周起超，熊 倩，李 林，胡麗麗，宋立榮

(1：中國科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072;2：云南省環(huán)境科學(xué)研究院中國昆明高原湖泊國際研究中心)高原湖泊流域污染過程與管理云南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650034;3：中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

經(jīng)低溫、低光處理的藻類在不同光強(qiáng)、氮磷濃度下的生理生態(tài)特征*

周起超1，2，熊 倩1，3，李 林1，胡麗麗1，3，宋立榮1*

(1：中國科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072;2：云南省環(huán)境科學(xué)研究院中國昆明高原湖泊國際研究中心)高原湖泊流域污染過程與管理云南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650034;3：中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

通過低溫、低光處理太湖藻類后，研究光強(qiáng)、營養(yǎng)鹽對水華早期藻類生長與組成的影響.結(jié)果顯示：中光強(qiáng)(50μE/(m2·s))下藻類生長狀態(tài)最優(yōu)，高光強(qiáng)(200μE/(m2·s))次之，低光強(qiáng)(5μE/(m2·s))最差；中、高光強(qiáng)條件下，樣品中均檢測到了綠藻與硅藻，且其所占比例有隨培養(yǎng)時間上升的趨勢，光強(qiáng)越高其所占比例越大，低光強(qiáng)下則未檢測到綠藻與硅藻.營養(yǎng)鹽添加實(shí)驗(yàn)中，N+P添加組的藻類生長狀態(tài)最優(yōu)，P添加組較好，N添加組次之，對照組最差，說明在水華早期N、P均限制藻類生長，且P的限制作用大于N；此外，還發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)鹽對水華早期藻類的群落結(jié)構(gòu)有一定影響，添加N或(和)P后，綠藻與硅藻均被檢測到.從水華早期控制角度看，降低光強(qiáng)與營養(yǎng)鹽(主要是P)均能在一定程度上控制浮游植物生物量及其生長；采取降低入射光強(qiáng)的措施后可能會出現(xiàn)更耐受低光的藍(lán)藻尤其微囊藻占據(jù)優(yōu)勢的情況，相對低的N、P營養(yǎng)鹽條件亦可能使藍(lán)藻占優(yōu)勢，若一定程度上升高N、P營養(yǎng)鹽濃度可使硅藻、綠藻逐漸占據(jù)優(yōu)勢，這為水華早期的選擇性控藻提供一定的借鑒意義.

光強(qiáng)；營養(yǎng)鹽；浮游植物；增殖；群落結(jié)構(gòu)；水華早期；太湖

在適宜條件下，富營養(yǎng)化水體中的浮游植物可通過快速增殖而形成藻類水華，尤以藍(lán)藻水華最為多見[1]，近年我國藍(lán)藻水華亦頻繁發(fā)生，如太湖[2]，尤其北部的梅梁灣、竺山灣為藍(lán)藻水華的重災(zāi)區(qū)[3].藍(lán)藻的生長與水華形成通常分為4個階段，即休眠、復(fù)蘇、生長、上浮和聚集[4]，春季常以復(fù)蘇和生長為主，因而可視為水華早期，期間藍(lán)藻如微囊藻(Microcystis)等可逐漸形成優(yōu)勢，進(jìn)而在夏、秋季成為水華優(yōu)勢類群.

藻類的生長與演替通常是光照、溫度、營養(yǎng)鹽、生物因子等共同作用的結(jié)果[4].光照常被認(rèn)為是浮游植物生長的限制因子[5]，與水華發(fā)生和持續(xù)時間有關(guān)[6]，具有調(diào)節(jié)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的作用[7-8].氮、磷營養(yǎng)鹽與藻類生長、群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究較多[9-13]，而氮磷比與水華形成或演替的因果關(guān)系仍存在爭議[4].然而，關(guān)于光強(qiáng)、營養(yǎng)鹽對水華早期藻類增殖與群落結(jié)構(gòu)影響的研究相對較少.

盡管已有一些關(guān)于光強(qiáng)、營養(yǎng)鹽對藻類增殖或競爭演替影響的研究[14-17]，但多以室內(nèi)培養(yǎng)的(單一)藻種、培養(yǎng)基為實(shí)驗(yàn)材料而不足以準(zhǔn)確評估野外實(shí)際，如室內(nèi)培養(yǎng)的藻種或株系不同于原位藻類、或已經(jīng)過長期馴化，培養(yǎng)基與實(shí)際水體條件不同等.因此，本文研究光強(qiáng)、氮磷營養(yǎng)鹽對經(jīng)低溫、低光處理模擬越冬后的水柱藻類增殖與組成的影響，旨在為水華早期基于生態(tài)因子調(diào)控的控藻措施提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

2012年8月，分別采集太湖梅梁灣(31.41°N，120.19°E)水下0.5、1.7m處水樣，等體積混合后通過25#浮游生物網(wǎng)(64μm)過濾濃縮，以Whatman GF/C膜過濾的湖水為培養(yǎng)基，培養(yǎng)于4℃冰箱，光強(qiáng)約5μE/(m2·s)、光周期約12h∶12h，低溫、低光下培養(yǎng)4個月(期間不進(jìn)行傳代)以模擬越冬備用；同時，采集湖水并通過GF/C膜抽濾備用.低溫、低光培養(yǎng)處理后，藍(lán)藻、綠藻的PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)分別為0.12±0.03、0.12±0.02，且未檢測到硅藻的Fv/Fm值；藻類組成幾乎無變化，處理前、后均為微囊藻屬在數(shù)量上占絕對優(yōu)勢，并伴有偽魚腥藻屬(Pseudanabaena)、柵藻屬(Scenedesmus)、菱形藻屬(Nitzschia)等.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中，將經(jīng)低溫、低光處理的藻種用蒸餾水洗滌3次后，以98.4μg/L的初始濃度接種于裝有150ml經(jīng)GF/C膜過濾湖水(N=2.772mg/L，P=0.171mg/L)的250ml錐形瓶中，3個處理組分別為高光強(qiáng)組(200μE/(m2·s))、中光強(qiáng)組(50μE/(m2·s))、低光強(qiáng)組(5μE/(m2·s)).

營養(yǎng)鹽實(shí)驗(yàn)中，將過濾湖水稀釋作為培養(yǎng)基母液，分別添加NaNO3、K2HPO4或二者均添加用來設(shè)置不同N、P濃度的培養(yǎng)基以接近太湖實(shí)際，4個營養(yǎng)鹽處理組分別為對照組(N=0.558mg/L，P=0.027mg/L)、N添加組(N=2.0mg/L，P=0.027mg/L)、P添加組(N=0.558mg/L，P=0.5mg/L)、N+P添加組(N=2.0mg/L，P=0.5mg/L)，接種同光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)光強(qiáng)為50μE/(m2·s).

7個處理組培養(yǎng)條件均為光暗比12h∶12h、溫度25±1℃，每組設(shè)3個平行，每2d取樣1次測定相關(guān)指標(biāo).實(shí)驗(yàn)所用光源均為可調(diào)光強(qiáng)節(jié)能燈(20W、cool daylight，Philips).

1.3 指標(biāo)測定

N、P濃度測定根據(jù)《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[18].葉綠素a(Chl.a)濃度常為表征浮游植物生物量的重要指標(biāo)，其測定參照文獻(xiàn)[19]，類胡蘿卜素相對含量(即其與Chl.a濃度的比值)是反映浮游植物抵御高光強(qiáng)脅迫的指標(biāo)，類胡蘿卜素濃度測定參照文獻(xiàn)[20].葉綠素?zé)晒饣钚允欠从吃孱惞夂闲逝c生理狀態(tài)的重要指標(biāo)，其值由調(diào)制熒光儀Phyto-PAM測定，測定前將樣品暗適應(yīng)10min；本研究樣品中并未觀測到甲藻，故而該儀器測定的Brown只代表硅藻，并利用光學(xué)顯微鏡鑒定藻類組成[21].

1.4 數(shù)據(jù)分析

非參數(shù)分析，Nonparametric Tests-2 Independent Samples(Mann-Whitney U)、Nonparametric Tests-K Independent Samples(Kruskal-Wallis H)與相關(guān)性分析(Spearman correlation analysis)均用SPSS 16.0軟件完成，P<0.05表示顯著相關(guān)，P<0.01表示極顯著相關(guān).

2 結(jié)果

2.1 藻類生長

實(shí)驗(yàn)期間，經(jīng)低溫、低光處理后，藻類恢復(fù)生長具有較長的調(diào)整期.不同光強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(圖1a)，相比高光強(qiáng)組，中光強(qiáng)組更利于藻類增殖，而低光強(qiáng)組的Chl.a濃度基本呈下降趨勢，3組間具顯著性差異(P<0.05).營養(yǎng)鹽添加實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖1b)，恢復(fù)生長過程中N、P濃度均在一定程度上限制藻類增殖，生長狀態(tài)的先后順序?yàn)镹+P添加組>P添加組>N添加組>對照組，4組間具顯著性差異(P<0.05).

圖1 不同光強(qiáng)(a)和營養(yǎng)鹽濃度(b)下的藻類生長曲線Fig.1 Growth curves of algae under different light intensities(a) and nutrients concentration(b)

圖2 藻類類胡蘿卜素相對含量變化Fig.2 Variation of relative content of carotenoids of algae during the experiment

2.2 藻類類胡蘿卜素相對含量變化

實(shí)驗(yàn)期間，各組藻類的類胡蘿卜素相對含量(圖2)表明，除低光強(qiáng)組外，高光強(qiáng)組、中光強(qiáng)組類胡蘿卜素相對含量均在第2～4d上升，之后3組均相對穩(wěn)定，且高光強(qiáng)組類胡蘿卜素相對含量顯著高于中光強(qiáng)組和低光強(qiáng)組(P<0.05).營養(yǎng)鹽添加的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對照組、N添加組、P添加組從第2d開始上升至第8d，且在第12～14d出現(xiàn)明顯下降；N+P添加組則上升至第8d后即明顯下降，從第10d開始保持相對穩(wěn)定的水平且與低光強(qiáng)組相當(dāng)；4組間，對照組與P添加組總體含量相當(dāng)，且均高于N添加組，但不具顯著性差異(P>0.05)，該3組均顯著高于N+P添加組(P<0.05).

2.3 藻類光合活性變化

實(shí)驗(yàn)期間，各處理組藻類Fv/Fm變化如圖3所示：恢復(fù)生長初始第2d，中光強(qiáng)條件下(共5組)與低光強(qiáng)組的藻類活性快速升高，高光強(qiáng)組Fv/Fm在第4d出現(xiàn)上升.光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中，高光強(qiáng)組藍(lán)藻活性衰弱先于綠藻，硅藻活性逐漸占優(yōu)勢；中光強(qiáng)組第0～6d藍(lán)藻活性大于綠藻，隨后藍(lán)藻活性逐漸減弱，綠藻活性從第10d開始降低，且第10d時出現(xiàn)硅藻活性之后逐漸升高；低光強(qiáng)組未檢測到硅藻活性，且藍(lán)藻活性高于綠藻.營養(yǎng)鹽實(shí)驗(yàn)中，相比對照組，N添加組未檢測到硅藻活性，藍(lán)藻、綠藻活性均較高；P添加組，藍(lán)藻、綠藻活性于第8d開始衰退；N+P添加組從第10d起，藍(lán)藻活性先于綠藻衰弱.實(shí)驗(yàn)期間，各處理組初始斜率(α)與最大相對電子傳遞速率(rETRmax)變化如圖4所示，其表現(xiàn)大體與Fv/Fm一致.

圖3 藻類PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量變化Fig.3 Variation of Fv/Fm of algae during the experiment

2.4 藻類組成變化

實(shí)驗(yàn)期間，各處理組的藻類組成(各門藻類細(xì)胞數(shù)所占比例)變化(圖5)表明，藍(lán)藻(主要為微囊藻)所占比例最高，平均比例均高于68%，且藍(lán)藻所占比例在各處理組的前6d均約占近100%.低光強(qiáng)組在整個實(shí)驗(yàn)期間均為藍(lán)藻占優(yōu)勢，中光強(qiáng)組和高光強(qiáng)組均在第8d開始檢測出綠藻與硅藻，且其所占比例有逐漸上升趨勢，高光強(qiáng)組的比例高于中光強(qiáng)組.添加N、P營養(yǎng)鹽的實(shí)驗(yàn)中，N添加組從第8d開始出現(xiàn)少量的綠藻與硅藻，其它3組的綠藻所占比例均有升高趨勢.

3 討論

3.1 藻類生長

無論是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)底層還是水華藍(lán)藻的大量生長，均受到物質(zhì)與能量平衡關(guān)系的限制[3，22].Tomioka等[23]認(rèn)為入射至水柱中的光強(qiáng)是影響Kasumigaura湖中銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)生長的最重要因子，營養(yǎng)鹽充足與否也很關(guān)鍵[11-12]；換言之，雖然溫度常被認(rèn)為是太湖藻類復(fù)蘇及后續(xù)生長的關(guān)鍵因子[3，38]，但在適宜的溫度下(本研究為25℃)，藻類復(fù)蘇至水柱后的生長過程亦常受光強(qiáng)與營養(yǎng)鹽的作用.與此同時，本研究中無論哪個處理組，藻類增殖均有6d的調(diào)整期，這與低溫、低光模擬越冬過程使藻類生理活性受到一定抑制有關(guān)[24].

圖4 藻類初始斜率(a)與最大相對電子傳遞速率(b)變化Fig.4 Variation of α(a) and rETRmax(b) during the experiment

圖5 藻類組成變化Fig.5 Variation of algae composition during the experiment

光強(qiáng)對藻類生長的影響方面，光照能引起底泥藻類向水柱中遷移[25]，且一定光強(qiáng)范圍內(nèi)藻類的生長速率會隨光強(qiáng)的升高而升高[26-28]，雖然本研究中低光強(qiáng)組的藍(lán)藻(優(yōu)勢類群)對光能的利用效率要高于高光強(qiáng)組[29-30]，但其總體接受的光能最低，因此低光強(qiáng)組(5μE/(m2·s))藻類生物量無明顯增加，這主要是由光限制引起的.高光強(qiáng)組的藍(lán)藻會受到一定程度的光脅迫，本研究中高光強(qiáng)組(200μE/(m2·s))PSⅡ最大光量子產(chǎn)量的值明顯低于其它光強(qiáng)條件，說明受到一定程度的高光強(qiáng)脅迫[31-32].藻類的類胡蘿卜素功能主要為兩方面：一是作為輔助捕光色素(主要吸收400～550nm)提高細(xì)胞的光合生產(chǎn)，二是對光氧化的保護(hù)作用，這主要體現(xiàn)在類胡蘿卜素可消散來自高度激發(fā)的三線態(tài)葉綠素a或單線態(tài)氧的能量；而提高類胡蘿卜素相對含量是藻類抵御高光強(qiáng)損傷以及維持甚至在一定程度上提高光合作用的一種響應(yīng)機(jī)制[1，33-34]，故而本研究高光強(qiáng)條件下的微囊藻仍有一定的增殖.可見，光強(qiáng)過高或過低均不利于越冬藻類的復(fù)蘇生長，相較而言中光強(qiáng)較合適.自然水體中，光強(qiáng)隨深度增加而呈指數(shù)下降，底層水體中易造成微囊藻增殖的光限制、表層水中則更易造成高光強(qiáng)脅迫，但微囊藻可通過浮力調(diào)節(jié)機(jī)制運(yùn)動至合適光強(qiáng)的位置[35-37].本研究發(fā)現(xiàn)，相比高光強(qiáng)脅迫，低光強(qiáng)限制對控制微囊藻增殖及其生物量的效果更明顯，且更易于自然條件下的實(shí)際操作[38]，如通過遮光等措施人為模擬水面光強(qiáng)低于微囊藻增殖臨界光強(qiáng)的條件.

增加營養(yǎng)鹽可促進(jìn)水華早期的藻類生長[39]，本研究所設(shè)的50μE/(m2·s)光強(qiáng)相對利于藻類增殖，且N、P濃度參照太湖水華早期的實(shí)際情況[11].通常浮游植物細(xì)胞組成中的氮磷比約為16∶1[40]，即浮游植物生產(chǎn)同一單位生物量對N的需求量大于P，雖然其對P具有富集積累作用[5，39]，但低溫低光處理后或已使其消耗，故而本研究中N添加組藻類的生長狀況劣于P添加組，即使藍(lán)藻的葉綠素?zé)晒庵德愿哂赑添加組；相同光強(qiáng)下若營養(yǎng)鹽相對缺乏可導(dǎo)致光能相對過剩，N+P添加組的藻類類胡蘿卜素相對含量低且Fv/Fm值高，說明相較而言該處理組藻類受脅迫小，故而其生長狀況最優(yōu)，與相關(guān)報道一致[41]；但對照組生長狀況最劣，N+P添加組的生長狀況明顯優(yōu)于中光強(qiáng)組(中光強(qiáng)組的N濃度高于N+P添加組、P濃度低于N+P添加組)，這說明水華早期P的限制作用大于N，與P是春季太湖浮游植物生長的主要限制因子的報道吻合[11-12].本研究還發(fā)現(xiàn)，光限制時(低光強(qiáng)組)浮游植物的生長劣于光照充足但N、P濃度相對缺乏的處理組(即對照組)，說明光限制時光強(qiáng)為浮游植物生長的第一限制因子，這與光強(qiáng)不足時營養(yǎng)鹽會變得相對富足的報道一致[22，42-43].

因此，若從水華早期控藻的角度看，降低光強(qiáng)與營養(yǎng)鹽(主要是P)均能在一定程度上控制浮游植物生物量及其生長.

3.2 藻類組成

雖然溫度被認(rèn)為在影響太湖浮游植物組成中扮演著重要作用[44]，生物因子亦被認(rèn)為是太湖梅梁灣春夏之交浮游植物演替的主要影響因子[10]，但本研究發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)與營養(yǎng)鹽在水華早期對浮游植物的組成變化均起到了一定作用.本研究低光強(qiáng)處理組基本未檢測到綠藻、硅藻的光合活性或生物量，中、高光強(qiáng)處理組則在實(shí)驗(yàn)中、后期出現(xiàn)了硅藻、綠藻，且其所占比例有隨時間上升的趨勢，光強(qiáng)越高其所占比例越大，這與綠藻、硅藻比藍(lán)藻(微囊藻)更喜好相對高的光強(qiáng)吻合[15，33，45]；自然條件下，太湖梅梁灣中藍(lán)藻晚于硅藻、綠藻到夏季才占據(jù)優(yōu)勢[10，46]，雖然這有溫度逐漸升高的原因，但也可能與風(fēng)場導(dǎo)致的藻類堆積及懸浮物濃度升高進(jìn)而影響水下光場變化有關(guān)[43，46].

據(jù)報道，太湖河口硅藻生物量密集與相對高的N、P濃度有關(guān)[47]，太湖冬、春季營養(yǎng)鹽的增加可提高硅藻的競爭優(yōu)勢[48]；同時，諸多研究均表明在相對高的N、P濃度下綠藻(柵藻)較藍(lán)藻(微囊藻)更易形成競爭優(yōu)勢(24～28℃)[49-51].本研究各處理組均在實(shí)驗(yàn)中、后期觀測到綠藻、硅藻，說明營養(yǎng)鹽對水華早期藻類的群落結(jié)構(gòu)有一定影響；而期間綠藻相對硅藻更占優(yōu)勢，可能是因?yàn)榫G藻生長的最適溫度(20～25℃)高于硅藻的最適溫度(14～18℃)[48]，而本研究所設(shè)溫度為25℃，藍(lán)藻(微囊藻)生長的最適溫度則更高，故而藍(lán)藻所占比例一直最高.

因此，若從水華早期控制角度看，采取降低入射光強(qiáng)的措施雖可降低藻類生物量，但可能會出現(xiàn)更耐低光的藍(lán)藻尤其微囊藻占據(jù)優(yōu)勢的情況；若不考慮溫度，相對低的N、P營養(yǎng)條件亦可能使藍(lán)藻占優(yōu)勢，若一定程度上升高N、P濃度可使硅藻、綠藻逐漸占據(jù)優(yōu)勢.

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The physio-ecological characteristics of algae treated with low temperature and light intensity under different light intensity， nitrogen and phosphorus concentrations

ZHOU Qichao1，2， XIONG Qian1，3， LI Lin1， HU Lili1，3& SONG Lirong1

(1：StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology，InstituteofHydrobiology，ChineseAcademyofSciences，Wuhan430072，P.R.China2：YunnanKeyLaboratoryofPollutionProcessandManagementofPlateauLake-Watershed，YunnanInstituteofEnvironmentalScience(KunmingChinaInternationalResearchCenterforPlateauLake)，Kunming650034，P.R.China3：UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，P.R.China)

The impacts of light intensity and nutrients on the growth and composition of phytoplankton(from Lake Taihu) were investigated after a treatment of low temperature(4℃) and light intensity(5μE/(m2·s)). Results showed that growth of algae under moderate light intensity(50μE/(m2·s)) was the best followed by high light intensity(200μE/(m2·s)) and low light intensity(5μE/(m2·s)). Green algae and diatom were detected under moderate and high light intensity， and the proportion of them increased with culturing time and light intensity， however， they were not detected under low light intensity. Meanwhile， nutrients enrichment bioassays were conducted under moderate light intensity to determine the influence of nutrient limitation on phytoplankton growth and structure during early bloom stage. The results indicated that algae grow better with addition of both nitrogen and phosphorus than phosphorus or nitrogen alone and neither successively， indicating that the growth of algae is sensitive to both nitrogen and phosphorus limitation， and is more sensitive to phosphorus in the early stage of blooms. Additionally， nutrients were also found to influence the structure of phytoplankton community in the early stage of bloom， as green algae and diatom were detected after introduction of nitrogen or/and phosphorus. These results implied that reducing light intensity and nutrients(mainly phosphorus) will reduce phytoplankton biomass and growth during early bloom stage. However， some cyanobacteria，Microcystisfor example， which is low light intensity tolerance， may dominant after reduction of light intensity and nutrients. Green algae and diatom may dominate gradually with increasing the nitrogen and phosphorus concentrations to a certain extent， which provided possible options for selective controlling during early bloom.

Light intensity； nutrient； phytoplankton； proliferation； community structure； early stage of bloom； Lake Taihu

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(6)： 1059-1066

DOI 10.18307/2015.0610

?2015 byJournalofLakeSciences

*淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2014FBZ01)和國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07102-005)聯(lián)合資助.

2014-11-28收稿；2015-03-05收修改稿.

周起超(1985～)，男，博士，工程師；E-mail：qchzhou@gmail.com.熊倩(1988～)(并列第一作者)，女，碩士研究生；E-mail：xiongqian010@163.com.

**通信作者；E-mail：lrsong@ihb.ac.cn.