蓝藻水华对太湖氧化亚氮排放的影响

陈 静,李 星,王一平,陈小锋,①,杨柳燕

(1.扬州大学环境科学与工程学院,江苏 扬州 225127;2.南京大学环境学院/ 污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210023)

氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体,其全球增温潜能是CO2的265～298倍,因此尽管N2O在大气中的含量仅为CO2的千分之一,但增温效应不容忽视[1]。同时,平流层中的N2O又可与臭氧发生反应,进而破坏臭氧层[2]。研究表明,近几十年大气中的N2O含量以每年0.2%～0.3% 的速率稳步增加[3],其日益增长的含量及对环境的破坏效应使得大气中N2O的来源受到极大关注。

一般认为,湖泊并不是大气中N2O的重要来源,有时甚至可能是一个大气N2O的汇[4]。研究表明,湖泊N2O的排放量与其富营养化状态有关,营养状态越高,则N2O释放通量越大[5]。PLOUVIEZ等[6]采用太湖N2O最低排放区域的年平均释放量对全球富营养化湖泊和水库的N2O排放量进行估算,结果发现富营养化湖泊和水库每年可排放1.10×108kg N2O(以N计),这相当于2013年联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)估计的全球所有河流、河口和沿海地区N2O排放量的18%[1]。近年来,由于社会经济的发展和人类活动的加剧,我国许多湖泊都面临着富营养化问题[7]。因此,探究这些富营养化湖泊中N2O 排放的影响因素有重要的现实意义。

富营养化一方面增加了湖泊N2O的排放,另一方面又促进了藻类的过度增殖,继而暴发蓝藻水华。研究表明,蓝藻水华可以促进CH4、CO2等温室气体的排放[8],但是其对N2O排放的正负效应目前尚存在许多争议。如LIU等[9]在测定太湖N2O的释放通量时发现,叶绿素a(Chl-a)浓度与硝化速率、N2O通量呈正相关,并以此推测蓝藻水华可能促进硝化作用和N2O的产生;PLOUVIEZ等[6]指出,除间接作用外,蓝藻在对NO3--N进行同化吸收或异化还原的过程中均可以直接产生N2O;王仕禄等[10]则发现太湖生态条件从藻类向大型植物过渡的区域中,水体N2O饱和度并没有显示出相应减小的趋势,从而推测蓝藻水华并不是驱动太湖北部重度富营养区高N2O浓度的主要因素;SUN等[11]则在研究蓝藻水华对湖泊底栖生物的影响时发现,蓝藻的暴发可以破坏反硝化细菌的多样性,进而抑制N2O的排放。

太湖是我国第3大淡水湖泊,同时也是一个典型的富营养化湖泊。从1990年开始,太湖几乎每年都会出现大规模的蓝藻水华[12],其最大覆盖面积甚至达到1 582 km2[13]。因此,该研究以太湖为研究对象,采用顶空气相色谱法对太湖不同藻华暴发区表层水体中的N2O含量进行调查,并结合室内模拟试验探究蓝藻水华对湖泊N2O释放的确切效应。

1 材料和方法

1.1 样品采集

梅梁湾位于太湖西北部,在夏季东南季风的驱动下大量蓝藻向梅梁湾聚集,使得该区域ρ(Chl-a)通常超过40 μg·L-1,有时甚至达100 μg·L-1[14]。蓝藻是夏季太湖浮游植物的优势种群,其中微囊藻占总浮游植物数量90%以上[15]。为考察太湖蓝藻暴发对N2O排放的影响,于藻华暴发季节(2016年8月)对太湖不同藻华暴发区域的表层水体进行布点采样(图1),其中采样点1和2为河口、采样点3～7为梅梁湾内、采样点8和9为梅梁湾口、采样点10～12为太湖开敞区。

样品采集在14:00—16:00进行,采样期间天气多云,气压100.15 kPa,温度36～37 ℃,风向东南,风力小于3级。适宜的天气条件使得大量蓝藻上浮并堆积在梅梁湾水面上,受东南季风的影响,武进港和直湖港河口区的蓝藻更为密集。采样之前,使用YSI6600多参数水质分析仪现场测定各采样位点的水温(WT)和溶解氧(DO)等理化指标。使用容积为600 mL的顶空瓶采集表层水样至溢出,并加入50 μL饱和氯化汞溶液以抑制样品中微生物的活动,旋紧硅橡胶塞,于保温箱中低温保存,运回实验室后尽快完成测定。

图1 研究区域位置和采样位点分布

1.2 室内模拟试验

2017年8月,于位点2采集新鲜蓝藻样品、位点9附近收集湖水并使用彼得逊采泥器采集表层沉积物,湖水收集前使用64 μm孔径浮游生物网过滤,以除去大颗粒悬浮物和浮游生物。所有样品低温保存,当天运回实验室进行试验。为避免低NO3--N浓度可能对N2O的生成产生抑制作用[16],微宇宙内的培养溶液采用湖水添加NO3--N配制〔ρ(NO3--N)约为5 mg·L-1〕。在沉积物样品混匀并过0.154 mm孔径筛后,开始构建沉积物+水+藻的微宇宙系统:内径18 cm、高度约40 cm的密封玻璃容器,内有2.5 L太湖表层底泥(高度约10 cm)、5 L培养液(高度约20 cm)和3种不同浓度的蓝藻。根据野外调查数据,3个处理中的ρ(Chl-a)分别设为400(高)、120(中)和80 μg·L-1(低),同时设置未添加蓝藻的体系为对照组〔ρ(Chl-a)约为30 μg·L-1〕。每个处理组设3个平行,室温培养,自然光照,在蓝藻完全衰亡并沉降后结束试验。为避免侧面光照的影响,瓶侧液面高度以下采用铝箔纸覆盖。每天08:00、13:00、18:00和23:00使用5 mL注射器抽取液面上方气体,即时测定其中N2O的含量。为避免密封体系可能形成的缺氧效应,每次取样后以0.3 L·min-1流速向液面上方通入合成空气〔V(O2)∶V(N2)=21∶79, 30 min〕。

为考察蓝藻对附生细菌和浮游细菌反硝化作用的影响,进行乙炔抑制试验:于600 mL顶空瓶加入350 mL湖水配制的培养液和一定量的蓝藻样品(浓度与微宇宙试验一致),通入足量的乙炔后密封,避光30 ℃培养,每隔3 h用注射器吸取液面上方气体2 mL,使用气相色谱仪分析N2O含量。

1.3 分析测试方法

采用纳氏试剂比色法测定湖水样品中NH4+-N浓度、盐酸萘乙二胺比色法测定NO2--N浓度、紫外分光光度法测定NO3--N浓度、丙酮提取-分光光度法测定Chl-a浓度、碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定TN浓度、钼酸铵分光光度法测定TP浓度[17]。

湖水中溶解的N2O浓度采用顶空法测定:向顶空瓶中注入100 mL高纯氮气,同时排出100 mL水样,30 ℃恒温振荡3 h,用注射器抽取顶空瓶上方气体5 mL,使用Agilent 7890A气相色谱仪测定其中的N2O含量。具体测定条件为:电子捕获检测器,Porapak Q 填充柱,进样口、柱箱和检测器温度分别为150、40和250 ℃,以高纯氮为载气,含φ=10%甲烷的氩气为尾吹气,柱流速和尾吹气流速分别为 25和60 mL·min-1。利用WEISS等[18]提供的溶解度数据及公式,将测试结果换算成水样中溶解的N2O浓度。

1.4 数据处理和分析

采用SPSS 22.0软件进行相关性分析和差异性分析(ANOVA),分别以P<0.05和P<0.01来确定统计学显著和极显著差别。

初中阶段的英语教学，由于教学内容非常多，教学时间不足，导致很多教师在教学过程中为了追赶课程进度，只侧重于对学生听、说、读的训练，而对于学生的写作训练由于要耗费较长的时间，往往只是一笔带过，并且在对学生进行写作训练时，忽略了听、说、读、写之间的内在联系，而是将其作为一项独立的能力进行培养。另外，教师在教学中也只会对单词的用法、句型结构等进行讲解和训练，往往会忽略选材、立意、谋篇布局和语言组织能力等相关写作技巧的训练，导致学生仅仅是为了完成写作才写作，缺乏对所写文章的整体构思，写出来的文章缺乏创新和内涵。

2 结果与分析

2.1 太湖表层水体N2O含量与环境因子

武进港和直湖港河口附近(位点1和2)是蓝藻聚集区域,ρ(Chl-a)分别达471和254 μg·L-1;梅梁湾湖面(位点3～9)也有较多的蓝藻分布,ρ(Chl-a)平均值为88.0 μg·L-1;而开敞区(位点10～12)较低,平均值为23.0 μg·L-1(表1)。与Chl-a浓度相对应,河口TN和TP浓度最高,其中位点1的ρ(TN)和ρ(TP)分别达10.3和0.30 mg·L-1;开敞区较低,但ρ(TN)和ρ(TP)平均值也分别达2.45和0.07 mg·L-1。尽管TN浓度很高,无机氮浓度却相对较低,所有位点的ρ(NO3--N)和ρ(NH4+-N)平均值分别为0.56和0.09 mg·L-1。

表1 各采样点水质参数和N2O含量

梅梁湾湖面的蓝藻大多呈黄绿色,表明有部分蓝藻已开始衰亡,藻的衰亡消耗了水体中的氧,使得梅梁湾水体的DO浓度显著低于河口和开敞区,其中位点8的ρ(DO)仅有4.17 mg·L-1。

为考察蓝藻对N2O排放的影响,于2016年8月对太湖12个位点表层水体中N2O浓度进行测定和计算。结果显示,蓝藻水华暴发期太湖表层水体中N2O浓度存在显著的空间差异,除武进港和直湖港河口(位点1和2 N2O浓度分别为20.5和33.2 μmol·m-3)较高外,其余位点的浓度均低于11 μmol·m-3,其中梅梁湾东北部区域(位点3、4和5)和开敞区(位点11和12)N2O浓度仅为2.95～5.07 μmol·m-3。

2.2 蓝藻对N2O释放影响的室内模拟研究

为探究在NO3--N充足的条件下蓝藻水华对反硝化过程中N2O释放的影响,于2017年8月进行了室内模拟试验,并根据每天4次定时测定的数据计算各试验组N2O日释放通量。为便于与乙炔抑制试验比较,计算结果以单位面积释放量表示(图2)。试验开始前2天各处理组呈现出蓝藻浓度越高,N2O的排放速率越低的现象。但是从第3天开始低浓度和中等浓度藻处理组N2O释放通量迅速增加。试验结束时低浓度藻处理组N2O的释放通量最高,达605 μmol·m-2,而高浓度蓝藻组和对照组释放通量较低,分别为290和252 μmol·m-2。

采用单因素ANOVA方法对不同处理组N2O释放通量进行比较,结果显示低浓度藻处理组排放速率显著高于其他处理组(P<0.01),而中等浓度藻处理组排放速率显著高于高浓度藻处理组(P<0.01)。这表明在硝酸盐氮充足的条件下一定浓度的蓝藻可以促进N2O的排放,而超过这个范围蓝藻对N2O的促进效果减弱,甚至产生负效应。

图2 微宇宙中N2O释放通量

乙炔会抑制硝化过程中N2O的产生以及反硝化过程中N2O还原为N2的过程[19],因此在乙炔抑制后,即使未添加沉积物,体系中N2O的释放速率也远超过模拟试验(图3)。N2O释放通量最高的是高浓度藻的处理组,达844 μmol·m-2;对照组最低,为87 μmol·m-2。添加乙炔后N2O释放速率随着Chl-a浓度显著提高,表明蓝藻可以促进附生菌或浮游细菌的反硝化作用,从而产生更多的N2O。

图3 乙炔抑制试验中N2O释放通量

3 讨论

3.1 太湖表层水体中N2O浓度的影响因素

硝化作用和反硝化作用被认为是水环境中产生N2O的2个主要途径,因此水体和沉积物中无机氮含量对N2O的产生和排放有着极大的影响。许多研究发现N2O浓度与水体中NO3--N或NH4+-N浓度存在显著正相关[20],但该研究中N2O浓度与TN和Chl-a浓度呈显著正相关(P<0.05),与TP浓度呈极显著正相关(P<0.01),与无机氮浓度不相关(P>0.05)(表2),这与闫兴成等[21]在太湖西岸及竺山湾开展的温室气体排放的调查结果类似。湖水中N2O浓度是一个逐渐产生、扩散并积累的过程,理论上应该和参与硝化或反硝化过程的无机氮总量有关[22],而水体中的无机氮浓度则是由藻类同化吸收、硝化或反硝化、有机氮矿化等氮循环过程综合作用的结果。相对于藻类的同化吸收,NH4+-N的硝化或NO3--N的异化还原过程均不占优势[23],而HAMPEL等[24]甚至发现藻华暴发期太湖水体中被硝化的NH4+-N仅占藻类所同化NH4+-N的0.2%～0.3%。因此,在短时间尺度上无机氮浓度并不是控制湖泊N2O产生的主导因素[25],而TN则更能反映参与硝化或反硝化过程的无机氮总量,这可能是N2O与TN浓度显著相关,而与无机氮浓度不相关的主要原因(表2)。

表2 水样中N2O浓度与各理化数据的相关性分析结果

水生植物可以通过调节氮的形态、有机氮的供应以及沉积物-水界面的条件间接影响湖泊N2O的产生和释放[20]。水生植物对沉积物中微生物的群落结构也有较大的影响[27]。笔者采用特定引物,对太湖不同区域沉积物样品中的NO还原酶催化亚基编码基因(cnorB)进行了扩增和高通量测序分析,结果表明藻华堆积区、沉水植物区以及湖泊开敞区沉积物中含cnorB基因的反硝化细菌的群落结构有着较大的差异(未发表数据)。在反硝化过程中,N2O的产生主要由NO还原酶完成,因此水生植物可以通过改变沉积物中反硝化微生物的群落结构影响N2O的排放。郑小兰等[28]对太湖夏季草/藻型湖区N2O的产生进行了原位观测,结果发现太湖水体中N2O释放通量大致呈挺水植物湖区>藻型湖区>沉水植物湖区的趋势,并推测水生植物是造成太湖不同区域N2O释放差异的一个主要原因。梅梁湾是太湖藻华暴发最严重的区域之一,但是在生态清淤、梁溪河关闸等一系列措施下,梅梁湾东北部区域从2013年开始已有大量沉水植物繁殖[29],可能是位点3～5 N2O浓度较低的一个重要原因。

3.2 蓝藻水华对湖泊N2O产生和释放的影响

3.2.1蓝藻水华对N2O产生和释放的促进作用

有机氮的矿化是湖泊水体无机氮的重要来源之一[24]。WANG等[30]发现太湖N2O的释放通量与氧化还原电位、沉积物TN含量显著正相关,并推测沉积物所含氮的矿化和硝化作用促进了N2O的释放。但有研究表明,太湖水体中NH4+-N的再生速率是沉积物中的6倍[31],而由矿化再生的NH4+-N总量甚至可达到外源输入的2倍[24],这些在水体中快速再生的NH4+-N可能才是硝化作用底物的主要来源。前期研究发现,藻华暴发中后期水体中存在着强烈的有机氮矿化-硝化过程[32],而相关性分析结果也表明水体中N2O与TN、Chl-a浓度显著相关(P<0.05,表2),因此,蓝藻的衰亡和降解可以促进硝化作用,并间接为反硝化作用提供底物,从而在一定程度上加速了水体中N2O的产生和释放。

一般认为,浅水湖泊沉积物是反硝化的主要场所,但许多研究发现蓝藻附生菌中含有大量的反硝化细菌[32]。蓝藻暴发时高浓度蓝藻会堆积在水面,并释放出大量的胶状物质,使得大气复氧作用受到抑制,而夜间藻和微生物的呼吸作用又大大降低了DO水平,从而在水体中形成缺氧甚至是厌氧环境。当蓝藻开始衰亡,DO浓度进一步降低,这为直接在水体中发生反硝化作用提供了可能。另一方面,藻体中大量的生物可降解碳在厌氧条件下可以产生挥发性脂肪酸等小分子物质[33],乙炔抑制试验中未添加沉积物和有机碳源,但是仍有较高的反硝化速率,说明衰亡蓝藻降解所产生的小分子物质可以直接为反硝化过程提供能量和电子供体[34],进而大大加快N2O的产生。

3.2.2蓝藻水华对N2O产生和释放的抑制作用

研究表明,当同时存在NH4+-N和NO3--N时,蓝藻总是在NH4+-N完全耗尽后才利用NO3--N[35],因此当水体中NH4+-N浓度较低时,蓝藻将与硝化细菌竞争利用NH4+-N[36]。为保留蓝藻和硝化细菌的竞争关系,微宇宙试验中并未添加NH4+-N。在试验开始48 h内呈现出蓝藻浓度越低,N2O排放速率越高的现象(图3)。微生物的硝化作用与蓝藻在对氮的竞争利用过程中一般处于劣势[23],因此,模拟试验前2天N2O的排放速率随着藻添加量的增加而降低的原因可能是生长状态良好的蓝藻抑制了硝化细菌对NH4+-N的利用,而蓝藻光合作用所产生的氧又不利于反硝化作用的进行。

反硝化作用是N2O产生的重要途径,同时又是N2O的汇。JONATHAN等[37]发现,适度缺氧的环境有利于N2O的产生,但是极度缺氧时N2O会被快速消耗。LI等[38]在人工湿地系统中发现,一定的C/N比可以促进N2O的产生,但是随着C/N比增高,反硝化过程产生的N2O量开始减小。因此,模拟试验中蓝藻浓度达到一定程度后N2O释放通量随着蓝藻浓度升高而降低的原因可能并不是蓝藻抑制了N2O的产生,而是高浓度蓝藻所营造的低溶解氧和高有机碳的环境条件加快了体系中N2O的消耗。野外调查中,位点1的无机氮、TN以及Chl-a浓度均高于位点2(表1),但是N2O含量却正好相反(表1),其原因可能是位点1处Chl-a浓度已超过模拟试验中的最高浓度,从而加速了水体中N2O的消耗,这也说明相关研究中太湖湖滨带高N2O排放量的主要原因并不是由蓝藻的大量堆积造成,而可能是接纳了较多的氮输入。

4 结论

(1) 太湖表层水体中的N2O浓度具有较大的空间差异性,其中河口区N2O浓度最高(平均约26.8 μmol·m-3),梅梁湾东北部区域和太湖开敞区的浓度最低(平均约4.0 μmol·m-3)。相关性分析结果表明,太湖表层水体中N2O浓度与TN、Chl-a浓度呈显著正相关(P<0.05)。

(2) 在NO3--N充足的条件下,添加了少量蓝藻的低浓度处理组中N2O释放通量显著高于对照组(P<0.001)。但是随着蓝藻添加量的增加,N2O的释放通量又呈显著下降的趋势(P<0.001);在添加乙炔的条件下,N2O的产生速率则随着Chl-a浓度的增加急剧升高。

(3) 氮限制条件下,蓝藻水华对太湖N2O排放的综合效应需要进一步研究。