加拿大安大略省藻類水華發(fā)生趨勢分析

［加拿大］J.G.溫特 等

全世界的江河湖泊藻類和藻類水華公害事件不斷增多，已引起廣泛關注。20 世紀90 年代后期以來，加拿大的大湖(Great Lake)藍藻水華現(xiàn)象大幅度增加，過去10 a 比前幾十年出現(xiàn)的岸邊藻類水華次數(shù)要多得多。營養(yǎng)鹽濃度的增加、水溫的升高、淺而緩水流等都是藻類水華發(fā)生的有利條件。世界淡水系統(tǒng)中營養(yǎng)鹽的富余，與藻類水華發(fā)生的頻繁程度密切相關，人類活動(包括酸化、非本土物種引入等)更加劇了藻類公害事件的發(fā)生。近來研究表明，氣候變化是藻類水華蔓延的潛在催化劑。水體溫度升高有利于藍藻水華形成，另外，藍藻在水體垂直混合減小的情況下，能自行調(diào)節(jié)本身的浮力。

淡水中的藍藻水華因會產(chǎn)生毒素而倍受關注。藍藻產(chǎn)生的毒素(即藻毒素)會影響人畜健康，阻害淡水生態(tài)系統(tǒng)進程。藻毒素可分為兩大類:①肝毒素和神經(jīng)毒素，可能引起動物急性中毒，甚至致命;②細胞毒素，對動物雖不是高度致命，但會顯現(xiàn)出多種生物活性。有幾種藍藻和金藻(chryso－phytes)產(chǎn)生的有害味道和(或)釋放的氣味化合物，會對公共設施和供水廠產(chǎn)生負面影響。

作為省政府對藻類水華事件響應的一種措施，安大略省環(huán)保部(MOE)環(huán)境監(jiān)測與報告處采集并分析了發(fā)生藻類水華的樣本。從20 世紀60 年代開始，該組織就開始了優(yōu)勢藻類的識別確定工作。他們將采集到的樣本通過顯微鏡放大分析，以確定優(yōu)勢物種是否為會產(chǎn)生毒性的藍藻。如果有藍藻出現(xiàn)，就得采取進一步的措施。不管是否為藍藻水華，首先必須進行分類分析，然后對樣本中的藻類進行確認。

據(jù)安大略省藻類水華相關傳聞，仔細分析了1994～2009 年藻類水華報告記錄并進行了相關的優(yōu)勢藻類識別，以確定:①藻類水華發(fā)生次數(shù)是否增加，特別是藍藻水華發(fā)生次數(shù);②現(xiàn)在安大略省發(fā)生藻類水華的持續(xù)時段是否比以前更長。此外，還分析了安大略省藻類水華的地理分布特點。

1 分析方法

本文中藻類水華定義為湖泊或河流中藻類(包括藍藻)的超常規(guī)生長，并達到令人抱怨的程度，這里包括多細胞藻類和底棲絲狀藻等在內(nèi)的浮游生物形式。加拿大安大略省環(huán)保部的地區(qū)辦事處工作人員常常會從藻類生長茂集區(qū)域水下收集藻類水華的樣本，然后由其監(jiān)測人員用顯微鏡進行樣本分析，按盡可能低的分類級別(通常是基因或物種)進行藻類種類識別，并編寫出藻類識別報告，詳細描述識別出的藻類優(yōu)勢種，并提供其生態(tài)學意義上的和可能產(chǎn)生毒素和(或)味道及氣味的相關信息。

研究中，共收集了自1994 年以來所有藻類識別報告數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。記錄下每個樣本的日期、來源、位置信息(包括湖泊名、地址描述、地理坐標)、樣本來源的所屬MOE 區(qū)域、識別出的藻類種類，并注明每個樣本的優(yōu)勢種類，同時剔出那些不存在藻類的樣本或不是藻類占多數(shù)的樣本(如樣本由非藻類有機物組成，如真菌、苔蘚蟲類)，以及那些同一水華事件中的重復樣本(從水華的另一位置或在稍后一個時期采樣并跟蹤水華的耗散過程)。這樣，每個樣本就能代表唯一的、確定性的藻類水華事件。為檢定是否存在微囊藻毒素、藍藻神經(jīng)毒素，MOE 實驗室服務組對2009年含有藍藻的水華樣本，采用酶聯(lián)免疫吸附檢驗(ELISA)技術(shù)進行了數(shù)據(jù)篩查。經(jīng)過冷凍使微囊藻毒素變異體的細胞壁破裂后，根據(jù)其對ELISA 試劑盒抗體的反應測量其發(fā)生總次數(shù)。樣本中微囊藻毒素的總濃度大于0.15ug/L，表明毒性為正。

2002～2009 年，MOE 湖泊合作伙伴計劃(Lake Partner Program)總磷監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中，有39 個湖泊中含有藍藻水華。該計劃是在MOE 科研人員的指導下，自發(fā)形成的一項湖泊監(jiān)測計劃。采用MOE 多賽特環(huán)境科學中心的方法，采集了總磷樣本，并做了平行雙樣分析。在湖泊合作伙伴計劃數(shù)據(jù)庫中，對2002～2009 年度春季循環(huán)期間的上述39 個湖泊中總磷濃度與所有湖泊中平均總磷濃度進行了對比分析。首先進行異常值數(shù)據(jù)篩查，再進行MANNI－WHITNEY 秩和檢驗。

采用Mann－kendall 趨勢檢驗法，結(jié)合萊布勒和格里瓦勒開發(fā)的微軟EXCEL 的add－in 工具，對2002～2009 年藻類水華數(shù)據(jù)進行單調(diào)性趨勢檢驗。用Z 統(tǒng)計法來檢驗其是否單調(diào)地隨時間變化。具體來說，對藻類水華發(fā)生的總次數(shù)、3 個優(yōu)勢種(藍藻、綠藻、金藻)的水華發(fā)生次數(shù)進行了趨勢檢驗。也分別對5 個MOE 區(qū)域(北部、東部、西南部、中西部、中部)的藻類水華發(fā)生總次數(shù)以及藍藻水華發(fā)生次數(shù)進行了趨勢檢驗。此外，還分析了每年水華最早和最晚發(fā)生時間。

對安大略省藻類水華發(fā)生總次數(shù)、藍藻水華發(fā)生次數(shù)、綠藻水華發(fā)生次數(shù)、金藻水華發(fā)生次數(shù)等數(shù)據(jù)，采用了SegRegw 計算機程序進行拐點分析。該程序是使用分段回歸法來確定數(shù)據(jù)系列中是否有拐點及其何時出現(xiàn)，然后檢驗其變化是否顯著。與單條回歸線相比，分段回歸法可以使誤差平方和最小。

2 研究成果

1994～2009 年，安大略省藻類水華發(fā)生總次數(shù)每年均呈明顯的上升趨勢(P ＜0.001)，特別是藍藻、綠藻水華發(fā)生次數(shù)增長更明顯。藍藻水華增長率最大，占水華發(fā)生總次數(shù)的50%以上。水華發(fā)生總次數(shù)系列以及藍藻水華發(fā)生次數(shù)系列趨勢拐點明顯，發(fā)生在2004～2005 年，而綠藻水華發(fā)生次數(shù)系列趨勢拐點在2003～2004 年(P ＜0.01)。水華發(fā)生總次數(shù)及藍藻水華系列在2004 年前保持相對穩(wěn)定的數(shù)目，之后出現(xiàn)增長(綠藻水華發(fā)生次數(shù)在2003 年前保持相對穩(wěn)定，之后增長)。金藻水華發(fā)生次數(shù)雖也有所增長但趨勢不明顯。從2007 年起，每年都有幾起金藻水華發(fā)生。

最常見的藍藻種類是(按發(fā)生率大小順序)魚腥藻菌、束絲藻菌、微囊藻菌、刺孢膠刺藻和包括顫藻、鞘絲藻、浮顫藻、席藻在內(nèi)的多種顫藻目。本次分析中沒有發(fā)現(xiàn)柱胞藻。按照發(fā)生率大小，最常見的綠藻種類是絲狀水綿(總共出現(xiàn)14 次)、剛毛藻(出現(xiàn)12 次)、轉(zhuǎn)板藻(出現(xiàn)12 次)、雙星藻(出現(xiàn)7次)、鞘藻(出現(xiàn)6 次)。其他的水華優(yōu)勢種有硅藻、黃藻、鞭毛藻、隱芽植物、裸藻等。

加拿大北部區(qū)域是發(fā)生最多水華的區(qū)域。該區(qū)域縱貫全省區(qū)域最廣，也是安大略省大多數(shù)湖泊所在地。1994～2009 年，北部、中部和西南部的水華發(fā)生總次數(shù)及藍藻水華發(fā)生次數(shù)均呈顯著性的增長。增長次數(shù)開始為0，后分別增加到22 次，8 次和10 次;藍藻水華發(fā)生的次數(shù)開始同樣為0，后分別增加到15 次，2 次和5 次。北部區(qū)域水華發(fā)生總次數(shù)及藍藻水華發(fā)生次數(shù)增長率最高。東部區(qū)域水華發(fā)生總次數(shù)增長也較顯著(P ＜0.01)，其中多數(shù)是絲狀綠藻類水華。

總體來說，1994～2009 年，安大略省有66 個內(nèi)陸湖發(fā)生了藍藻水華，期間大多數(shù)湖泊(50 個)僅發(fā)生過1 次水華，有11 個湖泊在2 a 間發(fā)生過水華，有4 個湖泊在3 a 間發(fā)生過水華，有1 個湖泊在8 a間發(fā)生過水華。2009 年，有24 個湖泊發(fā)生過水華。大多數(shù)藍藻水華發(fā)生在北部區(qū)域，特別是薩德伯里、阿爾格瑪、凱洛拉、帕里桑德區(qū)。在2009 年發(fā)生的24 個藍藻水華中，有16 個在ELISA 檢驗時，檢測到微囊藻毒素且為正值。

2002～2009 年，通過實施MOE 湖泊合作伙伴計劃，對安大略省1074 個湖泊春季總磷濃度與39個發(fā)生藍藻水華的湖泊春季總磷濃度進行了比較(前者n=4 831、后者n=711，)。發(fā)生藍藻水華的湖泊春季總磷濃度中間值(15 μg/L，P ＜0.001)比所有湖泊數(shù)據(jù)系列總磷濃度值(9 μg/L)明顯偏高。發(fā)生藍藻水華的湖泊中，有一半的總磷濃度范圍在11～22 μg/L(總范圍在3～93 μg/L)，而通過湖泊合作伙伴計劃的實施，有一半湖泊的總磷濃度在7～13 μg/L(總范圍在1～107 μg/L)。

此外，每年最后一次發(fā)生水華的日子也明顯向后拖延了(P ＜0.001)，表明與15 a 前相比，近些年每年發(fā)生最后一次水華的時間要晚些。特別是，藍藻水華在2006 年以后一直到了11 月份，還有發(fā)生的情況。但每年第1 次水華的發(fā)生時間未發(fā)現(xiàn)有變化。

3 討 論

過去15 a，安大略省的藍藻水華和絲狀綠藻水華發(fā)生的頻度有所增加，這與全世界湖泊藻類水華發(fā)生的頻度增長趨勢是一致的。世界性藻類水華發(fā)生的這一趨勢，主要歸因于氣候變化加劇了營養(yǎng)鹽的富集。安大略省藻類水華發(fā)生率上升最快的區(qū)域是MOE 北部區(qū)域(主要是其南部)加拿大地盾(Canadian Shield)湖泊。這些湖泊中含磷量本來是有限的，但其會受岸邊經(jīng)濟發(fā)展及相關磷鹽流入的明顯影響(如果有的話)。湖泊上及其周邊人類活動的加劇(如不斷增長的農(nóng)場、居民用水與居住地的擴張)，會給湖泊注入充足的營養(yǎng)鹽，使得藍藻和絲狀綠藻生長加速。

一般而言，發(fā)生藍藻水華的湖泊總磷濃度較高(15 μg/L)，而安大略省1 074 個湖泊總磷平均值是(9 μg/L)。然而，發(fā)生水華的湖泊總磷濃度有些差異，有26%的湖泊是貧營養(yǎng)湖泊(春季總磷濃度小于10 μg/L))。發(fā)生在低營養(yǎng)鹽湖泊中的藍藻水華說明，決定水華發(fā)生的影響因素有多種。營養(yǎng)鹽的組成與其發(fā)生的總次數(shù)對藍藻生長的影響都較小，鐵離子含量的影響也是如此。本研究中，很多湖泊也受制于影響浮游植物種群組成的多種環(huán)境脅迫因子，包括酸化、相關鹽基陽離子的濃度減少，入侵性物種的出現(xiàn)、氣候變化等。

氣候變化主要是指溫度上升，會改善藍藻生長條件形成水華。氣候變化表現(xiàn)在水體溫度增高，無冰季節(jié)延長，水體混合程度降低。這些變化對其他形成藻類水華的藻類種群也很有利。例如，安大略省實驗湖泊區(qū)域項目以及丹麥圍隔生態(tài)實驗中發(fā)現(xiàn)，由于溫度升高，相對高豐度的絲狀綠藻的生長又有所增長。過去幾十年氣候變暖，導致安大略省湖泊無冰期的延長，溫度分層時間更長、更明顯，很多湖泊已經(jīng)越過了氣候變化的生態(tài)閥值。例如，更溫暖的氣候使得樹林湖(Lake of the Woods，即安大略省、馬尼托巴、明尼蘇達州交界的大湖)近期藍藻水華加劇。因此，安大略省區(qū)域氣候變化對于藻類水華發(fā)生頻度的增長起著一定作用。

近些年，加拿大地盾地區(qū)湖泊也有金藻水華發(fā)生，但發(fā)生頻率較藍藻水華和絲狀綠藻水華少。過去30 多年，該區(qū)域的古生態(tài)學與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，群體類金藻的相對含量和絕對含量均有增長，這種現(xiàn)象與金藻水華發(fā)生情況一致。浮游植物種群的組成變化(與自20 世紀中期以來的工業(yè)活動相關)與水體化學變化、(與氣候變化指數(shù)相關)水體物理變化相符合。

本文是根據(jù)報告的藻類水華事件，而不是實時的水華監(jiān)測數(shù)據(jù)開展的分析。MOE、市政府、保護機構(gòu)、非政府組織、農(nóng)場協(xié)會對公眾展開了藻類水華與水質(zhì)教育及相關合作工作，使公眾的認知度得以提高。MOE 在2004、2005 年分別發(fā)布了藻類與藻類水華的情況簡報，同時安大略省內(nèi)、外都加強了對藻類水華事件的媒體報道。2007 年魁北克省發(fā)生了藍藻水華泛濫事件，當時宣布200 多個湖泊禁止游泳和公眾下水，而安大略省對此類事件極其關注，及時在媒體進行了報道。由于公眾認知度提高，對魁北克省發(fā)生的藻類水華也更加關切。

水華是令人不快的景觀，當?shù)鼐用駮虼速|(zhì)疑水體水質(zhì)而尋求移民。藍藻通常是產(chǎn)生潛在藻毒素的物種，需要MOE 和健康組織采取進一步措施，以抵御水華事件對人畜健康的潛在風險。不管是否能探測到水體中存在毒物，MOE 認為，任何藍藻水華都是一種潛在的含毒物，需采取適當?shù)捻憫胧獙λA對人畜健康帶來的風險，而這種風險是通過一些項目評價，如目標水體是否為(人或畜的)水源地、在何種程度上被當?shù)厝俗鳛閵蕵酚盟褂?如公共河灘、公園、游泳區(qū))，以及是否為絕大多數(shù)未處理的飲用水系統(tǒng)水源地等來確定。在過去的15 a，發(fā)生藻類水華季節(jié)的時間都延長了很多，已超過了人們預期需采取應對措施的時間。

安大略省1994～2009 年藻類水華事件頻發(fā)。由于公眾認知度的提高，加上湖泊離人類活動區(qū)域較近，探討上述藻類水華事件及其發(fā)展趨勢已成為一項特殊領域的挑戰(zhàn)。增長最快的是藍藻水華，特別是在MOE 所管轄的北部區(qū)域，這里湖泊因多種因素交織在一起，受到的影響和情況更為復雜，其中最明顯的因素就是近期的氣候變化，使開冰季節(jié)更長，溫度分層更明顯。如果溫度上升，水體會隨著溫度分層的加強而減少混合，這將更有利于藍藻生長。較高的營養(yǎng)鹽水平，也會增加湖泊對這些變化的敏感性，因此安大略省在水生生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)鹽管理方面，對減少藻類水華的發(fā)生起著重要作用。在眾多水華影響因素中，加強對各種因素間相互影響的認識和研究也很重要，特別是對那些營養(yǎng)水平較低的湖泊。