大水面控养条件下水葫芦与浮游藻类间的相互作用

生态环境学报2016,25(5):[e-mail]基金项目：国家“十二五”滇池水专项项目（2012ZX07102-004-6）作者简介：徐寸发（1991年生），男，硕士，主要从事水体污染生物修复方面的研究。E-mail:[e-mail]共同第一作刘海琴（1971年生），女，副研究员，主要从事水体污染生物修复方面的研究。E-mail:[e-mail]*通信作者。E-mail:[e-mail]收稿日期：2016-03-22大水面控养条件下水葫芦与浮游藻类间的相互作用徐寸发1,2，刘海琴1，徐为民2，秦红杰1，闻学政1，张迎颖1，张志勇1*1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京210014；2.江苏省农业科学院中心实验室，江苏南京210014摘要：在滇池外海北岸重污染水域的0.25km2封闭性蓝藻治理试验示范区内控养水葫芦（Eichhorniacrassipe），通过鉴定与计数水体浮游藻类及监测水葫芦生理指标的变化，研究大水面控养条件下水葫芦与浮游藻类间的相互作用。6月底按9.30kg·m-2投放水葫芦种苗，12月底进行采收，水葫芦控养面积为2.51hm2。结果显示，该水域共鉴定出浮游藻类隶属7门46种（属），控养水葫芦未显著影响浮游藻类群落结构；水葫芦控养区浮游藻类生物量高于对照区，控养区浮游藻类最大生物量为1.76×109cells·L-1，是对照区的2.2倍；蓝藻门生物量占浮游藻类总生物量的88.0%以上，且以微囊藻为优势种群，控养区微囊藻生物量高达1.75×109cells·L-1，是对照区的2.4倍；水葫芦根系对浮游藻类具有明显吸附作用，吸附的微囊藻最大生物量为1.67×109cells·m-2。吸附于水葫芦根系的高浓度浮游藻类未影响植株株高、根长、生物量的变化，对根系活力与叶片生理变化影响也较小，平均根系表面积和活跃面积分别为0.62和0.28m2·g-1，平均叶片可溶性糖和可溶蛋白质分别为2.81和0.15mg·g-1。综上分析，控养水葫芦改变浮游藻类空间分布特征，将其有效吸附滞留于控养区，防止其随风布满湖面；水葫芦根系吸附的高浓度浮游藻类未影响水葫芦正常生长。关键词：水葫芦；浮游藻类；相互作用DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.018中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1674-5906（2016）05-0850-07引用格式：徐寸发,刘海琴,徐为民,秦红杰,闻学政,张迎颖,张志勇.大水面控养条件下水葫芦与浮游藻类间的相互作用[J].生态环境学报,2016,25(5):850-856.XUCunfa,LIUHaiqin,XUWeimin,QINHongjie,WENXuezheng,ZHANGYingying,ZHANGZhiyong.InteractionbetweenEichhorniacrassipeandPhytoplanktonunderLargeWaterSurfaceControlledGrowthofEichhorniacrassipe[J].EcologyandEnvironmentalSciences,2016,25(5):850-856.水葫芦，学名凤眼莲（Eichhorniacrassipe），属雨久花科凤眼莲属，多年生漂浮植物，其具有生长迅速、生物量大、富集氮磷能力强等特点，被国际公认为高效去除水体氮、磷的高等水生植物之一（常会庆等，2010；万志刚等，2004；Jayaweeraetal.，2004），被广泛应用于富营养化湖泊治理。而浮游藻类是水环境中的初级生产者，也是食物链和营养结构的基础环节，在能量转化与物质循环过程中起重要的作用。目前，关于水葫芦与浮游藻类间的相互作用多集中于水葫芦对浮游藻类抑制机理方面的研究，其主要是室内模拟实验。据已有报道，水葫芦通过营养盐和光照的竞争（Yangetal.，1992），以及根系分泌化感物质（Kimetal.，2000）等途径抑制浮游藻类繁殖生长。根系分泌的化感物质有N-苯基-2-萘胺、亚油酸甘油酯、亚油酸、丙酰胺、壬酸、脱水B-D吡喃葡萄糖、2，2-二甲基环戊酮等（杨善元等，1992；Jinetal.，2003）；Almeidaetal.（2006）研究发现，水葫芦对绿藻具有选择性的抑制作用。而有关大水面控养水葫芦修复富营养化湖泊的研究也主要集中于水葫芦对水体理化指标的改善（张志勇等，2015a；Wangetal.，2013）及对浮游动物和底栖动物的影响方面（Chenetal.，2012；王智等，2012），而生长期内水葫芦与浮游藻类间的相互作用研究较少。在滇池外海北岸水域，每年夏天受气象、湖流等的作用，大量的浮游藻类聚集于岸边，形成大片的蓝藻聚集区，引起水体溶解氧显著下降、水体发臭、鱼类死亡等现象。云南省环境科学研究院于2011年在该水域利用不透水软围隔材料构建了0.25km2封闭性水域，简称蓝藻治理试验示范区。2013年江苏省农业科学院在蓝藻治理试验示范区内开展控养水葫芦修复富营养化水体示范工程。本徐寸发等：大水面控养条件下水葫芦与浮游藻类间的相互作用851研究基于示范工程的平台，通过分析控养期内水葫芦对浮游藻类生物量及其群落结构的作用，以及监测水葫芦生物量、根系与叶片生理指标变化等，着重研究富营养化湖泊中水葫芦与浮游藻类间的相互作用，以期为水葫芦控养修复富营养化湖泊工程提供科学依据。1材料与方法1.1试验方法于2013年5月在滇池外海北岸蓝藻治理试验示范区内，利用钢管（5cm×600cm）和泡沫浮球（ø300cm×500cm）等材料构建4个水葫芦单体控养围栏，围栏构建示意图如图1所示，具体构建方法及参数详见专利（专利号：ZL201520097706.4）（张志勇等，2015b）。围栏面积共计2.51hm2，其中1个边长均为100m，另外3个边长均为71m。同年6月利用机动船将水葫芦种苗托运至试验水域，按9.30kg·m-2放养于4个围栏内，覆盖度占0.25km2水域的10%，并在试验水域设置8个采样点，其中W1~W4为水葫芦控养区（Plantingregion）采样点，W5~W8为对照区（CK）采样点，如图2所示。试验期为2013年7─12月，即水葫芦控养期，试验结束后将水葫芦打捞上岸进行资源化利用。试验期间，以1次/月的频率采集水葫芦植株样品和浮游藻类样品，监测水葫芦控养区和对照区水体浮游藻类的生物量及群落，以及测定水葫芦根系单位面积吸附的浮游藻类生物量；同时监测水葫芦株高、根长、单位面积生物量、根系表面积、活跃面积及叶片可溶性糖与可溶性蛋白质含量。试验前水域水质如表1所示。1.2样品的采集与处理水体浮游藻类定量样品：利用容量为5L的有机玻璃采水器采集水体表层（距表层0~0.5m）、中层（距表层1.0~1.5m）、底层（湖底上0.5m）3层次的水样等量均匀混合后，取其中1L水样加10mL鲁哥试剂固定，静置48h后浓缩至50mL。定性样品：用25号的浮游生物网（64μm）过滤采集的水样，然后将生物网内的浮游藻类转移至50mL的塑料瓶中，加入1mL鲁哥试剂固定。此外，在每个控养围栏内随机采集10株水葫芦，测定株高、根长，然后选取其中5株采用软毛刷和6L去离子水清洗水葫芦根系，取混合均匀的清洗液1L加入10mL鲁哥试剂固定，静置48h浓缩至50mL后作为水葫芦根系吸附的浮游藻类定量样品。最后将清洗后的水葫芦根系与叶子分开，选取部分根系和叶子分别测定根系表面积和活跃面积、叶片可溶性糖、可溶性蛋白质。1.3分析方法与数据处理浮游藻类定性和定量样品的鉴定与计数参照文献进行（章宗等，1991；胡鸿钧等，2006）；采用甲烯蓝吸附法测定根系表面积及活跃面积（陈建勋等，1985）；通过水葫芦根系吸附的浮游藻类生物量与根系表面积得到水葫芦根系单位面积吸附的浮游藻类生物量。采用考马斯亮蓝法、蒽酮比色法分别测定叶片可溶性蛋白质、叶片可溶性糖（张志良等，2002）。根长和株高采用米尺测定；单位面积水葫芦生物量（鲜重）测定是将将1m2内全部植株从水中捞起放在筛网上，直至无滴水时称重而得。各采样点指标均重复3次测定，最后试验数据结果用平均值±标准偏差表示，利用Origin8.0软件作图。表1试验水域6月份水质状况Table1WaterqualityofthewaterareaDO/(mg·L-1)SD/mCODcr/(mg·L-1)TN/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)Chl-a/(µg·L-1)8.10±0.900.35±0.0276.20±4.074.86±0.450.25±0.0263.33±4.11图2采样点分布图Fig.2Distributiondiagramofsamplingsites图1围栏构建示意图Fig.1Schematicdiagramofenclosure852生态环境学报第25卷第5期（2016年5月）2结果与分析2.1水葫芦对浮游藻类的作用2.1.1浮游藻类群落结构变化由表2可以看出，7─12月试验水域共鉴定出浮游藻类隶属7门46种（属），不同月份控养区和对照区浮游藻类群落组成存在差异，不过均有蓝藻门、绿藻门、硅藻门和隐藻门，且种（属）数排序为绿藻门蓝藻门硅藻门隐藻门。各月份控养区浮游藻类总种（属）数低于对照区，但差异不明显，表明控养水葫芦对浮游藻类的群落结构影响较小。其中，8月因是蓝藻暴发高峰期，可能因蓝藻生物量大而抑制了其他藻类生长，导致浮游藻类总种（属）数显著减少。随着蓝藻开始衰亡，其他藻类开始出现，9月后出现裸藻类，12月后出现了适宜在贫营养化水体中生长的金藻类。2.1.2浮游藻类生物量变化及群落分布根据图3知，浮游藻类生物量变化表现为先升后降的趋势。控养区浮游藻类生物量高于对照区，这表明水葫芦将浮游藻类吸附滞留于控养区，改变了浮游藻类的空间分布特征。其中，8月因蓝藻暴发使浮游藻类生物量迅速增加，控养区为1.76×109cells·L-1，是对照区8.11×108cells·L-1的2.2倍；9月因降雨较多，部分浮游藻类下沉，浮游藻类生物量显著下降；12月由于气温下降，浮游藻类衰亡沉降，使浮游藻类生物量急剧下降。同时，结合图4，可知微囊藻是该水域水体浮游藻类中的绝对优势种群，也是蓝藻门的优势种群。试验期微囊藻生物量变化趋势与浮游藻类生物量变化趋势基本一致，且控养区微囊藻生物量高于对照区。其中，在蓝藻暴发高峰期（8月），控养区微囊藻生物量高达1.75×109cells·L-1，是对照区7.31×108cells·L-1的2.4倍。由表3可知，蓝藻门生物量占总浮游藻类生物量比例最大，绿藻门次之，且控养区蓝藻门生物量高于对照区，绿藻门则相反。各月份蓝藻门生物量占总浮游藻类生物量的比例均超过88.0%。9月对照区绿藻门占总浮游藻类的10.21%，高于其他月份，原因可能是9月因天气原因，减缓了蓝藻门的扩增速率，削弱了蓝藻门对其他藻门生长的抑制作用。Jul.Aug.Sep.Oct.Nov.Dec.0246810161820Microcystisbiomass/(108cells·L-1)PlantingregionCK图4微囊藻生物量变化Fig.4MonthlyvariationofMicrocystisbiomassJul.Aug.Sep.Oct.Nov.Dec.0246810161820Planktonicalgaebiomass/(108cells·L-1)PlantingregionCK图3浮游藻类生物量变化Fig.3Monthlyvariationofplanktonicalgaebiomass表2浮游藻类群落结构的变化（单位：种(属)）Table2Monthlyvariationofcommunitystructureofplankton