藻類監(jiān)測在高郵湖藍(lán)藻水華可能性分析中的應(yīng)用

蔣如東1 朱曉良 劉 平

(1.江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，江蘇 無錫 214031；2.江蘇省水文水資源勘測局揚(yáng)州分局，江蘇 揚(yáng)州 225000)

在水體富營養(yǎng)化研究中，對(duì)浮游藻類的調(diào)查尤其是藍(lán)藻水華的研究一直具有重要意義。富營養(yǎng)化水體在水溫、氣溫、光照、流速等外界條件適宜的情況下，可能形成并暴發(fā)藍(lán)藻水華。國內(nèi)許多科研人員對(duì)不同區(qū)域湖泊中的浮游藻類已開展了眾多研究，但對(duì)高郵湖的浮游藻類監(jiān)測報(bào)道還很少。

高郵湖不僅是入江水道的重要調(diào)蓄湖泊，也是高郵市的重要水源地，又是國家南水北調(diào)工程的重要組成部分。其水質(zhì)營養(yǎng)狀況、藻類種群特征以及是否會(huì)暴發(fā)藍(lán)藻水華成為當(dāng)前關(guān)注的重要問題。因此，開展高郵湖浮游藻類調(diào)查、營養(yǎng)程度評(píng)價(jià)，分析藻類種群結(jié)構(gòu)變化的影響因子，探討水華預(yù)防控制措施，具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)和采樣時(shí)間

根據(jù)高郵湖形態(tài)、水文以及湖內(nèi)漁業(yè)狀況，設(shè)置了4個(gè)采樣點(diǎn)，分別為界首(G1)、馬棚(G2)、水位站(G3)和郭集(G4)，見圖1。采樣時(shí)間為2013年5月至2015年5月，每個(gè)季度采集1次。

圖1 湖泊采樣點(diǎn)示意圖

1.2 浮游藻類的采集與鑒定

采集水體表層0.5m處1L水樣，加魯哥試劑固定，靜置沉淀48h后濃縮至30mL。取0.1mL樣品放入浮游藻類計(jì)數(shù)框內(nèi)鏡檢，根據(jù)圖譜進(jìn)行分類鑒別，并計(jì)算出浮游藻類細(xì)胞個(gè)數(shù)。

1.3 水體理化指標(biāo)的測定

環(huán)境因子的取樣測定與浮游藻類樣品的采集同步進(jìn)行，水溫(T)、溶解氧(DO)、透明度(SD)現(xiàn)場測定，pH值采用《水質(zhì) pH值的測定 玻璃電極法》(GB/T 6920—1986)測定，氨氮(NH3-N)采用《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測定，高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)采用《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測定》(GB/T 11892—1989)測定，總氮(TN)采用《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測定，總磷(TP)采用《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB/T 11893—1989)測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用CANOCO4.5進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)，并用CANODRAW繪制排序圖。分析過程中將浮游藻類數(shù)量進(jìn)行l(wèi)g(X+1)轉(zhuǎn)換，各環(huán)境因子也都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 水體理化指標(biāo)

2013年5月至2015年5月，高郵湖水溫隨季節(jié)變化非常明顯，最高水溫出現(xiàn)在2013年8月，為31.9℃，最低水溫出現(xiàn)在2014年2月，為1.3℃，平均水溫為17.5℃。透明度常年低于0.50m，透明度平均值為0.30m。高郵湖為典型的平原淺水型湖泊，水體透明度常年變化不大。高郵湖水體pH值變化范圍為7.95～8.32，平均值為8.22，為弱堿性水質(zhì)，水質(zhì)pH值變化不大。高郵湖水質(zhì)各指標(biāo)結(jié)果見表1。

高郵湖水體溶解氧含量較高，溶解氧范圍在6.76～11.34mg/L之間，平均為8.55mg/L，水質(zhì)評(píng)價(jià)為Ⅰ～Ⅱ類；高錳酸鹽指數(shù)范圍為3.9～4.6mg/L，平均為4.3mg/L，水質(zhì)評(píng)價(jià)為Ⅱ～Ⅲ類；氨氮在0.073～0.273mg/L之間，平均為0.122mg/L，水質(zhì)評(píng)價(jià)為Ⅰ～Ⅱ類；磷是藻類生長必需元素之一，是影響水體初級(jí)生產(chǎn)力的重要因素，水體中磷含量過高，會(huì)導(dǎo)致富營養(yǎng)化，使水質(zhì)惡化，高郵湖TP濃度變化較小，在0.042～0.053mg/L之間，平均為0.046mg/L。高郵湖水體水質(zhì)常年較為穩(wěn)定，綜合評(píng)價(jià)為Ⅲ類，營養(yǎng)化指數(shù)在55.2～57.9，平均為56.8，高郵湖水體總體屬于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。

表1 高郵湖各月水質(zhì)

2.2 浮游藻類種屬構(gòu)成

2013年5月至2015年5月高郵湖4個(gè)站點(diǎn)共檢出浮游藻類8門71屬153種。各門藻類種屬數(shù)依次為綠藻門(Chlorophyta)25屬62種，硅藻門(Bacillariophyta)17屬35種，藍(lán)藻門(Cyanophyta)14屬22種，裸藻門(Euglenophyta)5屬21種，隱藻門(Cryptophyta)2屬4種，黃藻門(Xanthophyta)2屬3種，甲藻門(Pyrrophyta)2屬2種，金藻門(Charophyta)4屬4種。綠藻(40.5%)是高郵湖水體浮游藻類的優(yōu)勢種群，所占比例最高，其次為硅藻(22.9%)、藍(lán)藻(14.4%)，其他種類較少，見表2。

表2 高郵湖浮游植物種類組成

高郵湖水體中綠藻主要由小球藻屬、四角藻屬、纖維藻屬、月牙藻屬、卵囊藻屬、柵藻屬和弓形藻屬組成；硅藻主要由直鏈藻屬、小環(huán)藻屬、脆桿藻屬、舟形藻屬、菱形藻屬和肋縫藻屬組成；藍(lán)藻主要由魚腥藻屬、偽魚腥藻屬、平裂藻屬和顫藻屬組成；裸藻主要由鱗孔藻屬、扁裸藻屬和囊裸藻屬組成；隱藻主要由尖尾藍(lán)隱藻和嚙蝕隱藻組成；金藻主要由北方金杯藻和分歧椎囊藻組成；黃藻主要由小型黃絲藻組成。

隨著季節(jié)變化，綠藻和藍(lán)藻種類變化顯著，綠藻在2月種類最少；藍(lán)藻在8月顯著增加，隨后逐漸減少，2月至最低；硅藻和裸藻等其他藻類種類隨季節(jié)變化不大。不同采樣點(diǎn)的變化趨勢一致，種類數(shù)量均于2月降至最低。

2.3 浮游藻類藻細(xì)胞密度變化

2013年5月至2015年5月，高郵湖浮游藻類總藻細(xì)胞密度的變化范圍在505萬～697萬cells/L。夏季(8月)最多，2月、5月和11月變化趨勢平穩(wěn)，見表3。

表3 2013年5月至2015年5月高郵湖浮游植物數(shù)量及生物量

高郵湖浮游藻類不僅總藻細(xì)胞密度有季節(jié)差異，各個(gè)門類的藻細(xì)胞密度也隨季節(jié)變動(dòng)，綠藻和硅藻不僅在種屬構(gòu)成上占優(yōu)勢，在細(xì)胞密度上也占很大比例。在細(xì)胞密度上綠藻最多，綠藻年度變化相對(duì)平穩(wěn)，8月略有下降；藍(lán)藻在8月大幅度上升，其余月份很少；硅藻作為高郵湖中的主要藻種，細(xì)胞密度8月、11月略有降低，2月上升，與綠藻數(shù)量相當(dāng)；裸藻的細(xì)胞密度年度變化不大，僅在2月略有下降；隱藻在8月、11月略有上升，其余月份較少；黃藻、甲藻和金藻細(xì)胞密度相對(duì)較少，出現(xiàn)頻率也較小。

2.4 浮游藻類的多樣性分析

2013年5月至2015年5月期間高郵湖浮游藻類的香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)(H′)和Pielou均勻度指數(shù)(J)年度變化趨勢平緩，多樣性指數(shù)均大于3.0，均勻度指數(shù)均大于0.7，表明群落種類組成的穩(wěn)定程度及其數(shù)量分布均勻程度較高。

2.5 浮游藻類和環(huán)境因子的CCA排序分析

根據(jù)浮游藻類出現(xiàn)頻度和相對(duì)密度，選取了21種(屬)浮游藻類用于CCA分析，浮游藻類的代碼見表4。

表4 CCA分析中浮游藻類種類代碼

圖2反映了高郵湖浮游藻類群落與環(huán)境因子間的關(guān)系，從排序圖上明顯反映出浮游藻類對(duì)環(huán)境條件的不同適應(yīng)特點(diǎn)。排序圖中環(huán)境因子軸與物種排序軸之間的相關(guān)系數(shù)為0.995和0.942；兩個(gè)物種排序軸近似垂直；兩個(gè)環(huán)境排序軸間的相關(guān)系數(shù)都為0，說明排序軸與環(huán)境因子間線性結(jié)合的程度較好地反映了物種與環(huán)境之間的關(guān)系，排序結(jié)果是可靠的[11]。

圖2 高郵湖浮游藻類主要屬(種)與環(huán)境因子的雙軸排序圖

從箭頭的連線長度可以看出選取的8個(gè)環(huán)境因子對(duì)浮游藻類都有一定程度的影響。大部分的藻都集中在軸心，受環(huán)境因子綜合影響；綠藻中除了弓形藻屬外均與高錳酸鹽指數(shù)和透明度呈負(fù)相關(guān)，與其他環(huán)境因子關(guān)系不明顯；藍(lán)藻中的偽魚腥藻屬和色球藻屬與水溫和pH值的正相關(guān)性較明顯，魚腥藻屬和顫藻屬與總氮正相關(guān)性顯著；尖尾藍(lán)隱藻屬和隱藻屬與氨氮和高錳酸鹽指數(shù)正相關(guān)。總體來看：除了氨氮對(duì)浮游藻類群落的分布影響略小外，其余環(huán)境因子對(duì)高郵湖浮游藻類群落分布都有較明顯的影響，其中水溫和總氮是影響藍(lán)藻生長的主要影響因子；根據(jù)圖3、圖4發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻的生長和水溫、總氮的變化趨勢相一致，印證了水溫和總氮是高郵湖影響藍(lán)藻生長的主要因子。

2.6 藍(lán)藻水華可能性分析

能夠形成水華的藻類最主要的是藍(lán)藻門的種類，其中最常見的有微囊藻、魚腥藻、顫藻、平裂藻、束絲藻等。藍(lán)藻水華的形成一般是由藍(lán)藻本身的生理特點(diǎn)以及溫度、光照、營養(yǎng)鹽、其他生物等諸多因素所引發(fā)的。

圖3 高郵湖藍(lán)藻生長與水溫的關(guān)系

圖4 高郵湖藍(lán)藻生長與總氮的關(guān)系

總氮、總磷等營養(yǎng)元素較為充足，適宜的溫度和光照條件下，水華指示藍(lán)藻成為水體中浮游藻類優(yōu)勢種，風(fēng)速和水流流態(tài)適于藍(lán)藻聚集，在這些特定的環(huán)境條件下易出現(xiàn)水華。

高郵湖共檢出藍(lán)藻14屬22種，種屬構(gòu)成比例見表5。顫藻屬、魚腥藻屬和色球藻屬(均為13.6%)所占比例最高，其次為微囊藻屬和平裂藻屬(均為9.1%)，其他種類所占比例較小。

表5 高郵湖藍(lán)藻種群構(gòu)成

藍(lán)藻種類數(shù)以8月最多，達(dá)18種，其次分別是5月、11月、2月，分別為8種、5種、2種。湖泊偽魚腥藻作為高郵湖藍(lán)藻的優(yōu)勢種，細(xì)胞密度在0～104萬cells/L之間，8月達(dá)高峰值。其他出現(xiàn)頻率較高的有阿氏顫藻、固氮魚腥藻、卷曲魚腥藻等。常見的水華指示藍(lán)藻種類如微囊藻屬和依沙束絲藻等，在監(jiān)測期內(nèi)的藻細(xì)胞密度和出現(xiàn)頻率都較低，產(chǎn)毒素藍(lán)藻中卷曲魚腥藻細(xì)胞密度在8月為36萬cells/L。

對(duì)高郵湖藍(lán)藻生長進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析的結(jié)果見表6，藍(lán)藻藻密度與水溫(p=1.0)、總氮(p=0.990)具有高的正相關(guān)性，與氨氮(p=-0.079)具有低的負(fù)相關(guān)性。Pearson相關(guān)性分析的結(jié)果與CCA是基本一致的，高郵湖藍(lán)藻的生長主要受到溫度和總氮的影響。

表6 高郵湖藍(lán)藻藻密度與環(huán)境因子Pearson相關(guān)系數(shù)

高郵湖地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，一般冬、春兩季多風(fēng)少雨雪，夏季炎熱多雨，形成了春旱夏澇的自然特點(diǎn)，較少出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，且高郵湖為蓄洪湖泊，夏季蓄水量大，水體流動(dòng)性強(qiáng)，不利于藍(lán)藻的大量積聚繁殖。高郵湖內(nèi)水草生長旺盛，具有良好的水域生態(tài)環(huán)境，可以在一定程度上抑制藍(lán)藻的過量繁殖，對(duì)水質(zhì)也有一定的凈化作用。另外，在南水北調(diào)工程通水后，水體的流動(dòng)性和自凈能力增強(qiáng)，能夠減少藍(lán)藻的聚集。

高郵湖目前的輕度富營養(yǎng)狀態(tài)和過水性湖泊特性決定了其目前暫不具備藍(lán)藻大面積暴發(fā)的可能性。但是，湖泊偽魚腥藻是高郵湖藍(lán)藻的優(yōu)勢種，產(chǎn)毒素藍(lán)藻中的卷曲魚腥藻在高郵湖中有少量檢出，在一些不利的水文和氣象條件下，存在發(fā)生水華的可能性。

3 結(jié) 論

高郵湖共檢出浮游藻類8門71屬153種，細(xì)胞密度變化范圍為505萬～697萬cells/L, CCA分析表明影響高郵湖浮游藻類群落分布的主要環(huán)境因子為水溫、透明度和總氮。高郵湖藍(lán)藻的優(yōu)勢種為湖泊偽魚腥藻，其輕度富營養(yǎng)狀態(tài)和過水性湖泊特性決定了高郵湖目前暫不具備藍(lán)藻大面積暴發(fā)的可能性，當(dāng)水體流動(dòng)性較低且水溫超過25℃，藍(lán)藻藻密度超過1000萬cells/L時(shí)存在發(fā)生水華的可能性。