底泥扰动下藻类对不同形态磷在水体中分布的影响

中国环境科学2015,35(9)：2787~2793ChinaEnvironmentalScience底泥扰动下藻类对不同形态磷在水体中分布的影响陈俊,李大鹏*,李勇,黄勇,袁怡,李祥(苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏苏州215009)摘要：研究了反复扰动与藻类共存条件下,水体中溶解性磷、颗粒态磷、生物有效磷的分布规律,并分析了颗粒物质物理化学吸附与藻类生物利用对水体中磷消失的贡献率.结果表明,扰动抑制了水体中藻类生长,叶绿素a增加量仅为3.53µg/L(初始30µg/L)和4.80µg/L(初始120µg/L),而无扰动下该值分别为21.36µg/L(初始30µg/L)和14.49µg/L(初始120µg/L).并且,溶解氧水平和pH值均低于无扰动状态.扰动导致水体中总磷和颗粒态磷显著增加,但溶解性总磷(DTP)和溶解性磷酸盐(DIP)均有所降低.对于DTP而言,扰动状态下,颗粒物质吸附占90%,而无扰动下,则降低至60%,相应地,藻类生物利用则增加至40%.无论扰动与否,BAP基本处于稳定状态,而BAPP占BAP的百分比则有所增加.扰动状态下BAPP占PP的百分比明显低于无扰动状态.这暗示了扰动对水体中磷迁移和转化的作用大于藻.关键词：扰动；藻类；磷；迁移和转化；太湖中图分类号：X131.2文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)09-2787-07Distributionofdifferentphosphorusformsintheoverlyingwaterundersedimentdisturbancewithalgae.CHENJun,LIDa-peng*,LIYong,HUANGYong,YUANYi,LIXiang(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,UniversityofScienceandTechnologyofSuzhou,Suzhou215009,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(9)：2787-2793Abstract：Distributionofdissolvedphosphorus(P),particulateP(PP)andbiavailableP(BAP)wasinvestigatedintheoverlyingwaterundersedimentdisturbancewithalgae.Inaddition,thecontributiontoPdisappearancebyparticulatematteradsorptionandalgaeuptakewasinvestigated.Theresultsshowthatsedimentdisturbancehandledthealgaegrowthandtheconcentrationofchlorophyllaincreasedby3.53µg/L(initialchlorophylla30µg/L)and4.80µg/L(initialchlorophylla120µg/L).But,thevalueincreasedby21.36µg/L(initialchlorophylla30µg/L)and14.49µg/L(initialchlorophylla120µg/L)withoutdisturbance.Accordingly,theconcentrationofdissolvedoxygenandpHvaluewithdisturbancewaslightlyhigherthanthatwithoutdisturbance.Undersedimentdisturbance,totalPandPPincreased,whiledissolvedtotalP(DTP)anddissolvedinorganicP(DIP)decreased.Thedegradationwasattributedtotheparticulatematteradsorptionandalgaeuptake.Thecontributionofparticulatematteradsorptionisupto90%undersedimentdisturbance.Onthecontrary,thecontributiondecreasedto60%withoutdisturbance,butthealgaeuptakeincreasedto40%.TheconcentrationofBAPstabilizedintheexperimentwithandwithoutdisturbance,butthepercentageofbioavailableparticulateP(BAPP)increased.ThepercentageofBAPPtoPPwithdisturbanceislowerthanthatwithoutdisturbance.ItissuggestedthatthecontributionofPmigrationandtransformationbyparticulatematteradsorptionismoreimportant,comparedwithalgaeuptake.Keywords：disturbance；algae；phosphorus；migrationandtransformation；TaiLake内源磷的再生和形态转化对水体富营养化的进程起着极为重要的作用[1],而沉积物扰动是促使内源磷再生和形态转化的关键因素[2-4].研究者分别从扰动强度、扰动频率、扰动持续时间、扰动次数等[5-8]对磷在泥水两相间的迁移转化作了深入探讨.扰动有利于上覆水中磷向沉积物迁移,并且进入上覆水中的悬浮物扮演着纽带和桥梁的作用[9-10].磷在泥水两相间的迁移转化除了受悬浮的颗粒物质影响外,藻类的吸收利用也会对其产生重要作用.Cyr等[11]认为,扰动下上覆水中磷的减收稿日期：2015-01-30基金项目：国家自然科学基金项目(51178284,51278523);江苏省第四期”333”工程项目;江苏省”六大人才高峰”项目(2013-JNHB-022);江苏省特色优势学科二期立项项目*责任作者,副教授,[e-mail]2788中国环境科学35卷少可归因于藻类等浮游植物对溶解性磷酸盐的吸收.汪明等[12]在对太湖梅粱湾的周年监测中发现,藻类的大量生长并未导致溶解性磷降低,相反却显著增加.这与Cyr等[11]研究有所不同,但这也暗示了在扰动与藻类共存条件下,磷的迁移规律更加复杂.实际上,扰动导致水体中颗粒物质增加,颗粒物质除了对水体中磷有吸附作用外,颗粒物质在扰动作用下可能对藻类产生摩擦作用而抑制藻类生长.但是,藻类因为与颗粒物质接触几率增加,在藻类“泵吸”作用下,也加快了颗粒态磷向溶解态磷的转化.因此,在扰动与藻类双重作用下,对水体中磷(颗粒态磷、溶解态磷)消失而言,究竟是颗粒物质的物理吸附作用占主要地位还是藻类的生物利用作用占主要地位,还有待进一步研究.因此,本研究采用反复扰动模式,探讨了在加藻条件下,水体中溶解态磷、颗粒态磷、生物有效磷在泥水两相间迁移及转化的变化规律,旨在为浅水湖泊磷的迁移转化提供数据支持和理论依据.1材料与方法1.1沉积物与上覆水的采集利用进口大口径柱状采样器(RigoCo.直径110mm,高500mm)于2014年10月采集梅梁湾(N31○31′33.6″,E120○12′32.4″)沉积物,并现场切得表层3cm的沉积物样品,装袋,立即用冰盒保存(4℃)送至实验室,同时采集采样点上覆水50L.将采集的沉积物过孔径为1mm的铁筛,对沉积物进行搅拌使其充分混匀,对上覆水和沉积物进行分析.沉积物和上覆水理化性质见表1.表1梅梁湾沉积物和上覆水的理化性质Table1physics-chemicalpropertiesofsedimentsandoverlyingwaterfromMeiliangBay项目DO(mg/L)pH值TP(mg/L)DTP(mg/L)DIP(mg/L)含水率(%)烧失量(%)Tot-P(mg/g)叶绿素a(µg/L)上覆水5.157.820.3600.0990.008---5.79沉积物-----53.935.580.22-注:-为末检验1.2试验方法试验开始前,首先接种培养铜绿微囊藻,藻种购自中国科学院水生生物研究所,接种后每天振荡培养基,使藻类正常生长.培养2周后,从培养基取出部分培养好的藻进行饥饿培养,培养周期为1周.选择4个1L玻璃容器作为实验装置(d=10cm,h=18cm),分别标记为E1组和E2组,每组各2个玻璃容器.称取200g梅梁湾湿沉积物放入玻璃容器中,并取适量培养基中藻液以采集的上覆水稀释配成2组不同藻浓度的藻溶液,并小心沿容器壁加入该上覆水配制的藻溶液1L,使得E1和E2上覆水藻浓度分别为30,120μg/L.尽量小心避免沉积物悬浮.试验周期为12h.采用机械搅拌机(RW20digital)对E1沉积物进行反复扰动(60r/min).每间隔3h扰动15min.早上8:00开始扰动,至晚上20:00试验结束.E2为对照试验,对上覆水和沉积物均不扰动.在每次扰动之前,分别采集E1和E2上覆水(液面下10cm处),测定DO、pH值、叶绿素a、总磷(TP)、颗粒态磷(PP)、溶解性总磷(DTP)、溶解性正磷酸盐(DIP)、生物有效磷(BAP).每次采集水样后,立即补充等量湖水.1.3分析方法TP:将水样采用过硫酸钾消解后钼锑抗分光光度法测定;DTP:将水样经过0.45μm滤膜过滤后的滤液消解后测定;DIP含量:将水样经过0.45μm滤膜过滤后直接测定;PP:TP与DTP差值.BAP的分析测定选用Ellison[13-14]的方法.具体过程为:经过饥饿培养后的藻加入含有样品的培养基中,14d后,测定水中藻类的生长量,计算获得被藻类利用的DIP含量.每个样品有3个平行样,相对误差5%.藻类可利用磷(AAP)采用0.1mol/LNaOH溶液提取法进行测定.9期陈俊等：底泥扰动下藻类对不同形态磷在水体中分布的影响2789上覆水中DO和pH值分别通过便携式溶解氧测定仪(美国HACHHQ30d)和数显pH计(pHs-3TC,武汉)测定.沉积物含水率的定义为105℃条件下烘干12h的质量损失.沉积物烧失量为550℃灼烧5.5h的质量损失.2结果与讨论2.1扰动下藻类的变化规律由于扰动的存在,可能对藻类的生长产生抑制作用[15],通过与无扰动对照,探讨了扰动对藻类生长的影响(图1).036912020406080100120140叶绿素(µg/L)时间(h)30µg/L扰动120µg/L扰动30µg/L不扰动120µg/L不扰动图1扰动下上覆水中叶绿素a变化规律Fig.1Variationofchlorophyllaintheoverlyingwaterundersedimentdisturbance图1显示,扰动对藻类的生长有较大影响.无扰动下,加藻后,上覆水中叶绿素a含量明显高于扰动状态.扰动状态下,叶绿素a含量基本保持不变.叶绿素a最大含量分别达到33.53μg/L(初始浓度为30μg/L)和124.80μg/L(初始浓度为120μg/L).试验过程中,叶绿素a平均仅为29.04μg/L(初始浓度为30μg/L)和118.44μg/L(初始浓度为120μg/L),明显低于无扰动状态(40.41μg/L和129.23μg/L).无扰动状态下,叶绿素a有所增加.叶绿素a分别从30μg/L和120μg/L增加至51.36μg/L和134.49μg/L.其总增加量及单位增加量均显著高于扰动状态.说明扰动抑制了藻类生长.究其原因,颗粒物质摩擦、搅拌桨导致的藻类破坏,以及颗粒物质对入射光强的降低都可能造成藻类生长受限[16-17].此外,颗粒物质对水体中