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河湖水体浮游植物群落生态特征与富营养化控制因子研究

许海  
【摘要】:人类社会的发展和扩张导致了全球范围内自然资源的过度开发、土地利用方式的巨大变化,不仅对陆地生态系统影响巨大,对水生态系统也是如此,其结果导致了自然环境的不断恶化。在对水生态系统的影响中,富营养化是最受关注的问题之一,而人类活动直接或间接地对自然界氮磷循环的强烈影响是造成这一问题的根本原因。因此,人类活动与水华发生之间的关系问题是目前蓝藻水华研究急需回答的科学问题。 本文主要对不同人为活动影响下的河湖水质和浮游植物群落进行了野外生态调查,以阐明不同类型水体的污染特性和浮游植物的生态分布特征;再通过室内蓝藻和绿藻营养生理生态的比较研究,探索蓝藻水华产生的营养学机理;通过室内藻类生长潜力研究,揭示水体蓝藻产生原因和初级生产力的控制因素,为水体富营养化和蓝藻水华的治理提供科学依据。具体研究内容和结果如下: 1)对太湖河网区不同人为活动影响下的河湖水质进行了周年定位监测,对获得的理化指标进行了主成分分析,结果表明:太湖地区不同类型水体主要污染分为三类,第一类是NH4+-N和PO43-P污染,主要分布在城市生活区和农村畜禽养殖区的河道;第二类是N03--N污染,主要分布在太湖和农田区的河道;第三类主要是浮游植物快速生长导致的透明度降低,pH升高,体现了水质污染的生态后果,主要发生在太湖和鱼塘水体。分析表明太湖氮污染主要来自农田施肥,但在夏季丰水期,城市居民生活污水和农村畜禽养殖污水也会成为重要污染源。 2)对太湖河网区不同人类活动影响下的河湖水体浮游植物群落进行周年监测,结果表明:浮游植物群落变化与水质污染程度存在十分明显的内在联系,沿着水库、农田区河道、农村生活区河道、畜禽养殖区河道、城市生活区河道这一主线,浮游植物经历了从清洁种到污染种的演变过程,但河流水体较少出现蓝藻水华。 对同一水系不同营养水平城市湖泊的浮游植物群落进行周年监测,结果表明:蓝藻水华既可发生在氮磷浓度很高的玄武湖,也可发生在氮磷浓度很低的琵琶湖,仅根据水体氮磷营养盐浓度很难解释蓝藻水华发生的原因。 3)利用批量培养试验比较研究了氮磷营养盐对铜绿微囊藻(Microcystis aerugiuosa)和斜生栅藻(Scendesmus obliquus)生长的影响,并应用Monod方程计算了两种藻的营养动力学参数(μmax、Ks)。结果表明,铜绿微囊藻和斜生栅藻比生长速率(μ)随着总氮或总磷浓度的升高而升高,但都存在拐点,当总氮或总磷为单一限制性底物时,铜绿微囊藻和斜生栅藻比生长速率快速增长的氮浓度区间分别为0.00-2.00 mg·L1和0.00-4.00 mg·L1,磷浓度区间分别为0.00-0.20 mMg·L-1和0.002-0.50 mMg-L-1;氮营养充足时,铜绿微囊藻和斜生栅藻的最大生长速率分别为0.230/d和0.410/d,半饱和常数分别为0.14 mg·L1和0.24 mg·L-1;磷营养充足时,铜绿微囊藻和斜生栅藻的最大生长速率分别为0.250/d和0.395/d,半饱和常数分别为0.015 mg·L1和0.031 mg·L1;根据生长动力学参数可以预测,氮磷营养缺乏的水体中,容易形成铜绿微囊藻优势,氮磷营养丰富的水体中,容易形成斜生栅藻优势。 在不同磷水平下观察氮磷比对铜绿微囊藻和斜生栅藻生长的影响,试验结果表明:铜绿微囊藻和斜生栅藻在磷浓度为0.02 mg·L1水平时,生长的最适氮磷比均为64:1;在磷浓度为0.20 mMg·L-1水平时,生长的最适氮磷比分别为32:1和64:1;在磷浓度为2.00 mg·L-1水平时,生长的最适氮磷比分别为4:1和8:1。两种藻生长的最适氮磷比实质是满足自己的营养生理需求,与水体营养水平密切相关;两种藻的营养需求不同,最适氮磷比也不相同。 利用不同形态氮磷培养铜绿微囊藻和斜生栅藻,观察氮磷形态对两种藻生长的影响,试验结果表明:在氮饥饿条件下,不同浓度的铵氮、硝氮和尿素均能促进铜绿微囊藻和斜生栅藻生长,但尿素和铵氮的营养效果更好;8.00 mg·L-1铵氮浓度对铜绿微囊藻表现出毒害作用,但对斜生栅藻没有影响。在磷饥饿条件下,不同浓度的磷酸二氢钾、甘油磷酸钠和ATP均能促进铜绿微囊藻和斜生栅藻生长,在磷浓度为2.00mg·L-1时,铜绿微囊藻在甘油磷酸钠和ATP培养条件下可以获得更高的最大现存量。 铜绿微囊藻和斜生栅藻在BG11培养基中连续转接四次后进行氮磷饥饿培养,结果表明:铜绿微囊藻对磷饥饿的耐受能力强于斜生栅藻,但对氮饥饿的耐受能力低于斜生栅藻。 4)利用不同营养水平的河湖水体进行藻类生长潜力试验,结果表明:前湖、月牙湖和琵琶湖水体不利于铜绿微囊藻和斜生栅藻生长;玄武湖水体仅利于铜绿微囊藻生长;护城河水体对两种藻均能促进生长,以铜绿微囊藻为优势;清溪河水体对两种藻均能促进生长,以斜生栅藻为优势,表明不同污染程度的水体具有不同的藻类生长潜力,适宜不同的藻类生长。当添加高浓度氮磷时,四个湖泊水体均能促进铜绿微囊藻和斜生栅藻生长,揭示氮磷浓度是湖泊水体藻类生长潜力的重要限制因素。氮磷限制因子试验表明,氮是夏季四个城市湖泊藻类生长的主要限制因子。 添加不同来源污水对太湖水体藻类生长潜力的影响试验表明:生活污水、畜禽养殖污水和土壤浸提液加入湖水对斜生栅藻的生长均具有显著的促进作用,但适宜的浓度范围不同。等氮磷浓度情况下三种不同来源的污水添加到太湖水体对藻类增长潜力的影响与纯氮磷添加的影响没有显著差异,揭示当前太湖治理过程中对污染源应进行综合彻底的控制。太湖水体的氮磷限制因子试验表明,单独添加氮处理对藻类生长没有促进作用,而单独添加磷或同时添加氮磷处理对藻类生长促进作用较大,可见磷为太湖水体藻类生长的主要限制因子,应成为污染源控制的重点。


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