龍?zhí)煊?周鵬瑞,吳 磊 (重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400045)

環(huán)境因子對香溪河春季藻類生長影響的模擬實驗

龍?zhí)煊?,周鵬瑞,吳 磊 (重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400045)

2010年3～5月間,分3批次采集了香溪河水樣,以水體營養(yǎng)鹽濃度、水溫、光強和流速為環(huán)境因子,以Chla比增長率為評價指標(biāo),在室內(nèi)進行 L9(34)的正交藻類培養(yǎng)實驗,研究了環(huán)境因子對春季優(yōu)勢硅藻生長的影響.結(jié)果表明,在實驗所設(shè)定的水平范圍內(nèi),水體營養(yǎng)鹽濃度總氮(TN)為3.5mg/L、總磷(TP)為0.3mg/L,水溫20℃,光強為4700lx以及流速為0.1m/s時,最適宜藻類生長.4因子對藻類生長影響大小依次為光強、流速、水溫、營養(yǎng)鹽濃度.流速在0.05m/s和0.1m/s的情況下,藻類生長率明顯高于靜水.當(dāng)TN＜1.5mg/L,TP＜0.1mg/L時,增加TN、TP濃度可顯著促進藻類生長;當(dāng)TN、TP濃度分別達(dá)到3.5mg/L、0.3mg/L時, N、P濃度的增加對藻類生長影響甚微.

香溪河；正交實驗；比增長率；適宜生長條件

研究表明[1-5],影響藻類生長的主要因素有營養(yǎng)鹽、水溫、光照和水體流動狀況等.三峽水庫蓄水后,水文條件發(fā)生了明顯改變,特別是次級河流,受干流回水頂托的影響,流速緩慢、泥沙沉積、水質(zhì)變清,有利于陽光在水中照射,這些給庫區(qū)水體中藻類的生長提供了有利的環(huán)境條件.目前有關(guān)庫區(qū)次級河流環(huán)境條件對藻類生長影響方面的研究,單一因素的研究已見報道[6-7],尤其庫區(qū)次級河流營養(yǎng)狀態(tài)評價及氮、磷營養(yǎng)鹽單一因素的研究較多[8-9].將流速與營養(yǎng)鹽、水溫和光強等因素的綜合研究,尚鮮見報道.三峽水庫湖北庫區(qū)最大的支流—香溪河自水庫建成蓄水后,春季不同程度地暴發(fā)硅藻水華,硅藻的暴發(fā)和香溪河流速的減緩不無關(guān)系,表明流速是藻類生長的重要影響因素[10].基于此,本實驗從香溪河庫灣取水,模擬香溪河春季藻類生長所處的實際環(huán)境狀況,把流速與其他影響因素綜合起來,在實驗室進行L9(34)正交實驗,以Chla比增長率作為研究指標(biāo),分析在不同氮磷營養(yǎng)鹽濃度、水溫、光強和流速綜合作用下,香溪河春季藻類生長的適宜環(huán)境條件,定量化分析這些環(huán)境因子在藻類生長過程中所起的作用,以期為香溪河春季水華的防治提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)環(huán)境條件及采樣

蔡慶華等[11]對三峽水庫22條入庫支流庫灣的營養(yǎng)狀態(tài)進行綜合評價,香溪河在重度富營養(yǎng)化之列.張晟等[12]對三峽水庫 13條主要支流回水區(qū)營養(yǎng)鹽濃度調(diào)查表明,TN含量范圍為0.601～10.1mg/L,TP含量范圍為0.01～0.756mg/L.黃鈺鈴等[13]對香溪河富營養(yǎng)化的研究表明:TN濃度變化范圍為 0.24～4.83mg/L,TP濃度變化范圍為 0.03～0.82mg/L;香溪河水溫隨水深和季節(jié)差別較大,如 6月份水溫在 10m 處有明顯的分層,10m處水溫為19～20℃,10m以上越接近表層水溫越高,2m處約25℃,表層有29℃,且當(dāng)水溫低于14℃時藻類生長情況較差,葉綠素濃度維持在較低水平,水華暴發(fā)時表面水溫大都在 20～30℃間.從流速上看,從香溪河口向上游約 17km水體流速在 0.010～0.001m/s之間,河道與庫灣之間約有 8.0km 范圍為過渡區(qū)域,流速從 0.10m/s到0.01m/s[14].實驗用水取自香溪河庫灣高陽鎮(zhèn)附近(分 3批次采集,分批次實驗),藻種是香溪河中的混合藻,水樣水質(zhì)參數(shù)見表1.

表1 香溪河原水的水質(zhì)參數(shù)Table 1 Water quality parameters of natural water in the Xiangxi River

1.2 實驗裝置及儀器

實驗裝置為自行設(shè)計的雙環(huán)形水槽動態(tài)水力模擬裝置(圖 1).裝置材料為有機玻璃,內(nèi)環(huán)水槽平均半徑為 0.4m,外環(huán)水槽平均半徑為 0.9m,中間是無級調(diào)速電機,帶動槳板使水流動,水體流速由電機轉(zhuǎn)速確定.靜態(tài)實驗在水族箱中進行,水族箱使用容積64L,有效水深40cm.

LS45A型旋杯式流速儀,DR5000紫外分光光度計,ZDS-10型照度計,離心機,100YYJ-180型東洋齒輪無級調(diào)速電動機,HS-300防暴型加熱棒,節(jié)能日光燈等儀表用于實驗.

圖1 室內(nèi)模擬實驗裝置示意Fig.1 Sketch of indoor simulated experiment device

1.3 正交實驗

在實驗室內(nèi)開展監(jiān)測實驗,實驗用水分批取回后先在實驗室內(nèi)靜置3d,用33μm浮游生物網(wǎng)過濾后分配到3個容器中(每個容器64L)再通過添加硝酸鉀(KNO3)和磷酸二氫鉀(KH2PO4),調(diào)到實驗預(yù)設(shè)的營養(yǎng)鹽濃度.共3批9組實驗,第1批實驗從2010年3月17～4月3日,包括1,2,3組實驗;第2批從4月4～4月21日,包括4,5,6組實驗;第3批從4月23～5月10日,包括7,8,9組實驗.每組實驗周期為 18d(藻類生長遵循微生物生長的一般規(guī)律:適應(yīng)期、對數(shù)增長期、穩(wěn)定期和衰亡期,經(jīng)過這4個過程即為藻類的一個生長周期,本實驗發(fā)現(xiàn)藻類生長周期約為18d).

表2 正交實驗因素水平Table 2 Factors levels of orthogonal experiment

光強根據(jù)香溪河春季時段光強已有研究成果[15],結(jié)合實驗室條件選取有代表性的低中高 3個水平.因此,根據(jù)香溪河春季藻類生長所處的環(huán)境狀況,確定實驗的各水平(表 2).水溫用可調(diào)式絕緣電熱棒控制,精確度為±1℃;不同光強用日光燈盞數(shù)控制(所測光強均為液面光強);光暗時間比 12h:12h,用繼電器自動控制;水體流速用無級調(diào)速電機控制.正交實驗設(shè)計及結(jié)果見表3.

表3 藻類適宜生長條件正交實驗及計算結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment and calculated results of the appropriate conditions for algal growth

1.4 項目測定

隔天定時(9:00)取 50mL水樣測 TN,用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法測定;TP用鉬酸銨分光光度法測定;Chla用丙酮提取分光光度法測定,具體方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[16];pH值、DO直接在容器中測;每次取樣后記錄容器內(nèi)液面高度,每天定時(8:30)用蒸餾水補充容器內(nèi)蒸發(fā)損失的水分.

由于各批水樣初始Chla濃度不同,故選用藻類的比增長率作為評價指標(biāo),以反映各種因子綜合作用下藻類生物量的增加速度.

比增長率的計算:

式中,為比增長率;tx為 Chla 峰值,mg/L;0x為對數(shù)期初始時Chla含量,mg/L;t為從對數(shù)期實始時到峰值的時間,d.根據(jù)所測得的Chla量,計算每組實驗藻類的比增長率.

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實驗結(jié)果

從表3知,在營養(yǎng)鹽濃度(A)、水溫(B)、光強(C)和水體流速(D)4因素及不同水平組合下, 差別較大, 隨光強水平的升高而增加最明顯;營養(yǎng)鹽濃度水平升高, 變化不大.在9組實驗中,其中 4號實驗對藻類的生長最有利,

最高為 0.632,其組合水平為 A2B1C2D3,是藻類生長最優(yōu)方案;第 1號實驗藻類生長緩慢, 為0.304,水平組合為 A1B1C1D1.從各因素均值極差jR可以得出,在營養(yǎng)鹽、水溫、光強、水體流速 4因素中,對藻類生長影響最大的是光強,其次是水體流速,再是溫度,影響最小的是營養(yǎng)鹽濃度.

從營養(yǎng)鹽濃度、水溫、光強和流速各水平下的均值jk及圖2可以看出,光強對jk影響顯著,順序為 4700lx＞7300lx＞2200lx.光強從 2200lx 增加到 4700lx時,jk增加顯著;當(dāng)繼續(xù)增加到7300lx時,jk有所降低;說明在此實驗水平內(nèi),藻類生長最佳光強是 4700lx.本實驗前后測出的優(yōu)勢藻均為硅藻,浮游硅藻所適應(yīng)的光照強度較一些綠藻低[17],過高的光強將破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),不利藻類生長.流速的影響次之,jk隨流速的增加而增加,但增加的幅度有所減小;當(dāng)營養(yǎng)鹽濃度從1水平增加到2水平時,jk增加較大,營養(yǎng)鹽濃度從2水平增加到3水平時,jk變化很小,幾乎沒有什么變化,即在不同的 N、P營養(yǎng)鹽濃度區(qū),流速對藻類生長影響存在差異.在實驗的低濃度區(qū)(TN在1.5mg/L以下,TP在0.1mg/L以下),其對藻類生長的影響隨N、P濃度的增加而升高較快,在實驗的中濃度區(qū)(TN在 3.5mg/L,TP在 0.3mg/L),N、P濃度再增加時,對藻類生長影響甚微.

圖2 各因素及水平下藻類生長趨勢Fig.2 The trend of algal growth under different factors and levels

2.2 實驗結(jié)果方差分析

對藻類生長模擬實驗結(jié)果進行方差分析(表4),其中顯著性水平a分別為0.01和0.05.在現(xiàn)有水平范圍內(nèi),光強和流速對藻類生長影響顯著,水溫對藻類生長影響其次,營養(yǎng)鹽對藻的生長影響不顯著,說明N、P營養(yǎng)鹽對藻類生長影響有一個范圍,當(dāng)水體營養(yǎng)鹽濃度均達(dá)到一定水平時,營養(yǎng)鹽不再是藻類生長的限制性因素,營養(yǎng)鹽濃度的增加,對藻類生長影響不大.

表4 正交實驗結(jié)果方差分析和顯著性檢驗Table 4 Variance analysis and significance test of orthogonal experiment results

2.3 討論

營養(yǎng)鹽、水溫、光強和流速都是影響藻類生長的重要環(huán)境因素.有關(guān)研究表明,適宜的流速有利于藻類生長和繁殖,也有利于空氣融入增加水體中的二氧化碳以增加藻類的光合作用.此外,流動的水體可降低藻細(xì)胞周圍代謝產(chǎn)物的濃度,避免代謝產(chǎn)物長期聚集在藻細(xì)胞周圍對其生長產(chǎn)生抑制[18].實際水體中,流速對藻類生長的影響是多方面的疊加效應(yīng),其影響機理目前還不十分清楚,有關(guān)適宜流速范圍也無定論.在本實驗的條件下,流速在0.05m/s和0.1m/s時,藻類生長率明顯高于靜水,表明香溪河春季回水區(qū)的流速有利于藻類的生長.本實驗的優(yōu)勢藻為硅藻,由于硅藻有較硬的硅殼,體積和重量都大于藍(lán)藻,且無氣囊可浮于水中,因此一些硅藻的懸浮需要依靠水流的作用,這也應(yīng)是靜水中硅藻不能成為優(yōu)勢藻的原因之一.在河道水體中,硅藻像河中的泥沙一樣,靠一定的縱向流速與流速梯度等產(chǎn)生表面壓力所形成的浮力來懸浮于水中[19].不同的水流速度與速度梯度所產(chǎn)生的浮力不同,對藻類生長的影響也不同.

香溪河營養(yǎng)鹽濃度已很高,如果短期內(nèi)不能使其降低,由于春季回水區(qū)流速有利于藻類的生長,因此在氣候適宜時回水區(qū)易暴發(fā)硅藻水華,在應(yīng)急情況下,可通過水庫調(diào)度等方法改變河流的水動力狀況來避免水華發(fā)生.

3 結(jié)論

3.1 針對香溪河的實際情況,設(shè)計以水體營養(yǎng)鹽、水溫、光強和流速的正交實驗,在本實驗所設(shè)的水平范圍內(nèi),營養(yǎng)鹽濃度,水溫對藻類生長的影響不顯著,光強、水體流速對藻類的生長影響顯著,4因素對藻類影響重要程度的主次順序是光強＞流速＞水溫＞營養(yǎng)鹽濃度.

3.2 當(dāng)TN為3.5mg/L,TP為0.3mg/L,水溫控制在 20℃,光強為 4700lx,流速為 0.1m/s時,最適宜香溪河春季藻類生長.

3.3 香溪河營養(yǎng)鹽濃度目前較高,如果短時期內(nèi)不能使其降低,鑒于春季回水區(qū)流速基本上≤0.1m/s,流速能促進硅藻生長,當(dāng)氣候條件適宜時易暴發(fā)硅藻水華.

3.4 在低濃度區(qū)(TN＜1.5mg/L,TP＜0.1mg/L),N、P濃度的增加能顯著促進藻類生長,當(dāng) TN、TP濃度達(dá)到3.5mg/L、0.3mg/L時,再增加N、P濃度,對藻類生長影響甚微.

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The simulating experiment for the impacts of environmental factors on Spring algae growth in Xiangxi River.

LONG Tian-yu*, ZHOU Peng-rui, WU Lei (Key Laboratory of the Three Gorges Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China). China Evironmental Science, 2011,31(2)：327～331

Three batches of water samples were collected from Xiangxi River between March to May 2010, and the L9(34)orthogonal experiments of algae growth were conducted in laboratory. Nutrient concentrations in water, water temperature,light intensity and water flow velocity were selected as environmental factors, and the growth rate of Chla was taken as evaluation index. The effects of environmental factors on the growth of preponderant diatoms in spring were studied. The optimal conditions for algal growth under the condition of the orthogonal experiments were 3.5mg/L for total nitrogen(TN), 0.3mg/L for total phosphorus (TP), 20℃ for water temperature, 4700lx for light intensity and 0.1m/s for flow velocity. The degree of impact of environmental factors on the algal growth was light intensity, velocity, water temperature and nutrient concentration in turn. The algae growth rates in flow water with velocity being 0.05m/s or 0.1m/s was significantly higher than that in static water. The increase of TN and TP concentration could obviously promote the algae growth when TN＜1.5mg/L, TP＜0.1mg/L;the effects of increasing TN and TP concentrations on algae growth was little when TN and TP concentrations respectively reached 3.5mg/L and 0.3mg/L.

Xiangxi River; orthogonal experiment; specific growth rate; optimal growth conditions

X522

A

1000-6923(2011)02-0327-05

2010-07-04

國家水體污染與治理科技重大專項(2009ZX07104-002和2009ZX07104-001)

* 責(zé)任作者, 教授, longty128@yahoo.com.cn

龍?zhí)煊?1960-),女,重慶人,教授,博士,主要從事水污染控制與水環(huán)境模擬研究.發(fā)表論文50余篇.