(屬),占藻類總種數的46.3%;藍藻(Cyanophyta)20種,占藻類總種數的18.5%;裸藻(Euglenophyta)18種,占藻類總種數的16.7%;硅藻(Bacillariophyta)11種(屬),占藻類總種數的10.2%;隱藻(Cryptophyta)3種,占藻類總種數的2.8%;黃藻(Xanthophyta)2種,占藻類總種數的1.9%;甲藻(Pyrrophyta)3種,占藻類總種數的2.8%。浮游植物優勢種群在各處理組中也發生不同的變化:對照組和H組圍隔中浮游植物始終是藍藻和綠藻占優勢;A組和E組由最初的綠藻、藍藻占優勢轉變成綠藻、硅藻和隱藻占優勢;K組由最初的綠藻、藍藻占優勢轉變成綠藻和硅藻占優勢(表1)。2.4圍隔期水體營養狀態為進一步說明不同處理組圍隔水體富營養化狀況,參照湖泊富營養化評價方法和分級標準,利用修正卡爾森營養狀態指數(TSIM)法對圍隔中水體不同時期的營養狀態進行評價。由表2可知,各處理組的營養狀態指數在整個實驗過程中都低于對照組,6周后,A組和K組的營養狀態指數值減小最明顯,分別減小10.68和10.85,其次,E組和G組分別減小8.23和4.49,H組減小4.01,圍隔外湖水營養狀態指數增加了0.48,達到56.05。3討論3.1底棲地水生態修復從實驗結果看,4個圍隔處理組的水體透明度都有不同程度的增加,特別是A組、E組和K組的水體透明度改善效果最為明顯,到實驗結束時,水體已經基本能夠見底。結合葉綠素a含量、總氮含量、總磷含量和氨氮含量的變化情況說明,合理密度的沉水植物可以有效抑制浮游植物的生長,在減少水體葉綠素a含量的同時,還能有效地減少水體營養鹽含量,且沉水植物對水體中磷的去除效果總體上比對氮的去除效果好,這可能是由于植物的吸附作用對磷酸鹽在水體中的歸屬有重要影響。在移植20株/m2金魚藻的基礎上,投放一定密度的圓頂珠蚌對水質的改善效果最好,水體透明度增大幅度最大,達到了93cm,對水體總磷的去除率達到67%,對總氮的去除率達到50%,對氨氮的去除率達到20%,對葉綠素a的去除率達到80%。圖5顯示,各圍隔處理組對氨氮的去除率都低于31%,這可能與白洋淀的生態系統結構和污染物組成有關。白洋淀是一個典型內陸淺水湖泊,污水中的氨氮在夏季易被生物吸收和土壤顆粒吸附,造成水體中原始氨氮含量相對較低,因而各實驗組對其去除效果不明顯,這與方焰星等的研究結果不一致。目前,國內只有初步的關于利用底棲軟體動物進行富營養型湖泊生態修復的報道,如李磊研究表明,水生軟體動物耳蘿卜螺(Radixauricularia)和小椎實螺(Austropepleaollula)對銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)的生長都有一定的抑制作用,且6g/L的耳蘿卜螺處理組能夠使銅綠微囊藻的藻細胞基本停止生長,關于采用不同密度的圓頂珠蚌在不同條件下對水質及藻類種群的影響還未見報道。從實驗結果看,單一投放圓頂珠蚌對水體中的總氮、總磷和葉綠素a有一定的去除作用,但對水體透明度、氨氮和營養狀態指數影響不大;這與潘建林等的研究結果有一定差別。這可能是由于圓頂珠蚌密度未達到合理水平而造成,另外圓頂珠蚌的濾食功能與水質情況也有關系,所以在不同營養水平湖泊水體環境下,如何配置圓頂珠蚌的數量進而更有效地發揮其凈化水質的功能,還需要進一步研究。修正卡爾森營養狀態指數是反映水質營養狀況的重要指數。由表3可知,各圍隔處理組水體都由原來的中富營養化水體轉變為中營養化水體。其中,A組和K組富營養狀況的變化最明顯,其營養化狀態指數分別減小了10.68和10.85,最后為40.63和40.72,而對照組的營養化狀態指數僅減小了4.49,為46.43。這也說明合理密度的沉水植物和軟體動物能夠有效改善水質,減小水體的營養化狀態指數。這主要是因為沉水植物、底棲軟體動物生長于同一生態空間,二者互相影響:一方面,沉水植物通過光合作用釋放氧氣,滿足了底棲軟體動物的生存,并通過營養競爭和他感作用,抑制了浮游植物的生長[36~38];另一方面,軟體動物通過濾食作用,降低了水體中的藻類數量,使得沉水植物在與藻類的競爭過程中獲得了優勢,另外,其代謝產生離子態的氮、磷營養鹽也有利于沉水植物的吸收,從而促進沉水植物的生長。利用沉水植物和底棲軟體動物進行復合調控富營養化的研究,國內研究報道較少。本研究結果表明,沉水植物可以有效抑制植浮游植物的生長,降低水體葉綠素a和營養元素含量。在此基礎上投放一定密度的圓頂珠蚌,能夠使水體透明度長時間保持透明的狀態,其水體凈化效果要優于單一種植沉水植物。因此,在利用沉水植物對湖泊進行富營養化治理的同時,在水體中投入合理密度的濾食性底棲動物,發揮兩者在時間、空間上的治理優勢,是一種治理湖泊富營養化的重要方法。3.2h組優勢種群變化不大,但法規的種類多,其營養狀態指示種普與對照圍隔相比,移植穗花狐尾藻和金魚藻的圍隔浮游植物的優勢種群發生了改變,在實驗后期,A組和E組優勢種群轉變為裸藻、硅藻和隱藻占優勢,例如由開始的小球藻屬(Chlorellasp.)、十字藻屬(Crucigeniasp.)和微囊藻屬(Microcystissp.)等富營養指示種轉變為裸甲藻屬(Gymnodiniumsp.)、脆桿藻屬(Fragilariasp.)、具尾藍隱藻(Chroomonascaudate)等一些中營養狀態的指示種。在實驗過程中,H組優勢種群變化不大,但數量都有一定程度的減小。在實驗后期,K組優勢種群轉變為綠藻和硅藻,例如由開始的小球藻屬、十字藻屬、狹形纖維藻(Ankistrodesmusangustus