吉林龍灣國家級自然保護區大龍灣瑪珥湖水華爆發成因初探

陽 濤，張超凡，何春光，孫立國，盛連喜

(1.東北師范大學國家環境保護濕地生態與植被恢復重點實驗室，吉林 長春 130117；2.吉林省林業科學研究院，吉林 長春 130033；3.吉林龍灣國家級自然保護區管理局，吉林 通化 135102)

吉林龍灣國家級自然保護區位于長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[1]，其中大龍灣是龍崗山脈瑪珥湖群中面積最大的一個瑪珥湖.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形成的環狀火山口壁，使得瑪珥湖形成封閉湖體，受外界環境干擾(風浪、徑流輸入等)較弱，易形成穩定水體[2].深水的物理、化學條件，長時間的水體滯留，以及底棲生物難以生存的缺氧環境，使得瑪珥湖適于紋層的發育和保存[3]，是紋層、年代學和氣候環境演化等多個方面的重要研究載體[1].近幾十年來，中外地質學家對東北龍崗火山群瑪珥湖進行了大量的研究[4-6]，是中外地質學、古氣象學以及氣候變化學者關注的熱點研究對象[7-8].自2018年開始，龍崗山脈中的瑪珥湖群中最大的一個瑪珥湖大龍灣開始出現水華現象，但大龍灣瑪珥湖的相關水生態研究尚未見報道.瑪珥湖水華過程及其水生態的研究不僅對保護瑪珥湖具有科學指導意義，同時還能為瑪珥湖的地質學、古氣象學以及氣候變化學研究提供參考佐證數據[1，9]，因此，本文在2018年大龍灣水華爆發期間對大龍灣及其近鄰三角龍灣進行了浮游植物群落結構以及相關水質參數的調查研究，以為龍灣國家級自然保護區瑪珥湖群的管理保護提供科學的依據.

1 區域概況和研究方法

吉林龍灣國家自然保護區位于吉林省通化市輝南縣境內，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營局接壤，地理位置為東經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域之一[10].研究區內大龍灣和三角龍灣是保護區最典型的兩個瑪珥湖(見圖1).大龍灣與三角龍灣地理位置相近，海拔相差僅80 m，所處環境相似具有較好的對比性，因此本研究選擇三角龍灣作為同期對照與水華爆發期的大龍灣進行浮游生物群落結構以及水質參數的對比研究.

圖1 研究區位置

本研究分別在2018年6—10月逐月調查監測了大龍灣和三角龍灣浮游植物的群落結構，以及水體溫度、葉綠素a含量、總氮/總磷含量和電導率.由于火口湖水深-表面積比值較大，且前期的調查發現湖面水平方向上的水質參數差異較小，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采樣點.使用1 L有機玻璃采水器在水深的垂直方向上分層采樣.使用Hydrolab DS5X-MS5 多功能水質探頭測定每一層水樣的溫度、葉綠素a含量和電導率；采用過硫酸鉀-紫外分光光度法測總氮含量，采用鉬銻抗分光光度法測總磷含量.浮游植物定性樣品用孔徑約0.064 mm的25號浮游生物網在水面下約0.5 m處以適當的速度“∞”字形來回拖動1～3 min進行采集，樣品使用魯哥氏液固定；浮游植物定量樣品用5 L有機玻璃采水器進行采集，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沉淀物轉移至30 mL定量瓶中；浮游生物樣品的鑒定使用OLMPUSDP73型光學顯微鏡以及杭州訊數科技浮游生物鑒定計數系統，參照《淡水浮游生物圖譜》[11]進行鑒定和計數.

2 浮游植物群落結構的變化

圖2 水華爆發期間總藻類細胞密度對比

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

浮游植物優勢度數據(見表1)表明，大龍灣增殖的藻類細胞主要由單一的綠藻門的鼓藻屬(Cosmarium)(見圖3)構成.大龍灣6—10月浮游植物群落均以綠藻門的鼓藻屬為絕對優勢屬，在7—9月份優勢度高達0.9以上，在6月和10月也分別達到了0.83和0.70；而三角龍灣各月均以硅藻門的小環藻屬(Cyclotella)優勢度最高.因此判斷本次大龍灣爆發的水華是由綠藻門的鼓藻屬(Cosmarium)大量增殖導致的.

表1 水華爆發期間浮游植物優勢度對比

圖3 導致大龍灣水華爆發的鼓藻(Cosmarium)的顯微照片

3 水質參數對比

三角龍灣2018年6—9月各個水層的葉綠素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范圍內出現峰值，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發生在10～15 m水層(見圖4).

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

圖4 水華爆發期間各水層葉綠素含量a對比

圖5 水華爆發期間各水層電導率對比

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月達到地表水環境質量標準(GB 3838-2002)Ⅱ 類，8月和9月達到地表水 Ⅲ 類標準；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月份達到地表水環境質量標準 Ⅰ 類，8—10月達到 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到地表水 Ⅰ 類標準，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年大龍灣爆發的水華優勢屬是綠藻門的鼓藻屬(Cosmarium)，在水華爆發期間優勢度高達0.9以上.一般來說，相對于硅藻和綠藻，藍藻往往喜歡較高的水溫(>25℃)[12-13]，而吉林龍灣地區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的是綠藻水華而不是危害更大的藍藻水華的原因之一.

總氮含量是衡量湖泊富營養化的重要指標，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、磷等營養物質外，微量元素有時也會成為限制因素，而大龍灣水體的電導率是三角龍灣的3～9倍.從水質參數的對比結果看，較高的總氮濃度和水體電導率可能是導致大龍灣發生水華的原因.

雖然當前大龍灣爆發的是綠藻門的鼓藻屬(Cosmarium)水華，沒有導致水體缺氧，也沒有發生魚類大量死亡的嚴重后果，但大龍灣水華爆發期間藻類密度相較于其近鄰三角龍灣要高2個數量級；同時大龍灣較高的總氮濃度和水體電導率也為大龍灣的水環境健康埋下了隱患，初次爆發水華后可能會逐漸加速湖泊的演替進程，因此不能不對此次水華事件進行警惕與重視.建議后續要定期監測大龍灣水生浮游植物的群落結構，密切關注其藻類群落結構的演替變化，一方面對瑪珥湖水生態健康有重要的指示作用，同時也可以為后續開展大龍灣瑪珥湖地質學、古氣象學以及氣候變化學研究提供參考佐證數據.針對大龍灣較高的總氮濃度和水體電導率，建議要進一步研究其水文過程，在明晰其水文過程的基礎上才能進一步闡明其水質狀況的成因，進而才能“對癥下藥”，找到改善、緩解大龍灣瑪珥湖水生態惡化趨勢的“藥方”.目前建議采取的措施可以考慮以下幾個方面：減少人為干擾和氮源輸入，科學管控漁業活動[14]；采取合理的湖泊生態恢復的生態工程[15-16]；建立水源涵養保護區，保護自然濕地生態系統；重建人工濕地改善區域水生態環境.