1 引言
水華具有分布廣、規(guī)模大和持續(xù)時間長的特點，是人類淡水資源安全利用的重要威脅，也是世界范圍內(nèi)的研究熱點.我國由水體富營養(yǎng)化引起的水華問題也日趨嚴(yán)重，不僅滇池、太湖、巢湖等大型淡水湖泊每年夏秋季都會爆發(fā)水華;華中、華東、華南、西南等地的許多中小型湖泊、飲用水源地水庫、觀賞性湖泊也相繼發(fā)生了不同程度的水華.水華的發(fā)生提高了水體的濁度，從而限制了光在水體中的傳遞，這又會限制大型水生植物和底棲大型藻類的生存.水華藻類通過夜間的呼吸作用和細(xì)胞分解消耗氧氣，引起水體中魚類死亡和其它生物的損失，甚至威脅到人類安全.因此，水華發(fā)生對淡水生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展及水庫水源的飲用、灌溉、水上娛樂都是一個主要威脅.
研究各類型水華的形成機(jī)制，對于科學(xué)預(yù)測水華的發(fā)生，并采取相應(yīng)措施減少其有害影響具有重要的生態(tài)和環(huán)境意義.水華發(fā)生過程中必然會對其所在水域的浮游動物產(chǎn)生各種影響，而浮游動物是聯(lián)系初級生產(chǎn)者與高級消費者的紐帶，在整個水生生態(tài)系統(tǒng)中起到承上啟下的關(guān)鍵作用.同時，由于浮游動物數(shù)量龐大，便于捕獲及運用常規(guī)方法對樣品進(jìn)行分析比較，也是很多魚類幼體的餌料，其種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量的變化對一定時期內(nèi)漁業(yè)資源的變化具有先鋒指示作用.因此，某一水域浮游動物群落結(jié)構(gòu)的變動必將對該區(qū)域漁業(yè)資源和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響.而研究各類型水華生消對浮游動物的影響，尤其是對不同類群(枝角類、橈足類、輪蟲類)的影響及機(jī)理，不但能夠使人們了解不同類型水華的生態(tài)危害，也可為評估漁業(yè)資源的間接損失和水華消失后生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)情況提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持.
目前，關(guān)注水華對浮游動物群落影響的研究非常有限，少數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，水體中的微囊藻毒素含量與總的浮游動物生物量呈負(fù)相關(guān)，含有高濃度微囊藻毒素的水體中，枝角類(水溞類)和哲水蚤橈足類的生物量降低而個體較小對浮游植物攝食效率較低的劍水蚤橈足類、象鼻溞及輪蟲的數(shù)量卻有所增加.這意味著不同類群的浮游動物對同一種水華的耐受性存在差異，因此，同一種水華生消過程對不同浮游動物種群的發(fā)展可能會產(chǎn)生截然相反的結(jié)果，這需要進(jìn)行更多的研究來證實.而捕食者與浮游植物的相互作用也具有種間特異性，因此，在通過受控實驗研究水華生消對其攝食者的影響時要充分考慮其種內(nèi)和種間變化).
顆粒直鏈藻(Aulacoseira granulate)隸屬于硅藻門(Bacillariophyta)，其在世界范圍內(nèi)廣泛分布，是江河、湖泊和水庫等各種內(nèi)陸淡水系統(tǒng)中的常見優(yōu)勢種(Karim et al., 1978; Höetzel et al., 1996; Tsukada et al., 2006; Wang et al., 2009; 王超等，2012).此外，由于其對水體環(huán)境變化非常敏感，易受水溫和營養(yǎng)鹽等環(huán)境條件的影響，在富營養(yǎng)化水體中極易形成優(yōu)勢種群或發(fā)展為水華，因此，也是富營養(yǎng)化及污染水體的指示物種(Nogueira， 2000，Kamenir et al., 2004).鑒于顆粒直鏈藻在水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位，研究其水華生消過程對橈足類種群的影響對于認(rèn)識硅藻水華對浮游動物群落結(jié)構(gòu)和動態(tài)的影響具有重要的生態(tài)學(xué)意義.
基于以上科學(xué)觀點并鑒于室內(nèi)受控實驗受限于容器體積和培養(yǎng)條件而難以和自然條件相符，而野外調(diào)查結(jié)果又受采樣時間、天氣狀況和魚類攝食壓力的影響.本研究以人工池為培養(yǎng)系統(tǒng)，通過在池內(nèi)誘導(dǎo)顆粒直鏈藻水華形成，而后接入婆羅異劍水蚤(Apocyclops borneoensis)，研究無魚類攝食壓力下顆粒直鏈藻水華生消對其種群動態(tài)的影響，并探討其生態(tài)意義.
2 材料與方法
2.1 實驗地點及人工池
該研究所有實驗均在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所海南瓊海研究中心(基地)完成.該中心位于瓊海市長坡鎮(zhèn)，靠近海邊，占地60余畝，設(shè)備齊全，建有各種型號的人工池和設(shè)備齊全的實驗室.本實驗選的兩個養(yǎng)殖池為圓型的水泥池，深1.8 m，直徑5.0 m，實驗時池內(nèi)水深80 cm.
2.2 實驗材料
顆粒直鏈藻分離自基地附近廢棄的對蝦養(yǎng)殖池，在實驗室內(nèi)擴(kuò)大培養(yǎng)后作為種源，培養(yǎng)溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為300 μmol · m-2 · s-1，光暗期比為12 h ∶ 12 h.浮游動物采用自制的90目生物網(wǎng)(網(wǎng)孔直徑為160 μm)在廢棄蝦塘中反復(fù)拖曳收集獲得，經(jīng)顯微鏡下鑒定其主要種類為婆羅異劍水蚤，占個體數(shù)量的95%以上.婆羅異劍水蚤為劍水蚤科異劍水蚤屬的動物，是廣溫廣鹽的小型橈足類，廣泛分布于熱帶水域，是營養(yǎng)價值很高的餌料生物(張其永等，1988; Farhadian，2006; Farhadian et al., 2007).
2.3 實驗設(shè)計
向沖洗干凈的水泥池中注入淡水，注水深度為80 cm，水體按BG-11培養(yǎng)基配方加富后用250 μg · L-1 的次氯酸鈉(NaClO)消毒12 h，然后以25~30 μg · L-1 硫代硫酸鈉(Na2S2O4)中和.曝氣1 d后接入5.0 L經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)的顆粒直鏈藻液，待池中水體呈現(xiàn)肉眼可見的淡黃色時開始于每天傍晚(18:00)取樣監(jiān)測葉綠素濃度的變化，并在葉綠素濃度達(dá)到100 μg · L-1時接入浮游動物(初始豐度為56 ind · L-1)，并每天監(jiān)測其數(shù)量變化，直至水華消退(圖 1).而在即將接入浮游動物前，每池先取200 L藻液至一個白色塑料桶中，并將其放在水泥池旁邊繼續(xù)通氣培養(yǎng)作為對照組.
圖 1 顆粒直鏈藻水華在人工池中的誘發(fā)過程(a.接入藻種前，b.水華爆發(fā)前，c.水華爆發(fā)后)
2.4 浮游動物采樣及豐度測算
每天下午18:00用采水器(2.5 L)在距離人工池底部30 cm處從每個培養(yǎng)池中取水樣，將其中1.0 L轉(zhuǎn)入容積為1 L的玻璃燒杯中，其余水樣再倒回水泥池中，每個水泥池取水樣兩次.把燒杯中的水樣以每次約100 mL的量轉(zhuǎn)入培養(yǎng)皿中，在日光燈下靠目測對浮游動物計數(shù)(Ma et al., 2010)，并根據(jù)浮游動物的數(shù)量和水樣體積計算浮游動物豐度(ind · L-1).統(tǒng)計后把浮游動物和水樣再倒回水泥池中，這樣兩個水泥池共取4個水樣，結(jié)果以平均值±方差表示.
2.5 葉綠素a(Chl a)含量的測定
為了監(jiān)測水華生消過程中葉綠素濃度的變化，首先把去除浮游動物后的100 mL 藻液經(jīng)Whatman GF/F玻璃纖維濾膜過濾(Φ 25 mm)，然后用100%的甲醇在4 ℃下過夜提取(Porra，2002)，經(jīng)離心(5000 g，5 min)后，取上清液用分光光度計(Shimadzu，UV 2501-PC)測定其吸收光譜，并根據(jù)文獻(xiàn)(Porra，2002)提供的葉綠素a含量(μg · L-1)計算公式([Chl a] = 16.29×E665.2-8.54×E652.0，其中，E665.2和E652.0分別為上清液在665.2 nm和652.0 nm處的光吸收值)計算水體中的葉綠素a濃度.每次從每個人工池中取兩個水樣用于葉綠素a濃度測定，結(jié)果以平均值±方差表示.
3 結(jié)果
3.1 實驗期間池中水體溫度的變化
雖然實驗安排在2010年冬季進(jìn)行，但由于該中心位于熱帶區(qū)域，加之晴天居多，所以實驗期間池中水體的溫度基本在20 ℃左右，早(8:00)、中(13:00)、晚(18:00)的溫度波動范圍分別為17.6~22.9、 22.1~27.6、21.0~26.0 ℃，而全天的最大溫差為4.9 ℃(圖 2).
圖 2 顆粒直鏈藻水華生消過程中日平均水溫與水體中葉綠素a濃度的變化
3.2 顆粒直鏈藻水華演替過程
顆粒直鏈藻在接入人工池后迅速發(fā)展為水華，水體顏色由淺黃色變?yōu)樯詈稚?圖 1).葉綠素a濃度僅經(jīng)過3 d就從初始檢測時的(21.24± 0.76)μg · L-1升高到(232.92± 8.38)μg · L-1，增加了近10倍(圖 2).而再經(jīng)歷1 d短暫的增加后水華又迅速消退，水體顏色變淺，葉綠素a濃度也從最高時的(240.34±11.00)μg · L-1在1 d內(nèi)快速下降到(124.41±3.17)μg · L-1(圖 2).此后水華進(jìn)一步消退，水體顏色也由褐色重新變?yōu)闇\黃色，并且伴隨著浮游植物細(xì)胞解體，水體表面有大量的白色泡沫出現(xiàn).而葉綠素濃度在2 d后也降低到(53.63±0.47)μg · L-1(圖 2).
3.3 婆羅異劍水蚤攝食對顆粒直鏈藻水華生消進(jìn)程的影響
待池中水體的葉綠素a濃度增加到(104.15±18.63)μg · L-1時接入以婆羅異劍水蚤為主的浮游動物. 盡管其在浮游植物細(xì)胞濃度已經(jīng)很高的情況下已不能抑制水華的發(fā)生，但其攝食作用對浮游植物細(xì)胞濃度的增加仍表現(xiàn)出明顯的抑制效應(yīng)并使其消退加速(圖 3).添加浮游動物組水體的葉綠素a比對照組(未添加浮游動物)低18.62~26.08 μg · L-1，平均為21.24 μg · L-1，且差異顯著(p<0.05).
圖 3 顆粒直鏈藻水華生消中婆羅異劍水蚤攝食對水體中葉綠素a濃度的影響
3.4 顆粒直鏈藻水華生消中婆羅異劍水蚤種群數(shù)量的變化
由圖 4可知，在轉(zhuǎn)入已形成顆粒直鏈藻水華的水體后，婆羅異劍水蚤的豐度在2 d后開始有所增加，并且這種增長趨勢一直持續(xù)到水華消退.經(jīng)一周時間其豐度從更接入時的(56.50±4.32)ind · L-1上升到(142.11±6.35)ind · L-1，增加了151.58%.在實驗結(jié)束后，將所有浮游動物都收集起來，發(fā)現(xiàn)其生物量從初接入時的25.01 g增加到68.76 g，增加了174.9%，與按豐度統(tǒng)計的結(jié)果基本一致(圖 5).
圖 4 橈足類婆羅異劍水蚤豐度隨顆粒直鏈藻水華生消過程的變化
圖 5 顆粒直鏈藻水華人工池誘發(fā)前后對婆羅異劍水蚤豐度和總生物量變化
4 討論
作為濾食性的小型橈足類，婆羅異劍水蚤在顆粒直鏈藻水華發(fā)生過程盡管其攝食沒能對水華的發(fā)生起到完全的控制作用，但卻顯著降低了水華物種的細(xì)胞濃度.此外，婆羅異劍水蚤的種群數(shù)量并沒有因為顆粒直鏈藻水華的爆發(fā)而降低，反而出現(xiàn)了穩(wěn)步提高，這也保證了其能在水華爆發(fā)過程中對顆粒直鏈藻保持持續(xù)的攝食壓力，進(jìn)而加速其水華消亡過程.
在淡水生態(tài)系統(tǒng)中，藍(lán)藻水華對大型枝角類(水溞)浮游動物的負(fù)面效應(yīng)已得到很多研究的確認(rèn).此外，很多種類的藍(lán)藻及其所產(chǎn)的藻毒素也能抑制橈足類和輪蟲等浮游動物類群的攝食活動.小型橈足類主要攝食浮游植物，在水華生消進(jìn)程中起到關(guān)鍵作用(李超倫等，2000; 孫軍等，2004).
顆粒直鏈藻屬于硅藻，盡管有些研究認(rèn)為對浮游動物餌料而言，其可能和其它硅藻一樣存在營養(yǎng)缺陷，但其并不產(chǎn)生毒素.此外，浮游動物對水華物種還存在選擇性攝食(孫軍等，2007)，這種選擇性攝食可能導(dǎo)致其偏好餌料被大量攝食，而遭排斥的物種將獲得更多的生存機(jī)會，進(jìn)而影響水華進(jìn)程，使得水華物種向不被攝食的物種方向演替.在本研究中，婆羅異劍水蚤在任何階段都對顆粒直鏈藻水華維持了較高的攝食壓力(圖 3).此外，即使在藻體濃度最大時，婆羅異劍水蚤種群數(shù)量也出現(xiàn)了平穩(wěn)的增長(圖 4)，這除了實驗中向水體通入空氣抵消了水華發(fā)生可能引起的缺氧外，更可能是由于與甲藻和藍(lán)藻相比，顆粒直鏈藻毒性較弱的緣故.
浮游動物是控制水華發(fā)生的重要因素(Storm，2002)，通常情況下浮游動物的攝食和浮游植物的生長是平衡的，但一旦環(huán)境發(fā)生一定變化，就會有一些物種逃出浮游動物的攝食控制，迅速生長而發(fā)生水華，即水華的Loop-Hole理論(Irigoien et al., 2005).在浮游動物攝食活躍的水域，浮游植物的生長能受到良好的控制; 在攝食較弱的水體中，浮游植物即使比生長率較低，仍有爆發(fā)水華的可能; 而一旦水華爆發(fā)，浮游動物的攝食行為對浮游植物群落的控制作用則大幅減弱(孫軍等，2009).在本研究中，為了考察硅藻水華生消對浮游動物種群動態(tài)的影響，我們在硅藻水華開始爆發(fā)時(葉綠素濃度達(dá)到104.15 μg · L-1)才接入浮游動物，因此，盡管其一直保持較高的攝食壓力，但卻未能消除或延緩水華的發(fā)生過程(圖 2).但如此高的攝食壓力如果在水華孕育的早期(浮游植物細(xì)胞密度較低時)就存在或者期間因為天氣等原因浮游植物沒有繁殖的如此迅速，則完全有可能延緩甚至是阻止水華的發(fā)生.在實驗期間，婆羅異劍水蚤的數(shù)量增加了約1.5倍，在顆粒直鏈藻水華發(fā)生過程中其數(shù)量的持續(xù)增加維持了較高的攝食壓力(圖 3，圖 4)，也有利于水華消退后水生生態(tài)系統(tǒng)的盡快恢復(fù).此外，顆粒直鏈藻水華在一天中急劇消退可能與營養(yǎng)鹽耗竭有關(guān)，在室內(nèi)培養(yǎng)時也經(jīng)常出現(xiàn)該現(xiàn)象，在細(xì)胞濃度很大時，如果不及時添加新的培養(yǎng)基，細(xì)胞就會迅速死亡，藻液顏色也急劇改變.因此，我們有理由相信營養(yǎng)鹽缺乏對藻體的脅迫作用累積到一定程度就會引起細(xì)胞死亡，導(dǎo)致水華急劇消退(圖 3).而不含婆羅異劍水蚤的對照組和含有婆羅異劍水蚤的處理組顆粒直鏈藻水華發(fā)展趨勢一致(圖 3)，則可能是由于婆羅異劍水蚤的攝食作用相對于顆粒直鏈藻的內(nèi)稟增長率還是比較弱的，因此，在水華發(fā)爆發(fā)時就很難再起到較強(qiáng)的抑制作用了.
本研究利用較大水體的土池實驗研究了富營養(yǎng)化水體中顆粒直鏈藻水華的生消過程，并證實了高濃度的顆粒直鏈藻水華并不會影響婆羅異劍水蚤的生長和繁殖，反而由于水華期間為后者提供了充足餌料而對其種群擴(kuò)大起到促進(jìn)作用.當(dāng)然如果水體攪動不足，水華發(fā)生產(chǎn)生的低氧環(huán)境可能會對浮游動物產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，但應(yīng)該不是很嚴(yán)重，因為橈足類浮游動物通過合成血紅蛋白能夠耐受0.5 mg · L-1(以O(shè)2計)的低氧環(huán)境(Weider et al., 1985; Sell，1998).該研究排除了來自其它動物的攝食壓力對婆羅異劍水蚤種群動態(tài)的影響，這也為其種群數(shù)量的持續(xù)增加創(chuàng)造了條件.而關(guān)于其種群變化與毒性較強(qiáng)的甲藻和藍(lán)藻水華生消過程的交互作用還需要做進(jìn)一步的研究.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
5 結(jié)論
在排除魚類攝食壓力條件下，硅藻顆粒直鏈水華的發(fā)生并不會對小型橈足類婆羅異劍水蚤的生長和繁殖產(chǎn)生負(fù)面影響，反而會對其種群的擴(kuò)大具有促進(jìn)作用.而要想把該結(jié)論擴(kuò)展到整個硅藻水華對所有浮游動物種群的影響，無疑還需要更多的研究論證.
致謝: 本實驗在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所海南省瓊海養(yǎng)殖基地完成，在此期間得到基地領(lǐng)導(dǎo)夏連軍研究員、楊慶華師傅等工作人員的支持和幫助;東海所的孫魯峰在樣品鑒定及實驗過程中也給予了大力幫助; 兩位審稿專家的建設(shè)性意見也對本文的提高起到了巨大的推動作用，在此一并謹(jǐn)致謝忱!
