貴州紅楓湖越冬藻類的空間分布與實驗室復蘇實驗*

王敬富，陳敬安，李秋華，夏品華，曾 艷，楊永瓊，楊海全

(1:中國科學院地球化學研究所，環(huán)境地球化學國家重點實驗室，貴陽550002)

(2:中國科學院大學，北京100049)

(3:貴州師范大學貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室，貴陽550001)

藻類水華是與湖泊富營養(yǎng)化相伴隨的一個普遍現(xiàn)象［1］，往往導致湖泊水質下降及一系列嚴重的水環(huán)境問題［2］.很多藻類可以在不適宜生長的條件下附著在湖泊底泥表面［3］，產生被稱為休眠孢子(Akinete)的特殊生殖細胞［4－5］.水華藍藻微囊藻雖然不能形成特殊形態(tài)的休眠細胞，但秋冬季也會在底泥中聚集，以度過一段不利于生長的時期［6－8］.Preston等用N穩(wěn)定同位素示蹤的方法表明，夏季水體中的微囊藻群體來自于越冬底泥中的微囊藻群體［9］.這種位于沉積物中的藍藻群體聚集可能為次年藍藻的生長提供種源，甚至可能成為藍藻大量增長的重要來源［10－11］.孔繁翔等［2］和閻榮等［12］提出假設，將藍藻水華的形成分為相互區(qū)別而又連續(xù)的4個過程，即下沉和越冬(休眠)、復蘇、生物量增加、上浮聚集并形成水華，并指出太湖之所以在較短時間內形成水華，與底泥中的藍藻復蘇(Recruitment)及其上升密切相關.

目前關于沉積物越冬藻類的研究集中在藍藻的垂直遷移以及復蘇對于次年夏季藍藻水華構成的影響上［13－15］.在淺水湖泊中，沉積物表面藍藻的上浮主要是由風力引起的水力擾動形成的被動過程［16］，而且風力擾動會導致大量的營養(yǎng)鹽從沉積物中釋放出來，大大增加了水體中藻類可利用的營養(yǎng)鹽含量［17－18］.深水湖泊中，水文、氣象等條件可以通過影響湖泊水體的分層、混合［19］以及光照［20］、營養(yǎng)鹽的可利用性等直接或間接地影響藍藻種群的細胞密度、種群組成、垂直分布、生命周期等.Hansson研究表明，在深水湖泊中微囊藻的復蘇大部分發(fā)生在淺水區(qū)域［21］.Tsujimura等對日本Biwa湖的研究發(fā)現(xiàn)，深水湖灣的底泥中群體微囊藻的數(shù)量多于淺水區(qū)，且深水區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)群體微囊藻的季節(jié)變動［11］.在低溫和低光照的耦合環(huán)境中，越冬期微囊藻依靠消耗前期積累的糖原和PHB以維持其代謝活動［22］.目前，對深水－亞深水型湖泊藻類復蘇和藍藻水華形成過程的研究遠落后于淺水湖泊，需加強系統(tǒng)性研究.本文選取貴州省紅楓湖這一典型的季節(jié)性分層的亞深水型湖泊開展越冬藻類的研究，旨在深化對亞深水型湖泊越冬藻類的空間分布規(guī)律以及復蘇機制和控制因素的認識.

1 材料與方法

1.1 采樣點選擇

紅楓湖是烏江支流貓?zhí)犹菁夐_發(fā)的人工湖，屬峽谷斷陷盆地的河道型水庫(圖1)，也是貴陽城市供水的重要水源地，水面面積57.2 km2，平均水深10.5 m.低緯度和高海拔，加之急劇變化的區(qū)域氣候對水體季節(jié)性分層的湖泊環(huán)境系統(tǒng)帶來突發(fā)性影響［23－24］.近年來，紅楓湖突發(fā)性水質惡化事件時有發(fā)生，局部藻類水華嚴重，富營養(yǎng)化問題日益突出.本次共計布設9個采樣點(圖1)，分別為三岔河(1#)、大崗(2#)、南湖中部(3#)、后五(4#)、白巖(5#)、大壩(6#)、1256 島(7#)、腰洞(8#)和右二湖灣(9#).

1.2 采樣方法與時間

1.2.1 水體藻類 2010年1－12月，每月中旬在1#～8#點用有機玻璃采水器定量采集1 L水樣，表層水樣采集深度為水面下0.5 m處，底層水樣采集深度為沉積物－水界面以上約1 m處，加入1.5%魯哥試劑后室內靜置24～48 h，用虹吸法將上清液吸去，將濃縮液定容至30 ml，用0.1 ml計數(shù)框進行顯微鏡鏡檢，對各采樣點的藻類組成和數(shù)量進行定量研究.同時，利用YSI水質監(jiān)測儀記錄表層水體溫度.

1.2.2 沉積物藻類 2011年11月，使用抓斗式采泥器在3#、4#、6#和9#點采集表層沉積物，稱取100 g新鮮泥樣用0.2 mm篩子初濾后，用25#浮游植物網過濾，收集浮游植物網中的殘留物，用蒸餾水沖洗4～6次，加入魯哥試劑固定，留待鏡檢.同期采集表層(0.5 m)和底層水體(距底泥約1 m)進行藻類定量研究.

1.2.3 藻類培養(yǎng)實驗 分別取3#、4#、6#和9#點所采集的新鮮底泥樣品500 g，置于2.5 L廣口瓶內，加入2 L BG－11培養(yǎng)基進行連續(xù)培養(yǎng).實驗設溫度和光強兩種處理，培養(yǎng)溫度:15、20和25℃，連續(xù)光照，光照強度30 μ/(Em2·s);培養(yǎng)溫度為15、20和25℃，黑暗培養(yǎng).每個溫度停留時間為7 d.

圖1 紅楓湖采樣點位置Fig.1 Location of sampling sites in Lake Hongfeng

2 結果與分析

2.1 紅楓湖水體藻類的季節(jié)變化特征

紅楓湖地處亞熱帶濕潤性季風氣候區(qū)，冷暖氣流交替強烈，高原季風氣候明顯.2010年紅楓湖表層水體的平均溫度在9.7～28.1℃之間，冬季(12、1和2月)水溫在9.7～12.6℃之間，為全年溫度最低的時期.夏季(6、7 和8 月)水溫最高，在21.3 ～28.1℃之間.秋季水溫均值為 20.3℃，略高于春季(17.4℃).紅楓湖水溫的季節(jié)變化對湖泊藻類的演替產生著重要影響.

紅楓湖水體藻類具有明顯的季節(jié)性演化的特征，秋季初期藻類種群密度最大，其次是春季初期和夏季，這與太湖等淺水湖泊藻類復蘇及暴發(fā)的演化特征有所不同［25－26］.紅楓湖表層水體藻類種群密度為藍藻?綠藻＞硅藻＞甲藻，藍藻為紅楓湖優(yōu)勢門類.2010年2月，藍藻、綠藻以及甲藻數(shù)量均出現(xiàn)峰值，這一時期湖區(qū)天氣轉晴，充足的光照條件為藻類的復蘇提供了有利條件.夏季被認為是藍藻水華最容易形成和暴發(fā)的時期［2］，但是紅楓湖藍藻種群密度在夏季為全年最低值.2010年7月硅藻種群密度顯著增加，綠藻和甲藻種群密度也有不同程度的增長，不同藻類在相同光照和營養(yǎng)鹽等條件下競爭生存空間，顯然藍藻在夏季競爭中處于劣勢，種群密度顯著降低(圖2).

圖2 紅楓湖表層水體藻類的年際變化Fig.2 Annual variations of algae in surface water in Lake Hongfeng

2010年9月，紅楓湖表層水體藍藻種群密度劇增至54.2×106cells/L，占藻類總量的97.8%，成為絕對優(yōu)勢種屬.同期，硅藻種群密度與前一個月相比也有一定程度的增長.藻類種群密度之所以在秋季初期出現(xiàn)大幅度的變化，與紅楓湖水體季節(jié)性分層結構的演化密切相關.按照Lewis基于緯度(進行了海拔校正)和水深的湖泊分類方案［27］，紅楓湖屬于暖單次混合型－暖多次混合型湖泊.湖泊水體的季節(jié)性分層歷經發(fā)生、發(fā)展和消亡等周期性演化階段，秋季初期驟然變化的氣候引發(fā)水體熱分層消亡，造成湖泊水體的垂向對流混合，導致大量的營養(yǎng)鹽從沉積物中釋放出來，增加了水體中藻類可利用的營養(yǎng)鹽含量［17－18］.同時，沉降到湖底的藻類借助水體交換上浮到湖泊表層，在溫度、光照和營養(yǎng)鹽條件的配合下大量生長.從藻類種群看，夏季藍藻種群密度呈現(xiàn)為全年的低值，而在季節(jié)性分層消亡時期，其種群密度驟然增加，數(shù)量遠遠超過硅藻和綠藻，一躍變?yōu)閮?yōu)勢種.底層浮游藻類和表層沉積物中賦存的藻類在秋季被水體對流交換至表層水體后為表層水體藻類的大量生長提供了基礎，其中藍藻生長的溫度閾值(12.5℃)雖略高于綠藻和硅藻(9℃)，但藍藻在恢復活性后的比生長速率最高［28］.冬季較低的氣溫對藻類生長并不十分有利，但是秋初湖泊分層混合增加了水體中藻類可利用營養(yǎng)鹽的含量，因此，藍藻、綠藻和硅藻等種群密度在冬季長期維持在較高的水平.

2.2 紅楓湖越冬藻類在水體中的分布特征

紅楓湖水體中的越冬藻類以藍藻為主，其次是硅藻和綠藻，甲藻和金藻等數(shù)量較少(圖3).冬季藻類在水體中的分布存在空間差異.從水平分布看，不同湖區(qū)藻類的種群密度和組成顯著不同，其中右二湖灣藻類種群密度最大，其次是南湖中部、后五和大壩湖區(qū).藻類種群密度沿水流方向呈現(xiàn)由高到低的分布特征，揭示了南湖入湖河流是紅楓湖最重要的污染物來源，其水體所富含的氮、磷為湖泊藻類的生長提供了重要營養(yǎng)基礎.

圖3 紅楓湖冬季4個湖區(qū)表層和底層水體中藻類的分布Fig.3 Distribution of algae in surface and bottom water in four lake areas，Lake Hongfeng

從垂向分布看，紅楓湖的水深(6～30 m)對水體中藻類的種群密度及組成沒有顯著影響，相同湖區(qū)表層和底層水體中的藻類種群密度和組成相近.藻類在垂向上的均勻分布是紅楓湖水體秋初時期分層混合所致，強烈的垂向對流造成湖泊水體溫度梯度消失、溶解氧降低、電導率升高［19］，與此同時，藻類等浮游植物在擾動條件下被動均勻分布在水體中，種群密度在一段較長的時間內維持相對穩(wěn)定的狀態(tài).但是，湖泊水體季節(jié)性分層結構的穩(wěn)定性與水深、氣象、水文條件以及湖泊形態(tài)等多種因素有關［27］.紅楓湖為亞深水型湖泊，其季節(jié)性分層的周期性演化影響著藻類浮游植物的生命過程和空間分布.

2.3 紅楓湖越冬藻類在沉積物中的分布特征

孔繁翔等［2］和閻榮等［12］提出藍藻水華發(fā)生的四階段論，即下沉和越冬(休眠)、復蘇、生物量增加、上浮聚集并形成水華，指出沉積物是藻類越冬的重要場所，水華在短期內形成與底泥中的藍藻復蘇及其上升密切相關.與水柱中不同，紅楓湖沉積物中的越冬藻類以綠藻和硅藻為主，藍藻數(shù)量較少，底泥環(huán)境與水柱環(huán)境的差異導致了藻類種群分布的差異.與淺水湖泊相比，紅楓湖沉積物－水界面附近光強更低，在沉積物－水界面附近低溫黑暗的環(huán)境條件下，越冬藻類處于衰亡和休眠狀態(tài)，生命代謝活動基本停止.紅楓湖4個監(jiān)測點表層沉積物均含有一定數(shù)量的藻類浮游植物，綠藻中的單角盤星藻具孔變種是沉積物中種群密度最大的越冬藻類，其次是硅藻中的肘狀針桿藻和脆桿藻，藍藻種類有假魚腥藻和湖絲藻兩種，種群密度較小(表1).

表1 冬季紅楓湖表層沉積物中的藻類組成Tab.1 Algae composition of surface sediments in winter at Lake Hongfeng

從空間分布來講，紅楓湖沉積物越冬藻類種群密度與組成存在空間差異，大壩湖區(qū)沉積物越冬藻類的種群密度為46.5×104cells/g，其中硅藻中的肘狀針桿藻種群密度為21.8×104cells/g，綠藻中的單角盤星藻具孔變種種群密度為11.1×104cells/g，均明顯高于其他三個湖區(qū).后五、南湖中部和右二湖灣沉積物越冬藻類的種群密度分別為6.0×104、3.8×104和1.0×104cells/g.藻類種群密度在沉積物中的分布與沉積物污染程度有關［2］，紅楓湖底泥有機碳、總磷和總氮的平均含量分別為3.20%、0.12%和0.31%，污染程度嚴重的大壩和后五湖區(qū)三者平均含量分別超過了5.00%、0.25%和0.50%［24］，同時兩湖區(qū)的藻類種群密度也最大.

越冬藻類在沉積物中的分布受水柱中藻類分布的影響.冬季，水柱中的藻類在活性降低后沉降到沉積物表面，是沉積物越冬藻類的主要來源.同時，水體中的氮、磷營養(yǎng)鹽通過顆粒吸附沉降至沉積物表層，經過礦化等早期成巖作用在沉積物中累積，水體和沉積物的營養(yǎng)水平共同影響著藻類的生存環(huán)境.對深水湖泊而言，水深同樣影響沉積物中越冬藻類的種群密度.與淺水湖泊相比，紅楓湖沉積物－水界面光照強度低，底層水體季節(jié)性缺氧［19］，從而對藻類光合作用活性以及死亡后藻類的腐化分解產生影響.從藻類組成來看，沉積物越冬藻類的種類明顯少于同期水柱中的藻類，僅有部分具有耐低溫的生理學特征的硅藻以及綠藻門的一些種在紅楓湖沉積物越冬藻類中種群密度比較高.

2.4 溫度和光照對藻類復蘇的影響

沉積物越冬藻類的復蘇為水柱中藻類的生長提供種源［13－15，29］.多數(shù)湖泊中藍藻的復蘇均表明底泥提供的藍藻只占水體中最大生物量的0.05%～5%［15，30］.即使如此，模型研究表明如果忽略沉積物越冬藍藻的復蘇，夏季的水華會減少50%的生物量［31］.由此可見，沉積物中越冬藻類的復蘇對于春季藻類的生長和暴發(fā)起到關鍵作用.

模擬實驗表明，水體中的光照條件會對藻類生長產生重要的影響.在溫度和營養(yǎng)鹽濃度等均相同的情況下，大壩和后五沉積物黑暗條件培養(yǎng)出的藻類種群密度均遠遠低于光照條件培養(yǎng)出的藻類種群密度(圖4).以大壩沉積物為例，在15℃、光照條件下培養(yǎng)出的藻類種群密度為113.6×104cells/L，15℃、黑暗條件培養(yǎng)出的藻類種群密度僅為16.2×104cells/L.

圖4 不同溫度、光照條件下紅楓湖不同湖區(qū)沉積物中藻類的復蘇Fig.4 Recruitment of algae in sediments under different temperature and light conditions，Lake Hongfeng

除光照條件外，溫度是影響藻類生長至關重要的因素［2］.在15℃培養(yǎng)條件下后五沉積物中的越冬藻類已恢復了相當?shù)幕钚?，培養(yǎng)基中藻類的種群密度已達到9.8×104(黑暗培養(yǎng))和23.0×104(光照培養(yǎng))cells/L(圖4).在此基礎上升溫至20℃繼續(xù)培養(yǎng)一周后發(fā)現(xiàn)，藍藻種群密度有所升高，而硅藻和綠藻種群密度均明顯降低.這與前人報道基本一致，即藍藻在 11.5 ～15℃ 開始復蘇，在 18 ～20℃ 達到復蘇的最大量［22，25－26］.大壩沉積物的培養(yǎng)結果略有不同，無論在光照或者黑暗條件下，硅藻的種群密度始終遠高于綠藻和藍藻.這與賦存在大壩沉積物中越冬藻類種群密度和組成有關.大壩沉積物中越冬藻類的種群密度雖然高達46.5×104cells/g，但是基本不含藍藻，而硅藻數(shù)量占沉積物藻類總量的74.7%.

3 結論

1)紅楓湖表層水體藻類種群密度藍藻?綠藻＞硅藻＞甲藻，藍藻為紅楓湖優(yōu)勢門類.藻類種群密度秋季初期最大，其次是春季初期和夏季，具有明顯的季節(jié)性演化特征.越冬藻類以藍藻為主，其次是硅藻和綠藻，水深對水體中藻類的種群密度及組成沒有顯著影響.

2)越冬藻類的種群密度在沉積物中的分布與沉積物污染程度有關，污染嚴重的大壩沉積物越冬藻類的種群密度遠高于其他湖區(qū).模擬實驗表明，水體中的光照條件對藻類的復蘇和生長產生重要的影響，溫度和沉積物越冬藻類的種群密度與組成同樣影響藻類的復蘇.

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