Controlling cyanobacterial blooms by managing nutrient ratio and limitation in a large hypereutrophic lake: Lake Taihu, China

Excessive nitrogen (N) and phosphorus (P) loading of aquatic ecosystems is a leading cause of eutrophication and harmful algal blooms worldwide, and reducing nutrient levels in water has been a primary management objective. To provide a rational protection strategy and predict future trends of eutrophication in eutrophic lakes, we need to understand the relationships between nutrient ratios and nutrient limitations. We conducted a set of outdoor bioassays at the shore of Lake Taihu. It showed that N only additions induced phytoplankton growth but adding only P did not. Combined N plus P additions promoted higher phytoplankton biomass than N only additions, which suggested that both N and P were deficient for maximum phytoplankton growth in this lake (TN:TP = 18.9). When nutrients are present at less than 7.75-13.95 mg/L TN and 0.41-0.74 mg/L TP, the deficiency of either N or P or both limits the growth of phytoplankton. N limitation then takes place when the TN:TP ratio is less than 21.5-24.7 (TDN:TDP was 34.2-44.3), and P limitation occurs above this. Therefore, according to this ratio, controlling N when N limitation exists and controlling P when P deficiency is present will prevent algal blooms effectively in the short term. But for the long term, a persistent dual nutrient (N and P) management strategy is necessary.     

太湖不同湖区夏季蓝藻生长的营养盐限制研究

采集太湖6个湖区水样,利用营养盐添加,现场培养实验研究了水华蓝藻在不同湖区水体中生长的氮、磷限制情况和蓝藻的生长潜力.结果表明,梅梁湾水体只有氮、磷同时添加才对蓝藻生物量具有显著的促进作用,表明该湖区水华蓝藻的生长不仅存在磷限制,而且存在明显的氮限制.在太湖西部河口区、竺山湾和贡湖湾,蓝藻对单独的氮添加没有反应,而单独磷添加和氮磷同时添加对蓝藻生长具有同样的促进作用,表明磷是这些区域藻类生长的主要限制因子.东太湖水体不论氮磷单独还是同时添加对蓝藻生长均没有促进作用,表明存在氮磷以外的限制因子.氮磷供应充足的情况下,梅梁湾和西部河口区水体培养的蓝藻生长速率最高,表明这两个水域蓝藻的生长潜力最大,氮磷输入极易刺激蓝藻大量增殖,这在一定程度上解释了为什么蓝藻水华在这两个区域更为严重.蓝藻在贡湖湾和胥口湾水体中生长速率较低,在东太湖水体中的生长速率最低,因此这些水域的蓝藻增殖潜力较低.     

Effect of nutrient level on phytoplankton community structure in different water bodies

Increasing levels of pollution within water bodies can cause eutrophication and an associated rapid growth in and reproduction of phytoplankton. Although most frequently occurring in bodies of water such as lakes and dams, in recent years an increasing number of river systems in China have suffered serious algal blooms. The community structure of phytoplankton may differ, however, dependent on the hydrodynamic conditions and nutrient levels within the water body. The field investigation results obtained from a stagnant river in Suzhou City and Taihu Lake, China, showed that in water with higher concentrations of nitrogen and phosphorus, Chlorophyta became the predominant species and in water with lower concentrations of nitrogen and phosphorus, Cyanobacteria became the predominant species. Growth experiments with competitive species, Microcystis aeruginosa Kütz and Scenedesmus quadricauda (Turp.), were conducted at three different nutrient levels. The biomass of algae in pure and mixed cultures was measured under conditions of different N/P ratios at oligotrophic, eutrophic and hypertrophic nutrient levels. The results indicated that the most suitable state for the growth and reproduction of M. aeruginosa and S. quadricauda were eutrophic conditions in both pure and mixed cultures. Under competition, however, the lower medium nutrient levels favoured M. aeruginosa, while the higher medium nutrient levels better suited S. quadricauda. Under similar hydrodynamic conditions, the community structure of phytoplankton in the water body was determined by the dominant species in competition for nutrients.     

基于光合色素的海南八门湾及其毗邻水域浮游植物生物量及类群组成研究

根据2010年4月（春季）、2011年8月（夏季）在海南八门湾及其毗邻水域的采样调查，采用CHEMTAX化学分类法对该区域的表层水的浮游植物生物量以及类群进行了研究。初步的研究结果表明:春季，生物量由湾内向外海增大，最高值出现在文昌河入八门湾处，金藻、硅藻为主要优势类群。生物量与溶解无机氮（DIN）、SiO₃2-、PO₄3-正相关，与盐度负相关，浮游植物与营养盐比值（N:P，Si:N）相关性不明显，硅藻与P显著正相关。夏季，生物量空间分布差异较小，最高值出现在文教河，蓝藻、金藻、硅藻为优势类群。浮游植物生物量及群落结构特征与营养盐含量和比值之间存在相关性。生物量与SiO₃2-正相关，与盐度负相关，绿藻与N:P比呈正相关关系，绿藻还同时与N正相关，硅藻与Si:N比正相关。     

湖北枝江市石子岭水库蓝藻水华研究

2009年8月21日对枝江市作为饮用水源的石子岭水库浮游植物和水体营养盐状况进行了调查.结果表明,该水库已经发生了微囊藻水华;浮游植物群落结构定量分析和多样性指数计算表明石子岭水库明显富营养化,惠氏微囊藻是是群落中绝对优势种.同时浮游植物生态位测度值表明微囊藻等蓝藻在时下的生态因子作用下将呈现逐渐衰退,而绿藻种群扩张,水库中浮游植物明显呈现由蓝藻优势向绿藻优势群落演替趋势.测定叶绿素荧光参数,以了解微囊藻水华的生长状态,比较研究中午强光下和经过24 h暗恢复及与室内培养的惠氏微囊藻三者的差异,表明夏末秋初阶段水库中微囊藻受到了一定的光照胁迫.水库中营养盐分析表明过高的总氮、总磷浓度和适宜的N/P比可能是水华暴发的主要原因,同时也是导致石子岭水库浮游植物呈现特定的群落结构特征的关键因素.     

硅酸盐影响浮游藻类群落结构的围隔试验研究

在新开湖设置浮式围隔,通过调控围隔水体硅酸盐含量,研究了硅对富营养化水体浮游藻类群落生长及演替的影响.结果表明,随着硅酸盐浓度的增加,硅藻的生物量提高,其种类所占比例明显增加,由10.2%上升到22.1%;蓝藻和绿藻的种类比例则下降,由76.8%下降到61.5%.加硅处理中,硅藻虽然没有完全取代蓝、绿藻的绝对优势地位,但是出现了尺骨针杆藻(Synedra ulna)、细齿菱形藻(Nitzschia denticula)、针状拟菱形藻(Nitzschia acicularis)、缢缩异极藻头状变种(Gomphonema constrictum var. capitata)、橄榄形异极藻 (Gomphonema olivaceum)等在对照处理中并未检出的藻种.中硅(原子比N∶Si∶P=16∶8∶1)和高硅(N∶Si∶P=16∶16∶1)处理中,Shannon多样性指数分别为2.17±0.40和2.12±0.21,而对照组为1.89±0.55.试验末期,对照围隔的水体表面出现铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)水华,而硅酸盐含量高的围隔中,同期没有水华出现.硅酸盐的增加能够促进硅藻及其它藻类生长,改变少数几种蓝、绿藻占据优势的状态,提升水生生态系统的多样性水平,并对淡水蓝藻水华的产生起到一定削弱作用.     

营养盐添加对水华蓝藻——卵孢金孢藻生长和竞争影响的原位实验

为探究在水体营养盐浓度持续增加的条件下,卵孢金孢藻(Chrysosporum ovalisporum)的生长趋势和其它藻类的生长响应,在上海滴水湖畔采用39个大桶(100 L)进行不同浓度N、P添加的原位中型模拟实验.结果表明,高浓度营养盐添加可促进卵孢金孢藻和绿藻生物量的增加,加P组二者生物量的增加趋势高于加N组,但差异并不显著(P0.05),加NP组二者生物量的增加趋势显著高于加N组和加P组(P0.001).在加N组和加NP组,卵孢金孢藻相对丰度随营养盐添加量的增加呈显著的下降趋势(P0.05),而在加P组其相对丰度随着P浓度的增加略有上升,但不显著(P0.05).实验结束时,所有处理组中卵孢金孢藻的生物量不占优势,而小粒径藻类[色球藻属(Chroococcus spp.)、空星藻属(Coelastrum spp.)、小球藻属(Chlorella spp.)、四角藻属(Tetraedron spp.)、栅藻属(Scenedesmus spp.)]的生物量随营养盐浓度升高的增加趋势显著高于卵孢金孢藻(P0.05),小型绿藻占据绝对优势,表明在高温和相对静止的条件下,随着水体中营养盐浓度的持续增加,小粒径藻类易替代卵孢金孢藻而占据竞争优势;这与小粒径藻类在高营养条件下代谢速率较高有关,也与绿藻喜静止、高光强的生物学特性有关.小型绿藻占据优势可能成为小型超富营养水体中浮游植物群落在高温季节的演替方向之一.     

鱼饵对铜绿微囊藻生长的影响

分别取0,0.1,0.2,0.5和1.0 g不同粒径（原状,0.15 mm＜d≤0.85 mm和d≤0.15 mm）的鱼饵加入到400 mL无氮磷M11培养基中,研究鱼饵粒径和投加量与营养盐释放之间的关系. 结果表明,水体中ρ（TP）,ρ（DOP）,ρ（NH₄+-N）和ρ（TN）随着鱼饵投加量增加而显著升高（P﹤0.05）;同一投加量条件下,鱼饵粒径对水体ρ（TN）和ρ（TP）影响不大（P﹥0.05）. 同时,另外选用0,0.05,0.10,0.20和0.50 g原状鱼饵研究铜绿微囊藻在鱼饵培养基溶液中的生长状况. 结果发现,当鱼饵投加量在0～0.2 g时,随着鱼饵释放可利用营养盐水平的提高,藻细胞最大现存量随鱼饵投加量的增加逐渐增大;鱼饵释放的NH₄+-N和溶解性正磷酸盐（DOP）是铜绿微囊藻吸收利用的主要氮磷形态. 鱼饵的投加造成铜绿微囊藻生长延缓期延长,但鱼饵营养盐释放达到平衡后接入藻种,延缓期延长的现象消失,鱼饵中营养盐的溶失和矿化过程消耗了大量溶解氧,是出现藻类生长延缓期延长的重要原因.      

富营养化水体的营养盐限制性研究综述

水体富营养化是全球目前以及今后相当一段时期内的重大水环境问题。氮、磷作为浮游植物生长所必需的营养盐,是水体富营养化的主要限制因子。通过对近年来水体富营养化受氮、磷营养盐限制的研究进行综述,研究了营养盐来源及其对浮游植物生长的影响,总结了营养盐限制性差异的影响因素,分析了缓解富营养化的营养盐主控因子。分析表明:营养盐的来源主要分为外源和内源,受外界环境及人类活动影响显著;浮游植物的生长受N/P比值及其绝对浓度的共同作用;在不同的水文、气候和人类活动强度下,水体富营养化主要营养盐限制因子存在差异,并且存在限制性转换和共同限制的情况;缓解水体富营养化措施的提出应在综合考虑多种因素的前提下进行。     

太湖春季藻类生长的磷营养盐阈值研究

为了探讨太湖春季藻类生长的磷营养盐阈值,采用原位营养盐富集生物模拟实验,研究了太湖梅梁湾浮游植物对不同浓度无机磷(PO43--P)的生长响应.结果表明:外源磷添加能显著的促进浮游植物生长,但存在阈值.当磷浓度低于0.02mg/L时,藻类生长速率和生物量是可控的,当磷浓度高于0.02mg/L时,生长速率和生物量没有变化,因此春季藻类生长的无机磷阈值为0.02mg/L,相当于总磷阈值为0.059mg/L.太湖目前只有部分湖区总磷年平均浓度处于总磷阈值以下,控制流域的磷负荷,降低太湖的浮游植物生物量将是一个长期过程.     

武汉东湖湖水的藻类生长潜力(AGP)测试

在东湖湖水样品中添加排入东湖的主要污水或营养物(氮和磷)进行藻类测试,观察它们对斜生橱藻(Scenedesmus obliquus)的生长促进作用.生长反应与添加的污水浓度成正比,其SC_(20)(促进20％增长的浓度)为0.5—4％.单独添加氮或磷,在高浓度情况下也很少促进藻类生长,但共同添加时大多有促进作用.东湖为一严重富营养型湖泊,为了控制其富营养化进程,污水截流应是首先要采取的一项措施.     

淀山湖营养物输入响应关系的分位数回归分析

采用分位数回归方法研究了淀山湖富营养化输入(总氮和总磷)及响应指标(叶绿素a)之间的关系.结果表明,淀山湖营养物TP和TN(输入指标)对不同分位叶绿素a(响应指标)的影响不同.在低分位(0.10~0.50)时,淀山湖的藻类生物量(叶绿素a)主要受TP的控制;在高分位(0.60~0.90)时,淀山湖的藻类生物量同时受TP和TN的控制;TN对藻类生长的抑制作用随分位数升高而加强.0.60分位时是TP和TN对藻类增长影响发生变化的分位.普通最小二乘法(OLS)方法得到的经验方程,不能估计淀山湖多个因素不同变化速率对湖泊营养物输入响应关系的影响.     

藻类生物膜技术脱氮除磷效果研究

利用藻类生物膜去除水体氮磷为富营养化的防治提供了1种新途径,实验室条件下研究了以巨颤藻（Oscillatoria princeps）占优势的藻类生物膜对人工合成污水、污水处理厂二级污水和富营养化湖水氮（N）、磷（P）的去除效果.结果表明,通过5 d的处理,藻类生物膜对人工合成污水、污水处理厂二级污水和富营养化湖水总氮（TN）去除率分别为57.1%、94.5%和93.8%,对总磷（TP）去除率分别为93%、73%和79%.藻类产量达到3.7～7.2　g·(m²·d)^-1;收获藻体总凯氏氮（TKN）达5.7%～7.2%,TP达0.78%～2.44%,对污水N、P的回收率分别达20%～39%和65%～82%.     

武汉东湖湖水的藻类生长潜力(AGP)测试

在东湖湖水样品中添加排入东湖的主要污水或营养物（氮和磷）进行藻类测试,观察它们对斜生橱藻（Scenedesmus obliquus）的生长促进作用.生长反应与添加的污水浓度成正比,其SC₂₀（促进20％增长的浓度）为0.5—4％.单独添加氮或磷,在高浓度情况下也很少促进藻类生长,但共同添加时大多有促进作用.东湖为一严重富营养型湖泊,为了控制其富营养化进程,污水截流应是首先要采取的一项措施.     

基于分位数回归的洱海藻类对氮、磷及水温的响应特征

基于云南洱海长时间尺度水质观测数据,运用分位数回归方法分析浮游藻类叶绿素a(Chl-a)对氮(N)、磷(P)、水温的定量响应关系.结果表明过去20余年洱海藻类生物量受水温、N、P共同影响,随着洱海富营养化程度的加剧,水温对藻类生物量的相对重要度在持续下降,斜率平均值从2.70下降至0.44.而营养物对藻类的促进效应明显在提升,尤其是TP对藻类的相对重要度持续在攀升,斜率平均值从-0.3增长至0.8.TN对藻类生物量整体表现为较稳定的正效应,但近些年(2008~2013年)TN对藻类正效应达到最低.2002之后,P已逐渐取代N成为最重要的营养物限制因子.在季节方面,春季和秋季以水温和N的共同限制为主导,但春季当Chl-a8 mg·m-3时,N和水温对藻类的正效应逐渐被P取代.夏季完全以N、P共同限制效应占主导,当Chl-a3 mg·m-3时,TP的正效应逐渐超过TN,冬季则以P和水温的共同限制效应为主导.在气候变暖的大背景下,洱海富营养化控制应以"控P"为主和N、P协同削减的策略.当前富营养化控制过程中,应着重监控春、秋两季温度短期快速上升可能引发的全湖藻华风险.     

Influence of phosphorus on Microcystis growth and the changes of other environmental factors

The growth processes of Microcystis aeruginosa （FACHB-41） in simulated Taihu Lake water with different phosphorus concentrations were investigated using laboratory microcosms. The algal biomass increased with the increase of phosphorus concentration when it was lower than 0.445 mg/L, while the dissolved oxygen （DO） and pH increased, dissolved inorganic nitrogen （DIN） and light intensity underwater（I） decreased. Responding to the changes of the “environmental factors”, the cellular carbohydrate and its ratio to cellular protein decreased generally as phosphorus increased. However, when phosphorus concentration was higher than l. 645 mg/L, the biomass, the “environmental factors”, the cellular carbohydrate and its ratio to cellular protein did not change likewise. Since the environmental factors and the physiological and biochemical responses are important factors, the change of environmental factors and cell physiology and biochemistry induced by phosphorus may become the key factors that steer the growth and dominance of Microcystis under certain conditions. To sum up, phosphorus not only stimulate the growth of Microcystis directly by supplying nutrient element, but also has complex interactions with other “environmental factors” and play important roles in the growth processes of Microcystis .     

野外模拟扰动方式对太湖浮游植物群落结构的影响

浮游植物是水生生态系统的重要生产者,扰动是水体的固有特征.为探究扰动方式对浮游植物的影响,通过野外模拟试验探讨不同扰动方式（持续扰动和间歇扰动）对太湖浮游植物的影响,并在试验期间测定各扰动条件下浮游植物生长和群落结构变化情况.结果表明:①对照组、间歇扰动组和持续扰动组中浮游植物平均生物量分别为5.92、19.42、58.27 mg/L,平均细胞密度为1.06×108、1.23×108、3.48×108 L-1,持续扰动组浮游植物生物量和细胞密度显著高于对照组和间歇扰动组.②在间歇扰动组中,浮游植物优势种始终是微囊藻,其占比平均值为84.61%;对照组和持续扰动组中,浮游植物主要优势种由微囊藻逐渐转变为湖生伪鱼腥藻,其中微囊藻占比从试验开始时的77.84%到试验结束时分别降至4.72%和5.62%,而湖生伪鱼腥藻从试验开始时的0.55%到试验结束时分别升至94.40%和90.52%.③对照组、间歇扰动组和持续扰动组中Shannon-Wiener指数分别为1.02、1.03和1.63,持续扰动组显著高于对照组和间歇扰动组.研究显示,在该试验条件下,间歇扰动有利于维持微囊藻在太湖浮游植物中的优势地位,同时表明扰动方式显著影响太湖浮游植物生长和群落结构.      

富营养化对两种海洋微藻吸收铜和镉的影响

采用室内模拟实验的方法,研究了不同氮、磷浓度下中肋骨条藻(Skeletonema costatum)和塔玛亚历山大藻(Alexandrium tamarense)吸收重金属Cu和Cd的变化情况。结果表明,10 h的吸收实验中,两种藻对Cu和Cd的吸收量随培养时间呈增长趋势。塔玛亚历山大藻和中肋骨条藻对Cd的吸收速率都与藻生长速率表现出很好的相关性。N浓度的增加显著促进了两种藻对Cu和Cd的吸收。P浓度的增加促进了中肋骨条藻对Cu的吸收,中肋骨条藻对Cd的吸收受P影响不大。P对塔玛亚历山大藻吸收Cu和Cd的影响也不显著。此外,本研究还表明,当外界Cu浓度100 g/L,Cd浓度20 g/L时,两种藻对Cu和Cd的吸收量随介质中Cu和Cd浓度的升高呈直线增加趋势,说明本实验设置的低、高浓度重金属处理中,藻类的生理状态并未发生明显改变,实验结果准确可靠。     

太湖水体溶解营养盐(N、P、Si)的冬、夏二季变化特征及其与富营养化的关系

先后于冬季(2003年1月)和夏季(2003年7月)对太湖水体溶解营养盐的组成进行了调查,分析了营养盐在湖水中的分布规律,初步探讨了太湖浮游植物营养盐限制因子的季节变化特征。结果显示:太湖溶解无机氮、磷、硅夏季比冬季略高一点,主要来自流域外源输入和湖泊内源释放,分布趋势受人为活动大小和湖泊自身特点的影响。     

Long-term joint effect of nutrients and temperature increase on algal growth in Lake Taihu, China

To study how global warming and eutrophication affect water ecosystems, a multiplicative growth Monod model, modified by incorporating the Arrhenius equation, was applied to Lake Taihu to quantitatively study the relationships between algal biomass and both nutrients and temperature using long-term data. To qualitatively assess which factor was a limitation of the improved model, temperature variables were calculated using annual mean air temperature (AT), water temperature (WT), and their average temperature (ST), while substrate variables were calculated using annual mean total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and their weighted aggregate (R), respectively. The nine fitted curves showed that TN and AT were two important factors influencing algal growth; AT limited growth as algal photosynthesis is mainly carried out near the water surface; N leakage of phytoplankton and internal phosphorus load from sediment explains why TN was the best predictor of peak biomass using the Monod model. The fitted results suggest that annual mean algal biomass increased by 0.145 times when annual mean AT increased by 1.0℃. Results also showed that the more eutrophic the lake, the greater the effect AT had on algal growth. Subsequently, the long-term joint effect of annual temperature increase and eutrophication to water ecosystems can be quantitatively assessed and predicted.