洱海藍藻水華暴發(fā)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(huán)境監(jiān)測中心, 武漢 430072; 5. 太原師范學院, 太原 030031)

浮游植物是水環(huán)境中的初級生產(chǎn)者和食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié), 在物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用。浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化, 往往是反映水環(huán)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(nèi), 面積249.0 km2, 湖區(qū)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(jīng)濟的發(fā)展, 洱海的旅游業(yè)日漸興旺, 人類活動干擾不斷加劇, 洱海水質(zhì)變差, 水生植被大量消退, 洱海水質(zhì)在1950s 處于貧營養(yǎng)水平, 在1992年到2001年期間一直保持在中營養(yǎng)水平[4,5], 現(xiàn)階段處于中營養(yǎng)向富營養(yǎng)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(yè)和城鎮(zhèn)生活的污染貢獻率相對較低[8], 富營養(yǎng)化問題日益突出, 在1996年和1998年秋季暴發(fā)了大面積藍藻水華。水華發(fā)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(tài)系統(tǒng)恢復和藍藻水華暴發(fā)的局勢仍不容樂觀, 本研究調(diào)查了洱海水華暴發(fā)期浮游植物群落組成、分布及水質(zhì)現(xiàn)狀, 探討了洱海浮游植物種群演替的環(huán)境機制, 以期為洱海的治理提供基礎(chǔ)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(fā)期(2009年5—11月), 每月中旬進行一次采樣, 全湖共設(shè)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(shù)[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(xiàn)場測定水溫(T)和透明度(SD)?？偟?、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(wǎng)將浮游網(wǎng)在水體表面呈“∞” 形來回拖動數(shù)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(shù)前充分混勻,取0.l mL于浮游植物計數(shù)框內(nèi)計數(shù), 計數(shù)三行, 即2、5、8行, 每個樣本重復計數(shù)2次。其中, 小型個體與個體較大的種類分別計數(shù), 以減少誤差。結(jié)果計算參照國家環(huán)?？偩值姆椒╗12]。

1.3 水體營養(yǎng)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(shù)、總氮、總磷和透明度在內(nèi)的相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來評價各河流的營養(yǎng)狀態(tài)[13]。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為:

式中, TLI(營養(yǎng))為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù); TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù); Wj為第 j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重, 葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、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(shù)。營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)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(xù)數(shù)字對水體營養(yǎng)狀態(tài)進行分級: TLI(Σ)<30 貧營養(yǎng), 30≤TLI(Σ)≤50 中營養(yǎng),TLI(Σ)>50 富 營 養(yǎng) , (5070 重度富營養(yǎng))。在同一營養(yǎng)狀態(tài)下, 指數(shù)值越高, 其營養(yǎng)程度越重。

2 結(jié)果

2.1 藍藻水華暴發(fā)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(shù)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(fā)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(shù)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(shù)量大幅增加,雖然兩個月份都是微囊藻占絕對優(yōu)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(shù)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(shù)(CODMn)5—7月份相差不大, 8—10月有所下降,11月份繼續(xù)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(shù)量以藍藻門種類占絕對優(yōu)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(yōu)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(gòu)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(zhì)營養(yǎng)水平分析

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

2.3 浮游植物與理化因子的相關(guān)性分析

2009年 5—11月洱海浮游植物與各理化因子Pearson相關(guān)分析的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。從表中可發(fā)現(xiàn)各理化因子間相關(guān)性良好。研究發(fā)現(xiàn),浮游植物生物量和總氮、硝氮、可溶性氮、溫度呈顯著正相關(guān); 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(guān)。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(fā)生與其富營養(yǎng)化水平密切相關(guān), 浮游植物種群的變化反映了洱海水質(zhì)的變化。從1957年到1997年, 湖水中三態(tài)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(fā), 其細胞數(shù)高達 4449×104個/L, 占藻類種群數(shù)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(gòu)成該季水華的亞優(yōu)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(xù)半月余。1997年雖沒有大量水華發(fā)生, 但藻類優(yōu)勢種群發(fā)生了急劇演變, 總體上體現(xiàn)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(zhuǎn)換[9]。在此過程中, 藍藻門逐漸形成了絕對優(yōu)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(gòu)成亞優(yōu)勢種群的藍藻型浮游植物群落結(jié)構(gòu)[9]。以卷曲魚腥藻為主的水華發(fā)生于 9—11月。在水華期間, 卷曲魚腥藻細胞數(shù)量最高可達 11422×104個/L, 藍藻門構(gòu)成藻類群落總細胞數(shù)的79.9%—98.7%[9]。潘曉潔[14]2006年 6—10月對洱海浮游植物的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn), 在洱海藍藻水華發(fā)生期間暴發(fā)期, 藻類種類相對較少, 以魚腥藻或微囊藻占有絕對優(yōu)勢, 兩屬的種類交替大量生長形成水華,藻細胞數(shù)保持在107cells/L的水平。我們的研究結(jié)果進一步表明洱海水華暴發(fā)趨勢已經(jīng)十分嚴峻, 在藍藻暴發(fā)期, 始終是微囊藻占絕對優(yōu)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(guān)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(gòu)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(zhì)的營養(yǎng)水平Fig. 4 Trophic levels of Lake Erhai from May to November, 2009

4 小結(jié)

洱海藍藻水華一般發(fā)生在每年的 6—10月份,

水華發(fā)生時藍藻數(shù)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(yōu)勢, 數(shù)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(fā)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(zhuǎn)變?yōu)槲⒛以逭冀^對優(yōu)勢的藍藻水華。分析2009年5—11月洱海營養(yǎng)水平, 7月營養(yǎng)水平最高。用SPSS分析了浮游植物和各理化因子的關(guān)系, 結(jié)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。