南海北部近岸海洋水體中溶解氧與氮磷和葉綠素的關(guān)系

南海北部近岸海洋水體中溶解氧與氮磷和葉綠素的關(guān)系

南疆海位于云南省大理市西北角，由北向南延伸，長42公里，最大寬度8.4公里。它屬于云南的第二個淡水湖泊。湖水正常水位為1374m（海防高度），平均水深為10.5m，最大水深為20.9m。麒麟是大理州居民的重要生活用水、農(nóng)業(yè)用水、旅游、發(fā)電和生態(tài)環(huán)境的交匯處，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著海洋及其周圍環(huán)境的發(fā)展和開發(fā)，海洋水域污染負(fù)荷增加，尤其是水體富營養(yǎng)化程度減輕，水生植物面積逐漸減少，魚類和底棲動物結(jié)構(gòu)不合理。溶解氧(dissolvedoxygen,DO)是指溶解在水中的分子態(tài)氧,在淡水生態(tài)系統(tǒng)和水環(huán)境生物地球化學(xué)循環(huán)中具有重要意義.DO是維持水體生態(tài)環(huán)境動態(tài)平衡的重要環(huán)境因子,以及維持水生生物生存的必備條件,并參與部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化.DO濃度能夠反映出水體受到的污染程度,特別是有機(jī)物的污染程度,是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo).有關(guān)研究表明:在比較清潔的河流和湖泊中,溶解氧一般在7.5mg·L-1以上;當(dāng)溶解氧在5mg·L-1以下時,各種浮游生物不能生存,大多數(shù)魚類則要求溶解氧在4mg·L-1以上;好氧微生物生存的先決條件是DO應(yīng)保持在2~5mg·L-1之間;當(dāng)溶解氧在2mg·L-1以下時,通常稱該水體低氧或缺氧(hypoxia),溶解氧為0mg·L-1時,被稱為無氧(anoxia).本研究針對洱海近年來水生生態(tài)系統(tǒng)退化,逐步由中營養(yǎng)向富營養(yǎng)轉(zhuǎn)化的環(huán)境現(xiàn)狀.通過對洱海水體中1992年以來的DO濃度及營養(yǎng)鹽含量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,分析DO與生態(tài)環(huán)境因素及營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化的關(guān)系,探討影響洱海水體溶解氧濃度的主要生態(tài)環(huán)境因素及其對水生生物和水體營養(yǎng)鹽遷移的影響,以期為修復(fù)洱海生態(tài)環(huán)境提供理論支撐.1材料和方法1.1方法及樣品采集歷史數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)和洱海“十一五”規(guī)劃報告以及大理州環(huán)保局月報.年度數(shù)據(jù)收集為1992~2008年的監(jiān)測數(shù)據(jù),不同月份數(shù)據(jù)收集為2001~2009年4月的監(jiān)測數(shù)據(jù).試驗采樣點位如圖1所示,在洱海全湖,根據(jù)水底地形及區(qū)域環(huán)境條件共部設(shè)17個點位,分別以不同數(shù)字標(biāo)記,2009年5~12月分別于每月10~14日采集各點混合水樣于樣品瓶內(nèi)放入恒溫箱帶回實驗室測定各項指標(biāo),現(xiàn)場使用多參數(shù)水質(zhì)測定儀分層測水體中DO濃度,其中84、105、117、142號點位表層測0.5m,垂向每隔2m水深測一次DO濃度直至水底層,每點位重復(fù)3次,其他點位測上中下3層.2009年5月10日用便攜式沉積物采樣器在各樣點采集10cm表層沉積物樣,每點位采1個平行樣共34個樣品,現(xiàn)場裝入封口袋冰盒內(nèi)保存,帶回實驗室冷凍干燥,研磨處理,測定各項指標(biāo).1.2總氮含量測定水體中DO濃度采用多參數(shù)水質(zhì)測定儀現(xiàn)場進(jìn)行測定.沉積物中可溶性氮的測定方法:采用1mol/LKCl溶液浸提沉積物樣品(水∶土=10∶1),在室溫(25℃)下恒溫振蕩1h(200r/min),然后在5000r/min條件下離心10min,取上清液過0.45μm玻璃纖維濾膜后,分別取液用紫外吸收法測定NO3--N含量,納氏試劑比色法測定提取液中NH4+-N含量,過硫酸鉀氧化法測定可溶性總氮含量.可溶性總氮與可溶性無機(jī)氮(NH4+-N、NO3--N之和)的含量之差即為可溶性有機(jī)氮(SON)含量.沉積物總磷:采用SMT法測定;沉積物磷形態(tài)分級,采用連續(xù)浸提法,稱取沉積物1g于100mL離心筒中加浸提劑50mL,振蕩、離心、過濾,鉬銻抗比色法測定浸提液中磷含量.提取流程如表1所示.無機(jī)磷(IP)為各級形態(tài)磷之和,有機(jī)磷(OP)為總磷和無機(jī)磷之差.2結(jié)果與分析2.1水體主要do空間特征1992~2009年洱海水體DO變化如圖2(a)所示.1992~2009年洱海水體DO在6.61~7.42mg·L-1之間,1997年最高,2006年最低,總體呈下降趨勢.主要分為3個階段,1992~1996年之間DO呈下降趨勢;1997年迅速升高,1997~2006年呈下降趨勢;2006~2009年DO略有升高.2001~2009年洱海水體各月份DO變化如圖2(b)所示.洱海水體各月份DO在6.42~7.74mg·L-1之間,總體呈先下降后上升趨勢,最大值出現(xiàn)在1月,最小值出現(xiàn)在9月.雖然近年來由于對洱海的治理保護(hù)力度加大,水體DO有所上升,但DO已接近浮游生物生存的下線(5mg·L-1),特別是個別月份.從DO的角度分析,洱海水體已由中營養(yǎng)級向中富營養(yǎng)級轉(zhuǎn)化.2009年洱海水體垂向DO變化如圖3所示,其中2009年各月份水體上層與底層DO變化見圖3(a),表層水體各月份DO在8.39~8.34mg·L-1之間,基本保持一致.底層水體各月份DO在5.15~7.28mg·L-1之間,各月份間呈先下降后上升趨勢,最大值出現(xiàn)在1月,最低值出現(xiàn)在9月,變化趨勢與多年月均值相一致.各點位水體DO空間變化如圖3(b)所示,湖泊水體2m以下DO由北向南呈遞減趨勢.各采樣點的DO隨著水體深度的增加總體上均呈下降趨勢,但有2個較為明顯的拐點,2m處和15m處.水深不足15m的點位,2m以下雖有所降低但變化不大.可見洱海是永久性好氧湖泊,即使在最大深度20m處DO仍有5.21mg·L-1,可以為浮游生物提供生存環(huán)境.2.2海洋水體的存在與湖泊水質(zhì)的影響2.2.1水體氮磷污染的季節(jié)和月際關(guān)系TN和TP是水生生物主要的營養(yǎng)元素,為反映水體營養(yǎng)狀況的重要指標(biāo).洱海水體中DO與TN和TP的多年(1992~2009年)均值相關(guān)性如圖4(a)和4(b)所示,TP與DO的多年均值相關(guān)性較小,但是TN與DO呈負(fù)相關(guān).DO與TN和TP多年(2001~2008年)月均值相關(guān)性如圖4(c)和4(d)所示,DO與TN和TP均呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性高于年均值,TP與DO的相關(guān)性達(dá)到極顯著(p<0.01).年季內(nèi)由于DO和TN、TP受多種因素相互作用,以及不同月份間平均作用,因此相關(guān)系數(shù)較小.洱海外源污染季節(jié)性差異較大所以月季間TN、TP和DO變化較明顯,相關(guān)性較好.表明隨著水體中氮磷濃度的增加水體DO呈下降趨勢.2.2.2磷吸附產(chǎn)物的活性特征沉積物中不同形態(tài)磷的遷移能力及生物有效性不同.沉積物中磷的存賦形態(tài)因分級方法及研究目的各不相同,本試驗沉積物中無機(jī)磷的存賦形態(tài)分為:弱吸附態(tài)磷(labileP)、可還原態(tài)磷(RSP)、鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)和鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P).各形態(tài)磷占總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與DO的相關(guān)性如圖5所示.labileP和有機(jī)磷(OP)與DO呈負(fù)相關(guān),無機(jī)磷(IP)、RSP和Fe/Al-P與DO呈正相關(guān),Fe/Al-P與DO相關(guān)顯著,Ca-P與DO相關(guān)性較小.表明表層沉積物labileP和OP隨著水體中DO的下降呈上升趨勢;RSP、Fe/Al-P和IP隨著水體中DO的下降呈下降趨勢.水體中的溶解氧決定了湖水-沉積物界面的氧化-還原狀態(tài),低DO,鐵氧化物被還原,所吸附的磷被釋放,沉積物中弱吸附態(tài)磷增加;高DO,二價鐵鋁離子被氧化,水體中可溶性磷被氫氧化鐵吸附而沉降,Fe/Al-P增加.水體中DO高,使表層沉積物微生物活動劇烈,增強(qiáng)對有機(jī)磷的礦化,從而使有機(jī)磷降低,無機(jī)磷含量升高.可見DO降低促進(jìn)沉積物中磷的釋放.沉積物中可溶性氮是向水體釋放的主要部分.可溶性氮主要分為氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)和有機(jī)態(tài)氮(ON).不同形態(tài)可溶性氮占可溶性總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與DO的相關(guān)性如圖6所示,NH4+-N與DO呈負(fù)相關(guān),NO3--N與DO呈正相關(guān),DON與DO相關(guān)性較小.表明隨著DO含量的降低表層沉積物中NH4+-N含量呈增加趨勢,NO3--N含量呈降低趨勢.當(dāng)環(huán)境中DO下降時,反消化菌活性增強(qiáng),其他形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化成NH4+-N,同時礦化過程加速,沉積物中NH4+-N含量升高,當(dāng)環(huán)境中DO升高時NH4+-N被氧化為NO3--N,沉積物中NO3--N含量升高.因此含氧量高的區(qū)域沉積物中NO3--N較高而含氧低的區(qū)域沉積物中NO4+-N含量較高.沉積物中氨氮含量遠(yuǎn)大于硝態(tài)氮含量,因此隨著DO的下降促了進(jìn)沉積物中氮的釋放.2.2.3魚類生物量對水體do的影響藻類作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的重要組成部分,在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用.Chla是表征水體藻類數(shù)量的重要指標(biāo),也是湖泊水質(zhì)的重要指標(biāo),洱海DO與Chla的關(guān)系如圖7所示.洱海水體中DO與Chla多年均值和多年月均值均呈負(fù)相關(guān).根據(jù)線性方程Y(Chla)=a×X(DO)+b,多年均值a值接近于月均值的2倍,表明DO與Chla之間的關(guān)系年際變化大于月季變化.例如1996年9~10月,洱海出現(xiàn)大規(guī)模藍(lán)藻暴發(fā),水體DO較低,近年來每年9月洱海均有部分區(qū)域發(fā)生藍(lán)藻水華,水體DO各月份間在9月最低.可見隨著藻類生物量的增加水體DO呈下降趨勢.3討論3.1海底地沿邊緣海文化洱海湖盆形成于更新世早期,是我國西南地區(qū)著名的斷陷湖泊.湖水主要來源于降雨和冰雪融水,湖盆呈南北向展布(圖1),中部最深處水深20.9m,湖盆南部中央水下平臺兩側(cè)分布有條形深槽.湖水主要由北部河流注入呈西南流向,河水含氧量較高.因此,水體DO北部高于南部.而洱海主風(fēng)向為西南風(fēng),風(fēng)速平均2.4~4.1m·s-1,瞬間風(fēng)速可達(dá)40m·s-1,使湖面水體向東北方向涌動,表層水體與下層水體出現(xiàn)躍層,從而使洱海水體DO垂向變化在2m處出現(xiàn)明顯的拐點.從圖1可見,由于湖底地形作用,水流受到湖底地形抬高阻隔在中部形成環(huán)流,從而使15m處水體出現(xiàn)躍層現(xiàn)象.因此水深20m的105號點位,水體在垂向上15m處DO形成明顯拐點.風(fēng)力和水流的反向運(yùn)動增加了表層和深層水體中DO的交換;深層水體的環(huán)流運(yùn)動增加深層水體DO垂向交換,從而使洱海水體DO較高.3.2原因三:道德溶解氧do對水體中磷的氧化還原作用洱海水體中氮、磷與DO呈負(fù)相關(guān).近年來由于洱海流域的不合理開發(fā)利用,使入湖污染物逐年增加,水體氮磷含量升高,藻類大量繁殖,通明度降低,水質(zhì)惡化,水生植被退化,因此近年來洱海水體中DO呈下降趨勢.一方面外源氮磷特別是有機(jī)氮磷進(jìn)入水體,部分發(fā)生轉(zhuǎn)化消耗氧氣使水體中DO下降;另一方面水體中氮磷含量的升高,有利于藻類的暴長,高等水生植被退化,減少對水體中氧的供應(yīng)能力,增加植物殘體分解耗氧量.洱海流域降雨量比較集中,6、7月是雨季的初始期,大量污染物隨徑流進(jìn)入洱海,通過轉(zhuǎn)化分解在9月氮磷達(dá)到最高值,由圖2可見洱海DO在9月最低.上覆水中DO能夠驅(qū)動湖泊底部沉積物-水界面的生化過程影響上覆水的水質(zhì).水體中的溶解氧決定湖水-沉積物的氧化-還原狀態(tài),當(dāng)水體DO低,氧化還原電位下降,三價鐵鋁離子被還原為二價離子,鐵氧化物被還原,所吸附的磷被釋放到間隙水中,沉積物中磷向水體擴(kuò)散提高上覆水中磷的濃度;當(dāng)水體中DO下降時,反消化菌活性增強(qiáng),其他形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化成NH4+-N,同時礦化過程加速,沉積物中NH4+-N含量升高,向上覆水中擴(kuò)散提高水體中氮的濃度.近年來洱海流域治理力度加大,外源氮磷輸入量減少,但隨著水體DO的下降內(nèi)源貢獻(xiàn)率逐漸增加.3.3魚類群落及食性物種群落結(jié)構(gòu)變化水生生物群落結(jié)構(gòu)不合理促使水體DO下降,同時DO的下降進(jìn)一步加劇生物群落結(jié)構(gòu)的惡化.從洱海水體中DO與Chla的相關(guān)性可見,隨著藻類的生物量的增加水體中DO呈下降趨勢,表明洱海藻類生物量過大,對水體產(chǎn)生負(fù)影響,成為近年來洱海含氧量下降的“助推器”.豐富多樣的水生植物群落結(jié)構(gòu)能夠使水體保持較高的DO含量,1997年7月和1998年3月洱海管理局2次移栽海菜花,在洱海形成海菜花群落,增加洱海沉水植物分布面積及群落多樣性,使1997年洱海DO含量迅速升高.近年來洱海沉水植物種類減少,物種多樣性下降,群落結(jié)構(gòu)單化,植被資源呈現(xiàn)退化趨勢,水生植被優(yōu)勢群落由原來的黑藻、苦草演變?yōu)槲X眼子菜,分布區(qū)域由水深10m退縮到4m以內(nèi).大型水生植物的退化,減弱其對藻類的抑制效應(yīng),使藻類數(shù)量劇增,種群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,近年來洱海藻類優(yōu)勢種群由硅藻和綠藻逐漸演變?yōu)樗{(lán)藻.同時水生植被的退化大量的有機(jī)碎屑沉積到沉積物表層,為微生物提供了大量的食物來源.魏中青等研究表明,洱海表層沉積物中的微生物以好氧微生物為優(yōu)勢種,生物量高,表層沉積物有機(jī)質(zhì)降解也較劇烈.從而使有機(jī)物分解耗氧加劇,水體DO逐年降低.隨著水體DO的下降洱海魚類及底棲動物結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化.研究表明,低氧環(huán)境減少魚類和底棲生物物種多樣性和豐度,有利于耐低氧種類的出現(xiàn),有利于小型且生命周期短的生物存活,K-選擇生物將被r-選擇生物取代,復(fù)雜的食物鏈將被簡單的食物鏈取代.我國學(xué)者研究也表明,在長江口季節(jié)性低氧區(qū)內(nèi),底棲生物中多毛類占有優(yōu)勢地位,低氧環(huán)境下,浮游攝食動物(suspendedfeeders)常被底層攝食動物(depositfeeders)代替;大型底棲生物被小型底棲生物代替;微鞭毛蟲和微小浮游生物通常成為浮游生物中的優(yōu)勢種.近年來隨著洱海水體DO的下降,洱海特有的魚類基本消失,魚類以肉食性及小型魚類占優(yōu)勢;浮游動物減少,底棲動物生物量降低,底棲動物主要集中在湖濱帶,而湖心深水區(qū)域分布較少,原有的大型底棲動物鐵螺基本消失,寡毛類雖然占有優(yōu)勢但生物量總體呈下降趨勢.隨