池塘养殖是我国刺参养殖的主要形式之一, 具有相对封闭性、生态结构单一、物质循环流动性差、缓冲能力弱等特点, 未被利用的残饵和排泄物、水生动植物尸体等物质都沉积在池塘底部, 长期养殖缺乏必要的物质循环调控功能^[1-2]。沉积物有机质的富集易导致底层缺氧, 改变沉积物表层营养物质的组成与含量, 破坏刺参养殖池塘生态系统的营养物质循环和平衡, 引发“内源污染”, 威胁该系统中生物有机体的生存^[3-4]。近几年, 随着池塘养殖时间的延长, 养殖水体富营养化加剧, 导致了海藻大量滋生引发绿潮^[5-6]。

藻类暴发破坏水生态系统平衡, 恶化水质, 并可产生毒素毒害水生生物, 威胁人类健康, 已成为世界性关注的生态环境问题之一^[7]。研究发现, 蓝藻暴发时会引起水体中磷营养盐含量急剧增加^[8]; 赤潮发生时, 藻类会消耗大量的氮磷营养盐, 加快沉积物中氮磷释放率, 同时引起水体中溶解氧含量大幅度下降^[9-11]。由此可见, 养殖池塘海藻暴发对生态环境中氮磷营养盐含量的变化也可能存在着潜在影响。

在我国刺参养殖池塘中大型丝状绿藻(如刚毛藻属、硬毛藻属藻类等)是主要暴发海藻, 它们终年可见, 大量滋生时, 因不能被刺参直接摄食, 对刺参养殖池塘生态环境看护和管理构成严重威胁^[13-18]。有研究称, 丝状绿藻暴发时, 可使湖泊水环境中的DO、pH等发生明显的变化, 进而影响沉积物中营养盐的释放^[19-21]。因此, 研究丝状绿藻暴发对刺参养殖池塘沉积物-水界面营养盐的影响, 对探究刺参养殖生态环境变化显得十分重要, 目前相关研究报道甚少^[22-23]。

本文以刚毛藻为研究对象, 从营养盐变化角度出发, 采用室内静态培养的方法, 通过定时测定上覆水中各形态氮、磷营养盐含量, 分析了刚毛藻不同生物量对沉积物-水界面的氮磷营养盐含量的影响, 以期为刺参养殖环境中藻类暴发可能造成的影响提出警示, 为刺参池塘养殖环境科学养护提供参考。

1 材料与方法 1.1 样品采集与处理

用采样器^[24]采集刺参养殖池塘沉积物的表层(0~5 cm)样品, 用采水器采集足量的海水作为实验用上覆水, 将其放置保温箱内, 于4 h内运回实验室。上覆水用0.45 μm的混合纤维素酯膜过滤后备用。

1.2 试验设计

新鲜沉积物(1000±5)g装培养柱(20 cm×20 cm× 80 cm)^{[5, 25]}, 在培养柱中高度约5 cm, 按照水土体积比5︰1加入已过滤的上覆水(即体积为10 L)。

水体中分别加入刚毛藻生物量为0(对照组)、0.5、4.5、8.5 g/L进行静态培养。每个生物量水平设3个平行样。在不搅动底泥的情况下, 在培养至第0、6、12、24、48 h时, 距沉积物表面约2 cm处分别取水样650 mL, 用于测定氮、磷各营养盐含量, 并将等量已过滤的上覆水用玻璃棒引流缓缓补加到培养柱中。同时分别取少量刚毛藻, 暗处理30 min后测其光合量子产量(quantum yield of photosynthesis, QY)。其中该试验培养温度为25℃, 培养光照为(4000±200)lx。

1.3 测定方法

上覆水中N、P各营养盐的测定方法参考海洋化学调查技术规程^[26], 其中总氮(TN)用过硫酸钾氧化法, 氨态氮(NH⁴⁺-N)用次溴酸盐氧化法, 硝态氮(NO₃^–-N)用锌铬还原比色法, 亚硝态氮(NO₂^–-N)用萘乙二胺分光光度法, 总磷(TP)用过硫酸钾氧化法, 活性磷(PO₄^3–-P)用磷钼蓝分光光度法。NH₄⁺-N、NO₃^–-N、NO₂^–-N是溶解性无机氮(DIN)的主要成分, 以三者之和表示DIN含量。

最大光合量子产量(QY)用掌上水体叶绿素荧光仪AquaPen-P AP-P 100测定。

1.4 数据统计

数据分析和图表分别采用SPSS软件和Origin 8.5软件进行。

2 结果 2.1 刚毛藻对上覆水氮、磷盐动态变化的影响

从图 1中可以看出, 相同培养时间内, 刚毛藻不同生物量对上覆水中各营养盐含量变化影响存在显著差异(P < 0.05);随着培养时间的延长, 上覆水中各营养盐的含量存在显著差异(P < 0.05)。其中, 总态氮、氨态氮、总磷含量随着培养时间的延长均呈现先下降再上升, 然后下降的趋势; 硝态氮、亚硝态氮、活性磷、溶解性无机氮(Dissolved Inorganic Nitrogen, DIN)含量则随培养时间均呈现先上升后降低的趋势, 硝态氮、DIN含量在培养后期有上升的趋势。而各培养时间内, 上覆水中的氮、磷含量并非随着刚毛藻生物量的增多先增加后减少。

2.1.1 刚毛藻对上覆水中总氮含量的影响

由图 1a可知, 培养时间为24 h时, 总氮出现最高峰, 其中, 当藻量为4.5 g/L时, 总氮含量最大为8.515 mg/L; 培养时间为48 h时, 总氮含量最低, 其中0.5 g/L藻量时, 总氮含量最低达到0.527 mg/L。说明刚毛藻生物量为0.5 g/L, 可以有效吸收上覆水中的TN。

2.1.2 刚毛藻对上覆水中硝态氮含量的影响

图 1b显示刚毛藻对上覆水中NO₃^–-N含量的影响, 当培养时间为6 h时, NO₃^–-N含量达到最大值3.216 mg/L, 此时藻量为0.5 g/L; 之后随着培养时间的延长, NO₃^–-N含量先急剧下降, 到培养后期缓慢上升, 当培养时间为24 h时, NO₃^–-N出现最小值, 其中藻量为8.5 g/L时, NO₃^–-N含量为0.208 mg/L。培养结束时(48 h), 添加刚毛藻的实验组上覆水NO₃^–-N含量均低于空白组, 并且为培养初始值的48%~71%。

2.1.3 刚毛藻对上覆水中亚硝态氮含量的影响

培养时间为6 h时, NO₂^–-N出现最高峰, 其中, 当藻量为0 g/L时, NO₂^–-N含量最大为0.066 mg/L; 培养时间为48 h时, NO₂^–-N含量最低, 其中8.5 g/L藻量时, NO₂^–-N含量最低达到0.006 mg/L(图 1c)。表明刚毛藻生物量为8.5 g/L, 可以有效吸收上覆水中的NO₂^–-N。培养结束时(48 h), 添加刚毛藻的实验组上覆水NO₂^–-N含量均低于空白组, 并且为培养初始值的25%~45%。

2.1.4 刚毛藻对上覆水中氨态氮含量的影响

刚毛藻对上覆水中氨态氮含量的影响如图 1d所示, 培养时间为24 h时, NH₄⁺-N出现最高峰, 其中, 当藻量为4.5 g/L时, NH₄⁺-N含量最大为0.109 mg/L; 培养时间为6h时, NH₄⁺-N含量较低, 其中0.5 g/L藻量时, NH₄⁺-N含量最低。结果表明刚毛藻生物量为0.5 g/L, 可以有效吸收上覆水中的NH₄⁺-N。

2.1.5 刚毛藻对上覆水中总磷含量的影响

如图 1e所示, 培养时间为12 h时, TP出现最高峰, 其中, 当藻量为0.5 g/L时, TP含量最大为0.301 mg/L; 培养时间为48 h时, TP含量最低, 其0.5 g/L藻量时, TP含量最低达到0.060 mg/L。结果表明刚毛藻生物量为0.5 g/L, 可以有效吸收上覆水中的TP。

2.1.6 刚毛藻对上覆水中活性磷含量的影响

图 1f给出了不同刚毛藻生物量条件下, 上覆水中活性磷含量的变化趋势, 上覆水中活性磷的变化趋势与总磷的变化趋势相同, 即培养时间为12 h时, PO₄^3–-P出现最高峰, 其中, 当藻量为0.5 g/L时, PO₄^3–-P含量最大为0.114 mg/L; 随着培养时间的延长, PO₄^3–-P含量呈下降趋势, 当培养结束时, 其含量高于初始含量。因此, PO₄^3–-P含量最低为初始含量, 即0.01 mg/L。

2.1.7 刚毛藻对上覆水中溶解性无机氮含量的影响

NO₃^–-N、NO₂^–-N、NH₄⁺-N是溶解性无机氮(DIN)的主要组成部分, 其中NO₃^–-N是DIN的主要贡献者。由图 1g可知, 培养时间为6 h时, DIN出现最高峰, 其中, 当藻量为0.5 g/L时, DIN含量最大为3.256 mg/L; 培养时间为24 h时, DIN含量最低, 其中8.5 g/L藻量时, DIN含量最低达到0.228 mg/L。结果表明刚毛藻生物量为8.5 g/L, 可以有效吸收上覆水中的DIN。

2.2 刚毛藻最大光合量子产量(QY)的变化

刚毛藻生物量及培养时间均对QY的影响存在显著差异(P < 0.05, 图 2)。培养初期, QY降低, 6 h后, QY呈现先增加后降低的趋势; 同一时间条件下, QY随着刚毛藻生物量的增加而下降。培养24 h时, QY达到最大值, 当刚毛藻生物量为0.5 g/L时, QY最大为0.68;培养48 h时, QY最低, 当刚毛藻生物量为8.5 g/L时, QY最小为0.46。

3 讨论

沉积物-水-藻构成一个完整的循环系统, 各种状态的营养盐经过代谢活动在其中相互转化循环^[27]。有研究报道沉积物营养盐可释放到上覆水中, 使上覆水中营养盐含量增加^{[28, 29]}。本实验发现, 培养初期(0~12 h), 各实验组上覆水中各氮、磷营养盐的含量均明显增加, 对照组上覆水氮、磷营养盐含量增加, 可能是沉积物向上覆水中释放氮磷营养盐。藻类在初入新环境都有适应生长阶段^[30]。藻类通过光合自养完成生长代谢过程, 通常可通过蛋白质、叶绿素、多糖等生理指标参数考察其生长状态, 间接反映其光合效率, 对藻类光合作用强弱评价存在偏差^[31]。QY表示最大光合量子产量, 是反映光合系统П反应中心的光能转换效率, QY值的大小直接体现了光合自然生物化合活性, QY值越高, 光合活性越强, 而且该测定方法灵敏、简洁、易操作, 能直观的体现藻类的光合作用强弱^[32]。培养初期刚毛藻QY值降低, 光合活性弱, 刚毛藻处于生长的适应阶段, 生长缓慢, 吸收氮、磷营养盐能力弱, 吸收速度低于沉积物氮营养盐的释放速度, 造成上覆水中氮营养盐含量高于初始值但明显低于对照组。磷营养盐含量明显高于对照组, 可能刚毛藻的添加促进沉积物中磷营养盐的释放, 此时处于生长适应阶段的藻对磷营养盐的吸收能力弱, 导致实验组磷营养盐含量高于对照组。邵雪琳等^[29]研究发现硬毛藻生长促进沉积物释放磷营养盐。因此, 培养初期上覆水中氮、磷营养盐含量增加。

藻类光合自养进行生长需要吸收无机氮磷营养盐^[33]。随着培养时间延长(12~24 h), 刚毛藻最大光合量子产量(QY)值开始升高, 藻光合作用活性增强, 开始旺盛生长。而此阶段上覆水中氮磷营养盐开始降低, 这说明随着藻适应环境开始生长, 氮磷营养盐被大量吸收利用而迅速下降。沉积物可吸附上覆水中的氮、磷等营养物质^[1]。培养24~48 h, 对照组氮磷营养盐含量降低变化, 可能是沉积物对其吸附所致, 但其含量仍然高于有藻组。由此可见, 刚毛藻有效减少沉积物上覆水中氮磷营养盐。随着营养盐含量减少, 刚毛藻生长受到限制, 因此刚毛藻的QY值也随之下降, 该藻的光合活性降低。

研究报道, 不同生物量水平的藻类对上覆水中氮、磷营养盐含量的影响存在显著差异^[29]; 同时藻类可以亲和性的吸收各形态的氮磷营养盐^[34]。本文结果显示, 与对照组相比, 不同生物量刚毛藻对上覆水中不同形态氮磷营养盐含量的影响差异显著。培养结束(48 h)时, 上覆水中的NO₃^–-N、NO₂^–-N含量明显低于培养初始时, 说明刚毛藻吸收NO₃^–-N、NO₂^–-N这两种形态无机氮盐的能力较强, 因此该藻更倾向于对NO₃^–-N、NO₂^–-N营养盐的吸收; 且当生物量仅为8.5 g/L时, 刚毛藻对NO₃^–-N、NO₂^–-N的吸收效果最好。对NH₄⁺-N、PO₄^3–-P营养盐含量的影响较小, 培养后期几乎不吸收NH₄⁺-N、PO₄^3–-P这两种营养盐, 其中生物量为0.5 g/L时刚毛藻对NH₄⁺-N、PO₄^3–-P的吸收效果最好。因此, 刚毛藻高生物量对NO₃^–-N、NO₂^–-N营养盐的吸收能力强, 但低生物量对NH₄⁺-N、PO₄^3–-P营养盐的吸收能力强。

上覆水中的无机氮磷营养盐可被藻类吸收、沉降后被沉积物吸附减少, 但同时其含量受有机氮磷分解影响^{[28, 34-36]}。微生物可将上覆水及沉积物中的有机氮磷分解为藻类、虾等水生生物可利用的无机氮磷^[37], 当上覆水中的氮磷营养盐含量过高时则会吸附在沉积物表面, 反之则由沉积物释放到上覆水中^{[1, 29]}。本实验中所采用的上覆水及沉积物均未灭菌, 因此, 上覆水中总氮的减少量明显高于溶解性无机氮(DIN), 总磷的减少量明显高于活性磷。

QY表示植物光和活性的高低, 受温度、光照、氮磷营养盐等因素的影响, 直接反映植物在不同环境下的生长状态^[38-39]。相同培养时间下, 刚毛藻生物量越高QY越低。这是由于刚毛藻对氮磷营养盐的需求量增加, 导致上覆水氮磷含量降低, 不足以满足刚毛藻的正常生长代谢, 间接抑制了刚毛藻的光合活性, 使其QY降低。因此, 适量的刚毛藻生物量才能在维持自身生长代谢的前提下更好的吸收上覆水中的氮磷营养盐。

4 结论

(1) 培养初期, 刚毛藻处于生长的适应阶段, 生长缓慢, 吸收氮磷营养盐的能力弱, 上覆水中的氮磷营养盐含量增加, 说明沉积物可向上覆水中释放氮磷营养盐; 培养后期, 上覆水中氮磷营养盐含量明显下降。

(2) 不同生物量水平的刚毛藻对NO₃^–-N和NO₂^–-N这两种形态的氮营养盐含量的影响最大, 其中生物量为8.5 g/L时刚毛藻对NO₃^–-N和NO₂^–-N的吸收效果最好; 刚毛藻对NH₄⁺-N、PO₄^3–-P营养盐含量的影响较小, 培养后期几乎不吸收NH₄⁺-N、PO₄^3–-P这两种营养盐, 生物量为0.5 g/L时刚毛藻对NH₄⁺-N、PO₄^3–-P吸收效果最好。

(3) 适量的刚毛藻生物量, 才能达到既维持正常生长代谢、又能更好的吸收水体中氮磷营养盐的目的。