太湖藍藻腐爛后對沉水植物的影響

太湖藍藻腐爛后對沉水植物的影響

由于富營養(yǎng)化，湖泊蘭藻的爆發(fā)引起了人們的關(guān)注。從20世紀80年代末,太湖北部的梅梁灣就開始頻繁爆發(fā)藍藻水華。此后太湖藍藻水華爆發(fā)愈演愈烈,沉水植物分布區(qū)的面積呈下降趨勢,以微囊藻水華為特征的藻型生態(tài)系統(tǒng)在主要湖區(qū)越來越穩(wěn)定。治理湖泊的一個經(jīng)濟有效的途徑就是恢復水生植物。因為沉水植物是湖泊中的初級生產(chǎn)者,是湖泊演化和湖泊生態(tài)平衡的重要調(diào)控者。在有沉水植物存在的湖泊生態(tài)系統(tǒng)中,水質(zhì)可以得到有效地改善。因此,沉水植物修復對太湖富營養(yǎng)化治理具有非常重要的意義。隨著藍藻水華頻繁爆發(fā),沉水植物分布面積越來越少,太湖湖泊由草型生態(tài)系統(tǒng)漸變到藻型生態(tài)系統(tǒng),而主要原因機理至今還沒形成統(tǒng)一完整的體系。活體藻類可以通過遮光、營養(yǎng)競爭,藻毒素或他感作用等途徑來影響沉水植物的生長[9,10,11,12,13,14]。但死亡降解腐爛后的藍藻對沉水植物會造成多大損害,會對水質(zhì)產(chǎn)生多大的變化,此方面的具體研究較少。僅有少量關(guān)于絲狀藻類腐爛過程對沉水植物的影響的報道。夏季太湖藍藻水華暴發(fā),且在湖岸或湖灣處大量堆積,這些地方常常是水生植物生長區(qū)域。這些堆積的藍藻死亡、腐爛后的產(chǎn)物對水生植物會造成什么樣的影響,不是很清楚。鑒于此,我們針對藍藻腐爛后對水質(zhì)和水生植物的影響進行了研究,旨在揭示沉水植物衰退消亡的機制,為富營養(yǎng)化淡水生態(tài)系統(tǒng)沉水植物的恢復提供理論依據(jù)。1水質(zhì)、水文、水質(zhì)指標本實驗于2010年8月底,位于無錫市太湖梅梁灣處的中國科學院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(簡稱太湖站)進行。采用25號浮游生物網(wǎng)撈取太湖站旁漂浮在水表面的藍藻水華(體積為500mL),將其裝入瓶內(nèi)于避光條件下降解1個星期。在生態(tài)室陽光充足的地方共設(shè)置3個等體積的透明玻璃培養(yǎng)缸(高×長×寬為40cm×30cm×20cm)。為模擬太湖的環(huán)境,在培養(yǎng)缸內(nèi)鋪置取自太湖大浦口及梅梁灣處的表層混合底泥,厚度約為8cm,上層水體積約為12L自來水。靜置2d使整個系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。沉水植物選用穗花狐尾藻,采自太湖站的水生植物培養(yǎng)區(qū),用純水將其小心洗凈,去掉粘附在表面的附著生物及其他雜質(zhì)。挑選8—10株長勢一致、生長良好、長約10cm的狐尾藻頂枝(去原根)植入同一個培養(yǎng)缸內(nèi)。幾天后,狐尾藻長出新根,即認為該植株及整個系統(tǒng)穩(wěn)定。于穩(wěn)定后的第一天7:00時刻將藍藻腐解液分成等體積的2份,即每份250mL藻腐解液投入每個培養(yǎng)玻璃缸內(nèi)。另一玻璃缸不加入藻腐解液作為對照組。在投入之前于每缸內(nèi)任取其中一棵植株用水下飽和脈沖葉綠素熒光儀(Diving-PAM)儀器測定其頂枝葉的Fv/Fm值。取少量水樣采用鉬銨酸分光光度法測定磷酸根濃度。投入濃度約為0.47g/mL藍藻腐解液半小時后,再從3個玻璃缸內(nèi)采取少量水樣,待測。水體中的溫度、pH值、溶解氧、濁度、電導率、鹽度指標采用YSI6600V2型儀器現(xiàn)場測定,以上各指標于當天及第2天每隔2—4h采樣并測定1次。采用YSI儀器測定的指標不一定精確,但可用于對比分析。2結(jié)果2.1藍藻腐解液投放之前實驗組和對照組體系的評價研究表明,梅梁灣的藍藻水華,從7月至9月,微囊藻屬幾乎完全占據(jù)優(yōu)勢,9月份藍藻門百分比高達90%。本實驗投放的藻液濃度很高,是為模擬太湖藍藻水華爆發(fā)時湖岸帶高度堆積的藻類現(xiàn)象。由圖1可見,藍藻腐解液對水體水質(zhì)的影響較大。在投放藍藻腐解液之前,由于實驗組和對照組體系的處理過程都是一樣的,故可認為各玻璃缸內(nèi)的水體水質(zhì)指標都是相接近的。此現(xiàn)象可以由圖中的pH值來反映。在投放之前對照組和實驗組的pH值無差異。圖1中在投放的半小時后,實驗組的pH值較對照組顯著降低。與對照組相比,濁度、電導率在藻腐解液投入水體中的2h后顯著升高,鹽度也呈現(xiàn)微弱上升趨勢。pH值、溶解氧則顯著下降。而實驗組的水體中的溫度與對照組無明顯差異。圖1中對照組的溫度、溶解氧、pH值出現(xiàn)顯著的日變化規(guī)律,都呈單峰曲線,且最高點出現(xiàn)在白天15:00左右。2.2po33-濃度和磷源濃度的變化本實驗在藍藻腐解液投入水體后,由圖2可見,PO43-濃度在極短時間內(nèi)提高幾倍甚至幾十倍之高,這為水體中提供了不少磷源。在投入藍藻腐解液8h內(nèi),PO43-濃度出現(xiàn)先上升后下降的趨勢,此后實驗組和對照組中水體中的PO43-濃度都無明顯差異,處于低水平狀態(tài)。而對照組中水體的PO43-濃度一直處于較低的水平。2.3實驗組與對照組生物污染率的比較Fv/Fm是光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的最大光化學量子產(chǎn)量,于葉暗狀態(tài)下適應(yīng)20min后測得。非脅迫條件下該參數(shù)的變化極小,不受物種和生長條件的影響。脅迫條件下該參數(shù)明顯下降。由圖3所示,在投放藍藻腐解液后的8h內(nèi),實驗組中的狐尾藻的Fv/Fm與對照組中的無顯著差異,說明該植物對環(huán)境的突然改變有個緩沖機制。而在8h后,其Fv/Fm比值急速下降。與第2天7:00測得的值低至0.5左右,說明實驗組中的狐尾藻已經(jīng)受到明顯的脅迫。在隨后的幾個小時內(nèi)測得的狐尾藻的Fv/Fm比值則低至0.3以下,且觀察到狐尾藻頂枝葉變黃且極易脫落,一些植株的根部已經(jīng)開始腐爛。此現(xiàn)象表明,實驗組中的狐尾藻在投入藍藻腐解液后的第2天就開始死亡。而對照組中的狐尾藻的Fv/Fm比值則一致保持在0.8左右,屬于正常情況。通過后面幾天的肉眼觀察,平行組中的水體陸續(xù)出現(xiàn)變黑的現(xiàn)象,而對照組中的水體清澈見底。3堿土酸鈉h和藍藻或藍藻對土壤中磷的降解效果差,我國藍藻h對照組中的溫度、溶解氧、pH值出現(xiàn)顯著的日變化規(guī)律,都呈單峰曲線特征。此現(xiàn)象由沉水植物狐尾藻光合作用的影響所致,與王永平研究苦草的光合作用日變化對水質(zhì)影響的結(jié)果一致。而在實驗組中,投入藻腐解液處理后,溶解氧、pH值顯著降低,且一直保持低水平狀態(tài),并未出現(xiàn)單峰曲線現(xiàn)象。隨著藍藻降解液的投入,水體中的pH值、溶解氧顯著下降,濁度明顯上升。這說明藍藻降解可能產(chǎn)生了大量的酸性、還原性物質(zhì)以及有機懸浮物質(zhì)。懸浮物質(zhì)主要是藍藻的降解殘留物,是導致水體中濁度迅速上升的主要原因。研究表明,穗花狐尾藻是一種較為耐受懸浮泥沙水體的沉水植物,在濁度為90NTU時,其光合作用卻隨水體濁度的增加而降低,但對其光合系統(tǒng)PSⅡ,抗光抑制能力并無產(chǎn)生顯著影響。在本實驗組中,水體的濁度最多上升到200NTU至300NTU左右,所以藍藻的降解殘留物對沉水植物造成了較大影響。此外,溶解氧顯著降低對植株的根部很不利,銨可能會對沉水植物造成危害。雖然本實驗未測定銨根離子濃度,無法說明本實驗中的銨根離子是否作為沉水植物于第2天開始死亡的主要影響因子。但據(jù)金相燦等研究表明,穗花狐尾藻對氨氮具有較強的耐受性,生長7d后,在氨氮質(zhì)量濃度為1.5—4mg/L范圍內(nèi)均表現(xiàn)正常生長,而當其質(zhì)量濃度達到8.0mg/L時,穗花狐尾藻生長才受到脅迫,且從表觀上觀察植株仍能正常生長。值得注意的是,本實驗于藍藻降解液投入后在短短2d之內(nèi),狐尾藻從表觀上就瀕臨死亡狀態(tài)。故本實驗中,導致狐尾藻2d內(nèi)快速死亡,是藍藻降解液產(chǎn)生的多種因素引起的綜合結(jié)果,而不只是由某單個因素引起,至于是何種因素起的作用起主導作用,還有哪種可能的因素在起著關(guān)鍵性作用,還有待進一步研究。本實驗組中的pH值顯著降低,在投入藍藻腐解液的半小時內(nèi)就由偏堿性降至偏酸性,且2h后pH值始終保持在7左右,處于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838———2002)Ⅲ類水質(zhì)標準中(pH值為6—9)范圍之內(nèi)。有研究表明,狐尾藻具有較低的CO2補償點,可利用較低水平的CO2,同時又可在堿性水體中利用HCO3-,具有較強的耐pH值變化能力。故pH值的下降并不會對狐尾藻產(chǎn)生多大影響。藍藻腐爛降解釋放出大量的營養(yǎng)元素,尤其是作為水體浮游藻類的限制性營養(yǎng)元素的磷,為藍藻二次暴發(fā)提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。由圖2可明顯看出,藍藻腐解液確實能在短時間內(nèi)帶來大量的磷。加入藍藻腐解液8h內(nèi),處理組2個平行樣之間磷酸根濃度差距較大。此結(jié)果可能是由底泥吸附平衡導致。結(jié)合圖2和圖3來看,在投入藍藻腐解液后的8h內(nèi),實驗組水體溶液中PO43-含量變化較大,可高達0.4mg/L左右,但相對應(yīng)的沉水植物的Fv/Fm值并沒有明顯變化。這反映了沉水植物狐尾藻可以對較高濃度的磷酸鹽濃度具有較高的耐受能力。此結(jié)果與王小冬研究的伊樂藻能耐受高濃度的氮磷營養(yǎng)鹽的結(jié)果一致,而太湖中水體的總磷含量年變動范圍為0.05—0.27mg/L,從而也說明了藍藻降解造成的水體中磷酸根離子短時間劇烈變化并不是導致沉水植物的死亡的主要原因。此結(jié)果與郭俊秀的實驗結(jié)論一致。由圖3及從表觀上觀察得出,狐尾藻由第2天就開始出現(xiàn)死亡現(xiàn)象,這說明藍藻腐解液在極短時間內(nèi)對沉水植物造成毀滅性災害。究其哪個因素是主導因子,還有待于進一步研究。由本實驗分析得出,pH值降低及水體中磷酸根離子短時間內(nèi)升高并不是主導因子。藍藻死亡腐解后產(chǎn)生的一系列化感物質(zhì)與水體水質(zhì)的劇變(如濁度增加,溶解氧降低等)的協(xié)同作用,是致使沉水植物穗花狐尾藻快速死亡的原因。此現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)具有重大生態(tài)意義。本研究排除了附著生物對沉水植物的影響,因為附著生物在2d時間內(nèi)是不能迅速生長起來的。因此,此研究可以引導后期研究人員從新的角度考慮,湖泊富營養(yǎng)化引起的藍藻的爆發(fā)導致沉水植物消亡,其腐解液能夠起著極其重要的破壞作用。此外,本實驗是在較小的封閉環(huán)境條件下完成的,封閉的水體與湖泊中開闊的水體可能存在一定的差異。即便如此,耐污能力強的狐尾藻因受藍藻腐解液的影響在短時間內(nèi)相繼死亡,此現(xiàn)象可折射出湖灣大量藍藻堆積死亡腐爛后造成的影響的嚴重性。4藍藻腐解液對水體中磷酸根離子的釋放規(guī)律1)藍藻腐解液能夠在極短時間內(nèi)對水質(zhì)產(chǎn)生非常大的影響。藍藻腐爛后使水體中的濁度、電導率升高,溶解氧、pH值急劇下降,而溫度變化不大。水體環(huán)境的水質(zhì)改變對沉水植物生長很不利。這需引起富營養(yǎng)化水域的水生植物修復工程實施的重視。2)藍藻死亡腐爛后在短時間內(nèi)對水體中的磷酸根貢獻較大,為藍藻二次暴發(fā)創(chuàng)造了條件。太湖中的底泥對藍藻腐解后釋放的大量磷酸根離子具有吸附作用。故大太湖中不同的底泥性質(zhì)決定了釋放的磷酸根在水