嚴(yán) 巖,吳懿婷,周川喬,馬 天,許曉光,鄧 楊

(1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院,江蘇 南京 210036)(2.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210023)

湖泊是地球表層系統(tǒng)中各個(gè)圈層相互作用的聯(lián)接點(diǎn)[1-2],對(duì)區(qū)域乃至全球尺度上的物質(zhì)循環(huán)具有重要的影響[3]. 隨著湖泊富營(yíng)養(yǎng)化加劇,世界各地頻繁發(fā)生藻類(lèi)水華事件[4-6]. 富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中,藻類(lèi)水華在夏季頻繁爆發(fā),并且受風(fēng)向和水流等環(huán)境因子的影響,藻類(lèi)大量聚集在湖灣及湖濱帶. 藻類(lèi)在表層水體中聚集,形成不同聚集厚度的藻類(lèi)聚集層,抑制了周?chē)w的復(fù)氧;同時(shí)藻類(lèi)聚集層下方的藻類(lèi)快速衰亡,從而加快水體溶解氧的消耗,導(dǎo)致周?chē)w迅速形成缺氧狀態(tài)[7]. 藻類(lèi)殘?bào)w沉降到水-沉積物表面,大量聚集形成豐富的藻類(lèi)有機(jī)質(zhì),會(huì)對(duì)沉積物的進(jìn)一步礦化產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用. 這可能是由于微生物會(huì)優(yōu)先利用不穩(wěn)定碳源(如藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)),不穩(wěn)定碳源含量過(guò)高對(duì)土著微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用,從而使原有沉積物有機(jī)質(zhì)的礦化速率降低[8-10],但是不穩(wěn)定碳源含量合適則會(huì)通過(guò)微生物間的能量傳遞來(lái)激發(fā)土著微生物產(chǎn)生大量胞外酶,進(jìn)一步提高沉積物的礦化速率[11-13],同時(shí)也會(huì)加速溫室氣體二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)在湖泊水-氣界面的排放[14-15]. 近年來(lái),已有研究表明夏季太湖竺山灣湖濱帶,藻類(lèi)殘?bào)w聚集厚度可達(dá)數(shù)厘米以上,表層水體中藻密度可達(dá)1013cells/L[16-18],使得該區(qū)域的溫室氣體(CO2、CH4和N2O)排放量顯著高于開(kāi)闊湖區(qū)水域,并且CO2、CH4和N2O的排放量與水體碳、氮和磷的濃度存在相關(guān)性[15,19]. Xiao等[20]對(duì)太湖溫室氣體(CH4)排放的研究展示出水體透明度、溶解氧濃度(DO)及藻類(lèi)分布等均對(duì)CH4排放有重要影響. 藻類(lèi)聚集區(qū)是CO2、CH4和N2O 3種溫室氣體重要的潛在排放源[21],藻類(lèi)的聚集衰亡對(duì)湖泊溫室氣體的釋放產(chǎn)生重要影響,但是目前對(duì)于不同聚集厚度藻類(lèi)分解過(guò)程中上覆水中碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度變化和CO2、CH4和N2O 3種溫室氣體的排放情況,以及二者之間的潛在聯(lián)系鮮有報(bào)道.

太湖竺山灣湖濱帶是藻類(lèi)聚集的嚴(yán)重區(qū)域,湖面上生長(zhǎng)出來(lái)的藻類(lèi)隨著東南風(fēng)作用聚集于此,快速腐爛、分解,導(dǎo)致其周邊水質(zhì)惡化,并且迅速降低水體的DO,形成適合溫室氣體產(chǎn)生的厭氧環(huán)境. 在野外實(shí)際條件下,太湖藻類(lèi)甚至可達(dá)1 m聚集厚度的藻類(lèi)聚集量[19]. 本實(shí)驗(yàn)選取太湖竺山灣符瀆港附近藻類(lèi)、上覆水和沉積物作為實(shí)驗(yàn)材料,根據(jù)課題組前期關(guān)于藻類(lèi)聚集厚度進(jìn)行的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究方法[22],通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),闡明不同聚集厚度的藻類(lèi)對(duì)溫室氣體排放通量及水體碳、氮、磷的動(dòng)態(tài)變化的影響,為深入研究湖濱帶藻類(lèi)聚集分解過(guò)程對(duì)水環(huán)境及溫室氣體的影響提供參考.

1 材料與方法

采樣點(diǎn)位于太湖竺山灣符瀆港附近(31°14′45.61″N,120°0′45.01″E). 于 2019 年 9 月,利用Petersen采泥器采集表層沉積物. 返回實(shí)驗(yàn)室后,新鮮沉積物樣本被篩分(1 mm濾網(wǎng)),以去除植物殘?jiān)拓悮に槠? 上覆水是收集的原位水,水樣經(jīng)過(guò)0.45 μm濾網(wǎng)過(guò)濾后,混勻,待用. 藻類(lèi)樣品在以微囊藻為主的表層水華中收獲,使用浮游生物網(wǎng)(64 μm目)過(guò)篩.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

實(shí)驗(yàn)在直徑為20 cm、高度為200 cm的有機(jī)玻璃管中進(jìn)行. 首先在容器底部放入20 cm新鮮沉積物,然后向每個(gè)有機(jī)玻璃管中緩慢加入已過(guò)濾的太湖原位水(水位達(dá)到1.5 m),最后加入藻類(lèi)樣品. 設(shè)定藻類(lèi)樣品添加厚度分別為3 cm、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm(由于研究位點(diǎn)的水域無(wú)明顯的水面,幾乎都被藻類(lèi)所覆蓋,因此未設(shè)置不添加藻類(lèi)的對(duì)照組). 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后,分別在第1、2、3、4、5、6、8、10、12、14 d采集樣品,共計(jì)10次采樣. 另外,夏季太湖湖水溫度被設(shè)定為30 ℃[23-25]. 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.

數(shù)據(jù)作圖、分析分別采用Origin 2018、SPSS 18.0軟件.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體中碳、氮、磷濃度的動(dòng)態(tài)變化

圖2 水體DO、ORP、TOC、TP、TN和濃度的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of DO,ORP,TOC,TP,TN and concentrations in water

2.2 CO2、CH4和N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化

不同聚集厚度下藻類(lèi)分解產(chǎn)生的CO2、CH4和N2O的排放通量均表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì). 其中各處理組CO2的排放通量在實(shí)驗(yàn)前8 d均處于緩慢上升階段,第8 d后CO2的排放通量呈現(xiàn)快速上升的狀態(tài). 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),藻聚集厚度為3 cm、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm的處理組,其CO2排放通量分別達(dá)到238.32 mg·m-2·h-1、259.73 mg·m-2·h-1、313.15 mg·m-2·h-1、404.03 mg·m-2·h-1和489.18 mg·m-2·h-1(圖3a). 各處理組的CH4排放通量在實(shí)驗(yàn)初期(第1～6 d)上升速率較慢. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),藻聚集厚度為3 cm、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm的處理組,其CH4排放通量分別達(dá)到25.53 mg·m-2·h-1、30.62 mg·m-2·h-1、35.10 mg·m-2·h-1、38.83 mg·m-2·h-1和58.85 mg·m-2·h-1(圖3b). N2O均在第10～14 d內(nèi)上升速率最快. 藻聚集厚度為3 cm、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm的處理組,其N(xiāo)2O排放通量在這期間分別增加1.22 mg·m-2·h-1、1.67 mg·m-2·h-1、3.22 mg·m-2·h-1、3.99 mg·m-2·h-1和4.83 mg·m-2·h-1(圖3c). 藻類(lèi)衰亡分解過(guò)程中,氣態(tài)碳主要以CO2的形式向外界釋放,其CO2最高排放通量是CH4的8倍.

圖3 CO2、CH4和N2O排放通量的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamical changes of CO2,CH4 and N2O emission fluxes

2.3 水環(huán)境因子與CO2、CH4和N2O排放通量的相互關(guān)系

表1 水體理化指標(biāo)與N2O、CH4和CO2排放通量的相互關(guān)系Table 1 Relationship between physical and chemical indexes of the water body and emission fluxes of N2O,CH4 and CO2

3 討論

4 結(jié)論

(2)富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊藻類(lèi)衰亡分解過(guò)程中不僅向水體釋放碳、氮、磷,還會(huì)產(chǎn)生溫室氣體(CO2、CH4和N2O)的排放,并且隨著藻聚集厚度的增加而增加. 其中氣態(tài)碳主要以CH4和CO2的形式排放到大氣中,但該過(guò)程中有機(jī)質(zhì)礦化的微生物作用有待進(jìn)一步研究;

(3)富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊藻類(lèi)聚集區(qū)通過(guò)定期打撈減少藻聚集厚度,不僅可以有效減少內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入,而且還能夠減少藻類(lèi)聚集區(qū)的溫室氣體(CO2、CH4和N2O)排放.