洞庭湖浮游植物增長的限制性營養元素研究

李利強，黃代中*，熊劍，張屹，田琪，何英，余建清，王琦

1. 湖南省洞庭湖生態環境監測中心，湖南 岳陽 414000；2. 岳陽市環境監測中心，湖南 岳陽 414000

洞庭湖為湖南省第一大湖，全國第二大淡水湖，是承納湘、資、沅、澧四水和吞吐長江的過水性洪道型湖泊，有溝通航運、繁衍水產、調蓄長江和改善生態環境等多種功能。洞庭湖區是湖南省主要造紙、石化輕工及紡織工業基地，部分在全國舉足輕重，每天都有大量廢水產生（黃金國，2003）。相關研究表明，洞庭湖的 TN、TP、懸浮物和總大腸菌群是洞庭湖的主要污染因子，其中 TN和 TP尤為突出（米紅州等，2004；DU等，2001；徐開欽等，2004）。洞庭湖水體N、P污染加劇，富營養化日趨嚴重，致使洞庭湖生態系統中生物多樣性降低。據水產部門觀測調查，近 10年來，短鱭魚、銅魚、黃尾魚、針魚、鱘魚、白鱘魚等 15個品種己經少見或基本滅絕；銀魚、黃魚產量明顯減少；其次是常規魚類品種退化（莊大昌等，2003）。

針對富營養化發生過程與機制，國內外已有一些研究報道，但是機理目前尚未完全明了（秦伯強，2002；李文朝，1997；Philips等，1999）。因地理條件、點源面源營養輸入、沉積物性質、微生物群落結構及藻類群落組成等因素影響，各湖泊浮游植物生長繁殖的限制性營養元素及形態差異較大（Quiblier等，2008；Becker等，2010）。藻類增長的生物學實驗（Nutrient Enrichment Bioassay，NEB）是一種有效檢測浮游植物營養鹽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元素，可以有效地進行預測、控制藻類增殖，該方法已經廣泛地應用于湖泊與海洋的限制營養因子研究（吳雪峰等，2010；張亞克等，2011；Elser和Kimmel，1986）?；谑覂葼I養添加實驗的結果發現，N、P都可以成為淡水藻類生長的限制因子（Henry等，1984；Zhou等，2009）。同一湖泊不同季節時，藻類生長的限制因子也可能不同。在冬春季，太湖浮游植物生物量和生長速率隨磷增加而顯著增加，與氮無關，表明浮游植物生長的磷限制；但是，在夏秋季水華期，氮是主要限制營養因子（Xu等，2010）。洞庭湖氮、磷污染嚴重，入湖 TN、TP 總量分別為 59049 t·a-1和 6913 t·a-1（秦迪嵐等，2011）。水體氮、磷污染勢必影響洞庭湖浮游植物生物量及群落結構。營養鹽賦存形態及其濃度與浮游植物生物量增長的偶聯關系如何等科學問題在洞庭湖少有研究。本項目在了解洞庭湖浮游植物生物量及主要營養鹽形態組成與其含量的年變化基礎上，通過 NEB實驗確定洞庭湖浮游植物增長的限制性營養元素，可為洞庭湖水污染治理及富營養化防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 水樣采集

洞庭湖常規水質監測斷面分布見圖1。每個監測斷面設左、中、右3條垂線，分別采表層（0.5 m）水樣。水質采樣于月初進行。

NEB實驗于2011年9月和2012年5月在東洞庭湖采集表層水80 L作為實驗水樣。每次采集水樣后測定生物化學指標，具體環境特征參數見表 1。采集實驗水樣時現場測定水體透明度、水溫和 pH等指標，實驗室分析TN、TP、氨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）、SRP、溶解氧（DO）和葉綠素a（Chla）等指標，以確定實驗水樣初始營養物濃度和浮游植物初級生產力水平。

1.2 研究方法

NEB實驗不需對培養水樣進行滅菌、過濾和添加藻種等處理，而是直接利用水體中原始的生態群落進行培養，可實際反映不同時期生物群落的水體添加營養鹽后對浮游植物增長的影響。經形態鑒定，2011年9月和2012年5月東洞庭湖原水樣中浮游植物均以硅藻為主，優勢種為針桿藻（Synedrasp.）、菱形藻（Nitzschiasp.）和小環藻（Cyclotellasp.）。直接量取1 L水樣分裝到1 L錐形瓶中在實驗條件下培養，每個營養鹽水平做6個平行樣，培養10 d后，一部分錐形瓶水樣取樣測定各指標，另一部分培養20 d后測定水樣中各指標。實驗條件為溫度25 ℃；光照4000 lx；光暗時間比12:12。以原湖水TN和TP作為初始營養物水平，以初始營養物水平的0.5倍、1.0倍和2.0倍添加營養鹽，添加方案見表2（張亞克等，2011）。添加方式為一次性添加，以磷酸二氫鉀（KH2PO4）、硝酸鉀（KNO3）和氯化銨（NH4Cl）為添加營養鹽。

1.3 測定方法

TN、TP、Chla、NH4+-N、NO3--N、亞硝態氮（NO2--N）等監測項目均根據《水和廢水監測分析方法》（國家環境保護總局，2002）推薦的方法進行分析。DIN為NH4+-N、NO3--N和NO2--N之和。溶解態總磷（DTP）用過0.45 μm濾膜后的水樣測定，實驗步驟與TP一致。SRP用鉬藍比色法測定（MURPHY和RILEY，1962）。顆粒態磷（PP）為TP與DTP的差值，溶解態有機磷（DOP）為DTP與SRP的差值。

圖1 洞庭湖水質監測斷面分布Fig.1 Sampling sections of water quality monitoring in Dongting Lake

表1 東洞庭湖水體環境特征參數Table 1 Environmental parameters in water phase of Dongting Lake

表2 浮游植物增長實驗營養鹽添加方案Table 2 Nutrient addition methods of phytoplankton growth experiment

1.4 數據處理

為了能夠消除不同時期原湖水帶來的差異（吳雪峰等，2010；張亞克等，2011），采用相對比較系數法表示添加營養物對浮游植物生長的影響：

式中：DT為某營養物添加組與對照組的比較系數；AT為某營養添加組ρ(Chla)；AC為對照組ρ(Chla)。

采用SigmaPlot 10.0軟件作圖，采用SPSS 13.0軟件進行數據統計。相關性用Pearson相關系數表示，營養添加組與對照組之間的顯著性差異性比較用單因素方差分析（LSD）。

2 結果與分析

2.1 水體營養鹽及Chl a逐月分布特征

洞庭湖水體中ρ(TN)較高，月平均值變化范圍為 1.53～2.21 mg·L-1，1-4 月ρ(TN)高于其它月份，均超過 2 mg·L-1（圖 2）。ρ(NO3--N)年平均值為 1.38 mg·L-1，月平均值介于 1.17～1.60 mg·L-1之間；ρ(NH4+-N)年平均值為 0.23 mg·L-1，月平均值介于0.06～0.56 mg·L-1之間；ρ(NO2--N)年平均值為 0.039 mg·L-1，月平均值介于 0.016～0.058 mg·L-1之間。洞庭湖水體中 TN 以溶解態無機氮為主，ρ(DIN)占ρ(TN)比例在 71.3%～98.7%之間，且溶解態無機氮中ρ(NO3--N)>ρ(NH4+-N)>ρ(NO2--N)。ρ(NO3--N)在當年11月至次年3月較高，ρ(NH4+-N)在4月出現最高峰，兩者均在夏季含量相對較低。

ρ(TP)年平均值為 0.093 mg·L-1，月平均值變化范圍為 0.054～0.129 mg·L-1，ρ(TP)于 3-4 月份相對較高，8月份最低（圖3）。洞庭湖水體中磷以溶解態磷為主，ρ(DTP)占ρ(TP)比例范圍為60%～85%。磷形態組成中，ρ(SRP)>ρ(PP)>ρ(DOP)。ρ(SRP)月變化趨勢與ρ(TP)基本一致，均在春季相對較高。

洞庭湖水體中ρ(Chla)較低，年平均值僅 2.49 mg·m-3，月均值介于 1.43～4.11 mg·m-3之間。ρ(Chla)于7月和9月較高，春季相對較低（圖4）。

圖2 洞庭湖水體中氮含量月變化Fig.2 Monthly variations of nitrogen concentrations in water phase of Dongting Lake

圖3 洞庭湖水體中磷含量月變化Fig.3 Monthly variations of phosphorus concentrations in water phase of Dongting Lake

圖4 洞庭湖水體中Chla月變化Fig.4 Monthly variations of chlorophyll a (Chla) concentration in water phase of Dongting Lake

2.2 添加不同營養鹽對洞庭湖浮游植物生物量的影響

為能消除不同時期原湖水帶來的差異，采用相對比較系數方法表示添加不同營養元素浮游植物生物量與對照的差值，其中對照組結果均表達為0%（張亞克等，2011），NEB實驗結果如圖5-6所示。2011年9月，添加營養鹽后浮游植物生物量較對照有不同程度的增加（除0.5*P外），實驗后期浮游植物生物量高于實驗前期，其中，添加2*NH實驗后期相對比較系數最高，達677%。2012年5月，營養鹽添加后浮游植物生物量相對比較系數低于2011年9月，且大多數處理中實驗前期浮游植物生物量高于實驗后期，添加2*NH實驗前期相對比較系數最高，達385%。

3 討論

3.1 營養鹽來源

圖5 2011年9月NEB實驗分析Fig.5 Analysis of nutrient enrichment bioassay (NEB)experiment in September, 2011

圖6 2012年5月NEB實驗分析Fig. 6 Analysis of nutrient enrichment bioassay (NEB)experiment in May, 2012

TN、TP是影響洞庭湖水體富營養化的主要營養指標，二者一直維持較高的水平，20世紀90年代中期后全湖TN、TP超標，成為洞庭湖水質惡化和水體營養化程度加劇的重要因子（黃代中等，2013）。ρ(TN)波動較大，存在明顯的區域性，而且自1998年以來，一直在1.50 mg·L-1上下波動。ρ(TP)在洞庭湖中分布較均勻，無明顯的區域性（楊漢等，1999）。春季洞庭湖水體中ρ(TN)、ρ(TP)較高，可能源于春季面源污染。洞庭湖水體中的 TN和 TP主要來源于畜禽養殖、農田徑流和城鎮生活污染（秦迪嵐等，2011）。據監測，水體中溶解態無機氮平均占ρ(TN)的比例為 87%，溶解態總磷平均占ρ(TP)的比例為 70%，且大多數氮以硝態氮形式存在，大多數磷以磷酸鹽為主，這說明氮、磷的來源與化肥使用有密切聯系（朱廣偉，2009）。受流域社會經濟發展等因素的綜合影響，洞庭湖整體水質呈下降趨勢，富營養化日趨嚴重。

表3 NEB實驗結果方差分析（平均ρ(Chla)）Table 3 Analysis of variance for the nutrient enrichment bioassay (NEB) experiment: Chla

3.2 浮游植物增長的營養限制因子

2011年9月份單獨添加 NH4-N對浮游植物生長具有明顯的促進作用，方差分析結果顯示添加1*NH和2*NH均與對照有顯著性差異（P<0.05，表3）；單獨添加NO3--N和單獨添加P對浮游植物生長有一定的促進作用，單獨添加P有時出現抑制作用；添加P和NO3-N與單獨添加NO3-N結果相當，P和NO3-N不存在交互作用。2012年5月份高氮組平均ρ(Chla)與對照有顯著性差異（P<0.05，表3）。兩次 NEB實驗表明氮對洞庭湖浮游植物生長有明顯的促進作用，且促進作用隨氮濃度的增加而加強，氮是洞庭湖浮游植物增長的主要營養限制性因子，而磷對浮游植物生長影響不大，有時出現抑制作用，硝態氮與磷之間不存在交互作用。洞庭湖水體中浮游植物ρ(Chla)與營養鹽的相關性結果見表 4，2011 年 9 月ρ(Chla)與ρ(NH4+-N)顯著正相關，2012年5月ρ(Chla)與ρ(TN)、ρ(NO3--N)和ρ(NO2--N)顯著正相關，兩次采樣水體中ρ(Chla)均與ρ(TP)顯著負相關，這與 NEB實驗結果一致。洞庭湖水體中TN以溶解態無機氮為主，溶解態營養鹽更易被浮游植物吸收利用，浮游植物對氨態氮的利用優于硝態氮和亞硝態氮。洞庭湖浮游植物量以硅藻為主，時空分布上均占優；其次為綠藻和藍藻，浮游植物生長亦可能受一些微量元素影響，如Si、Fe、Mn等。

4 結論

1) 洞庭湖水體主要污染物為TN和TP，其月平均值變化范圍分別為 1.53～2.21 mg·L-1和0.054～0.129 mg·L-1。洞庭湖水體中TN以DIN為主，ρ(DIN)占ρ(TN)比例在 71.3%～98.7%之間，且 DIN中ρ(NO3--N)>ρ(NH4+-N)>ρ(NO2--N)。磷形態組成中，ρ(DTP)占ρ(TP)比例范圍為 60%～85%，ρ(SRP)>ρ(PP)>ρ(DOP)。大多數氮以硝態氮形式存在，大多數磷以磷酸鹽為主，而且春季洞庭湖水體中ρ(TN)、ρ(TP)更高，這說明氮、磷的來源與化肥使用有密切聯系。

表4 洞庭湖水體中Chla與營養鹽的相關性分析Table 4 Pearson correlation coefficients between Chlorophyll a concentration and nutrient content in water phase of Dongting Lake

2) 藻類增長生物學評價實驗表明，氮是洞庭湖浮游植物增長的主要營養限制因子，添加氮（尤其是氨態氮）能明顯促進浮游植物生物量增加，且促進作用隨氮濃度的增加而加強，添加磷對浮游植物生長影響不大，有時出現抑制作用。洞庭湖水體中ρ(Chla)與氮顯著正相關，與磷顯著負相關。這些研究結果表明洞庭湖富營養化控制過程中應特別注重氮的控制。

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