北方寒冷內(nèi)陸堿性水體藍藻暴發(fā)特點及影響因子1)

潘翰 劉琰冉 馬成學

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

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北方寒冷內(nèi)陸堿性水體藍藻暴發(fā)特點及影響因子1)

潘翰 劉琰冉 馬成學

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

為研究北方內(nèi)陸寒冷地區(qū)堿性湖泊夏季藍藻水華暴發(fā)特點及其環(huán)境因子影響因素，于2015年夏季(7月末)對呼倫湖及烏蘭諾爾河的8個樣點進行了水樣的采集，分析了呼倫湖地區(qū)浮游植物組成，以及水化學環(huán)境因子。結(jié)果表明：該區(qū)浮游植物共有6門76種，可劃分為19個功能群，其中重要功能群為H1、C、X2、MP和W1，以H1和X2功能群占明顯優(yōu)勢，二者分別占52.08%和21.86%?？偭?、總氮是影響呼倫湖夏季藍藻水藻暴發(fā)的最主要因素，其次是BOD5、透明度、堿度和有效積溫。

浮游植物；功能群；堿性水體；北方內(nèi)陸

Phytoplankton； Functional groups； Alkaline water; Northern inland

浮游植物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，是水環(huán)境中的生產(chǎn)者，也是水域生態(tài)系統(tǒng)能量金字塔的基礎(chǔ)部分。對水生浮游植物的研究，多是基于經(jīng)典的林奈分類方法上[1]，研究不同門類浮游植物與其所處環(huán)境因子之間的關(guān)系[2]。Reynolds[3]首次嘗試將不同的植物群落與其所在的生態(tài)環(huán)境因子聯(lián)系起來進行研究，之后他將這一理念引入到水生浮游植物的研究中[4]，依據(jù)浮游植物所處生境的富營養(yǎng)化程度、營養(yǎng)類型、光照強度以及浮游植物對環(huán)境中酸堿度、導電率等水化學因子的敏感性和形態(tài)方面，對淡水浮游植物進行分類，提出了浮游植物功能群的概念，并描述了31個功能群。隨研究深入與補充，Padisák et al.[5]在2009年將浮游植物的功能群擴展到38個。與經(jīng)典的林奈分類體系下對浮游植物的研究相比，對浮游植物進行功能群劃分后，各個功能群的變化能夠更加契合其所屬環(huán)境的變化[6]。浮游植物功能群的概念成功地應用到了河流、湖泊等淡水生態(tài)系統(tǒng)中[7]，之前研究對象多屬于熱帶、亞熱帶地區(qū)淡水水體[8-9]，但對北方內(nèi)陸寒冷地區(qū)堿性湖泊中浮游植物藍藻水華暴發(fā)的特點及影響因素未見相關(guān)報道。因此，本研究以呼倫湖為例，探討北方寒冷地區(qū)藍藻暴發(fā)堿性湖泊中浮游植物功能群的特點及影響因素，為濕地保護區(qū)治理藍藻暴發(fā)和采取相應措施提供依據(jù)。

1 研究地概況

呼倫湖也稱達賚湖，是東亞中部草原區(qū)最大的淡水湖泊，中國第五大湖，在國內(nèi)和國際上都有著極其重要的生態(tài)價值。呼倫湖位于呼倫貝爾市扎賚諾爾區(qū)、新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗以及滿洲里之間(117°00′10″E～117°41′40″E，48°30′40″N～49°20′40″N)，湖面呈不規(guī)則的長方形，整個湖的最長軸呈西南東北方向，最長93 km，最大寬度41 km，整個呼倫湖周長447 km，最大儲水量138.5億m3，平均水深5.7 m，最大深度8.0 m。冬季封凍期長達180 d，最大冰厚1.3 m[10]。共有魚類20多種[11]，記錄鳥類294種[12]，地屬北方溫帶半干旱區(qū)，為溫帶大陸性季風氣候，氣候寒冷干燥，冬長夏短，春季多風沙。

近40多年來，由于受氣候變化和人類不合理開發(fā)的影響，呼倫湖及周邊生態(tài)環(huán)境不斷惡化，湖泊水位不斷下降，水域面積不斷減小，水質(zhì)惡化嚴重，湖水pH值和含鹽量逐年升高，湖周大面積蘆葦消失，造成漁業(yè)資源瀕臨枯竭。2015年夏季，呼倫湖藍藻大量暴發(fā)，水體已處于高度富營養(yǎng)化水平，濕地萎縮明顯，生態(tài)環(huán)境急劇惡化，嚴重威脅著東北乃至整個華北地區(qū)的生態(tài)安全。

2 材料與方法

2.1 采樣地點設(shè)置

于2015夏季(7月末)采集呼倫湖夏季水樣及浮游植物樣品，根據(jù)湖泊的水深及地形地貌(圖1)，在呼倫湖周邊以及湖中共設(shè)置7個采樣點，在下游烏蘭諾爾河處設(shè)置1個樣點。

圖1 呼倫湖浮游植物采樣點

2.2 采樣方法及水化學指標測定

浮游植物樣品采用5 L有機玻璃采水器采集上、

中、下層混合水樣1 L，注入標本瓶內(nèi)，用1.5%的魯哥氏液固定，帶回室內(nèi)沉淀48 h后，濃縮至30 mL，采用Motic顯微拍照攝影系統(tǒng)，進行觀察與計數(shù)。浮游植物的種類按照文獻[13-14]進行顯微鏡識別鑒定，并依浮游植物的種類及體積，通過體積公式，計算生物量[15]。在現(xiàn)場，用YSI-6600多功能水質(zhì)分析儀，測定水樣的水溫(WT)、pH值。透明度(SD)采用塞奇氏盤測定?？偟?TN)、總磷(TP)、總堿度(ALK)、重鉻酸鹽指數(shù)(CODcr)、5日生物耗氧量(BOD5)依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》(國家環(huán)境保護總局，2002)測定。

2.3 數(shù)據(jù)分析

對浮游植物的功能群生物量及環(huán)境數(shù)據(jù)通過log10(x+1)進行了去勢分析后，采用Canoco for Windows 4.5軟件進行DCA分析，由于SD值小于3，之后對浮游植物的功能群的數(shù)據(jù)與環(huán)境因子數(shù)據(jù)進行RDA分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 呼倫湖的浮游植物組成

經(jīng)鑒定呼倫湖浮游植物總共有6門76種，劃分為19個功能群(表1)。各樣點中的浮游植物進行分類后通過生物量統(tǒng)計，將生物量大于10%的功能群定義為重要功能群，得到重要功能群5個(H1,C,X2,MP,W1)，其余功能群劃分為其他。

表1 呼倫湖浮游植物功能群組成

續(xù)(表1)

3.2 呼倫湖重要浮游植物功能群生物量水平分布

呼倫湖夏季浮游植物功能群水平分布差異顯著，功能群H1分布最廣，夏季呼倫湖藍藻水華暴發(fā)時以H1功能群中的浮游植物為主。在采樣點1#、4#、5#、6#、7#中所占的比例高達65%～92%；在1#、2#、3#采樣點中功能群X2也占有比較大的比例，分別為10%、37%、59%。在2#采樣點中功能群C占有30%；8#采樣點W1占有53%(表2)。

表2 各采樣點浮游植物功能群生物量mg·L-1

3.3 呼倫湖的水化學

呼倫湖水樣的水質(zhì)檢測結(jié)果(表3)表明其整體污染程度嚴重。水體整體pH值偏堿，總體堿度偏高，夏季水體溫度差異不大。西北岸7#點CODcr值偏高，2#溫度和總堿度偏低。北岸1#、2#、3#、7#樣點透明度較南岸的4#、5#、8#樣點高。同時2#、3#BOD5值也明顯高于東南岸樣點的BOD5值。呼倫湖水體富營養(yǎng)化狀況嚴重，西北岸7#中TP和TN質(zhì)量濃度較高，整個西北岸平均營養(yǎng)鹽狀況較南部水體高。

3.4 浮游植物功能群與水環(huán)境因子的RDA分析

在RDA分析結(jié)果(圖2)中，從軸1結(jié)果看，最主要的正相關(guān)因子為TP(0.787 8)和TN(0.725 1)，最主要的負相關(guān)因子為BOD5(-0.765 7)，其次是SD(-0.645 8)。從軸2結(jié)果來看，最主要的正相關(guān)因子為TN(0.491 0)，最主要的負相關(guān)因子是BOD5(-0.460 5)，其次是SD(-0.284 1)。呼倫湖水體整體富營養(yǎng)化程度高，其中H1功能群同TP和TN顯著正相關(guān)，X2功能群同TP顯著正相關(guān)，功能群W1同TN顯著正相關(guān)，同TP、BOD5和SD顯著負相關(guān)。C功能群主要與BOD5和SD有關(guān)，TP和TN質(zhì)量濃度對C功能群有負性作用。

表3 呼倫湖各環(huán)境因子

圖2 浮游植物功能群與環(huán)境因子RDA分析

從表4相關(guān)系數(shù)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，前三個軸相關(guān)性累積變化達97.6%，浮游植物重要功能群與環(huán)境變量之間存在明顯相關(guān)性。

表4 排序軸特征值、種類與環(huán)境因子排序軸的相關(guān)性

4 討論

4.1 北方內(nèi)陸藍藻暴發(fā)的堿性水體浮游植物功能群特征

由于氣候、溫度等地域差異，不同地區(qū)藍藻暴發(fā)水體浮游植物功能群明顯不同。藍藻暴發(fā)主要集中在熱帶、亞熱帶地區(qū)。熱帶[8]、亞熱帶地區(qū)[16]藍藻暴發(fā)通常是由于微囊藻屬、假魚腥藻屬(Pseudanabaena)和澤絲藻屬(Limnothrix)種類引起的，其功能群以M和S1為主。溫帶地區(qū)藍藻暴發(fā)通常是由于微囊藻屬種類引起的，其功能群主要以M為主，北方寒冷地區(qū)水體藍藻暴發(fā)以功能群M和H1為主[17]。由此可以看出，功能群M對溫度的適應范圍較廣，從熱帶到寒冷地區(qū)均有分布，而功能群S1和H1對溫度的適應范圍較窄，S1主要在熱帶亞熱帶地區(qū)分布，H1功能群主要在北方寒冷地區(qū)分布。雖然夏季熱帶、亞熱帶地區(qū)同北方寒冷地區(qū)水溫差異不明顯，但整個浮游植物的生長期內(nèi)積溫差異明顯。Cao等發(fā)現(xiàn)[18]，積溫與浮游植物的生長有明顯的相關(guān)性。因此，推斷功能群S1需要有效積溫較高，而功能群H1需要的有效積溫較低。從本研究結(jié)果來看，對于北方寒冷內(nèi)陸堿性水體則明顯以功能群H1為主。李銳等研究[19]也發(fā)現(xiàn)，堿度對浮游植物的生長也具有明顯的作用，同硅藻、綠藻門等種類相比，藍藻更適宜于在偏堿性水體生長，而呼倫湖的總平均堿度為(343.26±160.48)mmol·L-1，堿度相對較大。由此推斷，功能群H1比功能群M更耐受高堿度的水體。此外，以卵形衣藻和球衣藻為主的功能群X2也占有較大比例，尤其是3#采樣點。這主要是由于功能群X2對于浮游動物濾食極為敏感[20]，而藍藻暴發(fā)分泌毒素[21]會導致呼倫湖大型濾食性浮游動物顯著減少，浮游動物的濾食功能顯著降低，適宜功能群X2的生長。

4.2 呼倫湖浮游植物功能群關(guān)鍵驅(qū)動因子

溫度、營養(yǎng)鹽、透明度是影響浮游植物功能群分布的主要因素[22]，此外水動力學因素和浮游動物攝食功能也對浮游植物分布有影響[4-5]。同其他水域略有不同，對于北方內(nèi)陸寒冷地區(qū)堿性水體，營養(yǎng)鹽、透明度和堿度是主要驅(qū)動因子。呼倫湖4條入湖河流的總磷質(zhì)量濃度均嚴重超標[23-24]，富營養(yǎng)化程度嚴重。從RDA環(huán)境因子與浮游植物功能群的分析來看，夏季暴發(fā)主要功能群H1與TP呈顯著正相關(guān)，這與Reynolds[4]等研究中H1對磷含量敏感結(jié)論相一致，呼倫湖TP質(zhì)量濃度嚴重超標是藍藻暴發(fā)的主要原因。

透明度也是影響呼倫湖浮游植物功能群分布的主要因子之一[25]。從RDA結(jié)果可以看出，透明度與功能群C呈顯著正相關(guān)，與H1功能群呈負相關(guān)，說明呼倫湖中水體透明度嚴重影響了當中浮游植物的生長和功能群的分布。由于堿度較高的水體，水體中的鈣離子會被消耗析出[26]，導致透明度降低，而濁度升高，這與本研究中總堿度為透明度的負相關(guān)因子(-0.596 3)結(jié)論相吻合。水體堿度與濁度呈正相關(guān)，與透明度呈負相關(guān)，呼倫湖水體總體堿度較高，透明度較低，隨著透明度逐漸降低，濁度升高，功能群呈現(xiàn)從C→X2→H1的變化趨勢。

堿度也是影響浮游植物的功能群分布的因子之一。從本研究中可以看出，ALK與H1有明顯的相關(guān)性。張樹林等[27]研究發(fā)現(xiàn)，堿度對浮游植物的生長有顯著地影響，其中的碳酸鹽類離子能夠為浮游植物提供碳源。Reynolds[4]研究中多數(shù)浮游植物功能群不適宜于堿性水體。在呼倫湖堿性水體中，堿度對浮游植物有很強的選擇作用。隨堿度升高，浮游植物功能群呈現(xiàn)出C→MP→H1的變化趨勢，堿度的升高有利于功能群H1的生長，促進了藍藻暴發(fā)。

5 結(jié)論

呼倫湖中的浮游植物可以劃分為19個功能群，其中主要功能群為H1、C、X2、MP、W1。以卷曲魚腥藻為代表的H1功能群占52.08%，以卵形衣藻為代表的X2功能群占21.86%，反映出呼倫湖水體富營養(yǎng)化程度嚴重。TP質(zhì)量濃度是功能群H1敏感因子，同時TP與X2功能群也有顯著的正相關(guān)性，所以控制磷量的輸入是控制呼倫湖富營養(yǎng)化的主要方向。

營養(yǎng)鹽總磷、總氮是影響呼倫湖夏季藍藻水藻暴發(fā)的最主要因素，其次透明度、堿度影響也較大。呼倫湖是堿性水體，總堿度偏高，對浮游植物的功能群也有很強的選擇作用。堿度會導致濁度升高，透明度降低，光照減少，同其他功能群相比，堿度的升高有利于功能群H1的生長，促進了藍藻暴發(fā)。此外，有效積溫可能也是影響因素之一。

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潘翰，男，1996年3月生，東北林業(yè)大學野生動物資源學院，本科生。E-mail：panhan_1996@163.com。

馬成學，東北林業(yè)大學野生動物資源學院，講師。E-mail：mch007@163.com。

2017年1月18日。

X524

Characteristics and Physical Factors of Cyanobacteria Outbreak in Northern Cold Region Inland Alkaline Water//Pan Han, Liu Yanran, Ma Chengxue(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(7)：79-83.

1)東北林業(yè)大學大學生創(chuàng)新訓練項目(201610225216);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(2572015CA19、2572014EA07-04);黑龍江水產(chǎn)研究所基本科研業(yè)務費專項資金(HSY201511)。

責任編輯：程 紅。

We studied the characteristic and affecting physical factors of cyanobacteria outbreak in northern cold region inland alkaline water during summer with the samples collected at eight sites in Hulun Lake and Ullanor Lake in summer (July), 2015. We analyzed the composition of the functional groups of phytoplankton in Hulun Lake and the environmental factors of the water. Nineteen functional groups were identified in Hulun Lake and the important groups included H1, C, X2, MP, W1. The dominant groups were H1 (52.08%) and X2 (21.86%). Total phosphorus and total nitrogen were the main factors of Cyanobacteria outbreak in Hulun Lake during summer followed by biological oxygen demand, Secchi depth, alkalinity and effective accumulated temperature.