南海北部近岸海洋水體中溶解氧與氮磷和葉綠素的關(guān)系

南海北部近岸海洋水體中溶解氧與氮磷和葉綠素的關(guān)系

南疆海位于云南省大理市西北角，由北向南延伸，長(zhǎng)42公里，最大寬度8.4公里。它屬于云南的第二個(gè)淡水湖泊。湖水正常水位為1374m（海防高度），平均水深為10.5m，最大水深為20.9m。麒麟是大理州居民的重要生活用水、農(nóng)業(yè)用水、旅游、發(fā)電和生態(tài)環(huán)境的交匯處，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，隨著海洋及其周?chē)h(huán)境的發(fā)展和開(kāi)發(fā)，海洋水域污染負(fù)荷增加，尤其是水體富營(yíng)養(yǎng)化程度減輕，水生植物面積逐漸減少，魚(yú)類(lèi)和底棲動(dòng)物結(jié)構(gòu)不合理。溶解氧(dissolvedoxygen,DO)是指溶解在水中的分子態(tài)氧,在淡水生態(tài)系統(tǒng)和水環(huán)境生物地球化學(xué)循環(huán)中具有重要意義.DO是維持水體生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)平衡的重要環(huán)境因子,以及維持水生生物生存的必備條件,并參與部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化.DO濃度能夠反映出水體受到的污染程度,特別是有機(jī)物的污染程度,是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo).有關(guān)研究表明:在比較清潔的河流和湖泊中,溶解氧一般在7.5mg·L-1以上;當(dāng)溶解氧在5mg·L-1以下時(shí),各種浮游生物不能生存,大多數(shù)魚(yú)類(lèi)則要求溶解氧在4mg·L-1以上;好氧微生物生存的先決條件是DO應(yīng)保持在2~5mg·L-1之間;當(dāng)溶解氧在2mg·L-1以下時(shí),通常稱(chēng)該水體低氧或缺氧(hypoxia),溶解氧為0mg·L-1時(shí),被稱(chēng)為無(wú)氧(anoxia).本研究針對(duì)洱海近年來(lái)水生生態(tài)系統(tǒng)退化,逐步由中營(yíng)養(yǎng)向富營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化的環(huán)境現(xiàn)狀.通過(guò)對(duì)洱海水體中1992年以來(lái)的DO濃度及營(yíng)養(yǎng)鹽含量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),分析DO與生態(tài)環(huán)境因素及營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化的關(guān)系,探討影響洱海水體溶解氧濃度的主要生態(tài)環(huán)境因素及其對(duì)水生生物和水體營(yíng)養(yǎng)鹽遷移的影響,以期為修復(fù)洱海生態(tài)環(huán)境提供理論支撐.1材料和方法1.1方法及樣品采集歷史數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)和洱?！笆晃濉币?guī)劃報(bào)告以及大理州環(huán)保局月報(bào).年度數(shù)據(jù)收集為1992~2008年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),不同月份數(shù)據(jù)收集為2001~2009年4月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).試驗(yàn)采樣點(diǎn)位如圖1所示,在洱海全湖,根據(jù)水底地形及區(qū)域環(huán)境條件共部設(shè)17個(gè)點(diǎn)位,分別以不同數(shù)字標(biāo)記,2009年5~12月分別于每月10~14日采集各點(diǎn)混合水樣于樣品瓶?jī)?nèi)放入恒溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo),現(xiàn)場(chǎng)使用多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀分層測(cè)水體中DO濃度,其中84、105、117、142號(hào)點(diǎn)位表層測(cè)0.5m,垂向每隔2m水深測(cè)一次DO濃度直至水底層,每點(diǎn)位重復(fù)3次,其他點(diǎn)位測(cè)上中下3層.2009年5月10日用便攜式沉積物采樣器在各樣點(diǎn)采集10cm表層沉積物樣,每點(diǎn)位采1個(gè)平行樣共34個(gè)樣品,現(xiàn)場(chǎng)裝入封口袋冰盒內(nèi)保存,帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍干燥,研磨處理,測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo).1.2總氮含量測(cè)定水體中DO濃度采用多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定.沉積物中可溶性氮的測(cè)定方法:采用1mol/LKCl溶液浸提沉積物樣品(水∶土=10∶1),在室溫(25℃)下恒溫振蕩1h(200r/min),然后在5000r/min條件下離心10min,取上清液過(guò)0.45μm玻璃纖維濾膜后,分別取液用紫外吸收法測(cè)定NO3--N含量,納氏試劑比色法測(cè)定提取液中NH4+-N含量,過(guò)硫酸鉀氧化法測(cè)定可溶性總氮含量.可溶性總氮與可溶性無(wú)機(jī)氮(NH4+-N、NO3--N之和)的含量之差即為可溶性有機(jī)氮(SON)含量.沉積物總磷:采用SMT法測(cè)定;沉積物磷形態(tài)分級(jí),采用連續(xù)浸提法,稱(chēng)取沉積物1g于100mL離心筒中加浸提劑50mL,振蕩、離心、過(guò)濾,鉬銻抗比色法測(cè)定浸提液中磷含量.提取流程如表1所示.無(wú)機(jī)磷(IP)為各級(jí)形態(tài)磷之和,有機(jī)磷(OP)為總磷和無(wú)機(jī)磷之差.2結(jié)果與分析2.1水體主要do空間特征1992~2009年洱海水體DO變化如圖2(a)所示.1992~2009年洱海水體DO在6.61~7.42mg·L-1之間,1997年最高,2006年最低,總體呈下降趨勢(shì).主要分為3個(gè)階段,1992~1996年之間DO呈下降趨勢(shì);1997年迅速升高,1997~2006年呈下降趨勢(shì);2006~2009年DO略有升高.2001~2009年洱海水體各月份DO變化如圖2(b)所示.洱海水體各月份DO在6.42~7.74mg·L-1之間,總體呈先下降后上升趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在1月,最小值出現(xiàn)在9月.雖然近年來(lái)由于對(duì)洱海的治理保護(hù)力度加大,水體DO有所上升,但DO已接近浮游生物生存的下線(xiàn)(5mg·L-1),特別是個(gè)別月份.從DO的角度分析,洱海水體已由中營(yíng)養(yǎng)級(jí)向中富營(yíng)養(yǎng)級(jí)轉(zhuǎn)化.2009年洱海水體垂向DO變化如圖3所示,其中2009年各月份水體上層與底層DO變化見(jiàn)圖3(a),表層水體各月份DO在8.39~8.34mg·L-1之間,基本保持一致.底層水體各月份DO在5.15~7.28mg·L-1之間,各月份間呈先下降后上升趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在1月,最低值出現(xiàn)在9月,變化趨勢(shì)與多年月均值相一致.各點(diǎn)位水體DO空間變化如圖3(b)所示,湖泊水體2m以下DO由北向南呈遞減趨勢(shì).各采樣點(diǎn)的DO隨著水體深度的增加總體上均呈下降趨勢(shì),但有2個(gè)較為明顯的拐點(diǎn),2m處和15m處.水深不足15m的點(diǎn)位,2m以下雖有所降低但變化不大.可見(jiàn)洱海是永久性好氧湖泊,即使在最大深度20m處DO仍有5.21mg·L-1,可以為浮游生物提供生存環(huán)境.2.2海洋水體的存在與湖泊水質(zhì)的影響2.2.1水體氮磷污染的季節(jié)和月際關(guān)系TN和TP是水生生物主要的營(yíng)養(yǎng)元素,為反映水體營(yíng)養(yǎng)狀況的重要指標(biāo).洱海水體中DO與TN和TP的多年(1992~2009年)均值相關(guān)性如圖4(a)和4(b)所示,TP與DO的多年均值相關(guān)性較小,但是TN與DO呈負(fù)相關(guān).DO與TN和TP多年(2001~2008年)月均值相關(guān)性如圖4(c)和4(d)所示,DO與TN和TP均呈負(fù)相關(guān),相關(guān)性高于年均值,TP與DO的相關(guān)性達(dá)到極顯著(p<0.01).年季內(nèi)由于DO和TN、TP受多種因素相互作用,以及不同月份間平均作用,因此相關(guān)系數(shù)較小.洱海外源污染季節(jié)性差異較大所以月季間TN、TP和DO變化較明顯,相關(guān)性較好.表明隨著水體中氮磷濃度的增加水體DO呈下降趨勢(shì).2.2.2磷吸附產(chǎn)物的活性特征沉積物中不同形態(tài)磷的遷移能力及生物有效性不同.沉積物中磷的存賦形態(tài)因分級(jí)方法及研究目的各不相同,本試驗(yàn)沉積物中無(wú)機(jī)磷的存賦形態(tài)分為:弱吸附態(tài)磷(labileP)、可還原態(tài)磷(RSP)、鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)和鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P).各形態(tài)磷占總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與DO的相關(guān)性如圖5所示.labileP和有機(jī)磷(OP)與DO呈負(fù)相關(guān),無(wú)機(jī)磷(IP)、RSP和Fe/Al-P與DO呈正相關(guān),Fe/Al-P與DO相關(guān)顯著,Ca-P與DO相關(guān)性較小.表明表層沉積物labileP和OP隨著水體中DO的下降呈上升趨勢(shì);RSP、Fe/Al-P和IP隨著水體中DO的下降呈下降趨勢(shì).水體中的溶解氧決定了湖水-沉積物界面的氧化-還原狀態(tài),低DO,鐵氧化物被還原,所吸附的磷被釋放,沉積物中弱吸附態(tài)磷增加;高DO,二價(jià)鐵鋁離子被氧化,水體中可溶性磷被氫氧化鐵吸附而沉降,Fe/Al-P增加.水體中DO高,使表層沉積物微生物活動(dòng)劇烈,增強(qiáng)對(duì)有機(jī)磷的礦化,從而使有機(jī)磷降低,無(wú)機(jī)磷含量升高.可見(jiàn)DO降低促進(jìn)沉積物中磷的釋放.沉積物中可溶性氮是向水體釋放的主要部分.可溶性氮主要分為氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)和有機(jī)態(tài)氮(ON).不同形態(tài)可溶性氮占可溶性總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與DO的相關(guān)性如圖6所示,NH4+-N與DO呈負(fù)相關(guān),NO3--N與DO呈正相關(guān),DON與DO相關(guān)性較小.表明隨著DO含量的降低表層沉積物中NH4+-N含量呈增加趨勢(shì),NO3--N含量呈降低趨勢(shì).當(dāng)環(huán)境中DO下降時(shí),反消化菌活性增強(qiáng),其他形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化成NH4+-N,同時(shí)礦化過(guò)程加速,沉積物中NH4+-N含量升高,當(dāng)環(huán)境中DO升高時(shí)NH4+-N被氧化為NO3--N,沉積物中NO3--N含量升高.因此含氧量高的區(qū)域沉積物中NO3--N較高而含氧低的區(qū)域沉積物中NO4+-N含量較高.沉積物中氨氮含量遠(yuǎn)大于硝態(tài)氮含量,因此隨著DO的下降促了進(jìn)沉積物中氮的釋放.2.2.3魚(yú)類(lèi)生物量對(duì)水體do的影響藻類(lèi)作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力的重要組成部分,在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用.Chla是表征水體藻類(lèi)數(shù)量的重要指標(biāo),也是湖泊水質(zhì)的重要指標(biāo),洱海DO與Chla的關(guān)系如圖7所示.洱海水體中DO與Chla多年均值和多年月均值均呈負(fù)相關(guān).根據(jù)線(xiàn)性方程Y(Chla)=a×X(DO)+b,多年均值a值接近于月均值的2倍,表明DO與Chla之間的關(guān)系年際變化大于月季變化.例如1996年9~10月,洱海出現(xiàn)大規(guī)模藍(lán)藻暴發(fā),水體DO較低,近年來(lái)每年9月洱海均有部分區(qū)域發(fā)生藍(lán)藻水華,水體DO各月份間在9月最低.可見(jiàn)隨著藻類(lèi)生物量的增加水體DO呈下降趨勢(shì).3討論3.1海底地沿邊緣海文化洱海湖盆形成于更新世早期,是我國(guó)西南地區(qū)著名的斷陷湖泊.湖水主要來(lái)源于降雨和冰雪融水,湖盆呈南北向展布(圖1),中部最深處水深20.9m,湖盆南部中央水下平臺(tái)兩側(cè)分布有條形深槽.湖水主要由北部河流注入呈西南流向,河水含氧量較高.因此,水體DO北部高于南部.而洱海主風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),風(fēng)速平均2.4~4.1m·s-1,瞬間風(fēng)速可達(dá)40m·s-1,使湖面水體向東北方向涌動(dòng),表層水體與下層水體出現(xiàn)躍層,從而使洱海水體DO垂向變化在2m處出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn).從圖1可見(jiàn),由于湖底地形作用,水流受到湖底地形抬高阻隔在中部形成環(huán)流,從而使15m處水體出現(xiàn)躍層現(xiàn)象.因此水深20m的105號(hào)點(diǎn)位,水體在垂向上15m處DO形成明顯拐點(diǎn).風(fēng)力和水流的反向運(yùn)動(dòng)增加了表層和深層水體中DO的交換;深層水體的環(huán)流運(yùn)動(dòng)增加深層水體DO垂向交換,從而使洱海水體DO較高.3.2原因三:道德溶解氧do對(duì)水體中磷的氧化還原作用洱海水體中氮、磷與DO呈負(fù)相關(guān).近年來(lái)由于洱海流域的不合理開(kāi)發(fā)利用,使入湖污染物逐年增加,水體氮磷含量升高,藻類(lèi)大量繁殖,通明度降低,水質(zhì)惡化,水生植被退化,因此近年來(lái)洱海水體中DO呈下降趨勢(shì).一方面外源氮磷特別是有機(jī)氮磷進(jìn)入水體,部分發(fā)生轉(zhuǎn)化消耗氧氣使水體中DO下降;另一方面水體中氮磷含量的升高,有利于藻類(lèi)的暴長(zhǎng),高等水生植被退化,減少對(duì)水體中氧的供應(yīng)能力,增加植物殘?bào)w分解耗氧量.洱海流域降雨量比較集中,6、7月是雨季的初始期,大量污染物隨徑流進(jìn)入洱海,通過(guò)轉(zhuǎn)化分解在9月氮磷達(dá)到最高值,由圖2可見(jiàn)洱海DO在9月最低.上覆水中DO能夠驅(qū)動(dòng)湖泊底部沉積物-水界面的生化過(guò)程影響上覆水的水質(zhì).水體中的溶解氧決定湖水-沉積物的氧化-還原狀態(tài),當(dāng)水體DO低,氧化還原電位下降,三價(jià)鐵鋁離子被還原為二價(jià)離子,鐵氧化物被還原,所吸附的磷被釋放到間隙水中,沉積物中磷向水體擴(kuò)散提高上覆水中磷的濃度;當(dāng)水體中DO下降時(shí),反消化菌活性增強(qiáng),其他形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化成NH4+-N,同時(shí)礦化過(guò)程加速,沉積物中NH4+-N含量升高,向上覆水中擴(kuò)散提高水體中氮的濃度.近年來(lái)洱海流域治理力度加大,外源氮磷輸入量減少,但隨著水體DO的下降內(nèi)源貢獻(xiàn)率逐漸增加.3.3魚(yú)類(lèi)群落及食性物種群落結(jié)構(gòu)變化水生生物群落結(jié)構(gòu)不合理促使水體DO下降,同時(shí)DO的下降進(jìn)一步加劇生物群落結(jié)構(gòu)的惡化.從洱海水體中DO與Chla的相關(guān)性可見(jiàn),隨著藻類(lèi)的生物量的增加水體中DO呈下降趨勢(shì),表明洱海藻類(lèi)生物量過(guò)大,對(duì)水體產(chǎn)生負(fù)影響,成為近年來(lái)洱海含氧量下降的“助推器”.豐富多樣的水生植物群落結(jié)構(gòu)能夠使水體保持較高的DO含量,1997年7月和1998年3月洱海管理局2次移栽海菜花,在洱海形成海菜花群落,增加洱海沉水植物分布面積及群落多樣性,使1997年洱海DO含量迅速升高.近年來(lái)洱海沉水植物種類(lèi)減少,物種多樣性下降,群落結(jié)構(gòu)單化,植被資源呈現(xiàn)退化趨勢(shì),水生植被優(yōu)勢(shì)群落由原來(lái)的黑藻、苦草演變?yōu)槲X眼子菜,分布區(qū)域由水深10m退縮到4m以?xún)?nèi).大型水生植物的退化,減弱其對(duì)藻類(lèi)的抑制效應(yīng),使藻類(lèi)數(shù)量劇增,種群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,近年來(lái)洱海藻類(lèi)優(yōu)勢(shì)種群由硅藻和綠藻逐漸演變?yōu)樗{(lán)藻.同時(shí)水生植被的退化大量的有機(jī)碎屑沉積到沉積物表層,為微生物提供了大量的食物來(lái)源.魏中青等研究表明,洱海表層沉積物中的微生物以好氧微生物為優(yōu)勢(shì)種,生物量高,表層沉積物有機(jī)質(zhì)降解也較劇烈.從而使有機(jī)物分解耗氧加劇,水體DO逐年降低.隨著水體DO的下降洱海魚(yú)類(lèi)及底棲動(dòng)物結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化.研究表明,低氧環(huán)境減少魚(yú)類(lèi)和底棲生物物種多樣性和豐度,有利于耐低氧種類(lèi)的出現(xiàn),有利于小型且生命周期短的生物存活,K-選擇生物將被r-選擇生物取代,復(fù)雜的食物鏈將被簡(jiǎn)單的食物鏈取代.我國(guó)學(xué)者研究也表明,在長(zhǎng)江口季節(jié)性低氧區(qū)內(nèi),底棲生物中多毛類(lèi)占有優(yōu)勢(shì)地位,低氧環(huán)境下,浮游攝食動(dòng)物(suspendedfeeders)常被底層攝食動(dòng)物(depositfeeders)代替;大型底棲生物被小型底棲生物代替;微鞭毛蟲(chóng)和微小浮游生物通常成為浮游生物中的優(yōu)勢(shì)種.近年來(lái)隨著洱海水體DO的下降,洱海特有的魚(yú)類(lèi)基本消失,魚(yú)類(lèi)以肉食性及小型魚(yú)類(lèi)占優(yōu)勢(shì);浮游動(dòng)物減少,底棲動(dòng)物生物量降低,底棲動(dòng)物主要集中在湖濱帶,而湖心深水區(qū)域分布較少,原有的大型底棲動(dòng)物鐵螺基本消失,寡毛類(lèi)雖然占有優(yōu)勢(shì)但生物量總體呈下降趨勢(shì).隨