太湖蓝藻水华形成过程中的浮游植物群落动态及其驱动因素研究

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水华蓝藻早在上个世纪已经出现在富营养化的内陆、河口和海岸等水域。浮游植物是水生生态系统生物资源的重要组成部分,是水域食物链的基础环节,作为水环境中的主要自养生物,浮游植物的种类组成特点和数量分布等生态特征,在一定程度上反映了水域生态环境的基本特征。多年来,针对太湖浮游植物群落结构的野外观测、数值模拟等方面进行了大量研究工作。但目前已有的研究中,多集中在水华蓝藻发生的机制研究和水华暴发过程中的浮游植物优势类群与环境因子二者的相关性分析方面,对浮游植物的群落结构,特别是水华爆发期的浮游植物的群落结构的时空变化特征的研究明显不足;此外,研究区域多数局限于蓝藻水华暴发水域以及与湖心区的对比等。本文通过对2009至2010年对太湖浮游植物时空分布特征、营养盐分布进行了全湖性的阶段性监测。分析了浮游植物群落结构的分布特点,包括浮游植物种类组成、优势种组成、细胞数量、时空分布、季节动态等,利用多元统计分析(CCA和RDA)进一步主要环境因子对浮游植物群落组成的影响;为了进一步验证营养盐对水华蓝藻暴发的作用,对蓝藻优势种Microcystis aeruginosa进行精确的室内控制培养,结果发现在室内培养中,该优势种只表现出生长快的特征,而没有发生相应的藻类聚集的特点。主要研究结论如下:(1)本次调查研究的结果中,浮游植物种类数量共计为8门、79属、207种,分别属于8个门,其中蓝藻门26种,占总种数的11.1%;硅藻门73种,占总种数的31.1%;绿藻门种类最多,108种,占总种数的46.00%;裸藻门20种,占8.50%:甲藻门3种,占1.3%;隐藻门2种,占0.9%;金藻门4种,占1.7%。结合太湖40多年的研究资料分析,得出总趋势为藻类的物种数量减少而细胞密度急剧增加。浮游植物优势类群和常见属种的变化相对较小。(2)通过水华暴发期和非水华暴发期间的浮游植物优势类群空间分布的对比研究,发现水华暴发期的浮游植物的群落结构具有非常明显的特征,铜绿微囊藻M. aeruginosa生物量最大为2.987mg/L,其次为阿氏拟鱼腥藻0.306mg/L;它们的细胞丰度分别为192.98×105cell/L和7.47×105cell/L。因此微囊藻属Microcystis不仅是蓝藻门中的优势类群,且是整个浮游植物群落的优势类群,特别是微囊藻属Microcystis生物量和细胞丰度可作为监测太湖水质和富营养化进程的指示物种和指标。(3)通过浮游植物群落结构在蓝藻水华暴发前期、爆发期和蓝藻越冬期的动态研究分析得出,1月由于水温较低,处于4℃以下,虽然水体中的营养盐浓度高,铜绿微囊藻M. aeruginosa在沉积物表层中以活体形式存在,但不能形成蓝藻水华。推断低水温(<4℃)是驱动太湖浮游植物群落季节演替的主要因子,是蓝藻水华发生的最重要限制因子。(4)利用多元统计分析方法(CCA和RDA)分析了营养盐、透明度等主要环境因子对浮游植物群落组成和优势类群的影响,结果表明:总磷、总氮、氨态氮和透明度是影响浮游植物群落结构的主要因子。梅梁湾、西太湖湾水体中氮磷含量均很高且总氮含量高于总磷含量,均值分别达到2.0mg/L和0.14mg/L,N/P为12时,形成明显的蓝藻水华;而在太湖东太湖湾,水体中氮磷含量相对较低,分别为1.52mg/L和0.09mg/L,其N/P为16时,不形成蓝藻水华,因此推测高氮磷含量和较低的N/P是蓝藻水华发生的营养盐限制因子。(5)通过不同氮磷浓度对铜绿微囊藻M. aeruginosa生长实验,结果为:铜绿微囊藻M. aeruginosa最大现存量出现在氮磷比为10时,随着所设定的磷浓度的增加而增大。盘星藻Scenedesmus. sp随着培养基中磷浓度增大,细胞最大现存量的数值逐渐减小。混合培养条件下,3种藻类中铜绿微囊藻M. aeruginosa的藻类细胞现存量最大,当氮磷比为20和30,蛋白核小球藻C. pyrenoidosa和盘星藻Scenedesmus.sp的藻类细胞现存量数值差别不大。(6)通过3种磷源对藻类的生长实验得出三聚磷酸钠Na5P3O10对M. aeruginosa现存量的影响最大,与该盐能够分解为HPO42-和P043-两种离子有关。焦磷酸钠Na4P2O7为磷源的水体中藻类现存量是3种氮源中最低的,降幅为40%~59%之间。(7)通过3种氮源对藻类的生长实验,分析不同的氮源对藻类的生长促进作用不同,硝态氮和氨态氮是藻类的主要无机氮源,氨氮是藻类能够优先利用的氮源。尿素小分子有机氮也促进了水体铜绿微囊藻M. aeruginosa生长。
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