钙离子对淡水水库浮游植物群落组成的影响及机制研究

Effect of environmental factors on phytoplankton distribution and abundance is one of the main topics in aquatic ecology. Previous researches usually focused on the effects of nitrogen and phosphorus on water eutrophication, but few studied the effects of mineralized ions. The variation of mineralized ion （Ca2+） in water is potential stresses of freshwater reservoir. This project aims to study the effects of partial mineralized ions concentration in water on the phytoplankton community structure in Yinghu—the biggest reservoir of South-to-North Water Diversionin Project in the upperstream of Hanjiang，to analyze the variation of competitive abilities and physiological traits （osmotic potential, photosynthetic activity, respiratory enzyme activity, antioxidant enzymes activity） of phytoplankton species along ions gradients, to illustrate the responses of algae producers in freshwater ecosystems to water mineralization and the underlying mechanisms, and to reveal the relative importance of interspecific competitive abilities and physiological tolerance in structuring freshwater phytoplankton community under the stresses. Due to the significant effects of phytoplankton community on water quality, this project can provide guidance to water quality management in South-to-North Water Diversionin Project, to prediction and control of algal bloom.

影响浮游植物分布和多度的环境因素及其效应是水生生态学的研究主题之一。大型调水工程中浮游植物群落组成及结构与水质状况密切相关，目前的研究多聚焦于引起水体富营养化的元素(如N、P等)的效应，相对忽视了金属离子在浮游植物群落组成中的作用及机制。然而，外源输入或侵蚀性溶解导致水体硬度逐渐增大，是许多内陆淡水水库不容忽视的胁迫。瀛湖是南水北调工程中一个重要的水源地水库，本项目拟采用培养法，研究瀛湖浮游植物的群落组成对钙离子浓度变化的响应，并剖析浮游植物种间竞争力、重要生理特征沿钙离子浓度梯度的变化，以期揭示淡水生态系统藻类生产者的生长与群落组成对钙离子浓度变化的响应规律，以及在这些响应中，浮游植物的种间竞争力和生理耐受性的相对重要性，进而阐明钙离子效应的机制。同时，由于钙离子和浮游植物群落组成分别是水硬化和水华形成的主要原因，因此本项目将为南水北调工程水硬化和水华的预警、防控等水质问题的管理提供依据

研究以安康灜湖水库的藻类为对象，采用采样观测、室内受控实验的方法，旨在揭示浮游植物的物种丰富度和种间相互作用结果与水质因素之间的关系。取得了以下主要结果：.（1）丰水期，瀛湖表层水体中浮游藻类丰度在1.15×10^6-2.40×10^7 cells/L，共计 6 门 50 属，其中以绿藻门、硅藻门和蓝藻门为优势类群，三者藻类所占比例分别为44%、24%和22%；在平水期，藻类丰度为4.32×10^5-1.19×10^6 cells/L，共计 6 门 37属，隐藻门、硅藻门和绿藻门占优，三者占比分别为53%、29%、12%。影响浮游植物群落结构的环境因子依次为：钙离子浓度、溶解氧、pH、总磷、总氮。.（2）30天培养实验显示：在水库取回水体中(60mg/L Ca 2+)，藻类种属数从11种降至5种（栅藻、新月藻、针杆藻、星空藻、小环藻）；在低钙处理组 (300mg/L)，藻类种属数从11种降至5种（针杆藻、小环藻、小球藻、栅藻、粗刺藻）；在高钙处理组 (600MG/L)，藻类种属数从11种降至6种（针杆藻、小环藻、席藻、栅藻、小球藻、隐藻）。因此，钙离子浓度的升高有利于藻类多样性的维持和群落的稳定。.（3）四尾栅藻和针杆藻竞争培养实验显示，四尾栅藻随钙离子浓度增加始终被竞争排斥，排斥强度下降，RNE(邻居效应指数)依次为0.37，0.35和0.24；而针杆藻在0 mg/L和36 mg/L钙离子浓度下，受到了促进作用，RNE指数小于0，分别是-0.57和-0.44；当钙离子浓度升高至72 mg/L，针杆藻才受到竞争排斥，RNE指数为0.24。因此，钙离子可以将种间关系从一方被排斥一方获利的状态转化至双方互相抑制的状态，因而，可以深刻影响藻类群落的结构。.（4）补充的氮磷水平实验显示，水体氮磷比越大，种间竞争越激烈，说明淡水水体中，藻类生长是磷营养限制。.综上，由于对水体钙离子浓度生理生态耐受性的种间差异，钙离子浓度可以深刻影响淡水藻类的生长与种间关系，进而影响群落结构；同时，淡水藻类的生长可能存在磷限制，进一步剖析该限制与钙离子的交互作用，将有望揭示淡水生态系统生产者多样性和分布的关键机制。