楚韻湖浮游植物初級生產力及粒級與水質的關系分析

鞠晨曦,姜漢軍,劉開放

(信陽農林學院 水產學院,河南 信陽 464000)

浮游植物是水生生態系統的重要組成部分,是魚類等水生生物的餌料[1]。浮游植物的相關研究對保護水生態系統和水產養殖等具有重要意義。隨著生態學學科的發展,其研究范圍已經從個體擴展到生態系統,傳統的分類方式已經不足以適應現代生態系統的研究。粒徑作為一種新的分類方式,與傳統分類方式相比,更為直觀、便于統計[2]。粒徑譜理論研究可追溯到生態學家Elton,后經過幾十年的發展,逐漸應用到浮游植物的研究。20世紀90年代,王榮等[3]初次把粒徑譜理論這一概念引入到國內,此后粒徑這一理論在各種研究中逐漸展開。學術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)。

關于浮游植物群落結構對水質影響的研究,國內學者大多以浮游植物的種類對其群落結構加以區分,選擇的研究地點多為我國臨近海域及內陸大中型水庫、湖泊等[4-6],而對淡水小池塘水體浮游植物群落結構對水質的影響研究較少,以不同粒級來區分浮游植物群落結構的相關研究則更少。楚韻湖是信陽農林學院水產學院國家級校內實訓基地,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指標、初級生產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構,并分析浮游植物群落結構及初級生產力與水質的關系。

1 材料與方法

1.1 采樣站位設置與采樣方法

在楚韻湖設置1#和2#采樣點,如圖1所示。采集方法依據《水和廢水監測分析方法》執行[7]。于2019年12月25日在楚韻湖進行采樣。首先用手持測深儀(SM-5)測得采樣點的水深,在連續晴天后的某一上午采集楚韻湖采樣點表層水樣,用于水質和初級生產力測定。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 室內水化指標測定

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行分級抽濾。抽濾后,用化學分析濾紙將抽濾后濾膜上的水吸干,隨后放到離心管中,用體積分數為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Jeffrey-Humphrey的方程式進行計算[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是比色皿規格(1 cm)。

本次測定初級生產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,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行酸化,酸化的水樣立即用Na2S2O3標準溶液滴定,當滴定至水樣顏色呈現淺黃色時,加入1 mL淀粉指示劑,繼續用Na2S2O3滴定至藍色剛剛褪去并在20 s內不變色,記錄好滴定消耗Na2S2O3的體積。進行公式計算[9]:

凈初級生產量=LB-IB

呼吸量=IB-DB

總初級生產量=LB-DB

式中:LB是白瓶;IB是初始瓶;DB是黑瓶

1.4 水質分析標準

水質評價標準按照《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)進行,如表2所示。

表2 地表水環境質量標準部分項目限制值

2 結果與分析

2.1 水樣測定結果

在楚韻湖采樣點1#和2#現場測定部分指標,通過整理如表3所示。

表3 楚韻湖采樣記錄

水樣室內測定匯總如表4所示。

表4 水樣測定結果匯總表

2.2 楚韻湖葉綠素a測定結果

根據Jeffrey-Humphrey的方程式得出結果,楚韻湖1#和2#水樣不同粒級浮游植物葉綠素a結果見比例圖(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#平均生產力情況

2.3 楚韻湖初級生產力測定結果

通過黑白瓶法公式計算,整理結果如圖3所示。

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

結合表2和表4看,楚韻湖水質評估為劣V類。楚韻湖是水產養殖區漁業水域,按《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)的相關規定,水產養殖區漁業水域屬于III類。說明楚韻湖水質不達標,氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(CODMn)高,水體富營養化程度高。

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

從初級生產力方面看,楚韻湖的總生產力和凈生產力都比較高,1#總生產力比2#略低,但1#凈生產力比2#凈生產力高,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著優勢[11]。劉國才[12]等在對蝦養殖生態系中研究不同粒級浮游生物呼吸率和初級生產率測定時得出,在保持整個系統有機碳的供給上,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。趙文[13]等的研究表明隨著水體富營養化程度加重,微微型浮游植物生物量及其初級生產力會減少,這個結論和本文一致。

楚韻湖水質富營養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及總平均生產力等都高于1#的原因。2021年8月,楚韻湖經過綜合整治,污水管道重新鋪設,底泥晾曬并用生石灰處理,相信后期楚韻湖水質會有極大改善。

3 結論

按照《地表水環境質量》(GB3838-2002)來對楚韻湖水質進行評價,水質為劣V類,總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)高,水體富營養化程度高。

楚韻湖初級生產力水平較高,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化有直接關系。隨著水體富營養化程度加深,微型和微微型浮游植物生物量減少。