盧金鎖, 楊 喆, 張 旭, 張 博

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

近年來水庫逐漸成為重要的供水水源[1], 水庫富營養(yǎng)化和庫區(qū)內(nèi)原水質(zhì)惡化現(xiàn)象較為常見[2-3]。研究表明[4-6]夏秋兩季是水庫內(nèi)藻類高發(fā)季節(jié), 富營養(yǎng)化水庫受分層影響而營養(yǎng)鹽含量失衡, 當(dāng)某一環(huán)境因素改變時, 水庫內(nèi)的藻類短時間內(nèi)大量繁殖并聚集在水體表層造成水華現(xiàn)象, 對庫區(qū)水體水質(zhì)及原水水質(zhì)造成嚴(yán)重的危害[7-8]。

庫區(qū)藻類分布受光照、降雨和水動力條件等多種環(huán)境因素影響[9], 目前關(guān)于誘發(fā)藻類形成水華主要從水體內(nèi)營養(yǎng)鹽含量[10]、光照影響[11-12]和水動力條件[13-14]等環(huán)境因素角度研究, 作者以北方地區(qū)的峽谷型深水庫水源——金盆水庫中夏秋兩季優(yōu)勢藻種之一的直鏈藻為代表[15], 在實(shí)驗(yàn)室的自制沉降柱條件下模擬不同環(huán)境因素對水中直鏈藻時空分布的影響, 總結(jié)出對應(yīng)直鏈藻的時空分布規(guī)律, 統(tǒng)計(jì)方差分析得出各環(huán)境因素對藻類分布的影響程度, 以對水庫取水規(guī)避藻類應(yīng)用借鑒。

1 材料和方法

1.1 藻種來源與培養(yǎng)條件

直鏈藻(Melosira)在分類學(xué)上屬于硅藻門(Bacillariophyta), 鏈狀群體, 藻細(xì)胞呈圓柱形。鏈長一般為 8～35 μm, 由一個個節(jié)狀殼面連接, 一般為 3～15節(jié), 常見于湖泊、水庫等淡水系統(tǒng)中[16]。直鏈藻從中國淡水藻種庫(FACHB-Collection)處購買。將其置于光照培養(yǎng)箱中, 利用CSI培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng), 箱內(nèi)溫度控制在(25±1)℃, 光強(qiáng)設(shè)置在(3000±100)lx 左右, 光照時間設(shè)置為L∶D=12 h∶12 h, 每天搖晃3次, 達(dá)到穩(wěn)定期的周期在30 d左右[17-18]。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)定

本實(shí)驗(yàn)的主體實(shí)驗(yàn)裝置為一個自制的圓柱形有機(jī)玻璃沉降柱, 如圖1所示。柱高4 300 mm, 直徑150 mm, 在側(cè)外壁從上至下設(shè)置了17個直徑為8 mm的取樣口, 相隔取樣口之間的距離為35 cm。取樣管向柱內(nèi)伸至10 mm處, 為了避免取到吸附在內(nèi)壁上的直鏈藻造成取樣誤差; 沉降柱上方設(shè)置多級可調(diào)控?zé)粝淇稍O(shè)置不同光照強(qiáng)度, 燈箱內(nèi)設(shè)置噴頭用于模擬降雨實(shí)驗(yàn)和設(shè)置風(fēng)扇用于散熱; 沉降柱底部設(shè)置閥門和流量計(jì)用于調(diào)節(jié)出流流量。將沉降柱內(nèi)水體上部300 mm設(shè)為隔熱區(qū)域, 下部4 000 mm為實(shí)驗(yàn)水體區(qū)域, 并用5 mm厚黑色保溫膜包裹沉降柱表面覆蓋整個實(shí)驗(yàn)水體區(qū)域, 起到遮光保溫的作用。

圖1 沉降柱裝置示意圖Fig.1 Settling column device schematic diagram

1.3 測定方法

沉降柱上方及柱內(nèi)水體光強(qiáng)由光照計(jì)進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)前配制不同直鏈藻含量的水, 用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀(HydrolabDS5)測定其葉綠素 a濃度, 并用丙酮萃取-紫外分光光度法進(jìn)行校核[19], 并使用可見紫外分光光度計(jì)(HydrolabDR5000)測其在650 nm波長時的吸光值, 建立直鏈藻的葉綠素 a濃度與吸光值之間線性方程[20]即: y=1569x+0.596(R2=0.999), 以便實(shí)驗(yàn)中只需取少量水樣檢測其吸光值, 計(jì)算對應(yīng)的葉綠素a。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

沉降柱內(nèi)水將金盆水庫原水經(jīng)過孔徑為 0.45 μm微孔纖維濾膜過濾, 為避免濾膜中的有機(jī)物質(zhì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響, 使用前對濾膜進(jìn)行煮沸處理; 為使沉降柱內(nèi)的原水充分均勻混合并使其雜質(zhì)沉淀,在實(shí)驗(yàn)開始前12 h便將其注入進(jìn)沉降柱內(nèi), 注水量約為 70.7 L; 為了能夠同時模擬直鏈藻上浮和下沉特性, 將已培養(yǎng)至穩(wěn)定期的直鏈藻液利用注射器從7號取樣口緩慢注入沉降柱內(nèi), 將沉降柱以 7號取樣口為界分為上浮區(qū)和下沉區(qū)(圖 1), 分別通過改變沉降柱上部燈數(shù)量、下部出流水量和上部噴頭出流量,形成 5組不同的光照、取水出流引起的水動力和降雨條件下, 研究直鏈藻懸浮特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照條件對直鏈藻垂向分布影響

直鏈藻液從沉降柱中部 7號取樣口被注入進(jìn)沉降柱后, 調(diào)整燈箱開啟燈數(shù)量, 使其在沉降柱水面處光強(qiáng)分別為0、1 000、3 000、7 000、10 000 lx, 間隔0.5～4 h在上浮區(qū)2號和下沉區(qū)15號取樣口進(jìn)行取樣,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時間周期為2 d。在不同光照條件下上浮區(qū)直鏈藻隨時間的分布如圖2a所示, 在不同光照條件下下沉區(qū)直鏈藻隨時間的分布如圖2b所示。

由圖2a可知, 在高濃度藻液加入后, 0.5 h之內(nèi)直鏈藻迅速向表層擴(kuò)散, 使表層水體中藻類濃度提高, 說明直鏈藻在光的誘導(dǎo)下明顯上浮, 呈現(xiàn)一定趨光性, 這與 Lashaway[21]研究結(jié)論一致。但在不同光強(qiáng)呈現(xiàn)不同上浮特性, 在光強(qiáng)為1 000 lx時, 表層達(dá)到最大需要0.5 h, 而在光強(qiáng)為10 000 lx時表層達(dá)到最大需要 2.5 h, 說明在較強(qiáng)光強(qiáng)時由于光可到達(dá)較深, 直鏈藻無需上浮至表層, 上浮速度較慢。在上浮區(qū)直鏈藻分布穩(wěn)定時, 光強(qiáng)在3 000 lx時表層直鏈藻濃度最大, 其次為 7 000 lx, 最小為無光強(qiáng), 說明直鏈藻適合在3 000 lx左右生長, Wang[22]研究表明直鏈藻適合在低光強(qiáng)環(huán)境下生長, 其最適光強(qiáng)為2 800 lx左右。

由圖 2b可知, 實(shí)驗(yàn)開始后下沉區(qū)內(nèi)直鏈藻的濃度變化緩慢且在24 h之后達(dá)到平衡, 其中在最大光強(qiáng)10 000 lx達(dá)到平衡時, 底部直鏈藻的濃度最低,表明在頂部高光強(qiáng)下, 沉降柱內(nèi)整體光強(qiáng)較高, 直鏈藻在深度上分布廣泛, 在頂部低光強(qiáng)下, 直鏈藻難以在沉降柱內(nèi)生長, 而沉降至底部。這一點(diǎn)也可在表1中得出。由表1可知, 在0～3 000 lx光強(qiáng)時上浮區(qū)和下沉區(qū)內(nèi)各個取樣點(diǎn)的濃度值大致相同,在7 000和10 000 lx光強(qiáng)時上浮區(qū)內(nèi)位于沉降柱中部的6號取樣點(diǎn)的濃度值分別為53、60 μg/L要高于其余的取樣點(diǎn)濃度值, 而光強(qiáng)為10 000 lx時下沉區(qū)內(nèi)同樣位于沉降柱中部的 8、9號取樣點(diǎn)濃度值分別為63、66以及66、70 μg/L要高于其余的取樣點(diǎn)濃度值。

圖2 不同光照條件下直鏈藻的垂向分布分析圖Fig.2 Vertical distribution diagram of Melosira under different light conditions

表1 不同光照直鏈藻濃度在穩(wěn)定時間時垂向分布情況(單位: μg/L)Tab.1 Vertical distribution of different light Melosira concentrations at stable time (unit: μg/L)

2.2 不同水動力條件對直鏈藻垂向分布影響

直鏈藻液從沉降柱中部 7號取樣口被注入進(jìn)沉降柱后, 改變沉降柱底部出流流量分別為8、15、23、30和36 mL/min, 每次實(shí)驗(yàn)間隔5～8 h在上浮區(qū)2號和5號以及下沉區(qū)9號和15號取樣口進(jìn)行取樣, 4個取樣點(diǎn)的藻液濃度值隨時間分布如圖3a～e所示。

由圖3a～e可知, 在實(shí)驗(yàn)過程中4個取樣點(diǎn)的藻濃度差值由開始時的相差較大到結(jié)束時的相差不大,越接近結(jié)束時間時 4個取樣點(diǎn)間的藻濃度分布趨勢基本不變且測得的各自取樣點(diǎn)藻濃度基本不變。對比圖2與圖3, 以上浮區(qū)的2號取樣點(diǎn)和下沉區(qū)的15號取樣點(diǎn)為例, 光強(qiáng)設(shè)置為3 000 lx。由圖2可知, 當(dāng)沉降柱底部沒有出流時, 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2 d后沉降柱內(nèi)直鏈藻濃度趨于穩(wěn)定且光強(qiáng)為3 000 lx時, 15號取樣點(diǎn)的藻濃度為78 μg/L; 由圖3可知, 受到實(shí)驗(yàn)開始時投加直鏈藻液濃度不同的影響, 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時15號取樣點(diǎn)的藻濃度范圍為 55～70 μg/L, 當(dāng)改變沉降柱底部出流流量時, 實(shí)驗(yàn)平衡時間大大縮短, 出流流量最小即8 mL/min時實(shí)驗(yàn)平衡時間為8 h, 而出流流量最大即36 mL/min時實(shí)驗(yàn)平衡時間為5 h, 說明隨著出流流量的逐漸增大促使對應(yīng)水域內(nèi)直鏈藻被動遷移加快, 能夠在越短的時間內(nèi)聚集, 這與 Wang[23]的研究結(jié)論一致。同時對比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn), 無論沉降柱底部出流流量是否發(fā)生改變, 在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)時間內(nèi) 2號取樣點(diǎn)的藻濃度變化趨勢基本一致, 說明沉降柱底部出流流量的改變對下沉區(qū)內(nèi)直鏈藻垂向分布的影響要大于對上浮區(qū)內(nèi)的, 由此可以推斷出隨著水深的增加, 越靠近出流流量改變的水層其對應(yīng)的直鏈藻垂向分布越受其影響。

2.3 不同降雨條件對直鏈藻垂向分布影響

直鏈藻液從沉降柱中部 7號取樣口被注入進(jìn)沉降柱后, 1 h后進(jìn)行降雨實(shí)驗(yàn)?zāi)M時, 模擬降雨強(qiáng)度分別為1.67、5、8.33、11.67和15 mm/min, 降雨持續(xù)45 min, 降雨期間取樣間隔15 min, 第二次模擬降雨在第一次結(jié)束4.5 h后進(jìn)行, 間隔7 h在上浮區(qū)2號和5號以及下沉區(qū)9號和15號取樣口進(jìn)行取樣, 4個取樣點(diǎn)的藻液濃度值在不同降雨條件下隨時間的分布如圖4a～d所示。

由圖4a可知, 實(shí)驗(yàn)開始后1 h之內(nèi)沒有開始降雨, 上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻受到光照影響迅速上浮, 之后降雨開始上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻向下層遷移, 降雨 45 min后的降雨間隔期內(nèi), 上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻受到光照影響再次向表層遷移, 二次降雨開始后, 上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻再次向下層遷移。測得 2號取樣點(diǎn)的藻濃度在降雨期間, 降雨強(qiáng)度最小即1.67 mm/min時藻濃度下降幅度為23%, 而降雨強(qiáng)度最大即15 mm/min時藻濃度下降幅度為 49%, 說明隨著降雨強(qiáng)度增大, 降雨開始后表層直鏈藻的下降幅度也增大。由圖4b可知,實(shí)驗(yàn)開始未發(fā)生降雨時, 上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻受到光照影響迅速上浮, 而發(fā)生降雨時, 表層直鏈藻向下層遷移,測得5號取樣點(diǎn)的藻濃度在降雨期間, 降雨強(qiáng)度最小即1.67 mm/min時藻濃度下降幅度為3.5%, 而降雨強(qiáng)度最大即15 mm/min時藻濃度上升幅度為11.8%。

結(jié)合圖4a和4b可知, 隨著降雨強(qiáng)度增大越靠近表層水體的直鏈藻對應(yīng)的垂向分布越受其影響且降雨強(qiáng)度越大趨勢越明顯, 同時受降雨影響的水深也隨降雨強(qiáng)度的增大而增大。相對于預(yù)防水華現(xiàn)象發(fā)生來說, 降雨對水中直鏈藻的垂向分布產(chǎn)生的影響是正面的影響, 是否可以采用人工降雨的方式來阻止或推遲水華現(xiàn)象的發(fā)生, 關(guān)于這一觀點(diǎn)是否可行目前國內(nèi)外學(xué)者沒有做過相關(guān)研究得出過類似結(jié)論, 還需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究來驗(yàn)證此觀點(diǎn)的正確性。

由圖4c和4d可知, 在5組不同降雨模擬的整個實(shí)驗(yàn)過程中, 9號和15號取樣點(diǎn)的藻濃度變化沒有明顯波動, 僅受自重影響而遞減和遞增, 說明降雨對水中直鏈藻垂向分布的影響是存在范圍的, 隨著水深的增加降雨對沉降柱內(nèi)直鏈藻的垂向分布影響減弱。

2.4 直鏈藻垂向分布與環(huán)境因素定量分析

利用單因素方差分析方法對上浮區(qū)以及下沉區(qū)內(nèi)的直鏈藻在光照、水動力以及降雨這3個環(huán)境因素影響下測得的葉綠素a濃度值進(jìn)行分析并運(yùn)用SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 從中得出光照、水動力以及降雨這3個環(huán)境因素哪一個對上浮區(qū)內(nèi)的直鏈藻垂向分布影響最大,哪一個因素對下沉區(qū)內(nèi)的直鏈藻垂向分布影響最大。

圖4 不同降雨條件下直鏈藻的垂向分布Fig.4 Vertical distribution diagram of Melosira with different amount of rainfall

表2、表3分別表示的是3個環(huán)境因素對上浮區(qū)以及下沉區(qū)內(nèi)直鏈藻垂向分布的影響程度, 其中組別1表示的是光照條件、組別2表示的是底部出流流量條件、組別 3表示的是降雨條件。從表中顯著性影響一行中的數(shù)據(jù)可知, 光照以及降雨條件對上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 而底部出流流量條件則對下沉區(qū)內(nèi)直鏈藻的垂向分布具有顯著影響。其中, 光照條件的改變促進(jìn)上浮區(qū)內(nèi)的直鏈藻垂向向水體表層遷移, 而降雨條件的改變則抑制上浮區(qū)內(nèi)的直鏈藻垂向向水體表層遷移。

3 結(jié)論

直鏈藻具有較強(qiáng)的趨光性且適合在低光強(qiáng)環(huán)境下生長, 實(shí)驗(yàn)?zāi)M確定直鏈藻的最適光強(qiáng)為3 000 lx,光強(qiáng)的改變對沉降柱內(nèi)直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 隨著水深的增加, 光強(qiáng)對水中直鏈藻垂向分布影響減弱。

沉降柱底部出流流量的改變對下層水體內(nèi)直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 且隨著出流流量的增大, 對應(yīng)的直鏈藻垂向分布變化波動越明顯, 同時越靠近底部出流流量改變的水層, 其對應(yīng)的直鏈藻垂向分布越受其影響, 能夠在越短的時間內(nèi)聚集,當(dāng)出流流量最小即8 mL/min時對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定時間為8 h, 而當(dāng)出流流量達(dá)到最大即36 mL/min時對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定時間為5 h。

表2 單因素方差分析3種環(huán)境因素對上浮區(qū)內(nèi)直鏈藻垂向分布的影響Tab.2 Effect of three kinds of environmental factors on the vertical distribution of Melosira in the floating zone analyzed by one-way ANOVA

表3 單因素方差分析3種環(huán)境因素對下沉區(qū)內(nèi)直鏈藻垂向分布的影響Tab.3 Effect of three kinds of environmental factors on the vertical distribution of Melosira in the sinking zone analyzed by one-way ANOVA

降雨強(qiáng)度的改變對表層水體內(nèi)直鏈藻的垂向分布具有顯著影響, 對于聚集在表層的直鏈藻來說,降雨對其產(chǎn)生抑制作用, 降雨強(qiáng)度越大, 表層水體內(nèi)直鏈藻就越偏離水體表層, 同時隨著水深的增加,降雨對直鏈藻的垂向分布影響減弱。

[1] Wang C, Sun Q, Wang P, et al. An optimization approach to runoff regulation for potential estuarine eutrophication control: Model development and a case study of Yangtze Estuary, China[J]. Ecological Modelling, 2013, 251: 199-210.

[2] Liu Y, Wang Y, Sheng H, et al. Quantitative evaluation of lake eutrophication responses under alternative water diversion scenarios: A water quality modeling based statistical analysis approach[J]. Science of the Total Environment, 2014, 468: 219-227.

[3] O’Neil J M, Davis T W, Burford M A, et al. The rise of harmful cyanobacteria blooms: The potential roles of eutrophication and climate change[J]. Harmful Algae,2012, 14: 313-334.

[4] Kolada A. The effect of lake morphology on aquatic vegetation development and changes under the influence of eutrophication[J]. Ecological Indicators,2014, 38: 282-293.

[5] Béchet Q, Shilton A, Guieysse B. Modeling the effects of light and temperature on algae growth: State of the art and critical assessment for productivity prediction during outdoor cultivation[J]. Biotechnology Advances,2013, 31(8): 1648-1663.

[6] 孔繁翔, 高光. 大型淺水富營養(yǎng)化湖泊中藍(lán)藻水華形成機(jī)理的思考[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 25(3): 589-595.

[7] Yu H, Zhao M, Agarwal R P. Stability and dynamics analysis of time delayed eutrophication ecological model based upon the Zeya reservoir[J]. Mathematics and Computers in Simulation, 2014, 97: 53-67.

[8] Chen X, He S, Huang Y, et al. Laboratory investigation of reducing two algae from eutrophic water treated with light-shading plus aeration[J]. Chemosphere, 2009,76(9): 1303-1307.

[9] 楊正健, 劉德富, 易仲強(qiáng), 等.三峽水庫香溪河庫灣擬多甲藻的晝夜垂直遷移特性[J].環(huán)境科學(xué)研究,2010, 23(1): 26-32.

[10] 龍?zhí)煊? 鄭敏, 郭蔚華, 等.生態(tài)幅在重慶嘉陵江主城段營養(yǎng)鹽限制因子中的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 30(2): 81-85.

[11] Li W, Guo Y, Fu K. Enclosure experiment for influence on algae growth by shading light[J]. Procedia Environmental Sciences, 2011, 10: 1823-1828.

[12] 劉春光, 金相燦, 邱金泉, 等. 光照與磷的交互作用對兩種淡水藻類生長的影響[J].中國環(huán)境科學(xué), 2005,25(1): 32-36.

[13] 顏潤潤, 逄勇, 趙偉, 等.環(huán)流型水域水動力對藻類生長的影響[J].中國環(huán)境科學(xué), 2008, 28(9): 813-817.

[14] 丁玲, 逄勇, 李凌, 等.水動力條件下藻類動態(tài)模擬[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 25(8): 1863-1868.

[15] 邱二生. 黑河水庫水質(zhì)及藻類監(jiān)測和水體分層研究[D].西安: 西安建筑科技大學(xué), 2010.

[16] 胡鴻鈞, 魏印心.中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)[M].北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[17] 王珺, 王愛雯, 陳國華, 等.幾種主要營養(yǎng)元素對直鏈藻生長速率的影響[J]. 海南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013, 31(3): 218-223.

[18] 趙玉明. 底棲硅藻生產(chǎn)性培養(yǎng)中的理論與實(shí)踐[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2010, 26(15): 402-406.

[19] 陳宇煒, 陳開寧, 胡耀輝.浮游植物葉綠素 a測定的“熱乙醇法”及其測定誤差的探討[J]. 湖泊科學(xué), 2006,18(5): 550-552.

[20] 于海燕, 周斌, 胡尊英, 等.生物監(jiān)測中葉綠素a濃度與藻類密度的關(guān)聯(lián)性研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測, 2009,25(6): 40-43.

[21] Lashaway A R, Carrick H J. Effects of light,temperature and habitat quality on meroplanktonic diatom rejuvenation in Lake Erie: implications for seasonal hypoxia[J]. Journal of Plankton Research,2010, 32(4): 479-490.

[22] Wang J, Xing Y, Chen G, et al. Effects of different ecological factors on the growth of Melosira sp.[J].Journal of Tropical Organisms, 2010, 3: 008.

[23] Wang P, Shen H, Xie P. Can hydrodynamics change phosphorus strategies of diatoms?—nutrient levels and diatom blooms in lotic and lentic ecosystems[J].Microbial Ecology, 2012, 63(2): 369-382.