洱海藍藻水華暴發期浮游植物群落變化及影響因素

陳建良 胡明明 周懷東 王雨春 王英才 李艷暉 劉永定高繼軍 洪宇寧

(1. 武漢大學, 武漢 430072; 2. 中國科學院水生生物研究所, 武漢 430072; 3. 中國水利水電科學研究院, 北京 100038;4. 長江流域水環境監測中心, 武漢 430072; 5. 太原師范學院, 太原 030031)

浮游植物是水環境中的初級生產者和食物鏈的基礎環節, 在物質循環和能量轉化過程中起著重要作用。浮游植物群落結構的變化, 往往是反映水環境狀況的重要指標[1,2]。洱海是云南省第二大湖泊,位于大理市境內, 面積249.0 km2, 湖區屬于亞熱帶高原季風氣候[3]。洱海水量充足, 是大理市主要的飲用水源地, 但自20世紀90年代以來, 隨著社會經濟的發展, 洱海的旅游業日漸興旺, 人類活動干擾不斷加劇, 洱海水質變差, 水生植被大量消退, 洱海水質在1950s 處于貧營養水平, 在1992年到2001年期間一直保持在中營養水平[4,5], 現階段處于中營養向富營養湖泊的過渡階段[6,7]。

目前洱海污染源以面源污染為主, 工業和城鎮生活的污染貢獻率相對較低[8], 富營養化問題日益突出, 在1996年和1998年秋季暴發了大面積藍藻水華。水華發生期間, 水體透明度由3.3 m驟降至1.5 m,嚴重影響了洱海水源的安全[9]。近幾年來盡管采取了很多措施加大了對洱海的治理力度, 洱海的水生態系統恢復和藍藻水華暴發的局勢仍不容樂觀, 本研究調查了洱海水華暴發期浮游植物群落組成、分布及水質現狀, 探討了洱海浮游植物種群演替的環境機制, 以期為洱海的治理提供基礎研究資料。

1 材料與方法

1.1 樣點分布及采樣方法

采樣時間為洱海藍藻水華易暴發期(2009年5—11月), 每月中旬進行一次采樣, 全湖共設置 12個采樣點, 采樣點從南至北分四個斷面, 每個斷面分東、中、西3個采樣點(圖1)。用5 L有機玻璃采水器采集表層(0.5 m)水樣, 其中1 L水樣魯哥氏液固定用于藻類細胞計數[10]; 剩余4 L水樣用于分析總氮(TN)、總磷(TP)、可溶性總氮(DTN)、氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、化學需氧量(CODMn)、葉綠素a (Chl. a), 現場測定水溫(T)和透明度(SD)。總氮、總磷、可溶性總氮、氨氮、硝氮、化學需氧量和葉綠素a均使用標準方法進行分析[11]。同時用25#浮游植物網將浮游網在水體表面呈“∞” 形來回拖動數次, 撈取少量藻樣用于藻細胞定性分析。

1.2 藻類分析方法

在實驗室借助顯微鏡和微型生物圖譜、檢索表以及各類鑒定手冊對浮游植物定性樣品進行鑒定。浮游植物定量水樣倒入1000 mL分液漏斗中靜置沉淀48h抽出上清液, 濃縮至30 mL, 計數前充分混勻,取0.l mL于浮游植物計數框內計數, 計數三行, 即2、5、8行, 每個樣本重復計數2次。其中, 小型個體與個體較大的種類分別計數, 以減少誤差。結果計算參照國家環保總局的方法[12]。

1.3 水體營養狀況評價采用的評價指標與標準

本文采用了包括葉綠素 a、高錳酸鹽指數、總氮、總磷和透明度在內的相關加權綜合營養狀態指數來評價各河流的營養狀態[13]。綜合營養狀態指數計算公式為:

式中, TLI(營養)為綜合營養狀態指數; TLI(j)為第j種參數的營養狀態指數; Wj為第 j種參數的營養狀態指數的相關權重, 葉綠素a、高錳酸鹽指數、總氮、總磷和透明度各因子Wj取值分別為0.2663、0.1834、0.1790、0.1879、0.1834, 以Chl. a作為基準參數。營養狀態指數計算公式為: TLI(Chl. a) = 10 (2.5 + 1.086 ln Chl. a); TLI(TP) = 10 (9.436 + 1.624 ln TP); TLI(TN) =10 (5.453 + 1.694 ln TN); TLI(SD) = 10 (5.118 –1.94 ln SD); TLI(CODMn) = 10 (0.109 + 2.166 ln CODMn)。采用0－100的一系列連續數字對水體營養狀態進行分級: TLI(Σ)<30 貧營養, 30≤TLI(Σ)≤50 中營養,TLI(Σ)>50 富 營 養 , (5070 重度富營養)。在同一營養狀態下, 指數值越高, 其營養程度越重。

2 結果

2.1 藍藻水華暴發期間各理化指標與浮游植物生物量的分布與變化

如圖2所示, 從5月份開始, 洱海浮游植物生物量(葉綠素 a含量)開始增加, 在 9月份有稍許降低,10月份達到峰值, 11月份開始下降。浮游植物數量和葉綠素 a的變化趨勢基本一致, 從7月份開始藻細胞密度由 7.63×106個/L上升為2.08×107個/L, 7、8、9、10四個月份一直維持在較高水平, 為水華暴發的高峰期, 11月份開始降低。8月份較7月份葉綠素 a含量高, 但是藻細胞數量卻大幅下降, 這可能是因為 8月份較 7月份魚腥藻細胞數量大幅增加,雖然兩個月份都是微囊藻占絕對優勢, 但洱海魚腥藻細胞較大[14], 遠遠大于微囊藻, 所以雖然 8月份細胞數量低于7月份, 但是葉綠素a仍有增加。

從圖2還可以看出各指標在時間上的變化。10月份的硝氮(NO3-N)最高, 為 0.211 mg/L; 9月份的可溶性總氮(DTN)最高, 為0.618 mg/L; 高錳酸鉀指數(CODMn)5—7月份相差不大, 8—10月有所下降,11月份繼續下降; 總氮(TN)各月份的波動較大; 總磷(TP)和氨氮(NH3-N)各月份間無明顯變化。

5—11月洱海浮游植物數量以藍藻門種類占絕對優勢, 而浮游植物種群以綠藻門種類最多、藍藻門和硅藻門次之。6—10月洱海水華種類為微囊藻屬的一些種, 微囊藻在這些月份中占絕對優勢(圖 3),常見種為銅綠微囊藻、綠色微囊藻、挪氏微囊藻等。微囊藻屬的比例從 5月份開始上升, 在7月達到最高, 為93.13%, 8月份大幅下降, 9、10月份又開始回升, 分別為 83.22%和 94.%。至 11月份下降至50.24%。浮游植物構成中藍藻門所占比例在各月之間的變化與微囊藻屬的變化趨勢基本相同。

圖2 2009年5—11月洱海理化因子及生物因子的變化情況Fig. 2 Variation of physicochemical and biological factors in Lake Erhai from May to November, 2009

2.2 洱海水質營養水平分析

從圖4可以看出2009年5—11月各月營養水平指數均大于43, 7月份營養水平指數最高接近50, 5月份最低。這說明洱海水質依然處于中營養水平,和2006年的水質相比變化不大[14]。

2.3 浮游植物與理化因子的相關性分析

2009年 5—11月洱海浮游植物與各理化因子Pearson相關分析的統計數據見表1。從表中可發現各理化因子間相關性良好。研究發現,浮游植物生物量和總氮、硝氮、可溶性氮、溫度呈顯著正相關; 微囊藻生物量和總氮、總磷、硝氮、可溶性氮、溫度呈顯著正相關。這說明相對于其他浮游植物種類, 總磷(TP)對微囊藻的影響比較大。

3 討論

洱海藻類水華的發生與其富營養化水平密切相關, 浮游植物種群的變化反映了洱海水質的變化。從1957年到1997年, 湖水中三態氮增加近20倍, 磷酸鹽增加了4倍[15]。黎尚豪等[16]曾報道洱海 1957年南部出現水華束絲藻(Aphanizonmenon flos-aquae)水華,進入80年代直至1995年, 仍由水華束絲藻為主的水華出現在春秋二季, 且范圍擴大,主要分布在東南部及北部, 其細胞數量達5093.8×104個/L。至 1996年 9月底至 10月中, 螺旋魚腥藻 (Anabaena spiroldes)水華暴發, 其細胞數高達 4449×104個/L, 占藻類種群數量的93.03%, 最大生物量15.37 mg/L,占藻類總生物量的 82.19%。球形魚腥藻(Anabaenasphaefica)、銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)、水華微囊藻(M. flos-aguae)、水華束絲藻構成該季水華的亞優勢種群, 梭形裸藻(Euglena aclls)、美麗團藻(Volvox aureus)、小顫藻(Oscillatoria tennis)在此時期也大量繁殖。水華持續半月余。1997年雖沒有大量水華發生, 但藻類優勢種群發生了急劇演變, 總體上體現為: 水華束絲藻-鈍脆桿藻(Fragilaria capucina)、水華微囊藻-卷曲魚腥藻(Anabaena circinalis)、螺旋魚腥藻-卷曲魚腥藻、水華束絲藻的四季轉換[9]。在此過程中, 藍藻門逐漸形成了絕對優勢地位。1998年, 洱海藻類群落演變成終年以卷曲魚腥藻、球形魚腥藻、水華束絲藻、銅綠微囊藻、鈍脆桿藻構成亞優勢種群的藍藻型浮游植物群落結構[9]。以卷曲魚腥藻為主的水華發生于 9—11月。在水華期間, 卷曲魚腥藻細胞數量最高可達 11422×104個/L, 藍藻門構成藻類群落總細胞數的79.9%—98.7%[9]。潘曉潔[14]2006年 6—10月對洱海浮游植物的調查研究發現, 在洱海藍藻水華發生期間暴發期, 藻類種類相對較少, 以魚腥藻或微囊藻占有絕對優勢, 兩屬的種類交替大量生長形成水華,藻細胞數保持在107cells/L的水平。我們的研究結果進一步表明洱海水華暴發趨勢已經十分嚴峻, 在藍藻暴發期, 始終是微囊藻占絕對優勢。

表1 2009年5—11月洱海浮游植物生物量與各理化因子的相關性分析Tab. 1 Association analysis between abundance of phytoplankton and physico-chemical factors of Lake Erhai from May to November in 2009

圖3 2009年5—11月浮游植物構成比例Fig. 3 Phytoplankton component from May to November, 2009

圖4 2009年5—11月洱海各月水質的營養水平Fig. 4 Trophic levels of Lake Erhai from May to November, 2009

4 小結

洱海藍藻水華一般發生在每年的 6—10月份,

水華發生時藍藻數量高達 107cells/L, 水華主要為微囊藻屬的一些種, 微囊藻在 6—10月份占絕對優勢, 數量最高可達93.13%。洱海2009年6—10月份浮游植物種群較2006年發生變化, 由2006年的魚腥藻和微囊藻交替大量生長形成水華轉變為微囊藻占絕對優勢的藍藻水華。分析2009年5—11月洱海營養水平, 7月營養水平最高。用SPSS分析了浮游植物和各理化因子的關系, 結果說明相對于其他浮游植物種類, 總磷(TP)對微囊藻的影響比較大。