环境因子对香溪河春季藻类生长影响的模拟实验

龙天渝,周鹏瑞,吴 磊 (重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400045)

环境因子对香溪河春季藻类生长影响的模拟实验

龙天渝*,周鹏瑞,吴 磊 (重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400045)

2010年3～5月间,分3批次采集了香溪河水样,以水体营养盐浓度、水温、光强和流速为环境因子,以Chla比增长率为评价指标,在室内进行 L9(34)的正交藻类培养实验,研究了环境因子对春季优势硅藻生长的影响.结果表明,在实验所设定的水平范围内,水体营养盐浓度总氮(TN)为3.5mg/L、总磷(TP)为0.3mg/L,水温20℃,光强为4700lx以及流速为0.1m/s时,最适宜藻类生长.4因子对藻类生长影响大小依次为光强、流速、水温、营养盐浓度.流速在0.05m/s和0.1m/s的情况下,藻类生长率明显高于静水.当TN＜1.5mg/L,TP＜0.1mg/L时,增加TN、TP浓度可显著促进藻类生长;当TN、TP浓度分别达到3.5mg/L、0.3mg/L时, N、P浓度的增加对藻类生长影响甚微.

香溪河；正交实验；比增长率；适宜生长条件

研究表明[1-5],影响藻类生长的主要因素有营养盐、水温、光照和水体流动状况等.三峡水库蓄水后,水文条件发生了明显改变,特别是次级河流,受干流回水顶托的影响,流速缓慢、泥沙沉积、水质变清,有利于阳光在水中照射,这些给库区水体中藻类的生长提供了有利的环境条件.目前有关库区次级河流环境条件对藻类生长影响方面的研究,单一因素的研究已见报道[6-7],尤其库区次级河流营养状态评价及氮、磷营养盐单一因素的研究较多[8-9].将流速与营养盐、水温和光强等因素的综合研究,尚鲜见报道.三峡水库湖北库区最大的支流—香溪河自水库建成蓄水后,春季不同程度地暴发硅藻水华,硅藻的暴发和香溪河流速的减缓不无关系,表明流速是藻类生长的重要影响因素[10].基于此,本实验从香溪河库湾取水,模拟香溪河春季藻类生长所处的实际环境状况,把流速与其他影响因素综合起来,在实验室进行L9(34)正交实验,以Chla比增长率作为研究指标,分析在不同氮磷营养盐浓度、水温、光强和流速综合作用下,香溪河春季藻类生长的适宜环境条件,定量化分析这些环境因子在藻类生长过程中所起的作用,以期为香溪河春季水华的防治提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区环境条件及采样

蔡庆华等[11]对三峡水库22条入库支流库湾的营养状态进行综合评价,香溪河在重度富营养化之列.张晟等[12]对三峡水库 13条主要支流回水区营养盐浓度调查表明,TN含量范围为0.601～10.1mg/L,TP含量范围为0.01～0.756mg/L.黄钰铃等[13]对香溪河富营养化的研究表明:TN浓度变化范围为 0.24～4.83mg/L,TP浓度变化范围为 0.03～0.82mg/L;香溪河水温随水深和季节差别较大,如 6月份水温在 10m 处有明显的分层,10m处水温为19～20℃,10m以上越接近表层水温越高,2m处约25℃,表层有29℃,且当水温低于14℃时藻类生长情况较差,叶绿素浓度维持在较低水平,水华暴发时表面水温大都在 20～30℃间.从流速上看,从香溪河口向上游约 17km水体流速在 0.010～0.001m/s之间,河道与库湾之间约有 8.0km 范围为过渡区域,流速从 0.10m/s到0.01m/s[14].实验用水取自香溪河库湾高阳镇附近(分 3批次采集,分批次实验),藻种是香溪河中的混合藻,水样水质参数见表1.

表1 香溪河原水的水质参数Table 1 Water quality parameters of natural water in the Xiangxi River

1.2 实验装置及仪器

实验装置为自行设计的双环形水槽动态水力模拟装置(图 1).装置材料为有机玻璃,内环水槽平均半径为 0.4m,外环水槽平均半径为 0.9m,中间是无级调速电机,带动桨板使水流动,水体流速由电机转速确定.静态实验在水族箱中进行,水族箱使用容积64L,有效水深40cm.

LS45A型旋杯式流速仪,DR5000紫外分光光度计,ZDS-10型照度计,离心机,100YYJ-180型东洋齿轮无级调速电动机,HS-300防暴型加热棒,节能日光灯等仪表用于实验.

图1 室内模拟实验装置示意Fig.1 Sketch of indoor simulated experiment device

1.3 正交实验

在实验室内开展监测实验,实验用水分批取回后先在实验室内静置3d,用33μm浮游生物网过滤后分配到3个容器中(每个容器64L)再通过添加硝酸钾(KNO3)和磷酸二氢钾(KH2PO4),调到实验预设的营养盐浓度.共3批9组实验,第1批实验从2010年3月17～4月3日,包括1,2,3组实验;第2批从4月4～4月21日,包括4,5,6组实验;第3批从4月23～5月10日,包括7,8,9组实验.每组实验周期为 18d(藻类生长遵循微生物生长的一般规律:适应期、对数增长期、稳定期和衰亡期,经过这4个过程即为藻类的一个生长周期,本实验发现藻类生长周期约为18d).

表2 正交实验因素水平Table 2 Factors levels of orthogonal experiment

光强根据香溪河春季时段光强已有研究成果[15],结合实验室条件选取有代表性的低中高 3个水平.因此,根据香溪河春季藻类生长所处的环境状况,确定实验的各水平(表 2).水温用可调式绝缘电热棒控制,精确度为±1℃;不同光强用日光灯盏数控制(所测光强均为液面光强);光暗时间比 12h:12h,用继电器自动控制;水体流速用无级调速电机控制.正交实验设计及结果见表3.

表3 藻类适宜生长条件正交实验及计算结果Table 3 Orthogonal experiment and calculated results of the appropriate conditions for algal growth

1.4 项目测定

隔天定时(9:00)取 50mL水样测 TN,用过硫酸钾氧化－紫外分光光度法测定;TP用钼酸铵分光光度法测定;Chla用丙酮提取分光光度法测定,具体方法参照《水和废水监测分析方法》[16];pH值、DO直接在容器中测;每次取样后记录容器内液面高度,每天定时(8:30)用蒸馏水补充容器内蒸发损失的水分.

由于各批水样初始Chla浓度不同,故选用藻类的比增长率作为评价指标,以反映各种因子综合作用下藻类生物量的增加速度.

比增长率的计算:

式中,为比增长率;tx为 Chla 峰值,mg/L;0x为对数期初始时Chla含量,mg/L;t为从对数期实始时到峰值的时间,d.根据所测得的Chla量,计算每组实验藻类的比增长率.

2 结果与讨论

2.1 正交实验结果

从表3知,在营养盐浓度(A)、水温(B)、光强(C)和水体流速(D)4因素及不同水平组合下, 差别较大, 随光强水平的升高而增加最明显;营养盐浓度水平升高, 变化不大.在9组实验中,其中 4号实验对藻类的生长最有利,

最高为 0.632,其组合水平为 A2B1C2D3,是藻类生长最优方案;第 1号实验藻类生长缓慢, 为0.304,水平组合为 A1B1C1D1.从各因素均值极差jR可以得出,在营养盐、水温、光强、水体流速 4因素中,对藻类生长影响最大的是光强,其次是水体流速,再是温度,影响最小的是营养盐浓度.

从营养盐浓度、水温、光强和流速各水平下的均值jk及图2可以看出,光强对jk影响显著,顺序为 4700lx＞7300lx＞2200lx.光强从 2200lx 增加到 4700lx时,jk增加显著;当继续增加到7300lx时,jk有所降低;说明在此实验水平内,藻类生长最佳光强是 4700lx.本实验前后测出的优势藻均为硅藻,浮游硅藻所适应的光照强度较一些绿藻低[17],过高的光强将破坏细胞结构,不利藻类生长.流速的影响次之,jk随流速的增加而增加,但增加的幅度有所减小;当营养盐浓度从1水平增加到2水平时,jk增加较大,营养盐浓度从2水平增加到3水平时,jk变化很小,几乎没有什么变化,即在不同的 N、P营养盐浓度区,流速对藻类生长影响存在差异.在实验的低浓度区(TN在1.5mg/L以下,TP在0.1mg/L以下),其对藻类生长的影响随N、P浓度的增加而升高较快,在实验的中浓度区(TN在 3.5mg/L,TP在 0.3mg/L),N、P浓度再增加时,对藻类生长影响甚微.

图2 各因素及水平下藻类生长趋势Fig.2 The trend of algal growth under different factors and levels

2.2 实验结果方差分析

对藻类生长模拟实验结果进行方差分析(表4),其中显著性水平a分别为0.01和0.05.在现有水平范围内,光强和流速对藻类生长影响显著,水温对藻类生长影响其次,营养盐对藻的生长影响不显著,说明N、P营养盐对藻类生长影响有一个范围,当水体营养盐浓度均达到一定水平时,营养盐不再是藻类生长的限制性因素,营养盐浓度的增加,对藻类生长影响不大.

表4 正交实验结果方差分析和显著性检验Table 4 Variance analysis and significance test of orthogonal experiment results

2.3 讨论

营养盐、水温、光强和流速都是影响藻类生长的重要环境因素.有关研究表明,适宜的流速有利于藻类生长和繁殖,也有利于空气融入增加水体中的二氧化碳以增加藻类的光合作用.此外,流动的水体可降低藻细胞周围代谢产物的浓度,避免代谢产物长期聚集在藻细胞周围对其生长产生抑制[18].实际水体中,流速对藻类生长的影响是多方面的叠加效应,其影响机理目前还不十分清楚,有关适宜流速范围也无定论.在本实验的条件下,流速在0.05m/s和0.1m/s时,藻类生长率明显高于静水,表明香溪河春季回水区的流速有利于藻类的生长.本实验的优势藻为硅藻,由于硅藻有较硬的硅壳,体积和重量都大于蓝藻,且无气囊可浮于水中,因此一些硅藻的悬浮需要依靠水流的作用,这也应是静水中硅藻不能成为优势藻的原因之一.在河道水体中,硅藻像河中的泥沙一样,靠一定的纵向流速与流速梯度等产生表面压力所形成的浮力来悬浮于水中[19].不同的水流速度与速度梯度所产生的浮力不同,对藻类生长的影响也不同.

香溪河营养盐浓度已很高,如果短期内不能使其降低,由于春季回水区流速有利于藻类的生长,因此在气候适宜时回水区易暴发硅藻水华,在应急情况下,可通过水库调度等方法改变河流的水动力状况来避免水华发生.

3 结论

3.1 针对香溪河的实际情况,设计以水体营养盐、水温、光强和流速的正交实验,在本实验所设的水平范围内,营养盐浓度,水温对藻类生长的影响不显著,光强、水体流速对藻类的生长影响显著,4因素对藻类影响重要程度的主次顺序是光强＞流速＞水温＞营养盐浓度.

3.2 当TN为3.5mg/L,TP为0.3mg/L,水温控制在 20℃,光强为 4700lx,流速为 0.1m/s时,最适宜香溪河春季藻类生长.

3.3 香溪河营养盐浓度目前较高,如果短时期内不能使其降低,鉴于春季回水区流速基本上≤0.1m/s,流速能促进硅藻生长,当气候条件适宜时易暴发硅藻水华.

3.4 在低浓度区(TN＜1.5mg/L,TP＜0.1mg/L),N、P浓度的增加能显著促进藻类生长,当 TN、TP浓度达到3.5mg/L、0.3mg/L时,再增加N、P浓度,对藻类生长影响甚微.

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The simulating experiment for the impacts of environmental factors on Spring algae growth in Xiangxi River.

LONG Tian-yu*, ZHOU Peng-rui, WU Lei (Key Laboratory of the Three Gorges Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China). China Evironmental Science, 2011,31(2)：327～331

Three batches of water samples were collected from Xiangxi River between March to May 2010, and the L9(34)orthogonal experiments of algae growth were conducted in laboratory. Nutrient concentrations in water, water temperature,light intensity and water flow velocity were selected as environmental factors, and the growth rate of Chla was taken as evaluation index. The effects of environmental factors on the growth of preponderant diatoms in spring were studied. The optimal conditions for algal growth under the condition of the orthogonal experiments were 3.5mg/L for total nitrogen(TN), 0.3mg/L for total phosphorus (TP), 20℃ for water temperature, 4700lx for light intensity and 0.1m/s for flow velocity. The degree of impact of environmental factors on the algal growth was light intensity, velocity, water temperature and nutrient concentration in turn. The algae growth rates in flow water with velocity being 0.05m/s or 0.1m/s was significantly higher than that in static water. The increase of TN and TP concentration could obviously promote the algae growth when TN＜1.5mg/L, TP＜0.1mg/L;the effects of increasing TN and TP concentrations on algae growth was little when TN and TP concentrations respectively reached 3.5mg/L and 0.3mg/L.

Xiangxi River; orthogonal experiment; specific growth rate; optimal growth conditions

X522

A

1000-6923(2011)02-0327-05

2010-07-04

国家水体污染与治理科技重大专项(2009ZX07104-002和2009ZX07104-001)

* 责任作者, 教授, longty128@yahoo.com.cn

龙天渝(1960-),女,重庆人,教授,博士,主要从事水污染控制与水环境模拟研究.发表论文50余篇.