基于高頻監(jiān)測(cè)的千島湖湖心藻類時(shí)空變化研究

史鵬程，朱廣偉*，李 未，韓軼才，王裕成，朱夢(mèng)圓，許 海，李慧赟

1. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所千島湖生態(tài)系統(tǒng)研究站，江蘇 南京 210008

2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3. 杭州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310000

4. 杭州市生態(tài)環(huán)境局淳安分局，浙江 杭州 311700

湖泊和水庫是自然界重要的水生態(tài)系統(tǒng)，不僅提供了人類飲用的淡水資源，同時(shí)兼具農(nóng)業(yè)灌溉、漁業(yè)養(yǎng)殖和自然景觀的價(jià)值[1]. 近年來，人為活動(dòng)和全球氣候變暖導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化逐漸加劇，使藻類水華成為全球性的水環(huán)境問題[2-3]，我國大量湖泊也飽受藍(lán)藻水華的影響[4-6]. 水庫與天然湖泊的水動(dòng)力過程差別較大，但同樣面臨藻類水華的威脅[7-8]，并且由于其生態(tài)類型變幅較大(從河口的富營養(yǎng)到壩前的貧營養(yǎng))，往往會(huì)導(dǎo)致水庫水華的多樣性和不確定性[9-10]. 基于此，對(duì)湖泊和水庫定期進(jìn)行藻類的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要.

千島湖又稱新安江水庫，是華東地區(qū)最大的水庫，于2019年9月正式向杭州市區(qū)供水，是整個(gè)長(zhǎng)三角地區(qū)重要的戰(zhàn)略水源地. 然而，近年來千島湖水質(zhì)面臨著諸多威脅，特別是藻類異常增殖引起的水華和透明度下降等問題. Wu等[11]通過長(zhǎng)期采樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)，26年來千島湖壩前水體透明度下降了2.05 m，同時(shí)發(fā)現(xiàn)藻類的增殖是透明度下降的主要影響因素；Huang等[12]發(fā)現(xiàn)，在夏季熱浪的作用下，千島湖庫尾區(qū)可能會(huì)發(fā)生藻類水華；此外，高頻采樣調(diào)查表明，水庫河口區(qū)藻類呈藍(lán)藻逐漸占優(yōu)的趨勢(shì)[13]. 因此，對(duì)千島湖這樣一個(gè)大型飲用水源地型水庫進(jìn)行藻類群落結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)具有極大的戰(zhàn)略意義. 目前，關(guān)于千島湖藻類時(shí)空分布的研究較少，已有研究?jī)H基于水庫關(guān)鍵斷面的逐月監(jiān)測(cè)[14]，缺乏高頻連續(xù)的監(jiān)測(cè). 此外，千島湖湖心區(qū)夏季水體熱分層穩(wěn)定[15]，藻類的垂向分布情況也值得關(guān)注. 研究[16-17]表明，千島湖湖泊區(qū)葉綠素垂向最大值(SCM)普遍在次表層而非表層，然而未進(jìn)一步研究藻類群落結(jié)構(gòu)的垂向分布特征. 綜上，關(guān)于千島湖藻類群落結(jié)構(gòu)的高頻變化和垂向分布特征的研究較為鮮見.

顯微計(jì)數(shù)法是較為傳統(tǒng)和經(jīng)典的浮游植物監(jiān)測(cè)方法，能有效估算水體藻類的密度和生物量，但其依賴人工進(jìn)行采樣，且對(duì)鏡檢人員的水平要求較高. 隨著熒光技術(shù)的發(fā)展，熒光法被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)[18-20].與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比，熒光法具有即時(shí)性和連續(xù)性的優(yōu)勢(shì)，并且不依賴鏡檢人員的專業(yè)水平，人為誤差較小[21-22]. 早期的熒光儀器可以測(cè)得水體總藻類濃度(以葉綠素a表征)和藍(lán)藻生物量(以藻藍(lán)素表征)，并且具備較好的準(zhǔn)確性[21,23-25]，但不能對(duì)藻類的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效觀測(cè). 2002年Beutler等[26]利用不同門藻類所含色素的熒光激發(fā)波長(zhǎng)不同來區(qū)分它們，與高壓液相色譜法(HPLC)相比具有較好的一致性. Gregor等[27]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，藻類熒光分析儀(FluoroProbe，簡(jiǎn)稱“FP”)測(cè)定的水體總藻葉綠素a濃度與分光光度法所得結(jié)果相關(guān)性較高(r=0.97，P＜0.05). Catherine等[28]對(duì)法國50個(gè)湖泊調(diào)查發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)P能較好地估計(jì)大空間尺度上浮游植物生物量和群落結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)浮游植物群落演替的高時(shí)空覆蓋上具有較好前景. 國內(nèi)學(xué)者[29-30]關(guān)于千島湖和白洋淀的調(diào)查也得到相似結(jié)果.綜上，F(xiàn)P具有的即時(shí)性和連續(xù)性等特點(diǎn)，能有效彌補(bǔ)千島湖藻類群落結(jié)構(gòu)高頻變化和垂向分布研究的不足，然而目前國內(nèi)關(guān)于FP及其在深水水庫中準(zhǔn)確性的相關(guān)研究較少.

鑒于此，為探究亞熱帶大型深水水庫藻類群落結(jié)構(gòu)的高頻時(shí)空變化特征，以千島湖為研究對(duì)象，在湖心區(qū)布設(shè)藻類在線監(jiān)測(cè)剖面浮標(biāo)，進(jìn)行為期1年的高頻監(jiān)測(cè)，并結(jié)合氣象水文等條件的變化，探究千島湖藻類群落結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)因素，分析熒光藻類監(jiān)測(cè)儀的準(zhǔn)確性并提供管理上的建議，以期為其他水庫監(jiān)管提供一定參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

千島湖位于浙江省西部與安徽省南部交界的淳安境內(nèi)(29°22′N～29°50′N、118°36′E～119°14′E)，是1959年新安江水電站大壩建成蓄水后形成的深水水庫. 水庫地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，四季分明，年均氣溫約17.3 ℃，年均降水量1 733 mm.水庫水面面積573.33 km2(水位為108 m時(shí))，流域面積超過11 452.5 km2，水庫庫容178.6×108m3，平均水深31 m，最大水深100 m[31].

該研究在千島湖全湖不同位置布設(shè)了6個(gè)國控監(jiān)測(cè)斷面，選取位于湖心區(qū)的國控?cái)嗝?三潭島)為研究對(duì)象. 三潭島全年平均水深超過50 m，夏季水體分層穩(wěn)定[32]，與水庫河流區(qū)相比具有透明度高、流速慢的優(yōu)勢(shì)，與壩前湖泊區(qū)相比營養(yǎng)鹽濃度較高，是最適宜藻類生長(zhǎng)的區(qū)域[33].

1.2 FP工作原理

藻類熒光分析儀(FluoroProbe，德國bbe-Moldaenke公司)使用LED光源發(fā)射6種波長(zhǎng)(分別為370、470、525、570、590和610 nm)的熒光，并利用不同門藻類所含色素的激發(fā)熒光波長(zhǎng)不同從而分辨出4種光譜組[26]，分 別 為“green group”(綠 藻 門 和 裸 藻 門)、“brown group”(硅藻門、金藻門和甲藻門)、“blue group”(藍(lán)藻門)和“red group”(隱藻門)，各門藻類濃度單位為μg/L (以葉綠素a計(jì))，再根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式換算得到水體藻類的細(xì)胞密度(單位為個(gè)/L).

1.3 數(shù)據(jù)獲取

1.3.1高頻藻類數(shù)據(jù)

于2020年5月1日-2021年4月30日在三潭島設(shè)FP剖面浮標(biāo)，該裝置每隔3 h測(cè)量一次，每次深入水下20 m，每0.5 m一個(gè)數(shù)據(jù)，包括水溫、透明度以及4種藻類的葉綠素a濃度和細(xì)胞密度. 數(shù)據(jù)會(huì)保存在儀器中，并通過與之相連的電腦上傳至千島湖藻類剖面原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，定期下載高頻藻類數(shù)據(jù).

1.3.2水質(zhì)數(shù)據(jù)

為了分析藻類時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)因素，在高頻監(jiān)測(cè)的同時(shí)對(duì)三潭島進(jìn)行水質(zhì)調(diào)查. 每月月末(一般為本月最后1周)現(xiàn)場(chǎng)采集三潭島分層水樣，分別為表層(1 m)、次表層(SCM層，現(xiàn)場(chǎng)確定)、中層(現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)水深確定)和底層(泥上1 m)，采集后的水樣冷藏后帶回實(shí)驗(yàn)室用GF/F濾膜過濾，并進(jìn)行相關(guān)水化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定. 此外，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水深和透明度等物理參數(shù).

采集水樣的水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定參考文獻(xiàn)[34]，其中，總氮(TN)采取堿性過硫酸鉀消解、紫外(波長(zhǎng)210 nm)分光光度法測(cè)定，總磷(TP)采取堿性過硫酸鉀消解、鉬銻抗顯色分光光度法(波長(zhǎng)700 nm)測(cè)定. 水樣經(jīng)GF/F濾膜過濾后(濾膜先烘干、稱量)，用105 ℃烘干重量法測(cè)出懸浮顆粒物(SS)質(zhì)量，然后用550 ℃馬弗爐灼燒后再次冷卻稱量，計(jì)算出的剩余灰分則為無機(jī)懸浮顆粒物(ISS)質(zhì)量，SS與ISS質(zhì)量之差為有機(jī)懸浮顆粒物(OSS)質(zhì)量.

1.3.3藻類鏡檢數(shù)據(jù)

為研究FP監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)三潭島進(jìn)行為期1年的逐月人工采樣調(diào)查. 采集SCM層水樣2 L，現(xiàn)場(chǎng)加魯哥試劑固定，帶回實(shí)驗(yàn)室靜置沉降48 h后濃縮至30 mL再進(jìn)行鏡檢.

浮游植物群落結(jié)構(gòu)鑒定時(shí)，用光學(xué)顯微鏡(BX53型，日本OLYMPUS公司)在10×40倍下分類定量計(jì)數(shù)，根據(jù)近似幾何圖形及經(jīng)驗(yàn)體積公式估算出單位體積的生物量，使用鏡檢得到的藻類細(xì)胞密度(cell/L)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析.

1.3.4氣象水文數(shù)據(jù)

千島湖的逐日氣象數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載淳安站(站點(diǎn)號(hào)：58543)歷史數(shù)據(jù)獲得，包括平均氣溫、日總降雨量、日照時(shí)長(zhǎng). 根據(jù)《中華人民共和國水文年鑒》整理得到千島湖上游各水文站(屯溪、漁梁)逐日流量數(shù)據(jù)，二者之和為千島湖新安江流量.

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Pearson相關(guān)性表征藻類和環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系. 差異性分析方面，首先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)性、獨(dú)立性和方差齊性，若同時(shí)滿足則采用單因素方差分析，若不滿足則采用非參數(shù)Kruskal-Wallis檢驗(yàn). 上述統(tǒng)計(jì)分析均在R 4.0.5軟件中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象和營養(yǎng)鹽背景

調(diào)查期間(2020年5月-2021年4月)千島湖氣溫和降雨量的變化情況如圖1所示. 由圖1可見：千島湖是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，全年平均氣溫為18.3 ℃，較歷史平均值(17.3 ℃)稍高；該研究調(diào)查期間全年總降雨量為2 069 mm，高于歷史平均水平，降雨多集中在夏季，6月中旬至7月上旬發(fā)生了連續(xù)的極端降雨事件，伴隨著強(qiáng)降雨同時(shí)也導(dǎo)致氣溫的下降.

調(diào)查期間千島湖總氮(TN)和總磷(TP)濃度的逐月變化情況如圖2所示. 由圖2可見：調(diào)查期間，TN濃度年均值為(0.83±0.06)mg/L，其中，7月(0.94 mg/L)最高，2月(0.75 mg/L)最低，總體上呈2020年5月-2021年4月先下降、再穩(wěn)定，春季再上升的趨勢(shì)；TP濃度年均值為(0.018±0.010) mg/L，其中，7月(0.047 mg/L)最高，11月(0.006 mg/L)最低，TP濃度也呈先升后降再逐漸升高的趨勢(shì). TN和TP濃度的高值均出現(xiàn)在7月，較6月的增幅分別為9.4%和175.9%，表明6月、7月的連續(xù)降雨對(duì)三潭島TP濃度的影響高于對(duì)TN濃度的影響.

2.2 藻類時(shí)空變化特征

2.2.1藻類細(xì)胞密度逐月變化

圖 1 調(diào)查期間千島湖氣溫和降雨量的變化情況Fig.1 Changes of temperature and rainfall in Qiandaohu Reservoir during the survey

圖 2 調(diào)查期間千島湖營養(yǎng)鹽濃度逐月的變化情況Fig.2 Monthly changes of nutrient concentrations in Qiandaohu Reservoir during the survey

調(diào)查期間，千島湖湖心區(qū)(三潭島)共檢出藻類6門46屬，其中綠藻門最多，為20屬，藍(lán)藻門和硅藻門均為9屬. 人工調(diào)查所得藻類細(xì)胞密度逐月變化如圖3所示，藻類細(xì)胞密度年均值為10.7×106個(gè)/L，其中8月藻類細(xì)胞密度(69.7×106個(gè)/L)最高，7月(22.0×106個(gè)/L)次之，11月-翌年3月藻類細(xì)胞密度處在全年較低水平. 從優(yōu)勢(shì)門類來看，春季硅藻門數(shù)量占優(yōu)勢(shì)，夏季和秋季藍(lán)藻門數(shù)量占優(yōu)勢(shì)，冬季硅藻門和隱藻門數(shù)量占優(yōu).

2.2.2藻類細(xì)胞密度周年高頻變化情況

FP剖面浮標(biāo)獲得的三潭島藻類細(xì)胞密度周年(2020年5月-2021年4月)高頻變化情況如圖4所示. 5-10月水溫明顯高于其他月份，并且出現(xiàn)穩(wěn)定的溫度分層，藻類細(xì)胞密度高值也出現(xiàn)在此時(shí). 不同門藻類細(xì)胞密度出現(xiàn)峰值的時(shí)間不同，藍(lán)藻門細(xì)胞密度高值期為6月中旬至10月上旬，其中在7月中旬至9月中下旬水溫最高的時(shí)期出現(xiàn)峰值；硅藻門、甲藻門細(xì)胞密度從4月底開始出現(xiàn)高值，一直持續(xù)到8月初，峰值出現(xiàn)在夏汛結(jié)束的7月下旬；綠藻門細(xì)胞密度高值出現(xiàn)的時(shí)間與藍(lán)藻基本相同，并且一直持續(xù)到9月初；隱藻門細(xì)胞密度與其他幾種藻相比差距較大，全年均小于0.2×106個(gè)/L.

圖 3 千島湖湖心區(qū)(三潭島)藻類細(xì)胞密度逐月的變化情況Fig.3 Monthly variation of algal cell density in the central of Qiandaohu Reservoir

圖 4 千島湖湖心區(qū)(三潭島)各門藻類細(xì)胞密度周年高頻變化情況Fig.4 High frequency annual variation of algal cell density in the central of Qiandaohu Reservoir

季節(jié)上來看，春季硅藻門、甲藻門細(xì)胞密度占優(yōu)勢(shì)；6月中下旬夏季汛期開始后，藍(lán)藻門、硅藻門、甲藻門和綠藻門同時(shí)存在，均占優(yōu)勢(shì)地位；汛期結(jié)束后，8月高溫晴熱天氣下，藍(lán)藻門和綠藻門細(xì)胞密度占優(yōu)勢(shì).

2.2.3藻類垂向分布特征

作為一個(gè)深水水庫，千島湖藻類的垂向分布同樣值得關(guān)注，傳統(tǒng)方法需要耗費(fèi)大量的人力物力，熒光法則能較好地解決此問題. 藻類生長(zhǎng)高峰期(4-8月)各門藻類細(xì)胞密度的垂向分布如圖5所示.由圖5可見：除隱藻門細(xì)胞密度較低無法觀測(cè)出峰值外，其余各門藻類具有明顯的垂向峰值. 其中，4月總藻細(xì)胞密度峰值出現(xiàn)在水下3.5 m，各門藻類〔除綠藻外(水下3.0 m)〕無明顯的峰值；5月總藻細(xì)胞密度峰值也出現(xiàn)在水下3.5 m，硅藻門、甲藻門細(xì)胞密度峰值出現(xiàn)在水下3.0 m；6月總藻細(xì)胞密度峰值出現(xiàn)在水下4.0 m，綠藻門、藍(lán)藻門以及硅藻門、甲藻門的細(xì)胞密度峰值分別出現(xiàn)在水下1.0、6.0和4.5 m處；7月總藻細(xì)胞密度峰值在水下3.5 m，綠藻門、藍(lán)藻門以及硅藻門、甲藻門細(xì)胞密度峰值分別出現(xiàn)在水下1.5、4.0和4.0 m處. 8月總藻細(xì)胞密度峰值在水下4.5 m，綠藻門、藍(lán)藻門以及硅藻門、甲藻門峰值分別在水下1.5、5.0和5.5 m處.

綜上，綠藻門細(xì)胞密度峰值出現(xiàn)在表層，而藍(lán)藻門以及硅藻門、甲藻門的細(xì)胞密度峰值均出現(xiàn)在次表層. 此外，各門藻類數(shù)量在10 m以下基本變化較小.

圖 5 千島湖湖心區(qū)(三潭島)4—8月各門藻類細(xì)胞密度垂向的分布情況Fig.5 Vertical distribution of algal cell density in the central of Qiandaohu Reservoir from April to August in 2020

3 討論

3.1 FP的準(zhǔn)確性分析

對(duì)于新型的藻類監(jiān)測(cè)儀器來說，準(zhǔn)確性是最先需要驗(yàn)證的，對(duì)比人工調(diào)查期間(2020年5月-2021年4月)藻類總量鏡檢值與浮標(biāo)連續(xù)數(shù)據(jù)(見圖6).由圖6可見，從趨勢(shì)上來看，二者具有較好的一致性，均為8月最高，7月次之，冬季藻類細(xì)胞密度較少，4月開始藻類細(xì)胞密度開始升高. 從總量來看，鏡檢測(cè)得藻類細(xì)胞密度年均值為10.67×106個(gè)/L，而FP測(cè)得藻類細(xì)胞密度年均值為5.88×106個(gè)/L. 從各門藻類來看，兩種方法的差異主要是由藍(lán)藻門造成的，特別是8月藍(lán)藻門鏡檢密度(61.90×106個(gè)/L)要遠(yuǎn)高于FP(10.52×106個(gè)/L). 造成該現(xiàn)象的原因，一方面是浮標(biāo)數(shù)據(jù)選取的是水柱0～10 m的藻類細(xì)胞密度平均值，而鏡檢數(shù)據(jù)僅為葉綠素最大層的藻類細(xì)胞密度；另一方面可能是夏季該監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)大量的細(xì)鞘絲藻(Leptolyngbyasp.)，而該藻單細(xì)胞生物量較低，所含總色素含量也較低，因此FP熒光法測(cè)定時(shí)可能會(huì)低估藍(lán)藻的細(xì)胞密度.

結(jié)果表明，F(xiàn)P連續(xù)觀測(cè)與人工逐月監(jiān)測(cè)在趨勢(shì)上存在一致性，但細(xì)胞總量上有差異，尤以藍(lán)藻門的數(shù)量差距最大，這主要是由于綠藻的干擾[23]； 此外，硅藻由于其體積較大，可能也會(huì)存在自遮光效應(yīng)[35].同一個(gè)門中不同屬種的藻，其單細(xì)胞色素含量差異較大，同種藻類在不同生長(zhǎng)狀態(tài)下其單細(xì)胞中某種色素含量也有差異. 上述原因均會(huì)導(dǎo)致FP在各門藻的監(jiān)測(cè)上存在一定誤差，但FP監(jiān)測(cè)具有高頻和連續(xù)的特點(diǎn)，往往能捕捉到藻類的峰谷值(見圖6)，而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法往往會(huì)忽略這些.

3.2 藻類的驅(qū)動(dòng)因素

圖 6 FP與鏡檢檢測(cè)的藻類細(xì)胞密度對(duì)比Fig.6 Comparison of cell density between FP and microscopic examination

浮游植物的生長(zhǎng)容易受到環(huán)境因子的影響. 研究[36-38]表明，溫度、光照強(qiáng)度、營養(yǎng)鹽和水文條件的變化均會(huì)對(duì)藻類的生長(zhǎng)產(chǎn)生不同程度的影響. 相關(guān)性分析(見圖7)顯示，藻類細(xì)胞密度與溫度、TP濃度及透明度均有極顯著的相關(guān)性(P＜0.01)，水體透明度在一定程度上能反映水體可獲得的光照強(qiáng)度[32]，表明在千島湖湖心區(qū)影響藻類總量的環(huán)境因子主要是溫度、TP濃度和光照強(qiáng)度. 值得注意的是，水體TN濃度與藻類細(xì)胞密度無顯著相關(guān)性，表明在該水域的氮磷水平下，磷是藻類生長(zhǎng)的主要限制元素

圖 7 藻類細(xì)胞密度與各環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between algal cell density and environmental factors

極端降雨帶來的溫度下降、營養(yǎng)鹽負(fù)荷以及光限制等條件往往會(huì)對(duì)湖泊和河流浮游植物造成較大影響[39-40]. 雖然相關(guān)關(guān)系顯示，降雨與各門藻細(xì)胞密度均無顯著相關(guān)性，這主要與降雨對(duì)藻類的影響具有一定延后性有關(guān)[41]，因此需要高頻的監(jiān)測(cè)方法來捕捉降雨過程. 2020年7月降雨前后三潭島藻類群落結(jié)構(gòu)如圖8所示，降雨期間藻類總細(xì)胞密度也隨之下降，主要原因是降雨一般伴隨著氣溫的下降、光照強(qiáng)度減弱以及濁度的升高；降雨后氣溫迅速回升，此時(shí)藻類總細(xì)胞密度仍然較低；降雨后10 d，藻類總量慢慢升高，此時(shí)氣溫和光照條件適合藻類生長(zhǎng)，藻類的增殖主要受到營養(yǎng)鹽濃度的限制. 研究[42]表明，暴雨事件下，營養(yǎng)鹽從上游河道(新安江)輸送到三潭島的時(shí)間為8～14 d, 說明極端降雨發(fā)生10 d后藻類的增殖是由于上游帶來營養(yǎng)鹽所致. 此外，逐日藻類群落數(shù)據(jù)(見圖8)顯示，三潭島夏季降雨期間藻類群落組成發(fā)生了較大變化，從月初硅甲藻、藍(lán)藻門和綠藻門并存逐漸演變?yōu)楣杓自搴退{(lán)藻門占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，藍(lán)藻門占比也在極端降雨一周后升高并占優(yōu)勢(shì)地位.

極端降雨發(fā)生后對(duì)湖心區(qū)藻類的影響主要分為兩方面：①降雨期間帶來的氣溫和光照降低會(huì)抑制藻類的生長(zhǎng)[2]；②從上游帶來的大量營養(yǎng)鹽[43]為藻類的增殖提供了物質(zhì)基礎(chǔ). 千島湖河道狹長(zhǎng)，普通的降雨事件不足以形成大的流量，導(dǎo)致大部分營養(yǎng)鹽在河道沉降[44]；而極端降雨伴隨著極大的流量和流速，并且可能形成異重流導(dǎo)致營養(yǎng)鹽沉降效應(yīng)下降[45-46]，最終為湖心區(qū)輸入了大量的營養(yǎng)鹽，在適宜的天氣條件下會(huì)刺激藻類的增殖. 藻類對(duì)極端降雨事件的響應(yīng)時(shí)間較短，傳統(tǒng)的逐月采樣往往不能捕捉到這些過程，這也凸顯了藻類高頻熒光監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì).

3.3 管理及啟示

研究表明，極端降雨對(duì)千島湖湖心區(qū)藻類細(xì)胞密度有所影響，同樣降雨也會(huì)給水庫帶來大量的有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽[47]，對(duì)整個(gè)水庫的水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)造成一定的沖擊. 近年來，全球氣候變暖、極端天氣增多，千島湖也不例外，近60年來氣溫和暴雨頻率均逐步升高[46,48]，隨之而來的是水質(zhì)的惡化，主要表現(xiàn)為透明度下降[49]、營養(yǎng)鹽升高[50]，同時(shí)導(dǎo)致水庫河流段浮游植物藍(lán)藻占優(yōu)的趨勢(shì)更加明顯[13]. 并且筆者研究發(fā)現(xiàn)，極端天氣(如強(qiáng)降雨)引起的藻類變化往往十分迅速，傳統(tǒng)的逐月甚至逐周藻類監(jiān)測(cè)很難捕捉到群落演替的過程，這也凸顯了高頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要性.

近年來，隨著藻類熒光監(jiān)測(cè)儀的運(yùn)用越來越廣泛，關(guān)于儀器的校準(zhǔn)研究[51]越來越多，如Choo等[23]通過室內(nèi)試驗(yàn)校準(zhǔn)了藍(lán)藻的測(cè)量精度，大幅削減了綠藻的干擾；Liu等[52]利用多元統(tǒng)計(jì)的方法校準(zhǔn)了總藻葉綠素a濃度；同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)和生態(tài)模型等方法也與高頻熒光儀器共同使用，加強(qiáng)對(duì)湖泊水質(zhì)特別是藻類的監(jiān)測(cè)[53-54]. 展望未來，熒光監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的藻類監(jiān)測(cè)方法，成為湖泊監(jiān)測(cè)的主流，如何提升其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性成為當(dāng)前需要解決的問題；此外，高頻監(jiān)測(cè)和其他方法相結(jié)合，為藻類水華的發(fā)生機(jī)制研究提供了較大的平臺(tái).

圖 8 降雨后藻類群落結(jié)構(gòu)的變化Fig.8 Changes of algal community structure after rainfall

4 結(jié)論

a) 利用藻類熒光分析儀原位剖面浮標(biāo)開展千島湖這一大型深水水庫不同門類藻類數(shù)量的高頻剖面變化觀測(cè)，研究了水庫水體藻類生物量在溫度、降雨、水動(dòng)力等環(huán)境條件影響下大幅快速變化的特征，揭示了不同門藻類細(xì)胞密度垂向分層特征及其季節(jié)變化，為識(shí)別大型深水水庫的藻類水華風(fēng)險(xiǎn)提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)方法支撐.

b) 高頻觀測(cè)揭示了千島湖湖心區(qū)藻類對(duì)暴雨入流的滯后響應(yīng)過程，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)水庫藻類異常增殖機(jī)理提供了新視角.