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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-D 750)-2.16×(D645-D 750)+0.10×(D630-D 750)]·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

吸光值D 0.023

叶绿素a 含量的计算： 645 0.029 663 0.101 750 0.050

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）

4～10

10～50

>50 营养类型 贫营养水平 中等营养水平 富营养化 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。

（五）用叶绿素法测定的好坏处

叶绿素法优于其他方法之处是:取样品无需再装入透光和不透光的容器内, 它的适应性较广, 已被广泛地应用于研究水生生态系统的初级生产量。例如在研究藻类时, 先把藻类从已知体积的水中过滤出来, 再用丙酮提取其中的叶绿素, 并用分光光度计测定叶绿素的浓度, 从大量取样的测定中很快便能计算出藻类的生物量; 样品取得后也可先保存起来供以后在实验室进行测定, 这样在野外就可以在短时间内采得大量样品, 待有时间时再进行测定, 这样就十分方便。

叶绿素法缺点是:叶绿素量因外界条件和本身生理状态而有很大变化, 如小球藻在缺氮条件下叶绿素含量仅占干重0101%,在养分丰富和低光照下则达干重的6%。藻类细胞老化时, 叶绿素含量也大为降低。无论用哪种有机溶剂, 都不能将藻类细胞中叶绿素完全提取, 这特别是淡水浮游植物中以绿球藻类占优势时, 无法将腐屑和其他悬浮物与藻类分离, 因此这些物质所含的色素将影响测定的结果。这种影响在施肥、投饵的养鱼池中尤其突出。尤其在水体浑浊时无法采用此方法。叶绿素浓度低时, 用分光光度计测定, 灵敏度可能不够。叶绿素光饱和时的光合作用率变化范围在同一水体在不同月份是不相同的。在不同季节、不同地区和不同天气条件下, 全天的太阳能辐射能难于测定和查询, 各水体的消光系数也难于测定。

三、参考文献

[1] 纪伟涛，邬国锋等. 太湖池水体透明度、水位及两者之间关系分析[J].水资源保护.2010

（1）：36-39.

[2] 孙伟. 青岛近岸海域叶绿素a 与初级生产力调查研究. 中国海洋大学.2008（5）.

[3] 沈新强, 胡方西. 长江口外水域叶绿素分布的基本特征[J].中国水产科学.1995,2(1): 70-80.

[4] 牛翠娟, 娄安如, 孙儒泳, 李庆芳. 基础生态学. 第2版. 北京:高等教育出版社,2007:291-293.

[5] 文云峰. 会先岩溶湿地水体富营养化现状及对策研究. 广西大学，2013（6).

[6] 刘莉. 景观水体富营养化时空变化特征研究. 重庆:西南大学:2008.

[7] 宋星宇, 黄良民, 石彦荣. 河口、海湾生态系统初级生产力研究进展[J]. 生态科学,2004,03:265-269.

[8] 梅卓华. 玄武湖水域初级生产力和富营养化的调查研究[J]. 江苏环境科技,1995,03:7-10.