華南熱帶水庫豐水期浮游植物群落對氮、磷、鐵加富的響應
——以廣東大沙河水庫為例*

謝 靜,蘇宇亮,吳 斌,張 依,肖利娟,2**,顧繼光**

(1:暨南大學生態學系,廣州 510632) (2:廣東省水庫藍藻水華防治中心,廣州 510632) (3:珠海水務環境控股集團有限公司,珠海 519000)

富營養化是水生態系統最主要的環境問題之一,富營養化發生與防治是水生態學研究的熱點[1]。營養鹽的增加是富營養化發生的根本原因,浮游植物豐度增加是富營養化的主要表征,浮游植物與營養鹽的響應關系是富營養化防治的理論依據[1]。一般認為,淡水浮游植物主要受P限制,也稱為P限制范式,在這一主導范式下,人們主要關注P對浮游植物的作用[2]。事實上,自然條件下,浮游植物生長所需的多種營養鹽隨地表徑流同時進入水體,浮游植物群落改變是多營養鹽聯合添加的結果,而在P限制范式下,其他營養鹽的作用長期被忽視[3]。

N、P和Fe均是浮游植物生長必需營養鹽,流域人類活動帶來的污染和水土流失會導致流域N、P和Fe大量進入水體,同時水體季節性厭氧酸化也會導致內源P和Fe季節性釋放,N、P和Fe同時增加是水體普遍發生的現象[1,4]。隨著研究結果和經驗的積累,人們發現不僅是P,N和Fe增加對浮游植物生長的促進作用在湖泊中也廣泛存在[4]。例如,Guildford等[5]在非洲馬拉維湖進行的N、P和Fe的富集實驗表明,同時添加N、P和Fe時,Chl.a濃度是只添加N和P時的4倍。Wever等[6]在非洲坦噶伊卡湖的原位實驗也證實浮游植物群落受N、P和Fe的共限制作用。North等[7]在北美伊利湖東部近岸和敞水區水域進行的營養加富實驗表明,與單獨添加N和P相比,N、P和Fe的組合添加導致浮游植物生物量更大程度的增加。許海等[8]在我國太湖的原位實驗也證實在東太湖水域,Fe和N與P協同作用于浮游植物的生長。上述研究表明湖泊中浮游植物可能受N、P和Fe共限制,N和Fe與P共同影響浮游植物生長。

華南熱帶地區(北回歸線以南)屬于我國珠三角經濟區,水庫蓄水是該地區重要的水源,水庫富營養化的防治是保障供水安全的重要內容。在這些水庫中,溶解性P長期低于10 μg/L,水體N和P原子比維持在16∶1之上,P被認為是浮游植物生長的主要限制性營養鹽[9]。近年更多的研究發現,N和Fe對浮游植物群落季節演替的解釋作用比P更大[10]。進一步分析發現,水體中溶解性氮的濃度常低于0.3 mg/L,溶解性的鐵濃度常低于0.05 mg/L,均屬于文獻報道的浮游植物生長限制性濃度閾值范圍內[11],N和Fe也可能是潛在的限制因子?？梢?基于NP原子比和限制性濃度閾值兩種方法判斷浮游植物生長限制性營養鹽的結果不一致,需要進一步通過原位營養添加實驗驗證N、P、Fe對浮游植物的限制作用。該地區的降雨具有明顯的季節性,80%的降雨集中在4-9月的豐水期,其中豐水期前期(4-6月)降雨和徑流帶來營養鹽輸入是水庫外源營養輸入的主要時期[10]。同時,受水體分層的影響,大型水庫一般自4月出現穩定底部厭氧層和內源Fe釋放,外源輸入和內源釋放共同導致該時期頻繁出現N、P和Fe同時增加的現象[10]。為進一步揭示該季節性的N、P和Fe增加對浮游植物群落的作用,本研究以一座典型華南熱帶水庫——廣東省大沙河水庫為例,于2021年1-6月期間,通過野外調查分析水庫N、P、Fe濃度和浮游植物生物量的變化趨勢,并通過原位營養鹽添加實驗揭示N、P和Fe加富對浮游植物群落的作用,為水庫富營養化防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 水庫概況

大沙河水庫(22°52′N,112°43′E)是位于中國熱帶區域的中-富營養水庫,水庫的集雨面積2.17×105m2,最大蓄水量為2.58×108m3,正常庫容1.57×108m3,是廣東省37座大型水庫之一。水庫在灌溉、防洪、發電、供水、養殖、造林等多方面發揮著重要作用,是開平市主要的水源地。水庫年平均降水量為(2226±623)mm,豐水期為4-10月,枯水期為11月到次年3月[10]。實驗點位于副壩前的敞水區(22°51′N,112°43′E),是水庫主要供水區域(圖1)。

圖1 大沙河水庫形態特征及原位實驗位置Fig.1 Morphological characteristics and in-situ experimental site in Dashahe Reservoir

1.2 野外調查和分析

于2021年1-6月開展月度調查,采集表層0.5 m的水樣,分析水庫總氮(TN)和溶解性氮(DN)、總磷(TP)和溶解性磷(DP)、總鐵(TFe)和溶解性鐵(DFe)以及浮游植物生物量(以Chl.a指示)的變化,其中DN、DP和DFe即經過0.45 μm的纖維濾膜抽濾后濾水的總N、P和Fe。TN、DN、TP和DP按照國家水質監測標準方法(GB 3838-2002)用分光光度法測定;TFe和DFe用ICP-AES法測定;Chl.a采用經過0.45 μm的纖維濾膜抽濾250 mL水樣,反復凍融-浸提,運用改進的丙酮萃取方法進行測定,所有樣品均在24 h內處理和完成測定[12]。

1.3 原位實驗設置

于2021年4月17日在大沙河水庫湖泊區逐月采樣點位置開展實驗。實驗共設置8個實驗組:1個對照組,7個處理組分別添加不同組合的營養元素,每組設置3個平行,共24個實驗瓶。取130 L水庫原水經64 μm孔徑濾網濾除浮游動物后裝于200 L清潔大桶中完全混勻后測定水中溶解性N、P、Fe,并將混勻后的水樣分裝入5 L透明的聚乙烯瓶,每瓶裝4.7 L。因有文獻指出N、P、Fe限制浮游植物生長的閾值范圍分別為:≤ 0.3 mg/L、≤ 0.01 mg/L和 ≤ 0.1 mg/L[13-14],實驗原水中溶解性的N、P和Fe濃度分別為0.1、0.008和0.046 mg/L,結合文獻和原水條件,實驗設置添加營養鹽至充足條件,即保證生長不受營養鹽限制。N和P的添加參考BG-11培養基,以KNO3為N源,N添加濃度為2.0 mg N/L,以K2HPO4·3H2O為P源,P添加濃度為0.2 mg P/L;為避免其他元素的干擾,以FeCl3·6H2O為Fe源[6],為避免Fe3+過高可能導致沉淀作用,設置Fe添加濃度為0.1 mg Fe/L(表1)。添加營養鹽后,將實驗瓶置于水下0.2 m,原位培育10天,維持自然光照、溫度、表面湍流條件。

表1 實驗設置的營養添加組合以及實驗組和實驗瓶標記Tab.1 The designed combination of nutrients addition in each experimental treatment and the labels of the experimental groups and bottles

1.4 浮游植物采集和定量分析

已有文獻指出驗證營養鹽限制作用的原位實驗周期應控制在3～10天以內[5-6],因此本實驗于實驗初始(T0)、第5(T5)和第10天(T10)采集水樣,測定Chl.a。一般而言,封閉環境下浮游植物群落趨于穩定需要一周左右時間,因此,取第10天水樣100 mL加1% Lugol固定,用于浮游植物群落定量分析。

浮游植物種類鑒定和門類劃分參考《中國淡水藻類:系統、分類及生態》[15]。使用倒置顯微鏡,以視野法對浮游植物進行計數[16]。

浮游植物豐度計算公式為:

Ni=(Ci·S)/(V·n·s)

(1)

(2)

式中,Ni為種(或屬)i的豐度(cells/mL),V為定量計數的水樣體積(mL),S為計數框面積(mm2),s為計數視野面積(mm2),n為計數視野數,Ci為視野法計數的種i細胞總數(個),N為浮游植物群落的總豐度(cells/mL),i=1, 2, …,m,m為物種數。

豐度大于10%的種(或屬)為群落中的優勢種(或屬)。

種(或屬)i的優勢度計算公式為:

優勢度(%)=(Ni/N)×100%

(3)

1.5 數據處理

多樣性指標包括Shannon多樣性指數(H)和Pielou均勻度指數(e),計算公式為:

(4)

e=H/lnS

(5)

式中,i=1, 2, …,m,m為物種數,N為全部種的個體總數,Ni為第i個物種的豐度,Pi=Ni/N,Pi表示第i個種豐度占浮游植物豐度的比例;S表示物種豐富度。

群落相異性指數(Bray-Curtis index, BC距離)表示群落差異性,計算公式為:

(6)

式中,xij和xik分別表示第i個物種在第j個和第k個樣方中的豐度,P為物種數。

水庫營養鹽濃度與Chl.a濃度的關系采用Pearson相關性分析。原位實驗數據中,對符合正態性和方差齊性的單指標,采用方差分析(analysis of variance, ANOVA)檢驗組間差異顯著性,所有檢驗的顯著性水平均為P<0.05。用非度量多維尺度分析(non-metric multidimensional scaling, NMDS)呈現處理組之間群落的差異及類群的生態位差異,采用置換多元方差分析(permutational multivariate analysis of variance, PerMANOVA)檢驗處理組之間群落差異的顯著性。所有統計分析均通過R軟件4.1.2版本完成,在R語言平臺上采用軟件包(multcomp、vegan和ggplot2)進行浮游植物群落的多樣性計算和結構比較等多元統計分析[17]。

2 結果與分析

2.1 水庫浮游植物與環境因子的變化

調查期間N、P和Fe濃度變化趨勢不同:TN濃度在1-3月期間逐月降低,在4-6月期間逐漸增加;TP濃度持續增加;TFe濃度在1-3月期間逐月降低,4-6月期間波動較大。DN濃度明顯降低、DP濃度沒有明顯變化,而DFe濃度明顯升高。4月份之后Chl.a濃度明顯升高,從1-3月期間的(4.9±0.2)μg/L升高到6月的29 μg/L(圖2)。在統計上,僅有TP濃度與Chl.a濃度呈顯著正相關(P<0.05,n=6, Pearson)。

圖2 營養鹽(TN、TP、TFe、DN、DP和DFe)和葉綠素a濃度動態Fig.2 Dynamics of nutrients (TN, TP, TFe, DN, DP and DFe) and Chl.a concentrations

2.2 原位營養添加對浮游植物的作用

2.2.1 Chl.a濃度和浮游植物豐度 實驗初始階段(T0)Chl.a濃度為(2.9±1.0)μg/L,實驗第5天(T5)和第10天(T10)NP和FeNP組Chl.a濃度顯著高于其他組(P<0.05, ANOVA)分別是對照組的2和3倍,其中第10天FeNP組Chl.a顯著高于NP組(P<0.05, ANOVA)。該結果表明只有NP的聯合添加才能顯著促進浮游植物總量的增加,而Fe添加可以顯著加強這種促進作用。藍藻、綠藻、硅藻為浮游植物的主要門類組成,所有營養鹽添加組均有門類水平上豐度升高的現象,但各門類對營養鹽添加的響應存在明顯的差異:除單獨加Fe組,處理組藍藻豐度均明顯高于對照組,其中FeP組和FeNP組顯著高于對照組(P<0.05, ANOVA),豐度分別為(19±4)×106cells/L和(22±3)×106cells/L;所有處理組綠藻和硅藻豐度均高于對照組,綠藻僅在NP組和FeNP組顯著升高(P<0.05, ANOVA),豐度分別為(20±4)×106cells/L和(22±4)×106cells/L,硅藻僅在N組和P組顯著升高(P<0.05, ANOVA),豐度分別為(8±2)×106cells/L和(7±4)×106cells/L(圖3)。

圖3 各實驗組浮游植物Chl.a濃度和藍藻、綠藻和硅藻豐度(箱線圖中方框的底部和上部分別表示上四分位數和下四分位數;方框中的黑線表示中位數;虛線表示四分位高度的1.5倍;虛線頂部的線表示異常值截斷)Fig.3 The Chl.a concentration and abundance of cyanobacteria, chlorophyte and diatom in each experimental treatment

2.2.2 優勢種類豐度 本實驗中共鑒定出浮游植物6門57屬94種(包括變種和變型),其中綠藻門60種,硅藻門15種和藍藻門13種,其余種類包括隱藻、甲藻和裸藻有6種。有8個優勢種,分別為:藍藻門的浮游長孢藻(Dlichospermumplanctonica)、伊莎矛絲藻(Cuspidothrixissatschenkoi)、惠氏微囊藻(Microcystiswesenbergii)、鏈狀假魚腥藻(Pseudoanabaenacatenata)和史氏棒膠藻(Rhabdogloeasmithii);綠藻門的微細轉板藻(Mougeotiaparvula)和雙對柵藻(Scenedesmusbijugayus);硅藻門的脆桿藻(Fragilariasp.)。所有營養鹽添加組均有種水平上豐度升高的現象,但各優勢種對營養鹽添加的響應存在明顯的差異:惠氏微囊藻、鏈狀假魚腥藻和史氏棒膠藻在FeNP組豐度最高,分別為(4±2)×106cells/L、(7±4)×106cells/L和(9±1)×106cells/L,而浮游長孢藻和伊莎矛絲藻在FeP組豐度最高,分別為(7±3)×106cells/L和(6±2)×106cells/L。微細轉板藻為對照組的浮游植物優勢種,除FeP組,該種在其他組的豐度均顯著低于對照組(P<0.05, ANOVA)。雙對柵藻豐度在NP組豐度最高,為(7±2)×106cells/L;脆桿藻在FeP組豐度最高,為(6±1)×105cells/L。單獨添加P組的脆桿藻顯著高于對照組(P<0.05, ANOVA);單獨添加N組雙對柵藻、史氏棒膠藻和脆桿藻顯著高于對照組(P<0.05, ANOVA);單獨添加Fe組雙對柵藻、史氏棒膠藻和脆桿藻明顯高于對照組,但統計學上沒有顯著差異(圖4)。

圖4 惠氏微囊藻、鏈狀假魚腥藻、史氏棒膠藻、伊莎矛絲藻、浮游長孢藻、雙對柵藻、微細轉板藻和脆桿藻在各實驗組中的豐度(箱圖標識同圖3)Fig.4 The abundance of Microcystis wesenbergii, Pseudoanabaena catenata, Rhabdogloea smithii,Cuspidothrix issatschenkoi, Dlichospermum planctonica, Scenedesmus bijugayus,Mougeotia parvula and Fragilaria sp. in each experimental treatment

2.2.3 群落結構和多樣性 浮游植物群落中優勢度大于10%的屬共有11個:微囊藻(Microcystis)、長孢藻(Dolichospermum)、棒膠藻(Rhabdogloea)、矛絲藻(Cuspidothrix)、十字藻(Crucigenia)、柵藻(Scenedesmus)、空星藻(Coeastruml)、轉板藻(Mougeotia)、脆桿藻(Fragilaria)、曲殼藻(Achnanthes)、小環藻(Cyclotella)?；趦瀯輰俚腘MDS分析結果表明,不同的營養添加導致群落明顯分化,群落組間差異顯著(P<0.05, PerMANOVA)?；谌郝涞南嗨菩?可將實驗組分為3簇:FeN組和FeP組為一簇,群落優勢屬為絲狀藍藻(長孢藻和矛絲藻),與對照組群落BC距離均值為0.70±0.02;N組和P組為一簇,優勢屬為脆桿藻和曲殼藻,與對照組群落BC距離均值為0.75±0.03;NP組和FeNP組為一簇,群落優勢屬為微囊藻、棒膠藻、柵藻、空星藻和轉板藻,與對照組群落BC距離均值為0.82±0.03。加Fe實驗組與對照組群落距離最近,均值為0.56±0.11。所有營養鹽添加組浮游植物Pielou均勻度指數和Shannon多樣性指數均明顯高于對照組。單獨添加條件下,N組和Fe組群落Pielou均勻度指數和Shannon多樣性指數均顯著高于對照組,P組的Pielou均勻度指數和Shannon多樣性指數也升高,但沒有統計顯著性;所有加N的聯合添加組多樣性指數均顯著高于對照組。FeNP組Pielou均勻度為0.82±0.02,Shannon多樣性指數為2.84±0.05,均顯著(P<0.05, ANOVA)高于其他組(圖5)。

圖5 各組優勢屬組成和基于NMDS分析的群落組間差異以及Pielou均勻度指數和Shannon多樣性指數(NMDS分析中Mic為微囊藻、Dol為長孢藻、Rha為棒膠藻、Cus為矛絲藻、Cru為十字藻、Sce為柵藻、Coe為空星藻、Mou為轉板藻、Fra為脆桿藻、Ach為曲殼藻、Cyc為小環藻,S1～S24代表各實驗瓶的群落,箱圖標識同圖3)Fig.5 The composition of phytoplankton by dominant genus, community difference by NMDS analysis and Pielou evenness index and Shannon’s diversity index

3 討論

3.1 營養鹽增加對浮游植物總量的作用

本研究調查結果表明,4-6月期間水庫TN、TP和TFe濃度均呈增加趨勢,Chl.a濃度明顯升高,TP濃度與Chl.a濃度呈顯著正相關。原位實驗結果表明N、P、Fe單獨添加對浮游植物生物量(以Chl.a表征)的促進作用不顯著,只有NP的聯合添加才能顯著促進Chl.a濃度的增加,而Fe添加可以顯著加強這種促進作用。上述結果表明P是導致Chl.a濃度升高的主要因素,N和Fe的增加也是導致Chl.a濃度升高的重要原因。已有文獻對浮游植物群落限制性營養鹽的定義為:當添加某營養鹽顯著促進浮游植物生物量的增加時,該營養鹽為浮游植物群落的限制因子;當單獨添加某兩種營養鹽均不能促進浮游植物生物量的增加,而同時添加能顯著促進浮游植物生長時,群落受到兩種營養鹽的共限制[18-19]。根據該定義,大沙河水庫的浮游植物群落處于N和P共限制狀態,因此只有N和P共同添加才能使Chl.a濃度顯著升高。實驗期間,溶解性氮(DN)濃度低于0.3 mg/L,溶解性磷(DP)濃度低于0.01 mg/L,均在浮游植物生長的限制性濃度閾值范圍內[11,14],基于限制性濃度閾值的評價結果也表明浮游植物處于N和P共限制或均不充足的環境。

調查期間水體中溶解性鐵(DFe)濃度低于0.1 mg/L,處于部分藍藻生長限制性濃度閾值,但大部分真核藻類Fe需求較低,Fe對真核藻類生長限制作用不明顯[7-8]。Fe是浮游植物生長的必需元素,浮游植物大量增殖會消耗水體中可利用的Fe,當內外源補充速率低于消耗速率時,Fe也可能成為限制性元素。原位實驗中,Fe單獨添加既沒有促進Chl.a濃度升高也沒有促進浮游植物豐度的升高,但FeNP組的浮游植物豐度和Chl.a濃度均顯著高于NP組。表明當N和P增加、浮游植物大量增殖之后,對Fe的消耗導致Fe成為浮游植物繼續生長的限制因子,當Fe與NP同時補充后,浮游植物可以繼續生長到達NP可以支持的最大生物量。該結果也證實了水體中的Fe不足以維持浮游植物長期的增殖,隨著NP的增加,浮游植物生長消耗Fe,需要及時的補充以滿足持續的生長。豐水期外源Fe的輸入和內源Fe釋放是很重要的補充來源,在N和P持續輸入的背景下Fe的補充對Chl.a濃度的持續升高也有重要作用。

3.2 浮游植物類群間的響應差異

原位實驗中的浮游植物群落以藍藻、綠藻、硅藻為主要門類組成,有8個優勢種,結果表明各門類和優勢種對營養鹽添加的響應存在明顯的門類和種間差異。N和P是細胞生長需求的大量元素,但物種對N和P的需求具有明顯的種間差異[11]。藍藻和綠藻在N和P單獨添加時豐度升高不顯著,在N和P共同添加條件下豐度顯著升高,根據上述判斷浮游植物群落限制因子的方法[19-20],表明藍藻和綠藻受到N和P的共限制。硅藻豐度僅在N組和P組顯著升高,但升高幅度明顯低于綠藻和藍藻,表明N和P對硅藻的限制作用不如綠藻和藍藻明顯,這與硅藻門種類適應低營養環境的特征一致[21-22]。

Fe元素是浮游植物生長必需元素,但不參與細胞結構(細胞壁、膜、核酸等)的組成,主要作為蛋白和酶的活性中心參與細胞代謝[23-24]。細胞內Fe主要分布于浮游植物光合系統中,浮游植物Fe需求的種間差異主要由光合系統PSI(含12個Fe原子)和PSII(含2～3個Fe原子)的比例決定[24]。一般而言,藍藻比綠藻具有更高的PSI∶PSII比,因此屬于原核生物的藍藻門種類具有較高的Fe需求,在水體中最容易受到Fe的限制[23-24]。實驗結果表明藍藻豐度在加Fe組(FeP組和FeNP組)升高明顯,藍藻門優勢種類豐度最大值均出現在加Fe組:惠氏微囊藻、假魚腥藻和史氏棒膠藻在FeNP組豐度最高,而長孢藻和伊莎矛絲藻在FeP組豐度最高。Fe添加對綠藻和硅藻生長的促進作用不顯著,這與綠藻和硅藻Fe需求低不易受Fe限制相一致。

基于優勢屬的NMDS分析結果表明,不同的營養添加導致群落明顯分化,群落組間差異顯著(P<0.05, PerMANOVA)。在N、P和Fe不足的條件下,群落中物種對營養鹽需求的種間差異,會導致不同營養鹽添加組合/比例下,浮游植物群落出現分化[23,25]。本實驗中不同營養鹽添加組合/比例下,群落有明顯的分化:FeN組和FeP組為一簇,群落優勢屬為絲狀藍藻的長孢藻和矛絲藻;N組和P組為一簇,優勢屬為脆桿藻和曲殼藻;NP組和FeNP組為一簇,群落優勢屬為微囊藻、棒膠藻、柵藻、空星藻和轉板藻。該結果也表明浮游植物群落受到N、P和Fe的共限制,營養鹽供應組合/比例的改變會導致群落結構改變。

3.3 浮游植物群落多樣性對營養鹽增加的響應

原位實驗結果表明,任意營養鹽添加均導致群落均勻度和Shannon多樣性指數升高,其中以FeNP組升高幅度最大。營養鹽競爭是影響群落多樣性的重要因素,一般而言,營養鹽的競爭排斥會導致群落多樣性降低,穩態條件下群落多樣性取決于限制因子的數量,限制因子越多群落多樣性越高[26]。本研究中,水體N、P和Fe均處于不充足狀態,營養鹽的添加會促進生長受限的種類生長,降低競爭排斥的效應,群落多樣性增加是最直觀的表現。陳純等[27]在研究營養加富對浮游植物群落演替和多樣性影響時發現,適量添加營養鹽產生的上行效應可緩解浮游植物之間的競爭程度,提高浮游植物群落的多樣性。該結果與本研究結果一致,證實在營養鹽不足、群落生長受限的初始條件下,營養鹽加富使物種之間的營養競爭減弱,群落多樣性水平升高。

綜上所述,浮游植物總量、組成類群的豐度和群落多樣性的變化均表明,3種營養鹽的添加均對浮游植物生長有促進作用,證實水體中可利用性N、P和Fe均處于不充足狀態,群落生產量的增長和結構的變化是3種營養鹽共同作用的結果。

4 結論

研究結果表明大沙河水庫可利用性N、P和Fe處于浮游植物生長限制性濃度閾值范圍,單獨增加一種營養鹽對浮游植物生長促進作用不明顯,3種營養鹽共同作用導致浮游植物豐度尤其是藍藻豐度增加。浮游植物對營養添加的響應具有明顯類群間的差異,其中N和P增加對所有優勢類群均有促進作用,Fe增加主要促進藍藻的生長。N、P和Fe對群落結構和多樣性均有調節作用,對水庫浮游植物群落與營養鹽響應關系的分析中,應突破P限制范式,在N、P和Fe共同作用的背景下,解析營養鹽增加對浮游植物群落的效應以及制訂富營養防治的對策。

致謝:暨南大學生態學系水庫生態學課題組全體同學在野外調查過程中提供幫助,王雨桐和戚志遠在原位實驗開展方面給予支持,韓博平教授審讀了全文,在此一并致謝。