殷大聰，黃 薇，吳興華，宋立榮

(1.中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072;2.長(zhǎng)江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010;3.湖北省環(huán)境科學(xué)研究院，武漢 430072)

1 研究背景

自上個(gè)世紀(jì)90年代以來，漢江中下游干流及支流早春硅藻水華頻繁發(fā)生，從2000年至今，已陸續(xù)報(bào)道了7次較為嚴(yán)重的早春硅藻水華，漢江中下游早春硅藻水華的暴發(fā)頻率似乎有逐漸加劇的趨勢(shì)。

已有的文獻(xiàn)報(bào)道顯示，漢江硅藻水華的暴發(fā)與春季枯水期水流速度低有關(guān)。盧大遠(yuǎn)等［1］對(duì)漢江水華發(fā)生提出了水華的“指示因子”，他認(rèn)為:當(dāng)水體流速≤0.8m/s，流量≤500 m3/s，水溫≥10℃，pH≥8.0，DO≥12 mg/L的時(shí)候，可以作為漢江水華暴發(fā)的“警戒值”;陳根祥等［2］通過分析研究1992年、1998年、2000年漢江發(fā)生水華的年份和未發(fā)生水華的年份的漢江相關(guān)水文站點(diǎn)的水位、流量，也提出了相應(yīng)的水文預(yù)警參數(shù)。

一直以來，針對(duì)漢江水華硅藻的生物學(xué)研究都是以小環(huán)藻為研究對(duì)象［3－5］，研究對(duì)象的錯(cuò)誤導(dǎo)致了研究結(jié)果的應(yīng)用失當(dāng)和解釋的錯(cuò)位。鄭凌凌等［6］通過電子顯微技術(shù)和現(xiàn)代分子技術(shù)，對(duì)漢江水華硅藻的分類地位進(jìn)行了深入的研究鑒定，認(rèn)為漢江早春水華硅藻為冠盤藻屬(Stephanodiscus sp.)，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)2010年漢江水華硅藻的分類地位作了種的鑒定，認(rèn)為2010年春季漢江水華硅藻優(yōu)勢(shì)種為漢斯冠盤藻(Stephanodiscus hantzschii)。

以往針對(duì)漢江水華硅藻的生物學(xué)特性研究很少，僅有的一些研究結(jié)果是以分離自東湖的小環(huán)藻為試驗(yàn)對(duì)象開展的，而針對(duì)冠盤藻的生物學(xué)特性的研究國(guó)內(nèi)至今還未見報(bào)道，因此，開展?jié)h江早春水華硅藻優(yōu)勢(shì)種——漢斯冠盤藻(Stephanodiscus hantzschii)的生物學(xué)特性研究顯得尤為必要，這對(duì)分析漢江早春硅藻水華爆發(fā)的原因，尋找解決的途徑有積極的意義。鑒于此，2010年漢江冠盤藻水華暴發(fā)初期，在室內(nèi)進(jìn)行了針對(duì)冠盤藻生物學(xué)特性的研究，從水體流速、水體溫度以及光照強(qiáng)度3個(gè)因素研究其對(duì)冠盤藻生長(zhǎng)繁殖的影響。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)用水樣及培養(yǎng)裝置

2010年1月24日在漢江武漢宗關(guān)段采集300 L水樣，帶到室內(nèi)在環(huán)形培養(yǎng)槽培養(yǎng)(圖1)。環(huán)形培養(yǎng)槽的規(guī)格為:外環(huán)半徑為18cm，內(nèi)環(huán)半徑為7cm，深度30cm。每個(gè)環(huán)形培養(yǎng)槽有兩扇攪拌葉，攪拌葉通過中間的傳動(dòng)桿與調(diào)速電機(jī)相連，6套環(huán)形培養(yǎng)槽的電機(jī)與各自的變速器相連接，通過調(diào)節(jié)變速器來控制攪拌葉的轉(zhuǎn)速，從而控制水流速度，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1。

2010年2月7日，采集自漢江宗關(guān)段的原水樣，帶回到室內(nèi)置于1 L的燒杯中培養(yǎng)，每個(gè)燒杯中注入1 L的漢江原水樣，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2。

圖1 室內(nèi)河流模擬裝置——環(huán)形培養(yǎng)槽Fig.1 Annular cultivation tank used in the laboratory for imitating the river hydrological dynamics

表1 各個(gè)環(huán)形培養(yǎng)槽的水流速度和光照強(qiáng)度設(shè)置Table 1 Settings of water velocity and illumination intensity in each annular cultivation tank

表2 水體流動(dòng)性及水體溫度對(duì)冠盤藻生長(zhǎng)影響的試驗(yàn)設(shè)置Table 2 Settings of water velocity and water temperature in each beaker for the experiment of Stephanodiscus hantzschii growth

從漢江宗關(guān)采集來的水樣，用網(wǎng)孔直徑為1.5mm的紗網(wǎng)濾去水中較大的顆粒漂浮物后(浮游植物及浮游動(dòng)物不會(huì)被濾去)，不添加任河外源營(yíng)養(yǎng)物，直接將取自漢江的原水注入到環(huán)形培養(yǎng)槽中，每個(gè)環(huán)形培養(yǎng)槽中水的深度都控制在28cm。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 光照和流速對(duì)冠盤藻生長(zhǎng)的影響試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程中水體的流速、光照設(shè)置如表1所示，試驗(yàn)期間，水溫控制在6℃，光暗周期為12 h∶12 h。

2.2.2 水溫對(duì)冠盤藻生長(zhǎng)的影響試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取6只1 L的大燒杯，每只燒杯中注入1 000 mL的漢江原水樣，利用溫控生化培養(yǎng)箱進(jìn)行培養(yǎng)，溫度分別設(shè)置了2，7，15℃的3個(gè)溫度梯度，試驗(yàn)設(shè)置如表2所示，水體的攪動(dòng)采用磁力攪拌子攪拌，攪拌的速度設(shè)置在10轉(zhuǎn)/s，以期達(dá)到充分?jǐn)嚢?，光暗周期?2 h∶12 h。

2.3 樣品的分析處理

不定期對(duì)這6個(gè)環(huán)形培養(yǎng)槽及6只燒杯取樣，每次取水樣5 mL，加入1滴魯哥氏液固定后進(jìn)行顯微計(jì)數(shù);每次取樣之前，把各個(gè)槽(燒杯)的水樣進(jìn)行充分的攪動(dòng)，以達(dá)到水中藻體均勻分布。

營(yíng)養(yǎng)鹽的測(cè)定:溶解性總氮(STN)、溶解性總磷(STP)和溶解性硅(SSi)的測(cè)定方法參照國(guó)家環(huán)保部頒布的國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 光強(qiáng)和流速對(duì)漢江水華硅藻生長(zhǎng)的影響

從2010年1月24日采自漢江的原水在不同的流速和光照條件下進(jìn)行培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過7 d的培養(yǎng)后，到1月31日(圖2)，6個(gè)環(huán)形培養(yǎng)槽中的冠盤藻的密度由最初的6.81×106個(gè)/L，增加到平均密度為29.00×106個(gè)/L(密度范圍為28.35×106～31.48×106)，形成了較為嚴(yán)重的硅藻水華(藻體密度大于1.0×107個(gè)/L)，13 d之后(2月7日)，6個(gè)培養(yǎng)槽中的冠盤藻的密度都達(dá)到了密度峰值，平均密度為83.98×106個(gè)/L(密度范圍為72.18×106～118.17×106)，水色呈現(xiàn)黑褐色，第4個(gè)環(huán)形培養(yǎng)槽(光強(qiáng):25 μE/(m2·s)，流速:0.2m/s的環(huán)境下)中的冠盤藻的密度最高，達(dá)到了118.17×106個(gè)/L;而后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，冠盤藻的密度開始下降，到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，2月17日(23 d之后)，6個(gè)環(huán)形培養(yǎng)槽中的冠盤藻的平均密度仍然達(dá)到5.30×107個(gè)/L。

圖2 環(huán)形培養(yǎng)槽原江水培養(yǎng)的藻類密度的變動(dòng)情況Fig.2 Changes of phytoplankton abundance in unamended river water sample in six annular cultivation tanks

3.2 漢江水華硅藻在不同溫度和攪動(dòng)條件下生長(zhǎng)狀況研究

采集自漢江的原水樣在室內(nèi)進(jìn)行了不同溫度條件下培養(yǎng)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中冠盤藻的生長(zhǎng)狀況如圖3所示，在初始藻密度一致的條件下，經(jīng)過9 d的培養(yǎng)，7℃靜置培養(yǎng)的燒杯(B2)中藻密度最高，達(dá)到了75.79×106個(gè)/L;在15℃靜置培養(yǎng)環(huán)境下(C2)冠盤藻的密度明顯高于同溫度下攪拌培養(yǎng)(C1)。培養(yǎng)進(jìn)行到第14 d，處于2℃環(huán)境下培養(yǎng)的冠盤藻的密度明顯高于15℃(C1，C2)，略高于7℃靜置培養(yǎng)(B2)條件下的冠盤藻的密度。

圖3 不同溫度條件和攪拌作用下冠盤藻的生長(zhǎng)狀況Fig.3 Stephanodiscus hantzschii abundances in different water temperatures and different flow velocities

3.3 環(huán)境因子與藻類密度之間的相關(guān)關(guān)系

在室內(nèi)進(jìn)行的環(huán)形培養(yǎng)槽實(shí)驗(yàn)中，15 μE/(m2·s)和25μE/(m2·s)兩組光照條件對(duì)冠盤藻生長(zhǎng)影響不顯著(p＞0.05)，在0～0.5m/s的不同的攪拌速度培養(yǎng)條件下對(duì)冠盤藻生長(zhǎng)影響沒有顯著差異(p＞0.05)。

在不同的溫度條件下，溫度與冠盤藻的密度呈一定的負(fù)相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系不明顯(Pearson r=－0.180，p=0.475)。冠盤藻的密度與溶解性總氮和溶解性總磷呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(Pearson r=－0.570，p=0.013，Pearson r=－0.574，p=0.013)，與溶解性硅呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(Pearson r=0.600，p=0.009)。

表3 藻體密度與理化因子之間的相關(guān)性關(guān)系Table 3 Correlations between phytoplankton density and physico-chemical parameters

4 討論

近年來，世界各地水華事件頻繁發(fā)生。世界最大規(guī)模的三峽工程建成蓄水后不久，在庫(kù)區(qū)及其支流已多次報(bào)道了嚴(yán)重的水華事件［7－9］;漢江中下游自上個(gè)世紀(jì)90年代以來，已發(fā)生7次影響較大的早春硅藻水華事件。況琪軍等［3］研究認(rèn)為，漢江中下游水體中豐富的氮磷營(yíng)養(yǎng)是導(dǎo)致硅藻大量繁殖形成水華的主要原因;陳根祥等［2］通過研究漢江早春期間的水文因素，認(rèn)為漢江冬春季適應(yīng)的水文條件的變化是水華發(fā)生的主要因素之一，并從水文角度提出了漢江水華的預(yù)警水位和流量，另外還指出較高的長(zhǎng)江水位對(duì)漢江武漢段產(chǎn)生了明顯的頂托作用;王紅萍等［10］等利用模型研究了水文因素對(duì)藻類水華的作用機(jī)理;殷大聰?shù)龋?1］從種源來源的角度分析了漢江中下游早春硅藻水華暴發(fā)的原因。以上這些研究為漢江早春硅藻水華預(yù)防控制提供了科學(xué)指導(dǎo)。

然而，自上個(gè)世紀(jì)90年來以來的20多年里，報(bào)道了7次大規(guī)模的漢江早春硅藻水華事件，針對(duì)漢江早春水華硅藻的生物學(xué)特性的研究國(guó)內(nèi)至今卻未見報(bào)道。從我們的研究結(jié)果來看，漢江早春水華硅藻——漢斯冠盤藻(Stephanodiscus hantzschii)對(duì)低溫有著較好的耐受性;Ha等研究了韓國(guó)Nakdong河流中藻類的季節(jié)演替規(guī)律發(fā)現(xiàn)，冠盤藻在3～10℃的溫度范圍內(nèi)都是其適宜的生長(zhǎng)溫度區(qū)間［12］，這與我們的研究結(jié)果相一致。從流速對(duì)冠盤藻生長(zhǎng)的影響結(jié)果看，在試驗(yàn)設(shè)定的流速范圍內(nèi)(0～0.5m/s)，冠盤藻的生長(zhǎng)繁殖速率無明顯差異，在2010年水華期間，通過對(duì)發(fā)生硅藻水華的河段進(jìn)行了流速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)水華發(fā)生的河段，水體流速范圍波動(dòng)較大，在0～0.76m/s流速河段內(nèi)，都有水華發(fā)生，這也就解釋了漢江中下游硅藻水華為何總是發(fā)生在冬春季節(jié)，因?yàn)檫@期間漢江正處于枯水期，流量流速都較低，水溫也是一年中最低的時(shí)期，適宜的氣候和水文條件觸發(fā)了漢江早春硅藻水華的暴發(fā)。

在本試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，硅元素的濃度與冠盤藻的密度之間有著極顯著的相關(guān)關(guān)系，說明硅元素在硅藻的生長(zhǎng)過程中有著非常重要的作用。早在1979年，日本學(xué)者Tsunogai［13］對(duì)硅元素在春季硅藻水華中的作用提出了硅元素地位假說，指出在春季期間，各種營(yíng)養(yǎng)鹽都充足的條件下，硅藻就會(huì)成為優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)類群而導(dǎo)致硅藻水華;該作者還指出，在海洋中，硅殼中的硅與磷的原子之比遠(yuǎn)大于海水中的比例，當(dāng)海水中的硅幾乎被硅藻消耗殆盡的時(shí)候，鞭毛藻就會(huì)取代硅藻而成為優(yōu)勢(shì)類群，這一結(jié)論也適用于解釋漢江早春硅藻水華發(fā)生的原因，由于水體中硅元素含量較高，使得硅藻在生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位而成為優(yōu)勢(shì)種群，最終導(dǎo)致水華的發(fā)生，加上漢江水華發(fā)生期，漢江流域處于冬春季節(jié)，水溫較低，浮游動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖受到抑制，使得硅藻的被攝食壓力減小，隨著水溫的升高，浮游動(dòng)物增殖加快，增加了對(duì)硅藻的攝食壓力，促進(jìn)硅藻水華的消亡。

以往的研究結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)水溫為7～15℃左右，水流速度低于0.7m/s的時(shí)候是漢江水華發(fā)生的臨界閾值，而本研究結(jié)果顯示，冠盤藻水溫為2℃左右生長(zhǎng)繁殖良好，與15℃條件下無顯著差別，這顯示了冠盤藻對(duì)低溫環(huán)境有著較好的適應(yīng)性。此外，通過采集漢江水華初期的原水樣在室內(nèi)培養(yǎng)的結(jié)果表明，漢江水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度在短時(shí)間內(nèi)足以滿足硅藻快速增殖而形成水華的需要，表明了近年來漢江水體的富營(yíng)養(yǎng)化形勢(shì)較為嚴(yán)峻。

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