水生生态系统初级生产力的测定—叶绿素法上传版

实验六水生生态系统初级生产力的测定—叶绿素法

一、方法和步骤

（一）水体透明度的观测

将连接有绳子的透明度盘垂直放入湖中，直到看不清透明度盘的黑白界限，提起透明度盘，记下浸入水中的绳子长度。

（二）水样采集与保存

用水样瓶采集华南师范大学情人湖的表层水样，3分钟后读取水样瓶上温度计的读数，该读数即为水样温度。将水样瓶中的水倒入干净的瓶子中，带回实验室进行抽滤。

（三）抽滤

在抽滤器上装好乙酸纤维滤膜，倒入定量体积（250mL）的水样进行抽滤。水样抽完后，继续抽1min，以减少滤膜上的水分。

（四）提取

将载有浮游植物样品的滤膜放入研钵中，加入少量碳酸镁粉末，再加入90%丙酮2ml 左右，充分研磨。研磨液用90%丙酮定容至6ml，进行离心。取上清液置于1cm光程的比色皿中，进行光密度测定。

（五）光密度测定

将装有上清液的比色皿放在分光光度计上，进行吸光度测定。分别读取750nm、663nm、645nm、630nm波长的吸光度，并以90%丙酮作空白对照，对样品吸光度进行校正。

（六）计算

1. 叶绿素a含量的计算

按如下公式计算：

叶绿素a（mg·m-3）=[11.64×(D663-D750)-2.16×(D645-D750)+0.10×(D630-D750)]·V1/V·δ

式中，D为吸光度；V1为提取液定容后的体积（V1=6mL）；V为抽滤水样体积（V=250mL）；δ为比色皿光程（δ=1cm）。

2. 初级生产力的估算

表层水（1m以内）中浮游植物的潜在生产力（Ps）根据表层水叶绿素a的含量计算：

Ps（mg C m-3h-1）= Ca·Q

式中，Ca为表层叶绿素a的含量（mg/m3）；Q为同化系数（mgC/mgChla·h），表层水的同化系数为3.7。

二、结果与分析

（一）情人湖水体的透明度及水温

经测定，情人湖水体的透明度为60cm，水温为23℃。

据纪伟涛、邬国锋[1]等人研究表明，内陆湖泊水体透明度主要受浮游藻类、悬浮泥沙和溶解性有机物的影响,降雨的多和少,风速的强与弱都有可能在相同水位下引起水体透明度的波动。本实验在测定情人湖水样透明度时，刚好在降雨。因此降雨对实验结果有一定的影响，使得本次实验测得的透明度跟平时有所偏差。

温度直接影响浮游植物的光合作用速率。在适宜的温度范围内，光合作用速率也随温度升高而提高，温度对藻类光合作用的影响机制比较复杂[2]。例如，温度会影响藻细胞的大小。

据报道，温度对角毛藻细胞大小的影响十分明显，随温度的升高而变小。而藻细胞大小与细胞内营养成分的含量有关系。每个藻细胞的营养成分常常随细胞体积的增大而增加，各种藻类都有自己的适温范围和最适温度范围，温度过高或过低，都会对藻细胞造成伤害，高温造成的影响往往更严重。

（二）情人湖表层水的叶绿素a含量

表1 叶绿素a吸光值的测定

波长（nm）630 645 663 750

吸光值D 0.023 0.029 0.101 0.050

叶绿素a含量的计算：

叶绿素a含量 = [11.64×(0.101-0.050)-2.16×(0.029-0.050)+0.10×(0.023-0.050)]·6/250·1 ≈15.27 1mg/m3

水体中叶绿素a的含量与浮游植物的数量有密切的关系，指示着浮游植物生物量的大小，同时也可作为判断水体富营养化程度的指标[3]。湖泊的富营养化是由于氮、磷等营养物质过多的排入而导致藻类大量繁殖，从而减少到达其他植物的光，降低了溶氧水平，而且致使鱼类及其它生物大量死亡的现象[3]。另外，当湖泊呈现富营养化状态时，水质会出现恶化，如变黑，发臭等[4]。本次实验参考美国环保总署（USEPA）有关标准（见表2），以叶绿素含量为单一评价标准对情人湖进行富营养化评价。

表2 叶绿素a含量与湖泊富营养类型关系

叶绿素a含量（mg/m3）营养类型

<4 贫营养水平

4～10 中等营养水平

10～50 富营养化

>50 超营养化

实验结果显示，华南师范大学情人湖表层水的叶绿素a含量为15.27mg/m3，根据上述评价标准，情人湖湖水呈富营养化。

富营养化实质是进入水体的营养物质超过了水体自净能力,在合适的温度及光照条件下,引起水体中如蓝藻门的藻类异常增长,并最终导致水质恶化。各国研究结果显示,导致水体中影响水体富营养化的因子众多,如:地理位置及气候条件、氮磷等营养物质、水体形态特征等,都能影响富营养化的进程。

①光照度

光照是水体中绿色植物进行光合作用的主要条件,对藻类的生长影响较大。而水体中的光照条件主要取决于水的透明度。按照光密度来进行划分,游侠岛上依次为深水带、光补偿面和富光带。而不同的深度,其溶解氧也不一样,有研究证明,富光带溶解氧的含量较高,其主要原因是其光照条件较好,水体中的藻类光合作用较强,释放的氧气量大于其消耗量;在深水带的溶解氧却极少,其主要原因也是受到光照条件的影响。因此,大多数湖泊水体在无外力干扰情况下,其藻类与溶解氧在垂直方向上的的分布均有较明显的变化。因此,水体的透明度影响了光照度,光照度影响植物的光合作用,光合作用影响了水体中的溶解氧,溶解氧又影响藻类的生长,这是一个相互关联的关系。如果其中的某个环节出现了大的变动,就会英气连锁反应,甚至是恶性循环。比如湖泊中营养物质过多,就会引起藻类大量繁殖,大量繁殖后会消耗水中

的溶解氧,当营养和溶解氧不足时,藻类停止生长而大量死亡时,下层水体的光照度大大降低,而藻类尸体在水中分解,又产生大量的营养盐,恶性循环形成水华,水质进一步恶化。因此,光照度是水体富营养化的重要影响因子[5].

②温度

温度是水体富营养化的重要影响因子。在合适的温度及光照条件下,引起水体中如蓝藻门的藻类异常增长,并最终导致水质恶化。各国研究结果显示,导致水体中影响水体富营养化的因子众多,如:地理位置及气候条件、氮磷等营养物质、水体形态特征等,都能影响富营养化的进程。

③氮磷

校园内存在将垃圾、生活污水等排放至湖中的情况，使得水中的氮磷含量较高。氮、憐在底泥中的储存和释放也是影响藻类生长的主要因素，是其生命活动,合成有机物的主要元素。有研究认为藻类正常生长的氮憐比为16:1[5],但由于氮的反销化作用导致水体中氮磷的比例降低[6],氮成为水体浮游类植物生长的限制因素。由于憐在有机质中比氮更容易保持,且水体中的无机物对憐的吸附较强,因此憐的循环比氮慢,从而使憐成为浮游植物生长的限制因子。

（三）初级生产力的估算

Ps（mg C m-3h-1）=15.271×3.7=56.502

实验测定华南师范大学情人湖表层水的初级生产力为56.502 mg C m-3h-1。。

湖泊水域的初级生产力受多种因素的影响，如温度，光照，浑浊度，营养盐，季节等。水域生态系统的生产过程是水生植物。由于天气因素、水体浑浊度等原因造成光线不足会影响浮游植物初级生产；温度会直接影响生物的新陈代谢，温度过高或过低都不利于水生植物的生产，从而影响初级生产力。而季节的影响，主要表现在季节的不同造成光照和水体温度的差异。

水域中的初级生产力直接决定了水体的生物量，也是评价水环境的重要指标。水域生态系统的生产过程是水生植物，特别是水中的浮游植物。浮游植物是海洋初级生产力的主要贡献者，它启动了海洋生态系统的能量流和物质流，支持大量的渔业生产量。初级生产力的测定，可以用于估计海域的养殖容量，以便确定适宜的养殖密度和规模。

(四)水体富营养化的危害主要体现在如下几个方面

(1)水体透明度降低,下层水体所能接触到的光照度大大减少,水体中的营养物导致藻类大量繁殖,而藻类死亡后,水体透明度进一步下降,色度增加,导致景观美学价值丧失;并伴有腥臭味。

(2)影响水体使用功能。处于居民生活饮用水源的区域,会影响供水水质及人体健康;同时也会导致工业用水成本的上升。

(3)对水产养殖业的影响。虽然藻类的生长在一定程度上可使水产养殖业产量增加,但同时因为人工投入馆料的增加及鱼类等水产品粪便的排出,也会导致水体营养过剩,导致藻类的大量生长而分泌毒素及溶解氧的大量减少,最终导致水产品减产,从而影响水产养殖业经济效益。

(4)破坏水生生态环境。富营养化水体导致再累生长,或者某些植物大量繁殖,形成局部优势,整个水生生态系统平衡被破坏,生物多样性减少;比如藻类死亡后,生物量也大大减少,大量的藻类所分泌的毒素,会使水生动物数量减少;因水体中溶解氧不足,摘酸盐还原为亚硝酸盐,而亚硝酸盐为致癌物,可直接或间接影响人体健康。因此水体富营养化会导致可利用水资源进一步减少。