加拿大安大略省藻類水華發生趨勢分析

［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)藍藻水華現象大幅度增加，過去10 a 比前幾十年出現的岸邊藻類水華次數要多得多。營養鹽濃度的增加、水溫的升高、淺而緩水流等都是藻類水華發生的有利條件。世界淡水系統中營養鹽的富余，與藻類水華發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，能自行調節本身的浮力。

淡水中的藍藻水華因會產生毒素而倍受關注。藍藻產生的毒素(即藻毒素)會影響人畜健康，阻害淡水生態系統進程。藻毒素可分為兩大類:①肝毒素和神經毒素，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，但會顯現出多種生物活性。有幾種藍藻和金藻(chryso－phytes)產生的有害味道和(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，安大略省環保部(MOE)環境監測與報告處采集并分析了發生藻類水華的樣本。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，以確定優勢物種是否為會產生毒性的藍藻。如果有藍藻出現，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勢藻類識別，以確定:①藻類水華發生次數是否增加，特別是藍藻水華發生次數;②現在安大略省發生藻類水華的持續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的浮游生物形式。加拿大安大略省環保部的地區辦事處工作人員常常會從藻類生長茂集區域水下收集藻類水華的樣本，然后由其監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勢種，并提供其生態學意義上的和可能產生毒素和(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據庫的數據。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 區域、識別出的藻類種類，并注明每個樣本的優勢種類，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，采用酶聯免疫吸附檢驗(ELISA)技術進行了數據篩查。經過冷凍使微囊藻毒素變異體的細胞壁破裂后，根據其對ELISA 試劑盒抗體的反應測量其發生總次數。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)總磷監測數據庫中，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，自發形成的一項湖泊監測計劃。采用MOE 多賽特環境科學中心的方法，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據庫中，對2002～2009 年度春季循環期間的上述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。首先進行異常值數據篩查，再進行MANNI－WHITNEY 秩和檢驗。

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

對安大略省藻類水華發生總次數、藍藻水華發生次數、綠藻水華發生次數、金藻水華發生次數等數據，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據系列中是否有拐點及其何時出現，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生總次數每年均呈明顯的上升趨勢(P ＜0.001)，特別是藍藻、綠藻水華發生次數增長更明顯。藍藻水華增長率最大，占水華發生總次數的50%以上。水華發生總次數系列以及藍藻水華發生次數系列趨勢拐點明顯，發生在2004～2005 年，而綠藻水華發生次數系列趨勢拐點在2003～2004 年(P ＜0.01)。水華發生總次數及藍藻水華系列在2004 年前保持相對穩定的數目，之后出現增長(綠藻水華發生次數在2003 年前保持相對穩定，之后增長)。金藻水華發生次數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生。

最常見的藍藻種類是(按發生率大小順序)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、席藻在內的多種顫藻目。本次分析中沒有發現柱胞藻。按照發生率大小，最常見的綠藻種類是絲狀水綿(總共出現14 次)、剛毛藻(出現12 次)、轉板藻(出現12 次)、雙星藻(出現7次)、鞘藻(出現6 次)。其他的水華優勢種有硅藻、黃藻、鞭毛藻、隱芽植物、裸藻等。

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

總體來說，1994～2009 年，安大略省有66 個內陸湖發生了藍藻水華，期間大多數湖泊(50 個)僅發生過1 次水華，有11 個湖泊在2 a 間發生過水華，有4 個湖泊在3 a 間發生過水華，有1 個湖泊在8 a間發生過水華。2009 年，有24 個湖泊發生過水華。大多數藍藻水華發生在北部區域，特別是薩德伯里、阿爾格瑪、凱洛拉、帕里桑德區。在2009 年發生的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)比所有湖泊數據系列總磷濃度值(9 μg/L)明顯偏高。發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，還有發生的情況。但每年第1 次水華的發生時間未發現有變化。

3 討 論

過去15 a，安大略省的藍藻水華和絲狀綠藻水華發生的頻度有所增加，這與全世界湖泊藻類水華發生的頻度增長趨勢是一致的。世界性藻類水華發生的這一趨勢，主要歸因于氣候變化加劇了營養鹽的富集。安大略省藻類水華發生率上升最快的區域是MOE 北部區域(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，但其會受岸邊經濟發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(如不斷增長的農場、居民用水與居住地的擴張)，會給湖泊注入充足的營養鹽，使得藍藻和絲狀綠藻生長加速。

一般而言，發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，發生水華的湖泊總磷濃度有些差異，有26%的湖泊是貧營養湖泊(春季總磷濃度小于10 μg/L))。發生在低營養鹽湖泊中的藍藻水華說明，決定水華發生的影響因素有多種。營養鹽的組成與其發生的總次數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、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。氣候變化表現在水體溫度增高，無冰季節延長，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域項目以及丹麥圍隔生態實驗中發現，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，很多湖泊已經越過了氣候變化的生態閥值。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，安大略省區域氣候變化對于藻類水華發生頻度的增長起著一定作用。

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

本文是根據報告的藻類水華事件，而不是實時的水華監測數據開展的分析。MOE、市政府、保護機構、非政府組織、農場協會對公眾展開了藻類水華與水質教育及相關合作工作，使公眾的認知度得以提高。MOE 在2004、2005 年分別發布了藻類與藻類水華的情況簡報，同時安大略省內、外都加強了對藻類水華事件的媒體報道。2007 年魁北克省發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，對魁北克省發生的藻類水華也更加關切。

水華是令人不快的景觀，當地居民會因此質疑水體水質而尋求移民。藍藻通常是產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，需采取適當的響應措施應對水華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、在何種程度上被當地人作為娛樂用水使用(如公共河灘、公園、游泳區)，以及是否為絕大多數未處理的飲用水系統水源地等來確定。在過去的15 a，發生藻類水華季節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。由于公眾認知度的提高，加上湖泊離人類活動區域較近，探討上述藻類水華事件及其發展趨勢已成為一項特殊領域的挑戰。增長最快的是藍藻水華，特別是在MOE 所管轄的北部區域，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系統營養鹽管理方面，對減少藻類水華的發生起著重要作用。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，特別是對那些營養水平較低的湖泊。