吉林龍灣國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)大龍灣瑪珥湖水華爆發(fā)成因初探

陽 濤，張超凡，何春光，孫立國，盛連喜

(1.東北師范大學(xué)國家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130117；2.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130033；3.吉林龍灣國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，吉林 通化 135102)

吉林龍灣國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于長(zhǎng)白山北麓龍崗山脈中段，山脈中分布的火山群是世界上瑪珥湖較多的區(qū)域之一，可能形成于中更新世至早全新世的瑪珥式火山爆發(fā)[1]，其中大龍灣是龍崗山脈瑪珥湖群中面積最大的一個(gè)瑪珥湖.由于瑪珥湖的湖水一般比較深，深度與湖面積的比值較一般湖泊要大，并且瑪珥式火山噴發(fā)形成的環(huán)狀火山口壁，使得瑪珥湖形成封閉湖體，受外界環(huán)境干擾(風(fēng)浪、徑流輸入等)較弱，易形成穩(wěn)定水體[2].深水的物理、化學(xué)條件，長(zhǎng)時(shí)間的水體滯留，以及底棲生物難以生存的缺氧環(huán)境，使得瑪珥湖適于紋層的發(fā)育和保存[3]，是紋層、年代學(xué)和氣候環(huán)境演化等多個(gè)方面的重要研究載體[1].近幾十年來，中外地質(zhì)學(xué)家對(duì)東北龍崗火山群瑪珥湖進(jìn)行了大量的研究[4-6]，是中外地質(zhì)學(xué)、古氣象學(xué)以及氣候變化學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)研究對(duì)象[7-8].自2018年開始，龍崗山脈中的瑪珥湖群中最大的一個(gè)瑪珥湖大龍灣開始出現(xiàn)水華現(xiàn)象，但大龍灣瑪珥湖的相關(guān)水生態(tài)研究尚未見報(bào)道.瑪珥湖水華過程及其水生態(tài)的研究不僅對(duì)保護(hù)瑪珥湖具有科學(xué)指導(dǎo)意義，同時(shí)還能為瑪珥湖的地質(zhì)學(xué)、古氣象學(xué)以及氣候變化學(xué)研究提供參考佐證數(shù)據(jù)[1，9]，因此，本文在2018年大龍灣水華爆發(fā)期間對(duì)大龍灣及其近鄰三角龍灣進(jìn)行了浮游植物群落結(jié)構(gòu)以及相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的調(diào)查研究，以為龍灣國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)瑪珥湖群的管理保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù).

1 區(qū)域概況和研究方法

吉林龍灣國家自然保護(hù)區(qū)位于吉林省通化市輝南縣境內(nèi)，其東部、南部以龍崗山山脊為界與靖宇縣、柳河縣相鄰，西部和北部與輝南森林經(jīng)營局接壤，地理位置為東經(jīng)126°13′55″～126°32′02″、北緯42°16′20″～42°26′57″，是世界上瑪珥湖較多的區(qū)域之一[10].研究區(qū)內(nèi)大龍灣和三角龍灣是保護(hù)區(qū)最典型的兩個(gè)瑪珥湖(見圖1).大龍灣與三角龍灣地理位置相近，海拔相差僅80 m，所處環(huán)境相似具有較好的對(duì)比性，因此本研究選擇三角龍灣作為同期對(duì)照與水華爆發(fā)期的大龍灣進(jìn)行浮游生物群落結(jié)構(gòu)以及水質(zhì)參數(shù)的對(duì)比研究.

圖1 研究區(qū)位置

本研究分別在2018年6—10月逐月調(diào)查監(jiān)測(cè)了大龍灣和三角龍灣浮游植物的群落結(jié)構(gòu)，以及水體溫度、葉綠素a含量、總氮/總磷含量和電導(dǎo)率.由于火口湖水深-表面積比值較大，且前期的調(diào)查發(fā)現(xiàn)湖面水平方向上的水質(zhì)參數(shù)差異較小，但隨水深的垂直差異較大，因此分別在大龍灣和三角龍灣湖中心位置在隨水深的垂直方向上布設(shè)采樣點(diǎn).使用1 L有機(jī)玻璃采水器在水深的垂直方向上分層采樣.使用Hydrolab DS5X-MS5 多功能水質(zhì)探頭測(cè)定每一層水樣的溫度、葉綠素a含量和電導(dǎo)率；采用過硫酸鉀-紫外分光光度法測(cè)總氮含量，采用鉬銻抗分光光度法測(cè)總磷含量.浮游植物定性樣品用孔徑約0.064 mm的25號(hào)浮游生物網(wǎng)在水面下約0.5 m處以適當(dāng)?shù)乃俣取啊蕖弊中蝸砘赝蟿?dòng)1～3 min進(jìn)行采集，樣品使用魯哥氏液固定；浮游植物定量樣品用5 L有機(jī)玻璃采水器進(jìn)行采集，1.5%的魯哥氏液固定，靜置沉淀24 h 后，用虹吸管吸取上層清液，余下20～25 mL沉淀物轉(zhuǎn)移至30 mL定量瓶中；浮游生物樣品的鑒定使用OLMPUSDP73型光學(xué)顯微鏡以及杭州訊數(shù)科技浮游生物鑒定計(jì)數(shù)系統(tǒng)，參照《淡水浮游生物圖譜》[11]進(jìn)行鑒定和計(jì)數(shù).

2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化

圖2 水華爆發(fā)期間總藻類細(xì)胞密度對(duì)比

從總的藻類細(xì)胞密度來看(見圖2)，大龍灣6—10月浮游植物總藻類細(xì)胞密度分別為：2.86，25.02，27.86，24.15，6.35萬個(gè)/L；從6月到7月總藻類細(xì)胞密度從1萬個(gè)/L數(shù)量級(jí)上升至10萬個(gè)/L，并且持續(xù)到9月份，直到10月份降低至1萬個(gè)/L數(shù)量級(jí).三角龍灣6—10月浮游植物總藻類細(xì)胞密度分別為：0.16，0.59，0.59，0.36，0.82萬個(gè)/L.大龍灣7—9月的藻類細(xì)胞密度比三角龍灣同期高2個(gè)數(shù)量級(jí).

浮游植物優(yōu)勢(shì)度數(shù)據(jù)(見表1)表明，大龍灣增殖的藻類細(xì)胞主要由單一的綠藻門的鼓藻屬(Cosmarium)(見圖3)構(gòu)成.大龍灣6—10月浮游植物群落均以綠藻門的鼓藻屬為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)屬，在7—9月份優(yōu)勢(shì)度高達(dá)0.9以上，在6月和10月也分別達(dá)到了0.83和0.70；而三角龍灣各月均以硅藻門的小環(huán)藻屬(Cyclotella)優(yōu)勢(shì)度最高.因此判斷本次大龍灣爆發(fā)的水華是由綠藻門的鼓藻屬(Cosmarium)大量增殖導(dǎo)致的.

表1 水華爆發(fā)期間浮游植物優(yōu)勢(shì)度對(duì)比

圖3 導(dǎo)致大龍灣水華爆發(fā)的鼓藻(Cosmarium)的顯微照片

3 水質(zhì)參數(shù)對(duì)比

三角龍灣2018年6—9月各個(gè)水層的葉綠素a含量均在5 μg/L以下；而大龍灣2018年6—9月各個(gè)水層的葉綠素a含量隨深度的增加變化較大，在水深10～15 m范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，分別為：35.14，53.56，45.37和57.92 μg/L.葉綠素a在垂直方向上的分布特征反映了湖泊中藻類在垂直面上的分布特征，從葉綠素a垂直分布的峰值來看，此次大龍灣水華爆發(fā)發(fā)生在10～15 m水層(見圖4).

三角龍灣2018年6—9月各個(gè)水層的電導(dǎo)率均在0.08～0.11 mS/cm之間，其電導(dǎo)率在時(shí)空上較為均勻.而大龍灣電導(dǎo)率隨深度垂直變化較大，大致可以分成兩層：0～25 m水層，電導(dǎo)率隨深度垂直變化較小，各月電導(dǎo)率都基本穩(wěn)定在0.3 mS/cm左右，是三角龍灣水體電導(dǎo)率的3倍左右；25m以下水層，7—9月電導(dǎo)率都在水深25 m以下迅速上升，分別在40 m水層和湖底形成兩個(gè)峰.其中大龍灣8月份電導(dǎo)率最高，在40 m以下水層達(dá)到0.8～0.95 mS/cm，是三角龍灣水體電導(dǎo)率的8～9倍(見圖5).

圖4 水華爆發(fā)期間各水層葉綠素含量a對(duì)比

圖5 水華爆發(fā)期間各水層電導(dǎo)率對(duì)比

大龍灣總氮濃度在2018年的7月(P<0.05)和9月(P<0.01)顯著高于三角龍灣，而8月和10月沒有顯著差異(見圖6).大龍灣7—10月總氮濃度分別為：(0.41±0.10)，(0.53±0.11)，(0.63±0.10)和(0.29±0.07)mg/L，7月和10月達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)Ⅱ 類，8月和9月達(dá)到地表水 Ⅲ 類標(biāo)準(zhǔn)；三角龍灣7—10月總氮濃度分別為：(0.17±0.10)，(0.41±0.14)，(0.22±0.06)和(0.23±0.07)mg/L，其中7月份達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) Ⅰ 類，8—10月達(dá)到 Ⅱ 類.大龍灣和三角龍灣的總磷含量在7—9月沒有顯著差異，其中8—10月大龍灣和三角龍灣總磷含量都達(dá)到地表水 Ⅰ 類標(biāo)準(zhǔn)，7月大龍灣和三角龍灣都屬于 Ⅱ 類.

*P<0.05，差異顯著；**P<0.01，差異極顯著

4 討論與建議

2018年大龍灣爆發(fā)的水華優(yōu)勢(shì)屬是綠藻門的鼓藻屬(Cosmarium)，在水華爆發(fā)期間優(yōu)勢(shì)度高達(dá)0.9以上.一般來說，相對(duì)于硅藻和綠藻，藍(lán)藻往往喜歡較高的水溫(>25℃)[12-13]，而吉林龍灣地區(qū)的瑪珥湖由于緯度和海拔的原因，即使在夏季湖水也很少超過25℃，這可能是大龍灣爆發(fā)的是綠藻水華而不是危害更大的藍(lán)藻水華的原因之一.

總氮含量是衡量湖泊富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)，是藻類增殖的必要條件，大龍灣總氮濃度在7月是三角龍灣總氮濃度的2.4倍，在9月則是三角龍灣的2.9倍.電導(dǎo)率反映了水體中的離子濃度，而藻類的增殖除了需要氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)外，微量元素有時(shí)也會(huì)成為限制因素，而大龍灣水體的電導(dǎo)率是三角龍灣的3～9倍.從水質(zhì)參數(shù)的對(duì)比結(jié)果看，較高的總氮濃度和水體電導(dǎo)率可能是導(dǎo)致大龍灣發(fā)生水華的原因.

雖然當(dāng)前大龍灣爆發(fā)的是綠藻門的鼓藻屬(Cosmarium)水華，沒有導(dǎo)致水體缺氧，也沒有發(fā)生魚類大量死亡的嚴(yán)重后果，但大龍灣水華爆發(fā)期間藻類密度相較于其近鄰三角龍灣要高2個(gè)數(shù)量級(jí)；同時(shí)大龍灣較高的總氮濃度和水體電導(dǎo)率也為大龍灣的水環(huán)境健康埋下了隱患，初次爆發(fā)水華后可能會(huì)逐漸加速湖泊的演替進(jìn)程，因此不能不對(duì)此次水華事件進(jìn)行警惕與重視.建議后續(xù)要定期監(jiān)測(cè)大龍灣水生浮游植物的群落結(jié)構(gòu)，密切關(guān)注其藻類群落結(jié)構(gòu)的演替變化，一方面對(duì)瑪珥湖水生態(tài)健康有重要的指示作用，同時(shí)也可以為后續(xù)開展大龍灣瑪珥湖地質(zhì)學(xué)、古氣象學(xué)以及氣候變化學(xué)研究提供參考佐證數(shù)據(jù).針對(duì)大龍灣較高的總氮濃度和水體電導(dǎo)率，建議要進(jìn)一步研究其水文過程，在明晰其水文過程的基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步闡明其水質(zhì)狀況的成因，進(jìn)而才能“對(duì)癥下藥”，找到改善、緩解大龍灣瑪珥湖水生態(tài)惡化趨勢(shì)的“藥方”.目前建議采取的措施可以考慮以下幾個(gè)方面：減少人為干擾和氮源輸入，科學(xué)管控漁業(yè)活動(dòng)[14]；采取合理的湖泊生態(tài)恢復(fù)的生態(tài)工程[15-16]；建立水源涵養(yǎng)保護(hù)區(qū)，保護(hù)自然濕地生態(tài)系統(tǒng)；重建人工濕地改善區(qū)域水生態(tài)環(huán)境.