全 文 ：第 4期 Environmental Science & Technology
第 33卷 第 4期
2010年 4月
Vol. 33 No.4
Apr. 2010
光照度对水柱中斜生栅藻生长的影响
张海春 1， 李春杰 2， 陈雪初 2， 孔海南 2
（1.上海市环境监测中心，上海 200030； 2.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240）
摘 要：为探索在湖库中呈不均匀分布的光照度对藻类生长的影响，在水柱中研究了不同入射光照度和斜生栅藻生物量动态变化之间
的关系。结果显示，在稀释率为 10%的连续流条件下，当入射光照度低于 10000lux，即可获得平均光照度低于 2000lux时，斜生栅藻出现负增
殖，而在摇瓶试验中，在入射光照度为 500lux时，斜生栅藻就表现出正增殖。研究发现采用可获得平均光照度这一指标以更好地描述水柱中
藻类可获得光资源量的实际状况，可获得平均光照度和斜生栅藻的稳态生物量之间呈极显著的正相关关系。此外，水体中 pH值和磷酸盐浓
度的变化也从侧面反映了光照度对藻类生物量的影响。
关键词：光照度； pH； 磷酸盐； 斜生栅藻
中图分类号：X172 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-6504.2010.04.013 文章编号：1003-6504(2010)04-0053-04
Influence of Light Intensity in Water Column on Growth of
Scenedesmus obliquus
ZHANG Hai-chun1， LI Chun-jie2， CHEN Xue-chu2， KONG Hai-nan2
（1.Shanghai Environment Monitoring Centre, Shanghai 200030, China;
2.School of Environmental Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）
Abstract：This paper is intended to investigate light-depended algal growth in lakes based on the fact that light intensity is
often unequally distributed in the water column. Bench scale experiment using a water-column was conducted to simulate the
natural circumstances with Scenedesmus obliquus used as the model algae species，and simultaneously a shaking flask test was
done for comparison. The experimental results showed that the available average light intensity well represented the light
resource acquired by algae，and remarkable positive correlation existed between the steady-state biomass of S. oblique and the
available average light intensity. Furthermore，the observed changes of pH value and phosphorus concentration in water
implied the dynamic relationship between light intensity and S. oblique.
Key words：light intensity；pH；phosphate；Scenedesmus obliquus
在我国许多湖库中营养盐不成为限制因素，光照
条件对藻类的生消演替产生着重要的影响。光照度在
水体中随水深呈指数衰减分布，从而导致入射光照度
与藻类实际可获得光照度之间相距甚远[1-3]。然而目前
藻类的增殖和消亡过程多采用摇瓶实验研究[4-5]，无法
模拟光随水深衰减的特征及其对藻类的影响，因此不
能反映湖库水体的实际情况。基于所述原因，本研究
开展了连续流培养条件下光照度对斜生栅藻增殖和
消亡的影响试验，主要包括：藻的细胞数、OD650值、水
体 pH值、磷酸盐浓度等在不同入射光照度下的变化
情况。
1 研究内容和方法
1.1 试验条件和测定方法
试验用斜生栅藻购自中科院武汉水生生物研究
所。试验前扩大培养 1周，再饥饿培养 48h。取一定体
积的藻种以在 3500r/min条件下离心 15min，弃掉上
清液，用 15mg/L碳酸氢钠溶液洗涤，重复 3次。稀释
后用于接种，试验的接种浓度为 1.5×105cells/mL左右，
因整个实验分批完成，故接种浓度略有不同。试验用
水取自上海交通大学闵行校区内的致远湖，试验前过
孔径为 0.8μm的微孔滤膜，除去悬浮物。加入 K2HPO4
和 NaNO3使其总磷浓度达到 6.00mg/L左右，总氮浓
度达到 50.0mg/L左右，满足藻类增殖对营养盐的需求。
藻细胞计数采用平板计数法，取不同出水口的藻
液混匀，在 Olympus双筒显微镜下，进行细胞计数，计
数重复 4次，取平均值。藻的光密度值、水体的磷酸盐
浓度、总磷、总氮、pH值的测定参照《水和废水监测分
收稿日期：2009-11-12；修回 2009－12－25
作者简介：张海春（1984-），男，硕士研究生，主要从事饮用水源地藻类控制研究，（手机）13916568478（电子信箱）haichunzhang@yahoo.com.cn。
第 33卷
析方法》第四版。入射光照度和透射光照度用 ZDS-
10 自动量程光照度计测定。
1.2 试验装置与方法
1.2.1 水柱实验
在人工气候室中进行，设定昼夜比 14： 10，白天
温度为 28℃，夜间温度为 25℃、混合深度（zmix）0.9m，
在水面入射光照度为 0lux、2000lux、4000lux、10000
lux、20000lux、38000lux下进行实验。如图 1为水柱实
验的装置图，水柱体积 5L，用遮光材料使水柱四周不
透光。光源由一盏 50W卤素灯（广东，欧普）提供，实
验中通过改变遮光强度得到不同的水面入射光强。而
水泵的昼夜运作使水体基本处于一个混匀的状态。通
过水柱底部每天进水 500mL，并在出水口处溢流出
水，模拟自然水体中藻类因捕食，稀释等原因造成的
损失，本试验中设置为稀释率 10%，另外底部进水还
起到了补充营养盐的作用。
1.2.2 摇瓶试验
作为和水柱实验的对比，进行了摇瓶实验，分别
在 0lux、200lux、500lux、1000lux、2000lux、5000lux、10000
lux、20000lux的入射光照度下实验，每组两个平行样。
1.2.3 计算方法
斜生栅藻的比增殖速率[6]：
μ= lnx2- lnx1t2- t1
（1）
其中 μ为比增长速率，x2 为某一时间间隔终结时
的藻类现存量，x1 为某一时间间隔开始时的藻类现存
量，t2- t1 为某一时间间隔。
光照度随水深的垂直变化规律符合比尔定律[7]：
Iz=Ae-kz （2）
其中 z为水深（m）、Iz为深度 z处的光照度（lux）、
k为光衰减系数。
全水体可获得光资源量[8]：
Qt=
Zmix
0乙 Izdz= I0k ( 1-e
- kzmix ) （3）
其中 Qt为全水体可获得光资源量，Zmix为混合深
度（m），I0为入射光照度（lux）。单位水体可获得光资源
量 Qt /Zmix反映了单位水体的藻类可获得的光资源量。
2 结果与讨论
2.1 入射光照度对斜生栅藻增殖的影响
不同光照度下斜生栅藻的比增殖速率变化如图 2
所示。在连续流的水柱试验中，使斜生栅藻的比增殖
速率为 0 的入射光照度在 10000~20000lux 之间，
在入射光照度为 20000lux 时其比增殖速率也仅为
0.16d-1，而在 0~38000lux的入射光照度范围内，比增
殖速率都随着光照度的加强而变大。而在摇瓶试验
中，使斜生栅藻的比增殖速率为 0的入射光照度在
200~500lux之间，即在入射光照度为 500lux其比增
殖速率就达到了 0.15d-1，并且在 0~5000lux的入射光
照度范围内，比增殖速率随着光照度的加强而变大。
连续流水柱试验中、在入射光照度为 10000lux时，
斜生栅藻的增殖还是处于明显的被抑制状态，其抑制
光照度明显高于摇瓶实验。分析原因：
（1）主要原因为在摇瓶实验中，水深约为 2cm左
右，基本没有光衰减现象；而在水柱试验中，水深约为
90cm，由于藻自身和水体的吸光作用，光衰减现象非
常明显。
（2）另外为模拟自然界中因稀释、原生动物捕食
等造成的藻类损失率，设置了日稀释率为 10%的连续
流条件，使得比增值速率减小了 0.1d-1。
2.2 可获得平均光照度与稳态藻类生物量的关系
在水柱中，光照度随水深呈指数分布，如式（2）
所示，因此藻类所获得的光资源量不能简单的采用入
射光照度表征。由此提出用单位水体可获得光资源
量Qt /Zmix来表征藻类所获得的光资源量，如式（3）所
示。Qt /Zmix是光照度沿深度方向的积分之后的平均
值，它的优点在于涵括了入射光照度和光衰减作用对
藻类增殖的共同影响。相对于单纯根据入射光照度判
断是否存在光限制作用的方法而言，采用可获得光照
度这一指标，它所反映的光限制作用与藻类生物量之
54
第 4期
间的关系更为接近实际情况，较为可靠[8]。图 3显示了
不同光照度条件下，随着藻类生消，藻类可获得平均
光照度的变化情况。入射光照度为 20000lux 和
38000lux的水柱中，试验前期（0~6d）由于藻类生物量
的持续增加，可获得平均光照度逐渐下降；入射光照
度为 2000lux 和 4000lux 以及 10000lux 的水柱中可
获得平均光照度则变化不大。
入射光照度与藻类可获得平均光照度相比，前者
明显大于后者，这说明若考虑光衰减作用在内的话，
在混合充分的条件下，藻类实际可获得的光照度比入
射光照度低的多，这也是相同入射光照度条件下，水
柱试验中藻类生物量远低于摇瓶结果的主要原因。图
4显示了藻类可获得平均光照度与稳态条件下藻类生
物量的关系，发现整个曲线呈 S型，即在可获得平均
光照度较低，光资源受限制时，随着可获得平均光照
度增加，生物量增加迅速；当可获得平均光照度达到
一定程度时，光资源生物量增加幅度减缓。在本试验
条件下，大约藻类可获得光照度低于 4000lux时，随着
光照度下降，藻类生物量降幅较大，认为此范围内藻
类生长受光限制作用影响显著。将稳态藻类生物量与
藻类可获得平均光照度进行相关分析结果显示，两者
呈极显著的正相关关系（R=0.93），这也显示了在本试
验中，可获得平均光照度是影响藻类生长的关键因素。
2.3 水体 pH和磷酸盐对藻类增殖的响应
不同入射光照度下水体 pH变化如图 5所示。在
光照度为 20000lux和 38000lux处，斜生栅藻的光合
作用占据主导地位，pH在 0~6d内增大，而第 7天或
者第 8天 pH开始减小，与之相对应的是在这两个光
照度下藻的细胞数在第 7天也开始减少。而在光照度
为 0lux、2000lux、4000lux和 10000lux处，藻的呼吸作
用强于光合作用产生 CO2[9]，由此 pH在整个过程都呈
现出减小的趋势，光照度越小减小的速度越快，pH在
整个实验过程中都保持在大于 7的范围内。
如图 6为不同入射光照度下，磷酸盐浓度随运行
时间的变化曲线，当光照度为 20000lux和 38000lux时，
磷酸盐供给藻类光合作用所需，随着藻类密度的增加
磷酸盐呈逐渐下降状态；当光照度为 10000lux 和
4000lux时，在试验初期磷酸盐略有下降，此后磷酸盐
一直维持在 5~6mg/L之间波动；当光照度为 1500lux和
0lux时，进出水的磷酸盐浓度变化微小，显示整个水
体处于强烈的光限制状态，藻类的合成受到限制[10]。
3 结论
（1）由于光衰减作用的影响，水柱试验中斜生栅
藻的增殖所需的入射光照度大大高于摇瓶试验，使斜
生栅藻 μ=0的入射光照度＞10000lux，而摇瓶试验中
仅为 500lux左右。
（2）在水柱试验中，可获得平均光照度是影响水
柱内斜生栅藻生消的关键因素，两者呈极显著的正相
关关系 R=0.93。
张海春，等 光照度对水柱中斜生栅藻生长的影响 55
第 33卷
（3）入射光照度低于 10000lux时，斜生栅藻的生
长被抑制，水体的 pH值呈下降趋势，趋于 pH=7.0，同
时磷酸盐浓度稳定于 5~6mg/L。
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