低温下氨氮对淡水浮游藻生长及群落结构影响的生态模拟研究

书书书第３２卷第３期２０１２年３月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３２，Ｎｏ．３Ｍａｒ．，２０１２基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（Ｎｏ．２００８ＺＸ０７５２６００３）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＭａｊｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｏｇｒａｍｆｏｒＷａｔｅｒＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＴｒｅａｔｍｅｎｔ（Ｎｏ．２００８ＺＸ０７５２６００３）作者简介：王轲（１９８９—），男，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；通讯作者（责任作者），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]：ＷＡＮＧＫｅ（１９８９—），ｍａｌｅ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]王轲，王林同，牛海凤，等．２０１２．低温下氨氮对淡水浮游藻生长及群落结构影响的生态模拟研究［Ｊ］．环境科学学报，３２（３）：７３１７３８ＷａｎｇＫ，ＷａｎｇＬＴ，ＮｉｕＨＦ，ｅｔａｌ．２０１２．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｏｎｔｈｅｇｒｏｗｔｈａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｒｅｓｈｗａｔｅｒｐｈｙｔｏｐｌａｎｋｔｏｎｕｎｄｅｒｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３２（３）：７３１７３８低温下氨氮对淡水浮游藻生长及群落结构影响的生态模拟研究王轲，王林同，牛海凤，王璐璐，朱琳南开大学环境科学与工程学院污染过程与环境基准教育部重点实验室，天津３０００７１收稿日期：２０１１０５１８　　　修回日期：２０１１０７１５　　　录用日期：２０１１０７１９摘要：为了探讨春季藻类快速生长的机制，研究较低温度下氨氮对淡水浮游藻类生长及群落结构变化的影响，对南开大学新开湖水体藻类进行了室内生态模拟试验研究．在１０℃、１２５μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１光强条件下，培养液中氨氮最终浓度设置为１．０、１．５、２．０、２．５、３．０ｍｇ·Ｌ－１和对照组（不添加氨氮），每隔１～２天加入氨氮至初始设定值，培养时间为２６ｄ．结果表明，浮游藻类在１．０ｍｇ·Ｌ－１组生长最好，最大生长密度为１．５３×１０５ｃｅｌｌｓ·Ｌ－１，高于对照组；浮游藻类在高于２．０ｍｇ·Ｌ－１处理组中生长明显受到抑制，抑制作用随着氨氮浓度的增大而增大，其中３．０ｍｇ·Ｌ－１处理组的最大生物量仅为５．４×１０４ｃｅｌｌｓ·Ｌ－１．随着培养时间的进行硅藻逐渐取代绿藻而成为绝对优势藻，随着藻类的生长，粗刺四刺藻（Ｔｒｅｕｂａｒｉａｃｒａｓｓｉｓｐｉｎａ）在所有处理组中由优势种而逐渐消失，近缘针杆藻（Ｓａｆｆｉｎｉｓａｆｆｉｎｉｓ）和新月藻（Ｃｌｏｓｔｅｒｉｕｍｌｕｎｕｌａ）在培养后期逐渐成为优势种，但在不同氨氮浓度下表现出不同生长密度．除１．０ｍｇ·Ｌ－１处理组外，其它处理组中的物种多样性指数差异不显著（ｐ＞０．０５）．氨氮影响浮游藻类的生长，影响优势种的变化，并且对浮游藻类的群落结构变化有一定的影响．关键词：氨氮（ＮＨ３Ｎ）；浮游藻类；生物量；群落结构文章编号：０２５３２４６８（２０１２）０３７３１０８　　　中图分类号：Ｘ１７１．５　　　文献标识码：ＡＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｏｎｔｈｅｇｒｏｗｔｈａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｒｅｓｈｗａｔｅｒｐｈｙｔｏｐｌａｎｋｔｏｎｕｎｄｅｒｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＷＡＮＧＫｅ，ＷＡＮＧＬｉｎｔｏｎｇ，ＮＩＵＨａｉｆｅｎｇ，ＷＡＮＧＬｕｌｕ，ＺＨＵＬｉｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｏｌｌｕｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＣｒｉｔｅｒｉａ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ／ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｋａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７１Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１８Ｍａｙ２０１１；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ１５Ｊｕｌｙ２０１１；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ１９Ｊｕｌｙ２０１１Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｒａｐｉｄｇｒｏｗｔｈｏｆａｌｇａｅｉｎｓｐｒｉｎｇａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｏｎｔｈｅｇｒｏｗｔｈａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｒｅｓｈｗａｔｅｒｐｈｙｔｏｐｌａｎｋｔｏｎｕｎｄｅｒｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｌａｂｏｒａｔｏｒｙｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｐｈｙｔｏｐｌａｎｋｔｏｎｆｒｏｍＸｉｎｋａｉＬａｋｅｏｆＮａｎｋａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｆｉｎａｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｗｅｒｅｓｅｔｔｏ１．０，１．５，２．０，２．５，３．０ｍｇ·Ｌ－１ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｐｗｉｔｈｏｕｔａｄｄｉｔｉｏｎｏｆａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎ，ａｎｄＮＨ３Ｎｗａｓａｄｄｅｄｉｎｃｏｎｉｃａｌｆｌａｓｋｅａｃｈ１ｏｒ２ｄａｙｓｔｏｋｅｅｐｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｆｏｒ２６ｄａｙｓｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆ１０℃ａｎｄ１２５μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｐｌａｎｋｔｏｎｉｃａｌｇａｅｈａｄｔｈｅｂｅｓｔｇｒｏｗｔｈｉｎｔｈｅ１．０ｍｇ·Ｌ－１ｇｒｏｕｐ，ｗｉｔｈｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｇｒｏｗｔｈｄｅｎｓｉｔｙｏｆ１．５３×１０５ｃｅｌｌｓ·Ｌ－１ａｎｄｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｐ．Ｔｈｅｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｏｆａｌｇａｅｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｈｉｂｉｔｅｄｉｎｇｒｏｕｐｓｗｉｔｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ２．０ｍｇ·Ｌ－１，ａｎｄｔｈｅｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎｆｏｒａｌｇａｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆａｍｍｏｎｉａｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｅｎｓｉｔｙｏｆａｌｇａｅｉｎ３．０ｍｇ·Ｌ－１ｗａｓｏｎｌｙ５．４×１０４ｃｅｌｌｓ·Ｌ－１．Ａｓｉｎｃｕｂａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｅｄｅｄ，ｄｉａｔｏｍｓｇｒａｄｕａｌｌｙｒｅｐｌａｃｅｄｔｈｅｇｒｅｅｎａｌｇａｅａｎｄｂｅｃａｍｅａｂｓｏｌｕｔｅｄｏｍｉｎａｎｔｓｐｅｃｉｅｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆａｌｇａｅ，Ｔｒｅｕｂａｒｉａｃｒａｓｓｉｓｐｉｎａｇｒａｄｕａｌｌｙｄｉｓａｐｐｅａｒｅｄｉｎａｌｌｔｒｅａｔｅｄｇｒｏｕｐｓ，ＳａｆｆｉｎｉｓａｆｆｉｎｉｓａｎｄＣｌｏｓｔｅｒｉｕｍｌｕｎｕｌａｂｅｃａｍｅｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｓｐｅｃｉｅｓｉｎｔｈｅｌａｔｅｃｕｌｔｕｒｅｓｔａｇｅ，ｂｕｔｔｈｅｙｓｈｏｗｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｎｓｉｔｉｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎ．Ｅｘｃｅｐｔｆｏｒ１．０ｍｇ·Ｌ－１ｇｒｏｕｐ，ｔｈｅｓｐｅｃｉｅｓｄｉｖｅｒｓｉｔｙｉｎｄｅｘｏｆｏｔｈｅｒｔｒｅａｔｅｄｇｒｏｕｐｓｓｈｏｗｅｄｎｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ（ｐ＞０．０５）．Ａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎａｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｐｈｙｔｏｐｌａｎｋｏｎａｎｄｃｈａｎｇｅｄｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｓｐｅｃｉｅｓ，ａｎｄａｌｓｏｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｔｈｅｐｈｙｔｏｐｌａｎｋｔｏｎｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎ；ｐｈｙｔｏｐｌａｎｋｔｏｎ；ｂｉｏｍａｓｓ；ｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅ环　　境　　科　　学　　学　　报３２卷１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）随着工业、现代农业的快速发展，“十一五”前两年氨氮已成为影响我国地表水质的首要指标，目前氨氮已作为主要污染物被纳入“十二五”约束性指标．水体中的氨氮（ａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎ，简称ＮＨ３Ｎ）是离子铵（ＮＨ＋４）和非离子氨（ＮＨ３）的总称，其中对水生生物产生毒害作用的主要是非离子氨，而二者在水体中的转化决定于水的ｐＨ和温度，且随着ｐＨ和温度的增大，非离子氨的比例逐渐增大（Ｅｍｅｒｓｏｎｅｔａｌ．，１９７５）．氨氮不仅可以作为氮源被浮游藻类所吸收（Ｒｏｄｒｉｇｕｅｓｅｔａｌ．，２０１０），从而增加富营养化发生的几率，同时还作为有毒污染物对浮游藻类产生抑制作用（Ａｚｏｖｅｔａｌ．，１９８２），破坏水体原有的生态平衡．目前关于氨氮对浮游动物、水产动物等的研究较多（Ｎｉｃｋｌａｕｓｅｔａｌ．，２００７；Ｗｉｃｋｓｅｔａｌ．，２００２ａ；何玉英等，２００８；赵志刚等，２０１１；李波等，２００９；Ｗｉｃｋｓｅｔａｌ．，２００２ｂ），对浮游藻类的研究主要是氨氮对单种或两种藻的急性毒性影响，（Ｘｉｎｅｔａｌ．，２０１０；Ｔａｍｅｔａｌ．，１９９６；颜昌宙等，２００７；金相灿等，２００８），并没有考虑在水环境中氨氮对浮游藻类群落结构及生长的生态毒理效应．春季时处于水体底部休眠期的藻类由于温度、气候、营养盐以及水体扰动等因素，在春季迅速增长（Ｋａｍｅｒｍａｎｓｅｔａｌ．，１９９８），此外，由于通常情况下稳定天然水体的ｐＨ在短期内变化幅度不大，因此本文选取南开大学新开湖水中浮游藻类为研究对象，模拟春季藻类快速生长的条件，设计研究低温１０℃下氨氮对浮游藻类生长及群落结构变化的影响，进一步为研究氨氮对水生生物及淡水生态系统的毒害作用以及我国水环境质量基准和标准的制定提供科学依据．２　材料及方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　试验材料及用水概况分析纯氯化铵；光照培养箱（ＫＲＧ２５０ＢＰ，上海柏欣仪器设备厂）；生物显微镜（ＨＦＸЦ，日本Ｎｉｋｏｎ公司）；ｐＨ测定仪（ＯＲＰ４３１，上海大普仪器有限公司）；离心机（ＫＡ１０００，上海安亭科学仪器厂）；浮游生物网（北京普力特仪器有限公司）；０．１ｍＬ浮游植物计数板（北京普力特仪器有限公司）．试验用水采自南开大学新开湖东侧中部岸边（北纬３９°０６′０９．０７″、东经１１７°１０′０４．０４″），采样时湖水温度为８．２℃、ｐＨ为８．０、氨氮浓度为０．９８ｍｇ·Ｌ－１，硝酸盐氮浓度为０．１７ｍｇ·Ｌ－１、溶解性总磷浓度为０．１２ｍｇ·Ｌ－１．２．２　水样采集现场用１３＃浮游生物网滤掉所采水样的浮游动物，以避免由于浮游动物摄食所导致的浮游植物数量的减少．２．３　试验设置将上述浮游植物水样均匀分装到５００ｍＬ锥形瓶中，每个瓶中盛放３００ｍＬ水样．添加配制好的氨氮使用液，加上水样中原有的氨氮，使得每个瓶中的最终氨氮浓度达到设定值（１．０、１．５、２．０、２．５和３．０ｍｇ·Ｌ－１），每个浓度组２个平行，另设空白对照组（不添加氨氮）３个平行．将锥形瓶放置光照培养箱中，试验条件为温度１０℃，光照强度１２５μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１，光暗比１２ｈ∶１２ｈ．每隔１～２ｄ取次样做藻类计数并测定培养液的ｐＨ，随后添加无藻湖水至初始体积，同时添加氨氮使用液至初始设定浓度，试验时长为２６ｄ．２．４　藻类计数与水质测定每次取１５ｍＬ水样，经相对离心力为２２２０ｇ离心后的１０ｍＬ上清液用作氨氮浓度测定，然后在剩余藻液中加０．５ｍＬ福尔马林保存，在显微镜下用０．１ｍＬ浮游生物计数板计数２次，若误差大于１５％，则重新计数；藻种鉴定参考周凤霞等（２００５）《淡水微型生物图谱》与胡鸿钧等（１９８０）《中国淡水藻类》．参照《水和废水监测分析方法（第４版）》，水样温度用水银温度计现场测定，氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法，硝酸盐测定采用酚二磺酸分光光度法，溶解性总磷的测定采用钼锑抗分