CN104569306A - 一种预判藻类种群演替和水华的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预判藻类种群演替和水华的方法，其特征在于：根据藻类C-R-S生长策略学说对天然水体中藻类种群进行划分。结合天然水体中藻类种群生长策略特征，遴选不同生长策略的藻种进行原位生长速率试验，获得特定生境条件下的原位生长速率，并判别不同生长策略藻种在该生境状态下的生长趋势。结合原位培养期间的生境持续性，对藻类种群演替结果和水华形成可能性进行预判。

Description

一种预判藻类种群演替和水华的方法

技术领域

本发明涉及藻类生态学、水环境与生态等研究领域，尤其是基于藻类原位生长速率预判藻类种群演替和水华的方法。

背景技术

水华是淡水水体中特定优势浮游藻类短期持续生长并出现生物量大量积累的现象，其本质是藻种间运动、竞争、衰亡、被掠食等一系列复杂生态过程的结果，是藻类种群演替的一个阶段性表现。围绕水华形成机制，已有大量文章从内因(如藻类独特的细胞结构、伪空胞的浮力调节、碳氮代谢特性和高效的适应性等)与外因(如温度、光照、混合、营养可得性和浮游动物捕食等)等角度对优势藻生长过程与优势形成机制进行了研究，但对藻类种群演替趋势和水华形成进行预测或判断依然缺乏相对成熟的方法或途径，其主要技术难点在于以下2个方面：

1)水华过程中优势藻并不呈现出单纯的细胞分裂增殖，水华藻种因水华过程生境变化往往自适应地调节生理机能而维持优势。

2)水华是特定优势藻种在一定时空范围内的藻类生物量积累。故水华藻种在种群中的优势即同细胞裂殖生长有关，也同其他藻种的衰亡有密切关系，表现为不同藻种此消彼长的过程。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种通过监测藻类原位生长速率预判藻类种群演替趋势和水华形成的方法。为实现上述目的，本发明的技术方案具体包括:(1)遴选特定生长策略藻种；(2)测定选定藻种的原位生长速率；(3)对藻类的演替趋势及水华形成进行预判。

上述技术方案中，所述步骤(1)包括获取初始状态下天然水体中的藻类物种组成，辨识其生长策略；选择原位培养的藻种应选择同期水体中的优势藻种，藻种的数量至少完全涵盖生长策略的一级表型。

上述任意技术方案中，所述步骤(2)包括对遴选的藻种进行扩大培养，接种至野外天然水体并开展原位生长试验。

上述任意技术方案中，所述步骤(3)包括结合初始状态藻种相对丰度、培养期间原位生长速率变化和同期生境持续性，对藻类演替趋势及水华形成进行预判。

原位生长速率值为正，且培养期间原位生长速率变化有递增的趋势，表明在同期生境条件下该生长策略藻种具有生长优势。若同期生境持续，那么种群将向该生长策略藻种演替，并最终形成水华。

原位生长速率值为正，但培养期间原位生长速率变化基本不变或递减的趋势，或原位生长速率值为负，但培养期间原位生长速率变化有递增的趋势。上述情况需要结合初始状态该生长策略藻种在藻类种群中的优势度进行分析。

若初始状态下该生长策略藻种为种群中的优势藻，则该生长策略藻种依然具有同生境状态下的生长优势，当生境持续时间足够，则可形成水华；种群向该生长策略藻种方向演替。

若初始状态下该生长策略藻种不为种群优势藻，则其形成优势需要的生境持续时间较长，若同批次原位培养的其他生长策略藻种表现出优于该生长策略藻种的生长优势，那么种群演替方向不可能向该生长策略藻种演替；反之，则需结合生境持续时间予以判断。

原位生长速率值为负，且培养原位生长速率变化基本不变或有递减的趋势，该生长策略藻种在同期生境条件下并不具有生长优势；生境持续的条件下，藻类种群不太可能向该生长策略藻种演替。

藻类种群演替表征为生境变化下不同藻种间相互取代的连续变化序列，是自然发生且可辨识的。藻类种群演替的表象是不同藻种生物量高低变化，本质是不同藻种对生境的适应及其生态响应。最适宜于在所处生境中生长的藻种往往具有最高的表观生长速率(即种群生物量积累能力)进而能够在足够的时间内实现持续的生物量积累并最终形成优势或形成水华。因此，表观上藻类在种群中的优势度实质上是种群表观生长速率和生境持续性的数学函数。函数初始状态为藻类在种群中的优势度。获取特定藻类种群表观生长速率，同时掌握生境持续性与初始状态，可实现对不同藻种优势度的预测，并进而判别种群演替趋势，最终预判水华是否形成。

所述及的藻类种群演替，是基于藻类C-R-S生长策略的藻类种群演替。C-R-S生长策略是对不同藻种生理生态特征进行归纳总结基础上，对不同藻种生长特性及其生境适应机制进行的系统划分。一级生长策略表型有：竞争者(Compet itors,C型)、杂生者(Rudera l s,R型)、胁迫耐受者(Stress-to lerators,S型)。在此基础上，又可以进一步划分为CS、RS、SS、CR、CRS等二级的生长策略表型。每一个藻种均具有其特定的且唯一的生长策略表型。由于生长策略表型同其对生境资源(物质、能量)的利用能力、自身生理生态的自适应能力密切相关，故藻类生境条件改变同基于生长策略表型的藻类种群演替存在必然联系。藻类种群演替本质上表征为一级或二级生长策略表型的藻种演替过程。借助于生长策略划分，可辨识特定水域藻类种群演替与同期生境变化的规律性，并在此基础上进行预测。

所述及的藻种表观生长速率，可通过原位生长速率试验获得。藻类原位生长速率是指特定藻种在天然水域进行原位培养所获得的生长速率。由于原位培养过程中藻类种群生境条件接近或等同于实际生境，故其所反映的生长特征亦更接近于天然种群动态，亦更准确地反映天然水域藻类生态过程。

进一步地，所述及的原位生长速率试验，其目的是为了获得表观生长速率。在特定水域特定时期选取典型的优势藻种，经实验室扩培后，在野外现场进行原位培养。为确保试验精度，接种培养的初始藻类细胞密度不宜低于1×10⁵cell/ml，培养时间至少7天，接种后至少每2天采样1次，以捕捉藻类在实际生境中的生长趋势。

所述及的藻类生境包括能量、物质供给的丰足/紧缺程度和能量、物质供给的稳定性等2个方面。物质供给主要表征为营养物(氮、磷、硅等)的可利用性，而能量供给则主要反映为水动力条件下光照、温度条件的变化。在紊动程度较弱且水下光学透射性较强(水体较清澈)的条件下藻类生境相对稳定，能量供给持续且充裕；而紊动程度相对较强且水体较混浊的条件下，藻类个体在混合层中随流输移，藻类细胞受光条件不稳定且持续时间很短，能量供给不足。

进一步地，所述及的生境持续性为生境要素(物质、能量)在特定时间范围内的连续性和相似性，即在原位试验期间以及试验结束后藻类各生境要素不发生显著改变。若出现显著改变，则对藻类种群演替和水华形成预判的不确定性将显著增加。

附图说明

附图1为基于藻类原位生长速率预判种群演替与水华的技术流程图

附图2为不同生长策略的优势藻的原位培养结果

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

基于藻类原位生长速率预判藻类种群演替和水华，其主要步骤和判断方法为：

1.现场水样采集与分析

选择开展研究的水域，现场采集表层水体(因浮游藻类主要集中生长于表层水体，通常采样水深为0.5m)。

对表层水体的藻类种群进行镜检分析，获取藻类总生物量、藻类种群优势藻组成及其生物量，明确优势藻的生长策略表型(C型、R型或S型，或进一步明确其二级表型)

同步监测水体生境要素，具体为：C、N、P等的无机营养物浓度；真光层深度(或透明度)、水温及其分层情况(用以判别扰动层度)、水体pH值、溶解氧含量和电导率等常规水质理化指标，以及气温、气压、太阳辐射强度、降雨量等气象要素。

2.原位生长速率试验设计

选择该水域具有代表性的优势藻，首先进行室内扩大培养。积累一定生物量后，放置于原位培养容器中，置于水体的原位生境条件下进行原位培养。原位培养容器可以是密闭玻璃瓶，也可以是同环境水体相连通的藻类原位培养筛笼或筛绢网。无论何种原位培养方案，均需要保证2点：1)接种的藻类在原位培养过程中不会流失；2)可在固定间隔时间内通过获取生物量而计算表观生长速率。表观生长速率假定藻类生物量增长满足指数函数，故生物量变化的计算公式如下：

N_t＝N₀e^μt  (式1)

式中，N_t是t时刻藻类生物量；N₀是初始藻类生物量。藻类生物量指标可以选择细胞密度、生物量、叶绿素a等。μ是表观生长速率。

上述公式可进一步转换为：

$\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{Log}}_2(X_2/X_1)}{t}$

其中μ为原位试验条件下的表观生长速率，单位为d^-1；X_i为i时刻的藻类生物量；t为原位培养期间采样间隔天数，d。

4.藻类种群演替趋势和水华形成判别

在获得不同生长策略藻种(包括本地优势藻种)原位生长速率基础上，对培养藻种进行横向比较，并从以下4个方面进行判别：

原位生长速率值为正，且培养期间原位生长速率变化有递增的趋势，表明在同期生境条件下该生长策略藻种具有生长优势。若同期生境持续，那么种群将向该生长策略藻种演替，并最终形成水华。

原位生长速率值为正，但培养期间原位生长速率变化基本不变或递减的趋势，或原位生长速率值为负，但培养期间原位生长速率变化有递增的趋势。上述情况需要结合初始状态该生长策略藻种在藻类种群中的优势度进行分析。

若初始状态下该生长策略藻种为种群中的优势藻，则该生长策略藻种依然具有同生境状态下的生长优势，当生境持续时间足够，则可形成水华；种群向该生长策略藻种方向演替。

若初始状态下该生长策略藻种不为种群优势藻，则其形成优势需要的生境持续时间较长，若同批次原位培养的其他生长策略藻种表现出优于该生长策略藻种的生长优势，那么种群演替方向不可能向该生长策略藻种演替。反之，则需结合生境持续时间予以判断。

原位生长速率值为负，且培养期间原位生长速率变化基本不变或有递减的趋势，该生长策略藻种在同期生境条件下并不具有生长优势。生境持续的条件下，藻类种群不太可能向该生长策略藻种演替。

实施例

以某中型饮用水库为基础，选择小环藻(R型生长策略)、针杆藻(R型生长策略)、束丝藻(CS型生长策略)、鱼腥藻(CS型生长策略)、微囊藻(S型生长策略)、小球藻(C型)进行原位培养。原位培养方式为半封闭的原位培养笼，接种培养周期为7天，时间为2011年夏季。

原位培养结果见图2所示。可以看出，相同生长策略的实验藻种其在研究期间比生长速率的变化过程相同，且研究期间平均生长速率的正负关系一致，说明相同生境条件下相同生长策略的藻种具有相似的生长趋势。

在整个培养周期内，代表R型生长策略的小环藻和针杆藻，它们的原位生长速率总体呈逐渐下降趋势，即在研究初期出现了生物量累积，但从研究中期开始随即出现生物量下降，种群衰亡。C型的小球藻原位生长速率亦呈现出衰减的趋势。代表CS型生长策略的鱼腥藻和束丝藻的原位生长速率则先增加后又有所下降，出现较显著增长的是在实验中期，而末期则出现了种群衰亡的趋势。代表S型生长策略的微囊藻的原位生长速率虽然前期都为负，且生长速率非常缓慢，但总体呈现逐渐增加的趋势。这符合S型生长策略藻种具有较高环境耐受性且生长速率较为缓慢的特征。

因此，综合判断可认为，该时期种群演替呈现出R型向S型演替的趋势，生境持续下将形成以S型藻种为优势藻的水华。该预判与同期形成的角甲藻/微囊藻(均为S型生长策略)共存的水华现象具有一致性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种预判藻类种群演替和水华的方法，其特征在于，包括如下步骤:(1)遴选特定生长策略藻种；(2)测定选定藻种的原位生长速率；(3)对藻类的演替趋势及水华形成进行预判。

2.如权利要求1所述预判藻类种群演替和水华的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括获取初始状态下天然水体中的藻类物种组成，辨识其生长策略；选择原位培养的藻种应选择同期水体中的优势藻种，藻种的数量至少完全涵盖生长策略的一级表型。

3.如权利要求1或2所述预判藻类种群演替和水华的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括对遴选的藻种进行扩大培养，接种至野外天然水体并开展原位生长试验。

4.如权利要求3所述预判藻类种群演替和水华的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括结合初始状态藻种相对丰度、培养期间原位生长速率变化和同期生境持续性，对藻类演替趋势及水华形成进行预判。

5.如权利要求4所述预判藻类种群演替和水华的方法，其特征在于，预判方法为：

原位生长速率值为正，且培养期间原位生长速率变化有递增的趋势，表明在同期生境条件下该生长策略藻种具有生长优势；若同期生境持续，那么种群将向该生长策略藻种演替，并最终形成水华；

原位生长速率值为正，但培养期间原位生长速率变化基本不变或递减的趋势，或原位生长速率值为负，但培养期间原位生长速率变化有递增的趋势；若初始状态下该生长策略藻种为种群中的优势藻，则该生长策略藻种依然具有同生境状态下的生长优势，当生境持续时间足够，则可形成水华；种群向该生长策略藻种方向演替；

原位生长速率值为负，且培养原位生长速率变化基本不变或有递减的趋势，该生长策略藻种在同期生境条件下并不具有生长优势；生境持续的条件下，藻类种群不太可能向该生长策略藻种演替。