不同氮磷比對北洛河中藻類生長的影響

楊震，張會強，陳靜，趙榮娜，張淳，張秦銘，殷憲強，范曉騰

（1.陜西省環境監測中心站，西安 710054；2.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學動物科技學院，陜西 楊凌 712100）

河流水體污染和富營養化是世界性的環境問題，水體中氮、磷等營養鹽濃度過高會引起水生生物異常生長和繁殖，并在一定的溫度、光照、水流等條件下容易暴發水華等，危害水域生態系統與人類健康[1-3]。其中，形成水華的主要浮游藻類為藍藻門的微囊藻（Microcystis）、顫藻（Oscillatoria）、平裂藻（Merismopedia）以及綠藻門和裸藻門的部分藻類等，其暴發性繁殖可以引起水色變化和水體污染，并在水面形成藻類漂浮現象[4]。相關研究表明，營養鹽過量輸入是引起河流水體富營養化的根本原因，氮、磷等營養鹽是河流初級生產力的物質基礎與驅動力[5-6]，而氮磷的質量比也是影響藻類生長和群落結構組成的重要因素[7-8]。通常認為藻類生長的最佳氮磷比為16∶1，即Redfield比值[9-10]，若水體中氮磷比大于16∶1，則磷被認為是藻類生長的限制性因素，反之，則氮被認為是限制性因素。同時，由于水體中浮游藻類組成差異性，其生長所需的營養鹽比例也不相同[11]。針對不同河流情況，明確其藻類群落結構、生長限制性因素及氮磷比特征，對于水體富營養化防控與治理具有重要的指導意義。

北洛河作為黃河的二級支流，是陜西省最長的河流，對引水灌溉、水力發電和漁業發展等有重要作用。根據《陜西省水功能區劃》，北洛河水質目標為Ⅲ類。然而，由于北洛河上游流域地形破碎，水土流失嚴重，面源和點源氮磷污染量較大[12-13]，以及中下游流域內梯級小水電站的開發改變了河流的天然屬性與水文情勢，水中營養鹽堆積后可能引起藻類季節性泛濫生長、誘發水華等水體富營養化問題，影響河流生態系統健康。通過前期調查發現，北洛河水質指標中總氮水平普遍大幅超標、而總磷水平較低，歷年氮磷比的平均值均高于30，總體處于“磷限制”狀態，且水體中藻類以綠藻門、藍藻門和硅藻門等為主，推測總磷水平的波動可能是影響北洛河中藻類暴發、群落結構變化及水華分布范圍的限制性因素。

為進一步明確外源磷輸入水平與氮磷比變化對北洛河水體富營養化的綜合影響，本研究使用北洛河代表性水體進行藻類培養實驗，通過添加不同濃度的磷酸鹽以調整總磷水平及氮磷比，分析藻類生長情況與物種多樣性變化，從而確定北洛河中藻類群落特征與營養鹽水平的相關性以及磷風險閾值范圍，以期為河流富營養化的成因分析與控制策略研究提供基礎資料與科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

在北洛河的下桃水電站（35°27'17″N，109°27'47″E）壩上水庫采集水樣，分裝于500 mL 的錐形瓶中，通過添加磷酸二氫鉀提高水體中總磷濃度、調整氮磷比。實驗設置的總磷濃度見表1，每個處理濃度分別設置3 個平行組，于藻類培養箱中進行為期5 d的藻類培養實驗，設定培養溫度為25 ℃，光照強度為50 μmol·m-2·s-1，光暗比為12 h∶12 h。

表1 各培養體系中總磷濃度與氮磷比Table 1 Total phosphorus concentrations and N/P ratios in different groups

1.2 藻類計數與多樣性分析

根據《內陸水域浮游植物監測技術規程》（SL 733—2016）的規定，采用顯微計數法統計藻類豐度變化。使用移液器將混勻液體注入0.1 mL 的細胞計數板計數框中，在光學顯微鏡下觀察浮游藻類的形態結構特征，并鑒定種類、數量，計算藻類細胞密度，確定優勢種。每個樣品計數3 次，每次計數結果與平均值的誤差應小于15%，否則進行第4次計數。

采用物種豐富度指數（Margalef richness index，D'）、香農-威納多樣性指數（Shannon-Wiener diversity index，H）、辛普森優勢度指數（Simpson dominance index，D）和均勻度指數（Pielou evenness's index，J），分析藻類種類與數量的多樣性。計算公式如下：

式中：Pi=Ni/N，Ni表示第i種物種的個體數，N表示樣品的總個體數；S表示樣品的種類總數。

1.3 水體中總氮和總磷的測定

將各培養體系的水樣經0.45μm 濾膜過濾后，加入硫酸酸化處理，總氮的測定依據《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012），總磷的測定依據《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》（GB 11893—1989），使用紫外分光光度計測定OD 值，通過制定的標準曲線計算總氮和總磷的濃度。根據初始水樣和結束水樣中氮磷濃度，計算得到藻類所吸收的氮磷的量與氮磷質量比。

1.4 數據處理

實驗數據采用Excel 2016進行整理，采用SPSS Statistics 22.0 軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），確定各組間統計數據的顯著性差異（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同氮磷比對藻類豐度的影響

不同氮磷比條件下水中藻類的生長情況如表2所示，實驗共檢出浮游藻類4門31屬。根據藻類密度的相對豐度，依次為：藍藻門8 屬（顫藻、節旋藻、螺旋藻、尖頭藻、平裂藻、鞘絲藻、偽魚腥藻、微囊藻），綠藻門15 屬（多芒藻、弓形藻、惠氏藻、集星藻、空星藻、卵囊藻、盤星藻、十字藻、柵藻、四角藻、新月藻、纖維藻、小球藻、四星藻、蹄形藻），硅藻門7 屬（繭形藻、脆桿藻、小環藻、星桿藻、針桿藻、直鏈藻、舟形藻）和裸藻門1 屬（裸藻）。統計結果顯示，藻類細胞密度先隨著磷濃度升高而逐漸上升，在0.40 mg·L-1磷濃度（即總氮磷比=7.4）組中藻類細胞豐度最高，隨后在更高磷濃度（0.45、0.50 mg·L-1）組中細胞密度又有所下降。

表2 各培養體系中藻類細胞數量（萬個·L-1）Table 2 Count of algae in different groups（×104·L-1）

通過對不同類型的藻類細胞數量進行統計發現，隨著外源磷輸入量的增加（即氮磷比的下降），中營養型水體的代表藻類——硅藻門比例逐漸降低，富營養型水體的代表藻類——藍藻門和綠藻門逐漸成為優勢類群（圖1）。其中，藍藻門的微囊藻屬、平裂藻屬和綠藻門的柵藻屬、十字藻屬、惠氏藻屬的占比相對較高，并隨著總磷濃度的升高而加快繁殖，藻類細胞豐度與各培養體系中總磷濃度呈現明顯的正相關性（圖2）。同時，研究發現在初始磷濃度的培養體系中，藍藻門的微囊藻屬和平裂藻屬占比達到23.8%和15.2%，并且最高占比分別達到了32.0%和37.2%，說明其為北洛河水體中的優勢藻類。

圖1 各培養體系中藻類的相對比例Figure 1 Relative ratio of algae in different groups

圖2 各培養體系中藻類的相對密度（lg值）Figure 2 Relative density of algae in different groups（lg）

2.2 藻類生物多樣性的變化

通過對藻類群落組成進行多樣性分析發現（圖3），外源磷輸入后，藻類豐富度指數顯著升高，而Shannon 多樣性指數、Simpson 優勢度指數、Pielou 均勻度指數均發生不同程度的下降。整體而言，在總磷濃度≥0.10 mg·L-1時，北洛河水體中優勢藻類暴發性生長，導致藻類的物種多樣性、優勢度、均勻度等顯著下降（P＜0.05）。

圖3 各培養體系中藻類的多樣性Figure 3 Species diversity analyses of algae in different groups

2.3 水體中氮磷的消耗情況

在藻類培養實驗結束后，對水樣中氮磷的殘留濃度進行測定，各培養體系中氮磷的吸收與剩余情況見表3 和圖4、圖5。通過計算得出藻類所吸收的氮磷比，隨著外源磷輸入量的增加，水體中總氮的消耗量逐漸增加，反映出藻類對氮素的利用率增強。磷濃度≥0.10 mg·L-1時（即吸收氮磷比≤24.81）明顯促進了藻類對水體中氮的吸收；而總磷濃度≥0.20 mg·L-1時（即吸收氮磷比≤12.80），各個培養體系中總氮的吸收量基本持平，說明磷對藻類生長的限制作用開始減弱。通常認為藻類細胞按一定比例吸收氮磷營養鹽，本研究中藻類吸收的氮磷比隨著磷輸入量的增加而逐漸平穩，進一步反映出培養體系中藻類群落結構多樣性下降，優勢藻種占據主導地位。

圖4 各培養體系中總氮的吸收情況Figure 4 Uptake of total nitrogen in different groups

表3 各培養體系中氮磷的吸收與剩余情況Table 3 Uptake and residual concentrations of total nitrogen and total phosphorus in different groups

3 討論

浮游植物（藻類）作為河流水質狀態與生態健康的重要指示生物，其種類、數量和群落結構受環境因子如溫度、光照、營養鹽水平等影響。其中，氮、磷等營養元素是浮游藻類生長的必需營養物質，其濃度的升高常會導致藻類的暴發性生長，是水體富營養化的主要因素。一般認為，當水體中總氮濃度大于0.2 mg·L-1、總磷濃度大于0.02 mg·L-1時，水體就處于富營養化狀態[14]。除了氮磷的絕對濃度外，氮磷比的變化也會明顯改變水體中營養鹽的限制狀態，對藻類生長及群落結構演替具有重要影響。本研究中各培養體系的藻類豐度與總磷濃度具有一定的正相關關系，并表現出低濃度磷與中濃度磷促進、高濃度磷抑制的特性，這與銅綠微囊藻的培養實驗結果一致[15-16]。當氮磷比小于10 時，普遍認為水體中藻類生長處于氮限制狀態；當氮磷比大于22.6 時，認為其處于磷限制狀態；當氮磷比介于10～22.6 時，為藻類的最適生長區間[8]。對北洛河初始水樣進行測定發現，總氮背景值為2.94 mg·L-1，氮磷比達到147.0，藻類生長處于明顯的磷缺乏狀態。由于磷也是浮游藻類生長的首要限制性元素[17]，外源磷的補充大幅提升了培養體系中藻類的生長速度；當總磷濃度為0.10～0.40 mg·L-1時，氮磷比介于7.4～29.4 之間，藻類處于最適生長區間，開始暴發性生長，其細胞豐度顯著升高；而隨著總磷濃度升至0.45、0.50 mg·L-1（氮磷比小于7.0），即轉換為氮限制狀態，藻類的進一步生長受到了抑制，可能是由于培養體系中藻類可有效利用的無機氮含量不足，導致細胞中蛋白質合成過程受到了影響。相關研究同樣指出，水體中無機磷濃度超過藻類實際需求量時，藻類的物質成分如葉綠素a 含量會發生變化，進而生長受到限制[18-19]。此外，不同氮磷濃度的水體中有機態和無機態氮磷會發生賦存形態變化與生物或非生物轉化過程，其水平波動對藻類生長的影響機制仍有待深入研究。

不同藻類細胞的元素組成與營養需求存在差異，環境也會優先選擇相適應的藻類而形成適者生存的特征藻類結構[7，20]。通過對藻類群落進行分析后發現，受總磷水平的影響，北洛河的藻類特征表現為藍藻門的微囊藻、平裂藻和綠藻門的十字藻、柵藻、惠氏藻為優勢種屬，且其豐度與總磷水平呈正相關，外源磷的輸入逐漸降低了藻類群落的物種多樣性、優勢度和均勻度。而藻類的種類組成、豐度與群落結構直接關系水體水質、生物能量與物質交換，對水域生態系統的穩定性具有重要作用[21]。由此說明，外源磷輸入可引起北洛河中藍藻門和綠藻門等耐污型藻類占據優勢，破壞藻類的多樣性，進而降低水體自凈能力、加劇水質惡化。另外，水體富營養化引起的藍藻和綠藻暴發極易導致水華的產生，特別是藍藻水華往往發生范圍最廣、危害最大[22-23]。如藍藻門中的微囊藻屬產生的微囊藻毒素已被證明具有強烈的生物毒性，可通過吸收、遷移、轉化等多種途徑危害水生生物及人類健康[24-26]。在本研究中發現，隨著總磷輸入量的增加，微囊藻的豐度迅速增加，在0.40 mg·L-1磷濃度組中占比最高，達到了32.0%，從而指出北洛河水體富營養化存在藍藻水華泛濫的生態風險。

根據資源競爭模型，限制性營養元素的比例是藻類組成的主要決定因素，不同的營養限制有利于形成不同的優勢藻種[27-28]。本研究結果顯示，藍藻門的平裂藻在較高磷濃度（低氮磷比）組中豐度最高，通常是因為大部分種類藍藻對氮的競爭能力較強，而容易在低氮磷比引起的氮缺乏條件下形成優勢[29]。而對于缺乏固氮能力的藍藻門中的微囊藻而言，氮磷的絕對濃度對其生長影響更大，其易在較高氮磷比條件下發展為優勢藻種。另外，由于藍藻生長所需氮磷濃度常低于綠藻，在較低氮磷濃度條件下易形成優勢；而在營養鹽相對充足的情況下，綠藻門的十字藻和柵藻等生長速率開始高于藍藻[30-31]，逐漸成為另一優勢種屬。本研究指出，對于河流富營養化情況分析，應結合浮游藻類的群落特征與優勢藻種的營養需求動態，綜合考慮氮磷營養鹽的絕對濃度與氮磷比來判別不同類型水華暴發風險，進而在水體富營養化防控與治理過程中采取有效措施。

4 結論

（1）北洛河藻類培養實驗共檢出浮游藻類4門31屬，其中藍藻門的微囊藻、平裂藻和綠藻門的十字藻、柵藻、惠氏藻為北洛河中優勢種屬。

（2）藻類的生長與總磷水平呈現出一定的正相關關系，低濃度磷與中濃度磷促進藻類生長，高濃度磷抑制藻類生長，在0.40 mg·L-1磷濃度下藻類細胞豐度最高。

（3）當水體中總磷濃度≥0.10 mg·L-1時，外源磷輸入顯著促進了藻類對總氮的吸收利用，進而降低了藻類群落的多樣性指數、優勢度指數以及均勻度指數。