流速和营养状态对藻类种间竞争的影响研究

尹 心 安，李 浩

(1.北京师范大学 环境学院，北京 100875； 2.北京师范大学 水环境模拟国家重点实验室，北京 100875)

0 引 言

藻类是水生态系统的重要组成部分[1]，种间竞争会显著影响藻类的群落结构[2]。藻类不仅可以通过资源竞争影响自身的生长繁殖，还可以通过干扰竞争影响其他藻类的生长繁殖[3]。在多种藻类共同生存的水体中，种间竞争强度的变化，可能会引起某些藻的大量繁殖，从而导致水华的发生[4]。

藻类种间竞争受到营养盐条件的影响[5-6]。当某种营养盐成为限制性资源时，对其需求量最低的藻种将具有竞争优势[7]。环境中营养盐比率低于或高于特定比例，将直接影响藻类的种群结构[8]。当多个物种竞争相同营养盐时，营养盐利用水平高的竞争者会获胜，其他物种会受到排斥[9]。以往研究为揭示营养盐对藻类种间竞争的影响做出了突出的贡献。然而，这些研究大多只关注营养盐，较少考虑其他环境因子存在时的影响。

除了受到营养盐的影响，藻类种间竞争也会由于多种环境因子之间的相互作用而出现复杂和难以预料的结果[10]。例如，溶解氧、CO2水平、pH等都有可能改变营养盐在藻类种间竞争中的作用[11]。除上述环境因子之外，水体流速也可能成为影响藻类竞争的关键因子[12]。如澳大利亚墨累-达令(Murray-Darling)地区的河流经常发生水华，通过减少水体滞留时间，可有效抑制有毒藻类的繁殖[13]。近年来，大量实验也证明了流速会改变藻类竞争[14-17]。

然而，以往研究很少同时考虑营养盐和流速这两个因子对藻类种间竞争的影响。这两种因素可以发生相互作用，流速可以改变藻类细胞周边的营养盐浓度，也可以改变藻类细胞结构，进而影响藻类吸收营养盐的速率。除此之外，藻类的生长时期可划分为适应期、对数期、稳定期和衰亡期。大多研究侧重整个生长周期上环境因子对藻类种间竞争的影响。然而，在生长周期的不同阶段，环境因子对藻类种间竞争的影响会有所不同。铜绿微囊藻和斜生栅藻是湖泊水体中常见的藻类，容易大量繁殖[18-19]。本次研究采用室内实验研究了流速和营养状态的不同组合对铜绿微囊藻和斜生栅藻的种间竞争的影响，采用种间竞争指数作为参数，分析在生长周期的不同阶段这两个环境因子对藻类种间竞争优势、竞争强度和竞争重要性的影响。

1 材料和方法

1.1 藻种培养

本文以蓝藻门的铜绿微囊藻和绿藻门的斜生栅藻为研究对象。从中国科学院水生生物研究所的淡水藻种库(Freshwater Algae Culture Collection at the Institute of Hydrobiology，FACHB)中获得实验所用的铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa，FACHB-911)和斜生栅藻(Scenedesmusobliquus，FACHB-12)。两种微藻在蓝绿色培养基BG11中培养。培养基经过121℃高压蒸汽灭菌30 min，所有实验所需三角瓶等全部经过高压灭菌后使用。

两种微藻分别保存在250 mL锥形瓶中。锥形瓶放置在培养箱中。藻种培养箱的温度设为(26±1) ℃。藻类在光暗周期为12 h∶12 h的条件下进行培养，光暗周期由冷白色荧光灯以2 100 lux的强度照明。每天手动搅拌烧瓶两次，以减少藻细胞的絮凝和结块。达到指数生长阶段后，将微藻转移到新鲜培养基中进行实验。所有培养和实验均在无菌条件下进行。使用的所有玻璃器在10%硝酸中完全浸泡至少1 d，并在使用前用蒸馏水彻底冲洗。

1.2 实验材料

铜绿微囊藻和斜生栅藻在BG-11蓝绿色培养液中培养。培养液的pH用盐酸或氢氧化钠调至7.1±0.2。流速模拟装置由旋转挡板、双反应器、电机和可变控制器组成(见图1)。挡板由丙烯酸材料制成，与电机相连并沿水平方向旋转。水被推到生物反应器内的旋转流中。控制挡板转速可以调节实验所需的流速。该生物反应器的外径为37 cm，内径为7 cm，中间宽度为15 cm，深度为40 cm，最大容量为41 L。生物反应器的外壁上有6个样品出口，间距为5 cm。生物反应器以选定的速度旋转一段时间，以达到稳定状态。

图1 流速模拟装置Fig.1 Velocity simulator

1.3 实验设计

实验条件包括不同水平的水流速度和不同水平的营养盐浓度。湖泊是发生水华的主要水体。湖泊流速通常较低，很少湖泊的流速会超过0.2 m/s。水流速度的设置参考了已有的类似研究。基于室内实验结果，已有的研究发现铜绿微囊藻生长的最适流速为0.15 m/s，相对有利流速为低流速(0.05～0.12 m/s)，相对不利流速为高流速(0.20～0.30 m/s)[18-19]。本次研究的水流流速设置了5个水平：0，0.05，0.1，0.15，0.2 m/s。

通过调整旋转速率，水槽旋转30 min，以达到每种速度下的稳定状态。同时，本次研究的营养盐浓度设置了2个水平：富营养和正常营养。通过在流速模拟装置中添加含不同浓度氮磷的BG-11，可以得到所需的营养盐浓度。富营养条件下的氮和磷浓度是BG11培养基的标准水平(CN=247.4 mg/L，CP=7.1 mg/L)，正常营养条件下的氮和磷浓度是BG11培养基标准水平的1%(CN=2.474 mg/L，CP=0.071 mg/L)[15]。此外，添加实验藻种时两种藻的初始细胞密度相同，为3.0×105cell/mL。用0.1 mol/L HCl或0.1 mol/L NaOH调整试验溶液的pH，使其保持在7.5±0.1的范围内。所有处理设置3个平行实验。实验开始之后，每天取样测量，直到藻类死亡为止，这样可以确保两种藻有完整的生长周期。将藻种生长周期分为4个阶段：第一阶段是初始适应时期，第二阶段为对数时期，第三阶段为稳定时期，第四阶段为衰亡时期。

本次研究分别进行了单藻培养实验和混合藻培养实验。在没有种间竞争的情况下，为了评估水流速度和营养盐浓度对各藻种的影响，进行了单一藻种培养实验。在有种间竞争的情况下，为了评估水流速度和营养盐浓度对两个藻种的影响，进行了混合藻种培养实验。从每个处理组中提取100 μL藻类悬浮液(每个处理组4次重复测量)，使用流式细胞仪对不同种类的藻类细胞进行计数。

2 计算方法

本次研究采用竞争优势[20]、竞争强度和竞争重要性[21]3个指标，阐述藻类种间竞争的特征。

2.1 竞争优势

竞争优势度是指在共培养过程中，铜绿微囊藻的最大细胞密度与斜生栅藻的最大细胞密度的log10转化率。当计算值为正数或负数时，分别意味着铜绿微囊藻或斜生栅藻的竞争优势。

2.2 竞争强度

竞争强度的计算方法为

(1)

2.3 竞争重要性

竞争重要性的计算方法为

(2)

3 结果与讨论

3.1 藻类种间竞争优势的变化

铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势受到营养盐与流速之间相互作用的影响而变化(见图2)。

图2 不同营养条件下不同生长阶段铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势(平均值±标准差)Fig.2 The competition dominance of Microcystis aeruginosa against Scenedesmus obliquus is expressed as the mean±standard deviation in different growth cycle under different nutrition conditions

铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势在生长周期各阶段也存在差异。在富营养状态下，在适应期和对数期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势不容易受到相对高流速的影响。在稳定期和衰亡期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势容易受到相对高流速的影响(见图2(a))。其中，在适应期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势低于1。在对数期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势随着流速的增加从1.30逐渐减少至0.55。在稳定期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势随着流速的增加从1.68逐渐减少至0.12。在衰亡期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势随着流速的增加而减小。

在正常营养状态下铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势在生长周期各阶段都容易受到相对高流速的影响(见图2(b))。其中，在适应期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势低于1。铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势随着流速的增加而缓慢减小。在对数期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势随着流速的增加而逐渐减小。在稳定期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势随着流速的增加从1.00逐渐减小至0.20。在衰亡期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势随着流速的增加从1.15逐渐减少至0.60。

生态学的一个研究热点是厘清多种环境因素相互作用在藻类种间竞争中的作用。本文实验结果表明，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势受到两方面的影响，分别是营养盐和流速相互作用的影响以及生长周期各阶段的影响。实验结果表明相对高流速会营造不利于铜绿微囊藻生长的环境。这可能是因为铜绿微囊藻受到流速影响后，细胞会产生明显的变形和破裂现象。此外，铜绿微囊藻具有囊泡结构，能够调节自身浮力。铜绿微囊藻很容易在静止的湖泊中获得竞争优势。然而，流速可以使水体中藻类混合均匀，会破坏铜绿微囊藻的竞争优势。实验结果还表明富营养可以在某种程度上改善流速营造的不利环境。这可能是因为富营养增强了铜绿微囊藻对斜生栅藻的种间竞争优势。这和已有的研究结论一致，即富营养水体可以增强铜绿微囊藻对斜生栅藻的种间竞争优势。另外，有的研究还发现水体中氮、磷含量高时，铜绿微囊藻容易大量繁殖占据优势地位。相反，有的研究认为，铜绿微囊藻在中等和较低营养状态下易占据竞争优势。这种情况可能是由于水体中除营养盐浓度会对藻类的种间竞争产生影响外，还存在着其它环境因子对其产生影响。特别地，在特定环境因素下，一些藻类容易大量繁殖形成水华。

3.2 藻类种间竞争强度的变化

两种藻的种间竞争强度受到营养盐与流速之间相互作用的影响(见图3)。

两种藻的种间竞争强度在生长周期各阶段存在差异。在富营养状态下，在适应期内，铜绿微囊藻容易受到相对高流速的影响。在对数期间内，铜绿微囊藻容易受到相对低流速的影响，而斜生栅藻不容易受到相对低流速的影响。在稳定期和衰亡期内，两种藻的种间竞争强度也容易受到流速的影响(见图3(a)和图3(b))。其中，在适应期内，铜绿微囊藻的竞争强度小于0.2，斜生栅藻的竞争强度小于0。在对数期内，铜绿微囊藻的竞争强度随着流速的增大而先增大后减小，斜生栅藻的竞争强度大致随着流速的增大逐渐增大。其中，铜绿微囊藻的竞争强度在流速为0.1 m/s的时候最大。在稳定期内，铜绿微囊藻的竞争强度随着流速增大先增大后减小，斜生栅藻的竞争强度随着流速的增大而增大。在衰亡期内，铜绿微囊藻的竞争强度随着流速的增大先增大后减小，斜生栅藻的竞争强度随着流速的增大逐渐增大。

图3 不同营养条件下不同生长阶段两种藻的竞争强度(平均值±标准差)Fig.3 The competition intensity of the two algae is expressed as the mean±standard deviation in different growth cycle under different conditions

在正常营养状态下，对数期内两种藻的种间竞争强度容易受到相对高流速的影响。在稳定期和衰亡期内，铜绿微囊藻的竞争强度容易受到相对高流速的影响，斜生栅藻的竞争强度不容易受到相对高流速的影响(见图3(c)和图3(d))。其中，在适应期内，铜绿微囊藻的竞争强度小于0.4，斜生栅藻的竞争强度小于0。在对数期内，铜绿微囊藻的竞争强度随着流速的增大而逐渐减小，斜生栅藻的竞争强度随着流速的增大逐渐增大。其中，铜绿微囊藻的竞争强度在水体静止的时候最大。在稳定期内，铜绿微囊藻的竞争强度随着流速的增大逐渐减小，而斜生栅藻的竞争强度较不容易受到相对低流速的影响。

在衰亡期内，铜绿微囊藻的竞争强度随着流速的增大大致呈减小的趋势，而斜生栅藻的竞争强度受到相对高流速的影响较小。

实验结果表明，在水体流速相对较低时，铜绿微囊藻的竞争强度要大于斜生栅藻的竞争强度；在水体流速相对较高时，斜生栅藻的竞争强度要大于铜绿微囊藻的竞争强度。

3.3 藻类种间竞争重要性的变化

两种藻的种间竞争重要性受到营养盐与流速之间相互作用的影响(见图4)。

图4 不同营养条件下不同生长阶段两种藻的竞争重要性(平均值±标准差)Fig.4 The competition importance of the two algae is expressed as the mean±standard deviation in different growth cycle under different conditions

两种藻的种间竞争重要性在生长周期各阶段存在差异。在富营养状态下，在适应期和对数期内，两种藻的种间竞争重要性不容易受到相对高流速的影响；在稳定期和衰亡期内，两种藻的种间竞争强度容易受到相对高流速的影响(见图4(a)和图4(b))。其中，在适应期内，两种藻的竞争重要性很小。在对数期内，铜绿微囊藻的竞争重要性随着流速的增大先减小后增大，斜生栅藻的竞争重要性随着流速的增大逐渐减小。在稳定期内，铜绿微囊藻的竞争重要性随着流速的增大先减小后增大，斜生栅藻的竞争重要性随着流速的增大逐渐减小。在衰亡期内，两种藻的种间竞争重要性随着流速的增大先逐渐减少再逐渐增大。

在正常营养状态下，在适应期内，两种藻的种间竞争重要性不易受到相对高流速的影响：在对数期内，两种藻的种间竞争重要性容易受相对高速的影响；在稳定期内，铜绿微囊藻的竞争重要性容易受到相对高流速的影响，而斜生栅藻的竞争重要性不容易受到相对高流速的影响。在衰亡期内，两种藻的竞争重要性不容易受到相对高流速的影响。其中，在适应期间，两种藻的竞争重要性较小。在对数期间，铜绿微囊藻的竞争重要性随着流速增大逐渐增大，斜生栅藻的竞争重要性随着流速的增大而逐渐减小。在稳定期间，铜绿微囊藻的竞争重要性随着流速增大变化不明显。在衰亡期间，两种藻的种间竞争重要性随着流速增大无明显变化。

本次研究的实验结果支持这样的假设，即竞争在高度干扰的环境中仍然可以发挥重要的作用。这与有些研究结果相同，也就是环境胁迫虽然可以增加死亡率和减少生物量，但是其不一定降低种间竞争在构建群落中的作用。但也有研究提出种间竞争对群落构建的影响因环境梯度不同而异，从而随干扰减少竞争所起作用呈增加趋势，随干扰增加竞争所起作用则呈减少趋势。

本次研究利用室内实验，模拟了流速和营养状态的不同组合对铜绿微囊藻和斜生栅藻种间竞争的影响。然而，天然河流环境复杂多变，很难通过实验室全面模拟出来。这就导致实验室中的研究成果应用到天然状况下会出现一定程度的不足。未来还需要更多的相关研究，才能将实验室中所得研究成果用于指导工程实践。本研究的成果可以推进水动力条件对藻类种间竞争的有关研究，并为湖库的藻华控制提供新思路。

4 结 论

水生态系统中不同藻类种群之间存在着广泛的竞争。藻类种间竞争受到环境因素的影响。本文研究了在生长周期各阶段内，流速和营养状态的不同组合对铜绿微囊藻和斜生栅藻的种间竞争影响。

(1) 藻类种间竞争不仅受到营养盐和流速相互作用的影响，而且还受到生长周期各阶段的影响。如果忽视藻类生长的阶段，藻类种间竞争的研究结果可能出现偏差。

(2) 富营养状态下，在对数期内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势不容易受到高流速的影响；在稳定期和衰亡期内，其容易受到高流速的影响。正常营养状态下，在生长周期各阶段内，铜绿微囊藻对斜生栅藻的竞争优势都容易受到高流速的影响。

(3) 富营养状态下，在对数期内，两种藻的种间竞争强度容易受到高流速的影响；在稳定期和衰亡期内，其也容易受到高流速的影响。正常营养状态下，在对数期内，两种藻的种间竞争强度容易受到高流速的影响；在稳定期和衰亡期内，铜绿微囊藻的竞争强度容易受到高流速的影响；斜生栅藻的竞争强度不容易受到高流速的影响。

(4) 营养盐和流速相互作用可以改变藻类种间竞争中的优势物种。在流域管理或者水污染防治中，可以通过调控水体流速来预防和控制水华。