氨氮在富营养化浅水湖泊藻-草稳态转换中的作用研究

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随着人口的增长,社会的发展以及对食物和能源的巨大需求,大量的还原态氮进入了生物圈,对全球的富营养化和蓝藻水华起到了促进作用。氨态氮是浮游植物生长的重要氮源,也是控制蓝藻水华发生和藻类分布的重要因子。氨态氮对植物的毒性效应可能是普遍存在的,但是浮游植物和沉水植物具有不同的氨氮耐受阂值。氨态氮在湖泊生态系统稳态转换过程中可能起着重要的作用。本文通过室内模拟实验探究了铜绿微囊藻和四尾栅藻对氨氮的响应特性。通过室外模拟实验探究了氨氮与浮游植物复合作用对苦草种子萌发和穗花狐尾藻的生长生理的影响。对滇池草海原位生态修复围隔进行长期监测,探究藻类-沉水植物稳态转换过程中的营养盐响应阈值。具体研究内容和研究结果如下:  (1)为探讨氨氮在藻类种群转换中的作用,采用纯培养和共培养的方法,研究了氨氮(NH3-N)对铜绿微囊藻和四尾栅藻生长、生理和细胞形态的影响。在纯培养条件下,5.0-20 mg/L的氨氮浓度适宜于铜绿微囊藻和四尾栅藻的生长,但铜绿微囊藻比四尾栅藻对氨氮的响应更敏感。氨氮浓度达到50 mg/L时,铜绿微囊藻的光合活性在第2天时由0.35降低至0.07,四尾栅藻的光合活性则在第4天时由0.63降低至0.47。随着培养时间和氨氮浓度的增加,四尾栅藻色素体的损伤情况加剧。氨氮浓度大于或等于10 mg/L时,四尾栅藻易形成两细胞形态的结构,氨氮浓度低于10 mg/L时,四尾栅藻易形成四细胞形态的结构。在共培养条件下,适宜四尾栅藻和铜绿微囊藻生长的氨氮浓度范围分别是0.5-2.0 mg/L和5.0-20 mg/L。研究结果表明铜绿微囊藻是喜高氨(5.0-20mg/L)的藻类,控制氨氮浓度在一个较低水平(≤2.0 mg/L)或许可以作为防治微囊藻水华发生的策略。  (2)室内条件下,苦草种子在氨态氮浓度单一因素影响下的萌发率没有显著性差异,约为75%。自然温度和光照条件下,不同氨态氮浓度与浮游植物复合作用下的苦草种子萌发率存在显著性差异,苦草种子在0.5-1.5 mg/L的氨氮浓度下萌发率最低,仅为30%左右。前期的结果表明,0.5-1.5 mg/L的氨氮浓度正是绿藻生长的适宜浓度。此时,浮游植物的大量生长引起水体浊度升高和水下光强下降,这可能是导致苦草种子萌发率下降的重要原因。  (3)氨氮与浮游植物的复合作用会对穗花狐尾藻的生长生理产生显著影响。在有藻类存在的条件下,0-0.5 mg/L的氨氮浓度下,穗花狐尾藻生长缓慢,1.5 mg/L的氨氮浓度最适于穗花狐尾藻的生长,氨氮浓度达到5.0 mg/L时,穗花狐尾藻的叶片在第40天会完全脱落。穗花狐尾藻的抗氧化酶活性和MDA含量在1.5 mg/L的氨氮浓度下能维持在一个较稳定的值。高浓度(5.0 mg/L)的氨氮和长期的氮缺乏(NH3-N≤0.5 mg/L)会对穗花狐尾藻的抗氧化酶活性和MDA含量产生影响。这可能与高浓度(5.0 mg/L)氨氮下藻类的高叶绿素a浓度有关。进一步的研究模拟了不同浓度藻类水华对两种沉水植物的影响证实了长期高浓度的藻类水华的会严重影响沉水植物的生长。当藻浓度达到1010 cell/L时,伊乐藻和篦齿眼子菜的干重都会显著降低。  (4)采用非参数突变点分析法(nCPA)及临界指示物种分析法(TITAN),探究了叶绿素a、浊度、透明度和浮游植物的营养盐阈值。结果表明,TN是引起原位围隔水体稳态转换的主要营养盐因子,RDA的分析结果显示TN对叶绿素a、透明度、浊度的解释度为36.4%。水体的稳态转换TN阈值为1.142 mg/L,TP阈值为0.103 mg/L。TN、TP、NH3-N、NO3-N的指示物种大部分为正响应物种,但NH3-N的负响应物种比其它营养盐要多。微囊藻是滇池蓝藻水华的优势藻类,其对TN、TP和NH3-N响应阈值分别为1.054 mg/L、0.108 mg/L和0.401 mg/L。
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