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(xué), 武漢 430072; 2. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072; 3. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院, 北京 100038;4. 長(zhǎng)江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 武漢 430072; 5. 太原師范學(xué)院, 太原 030031)

浮游植物是水環(huán)境中的初級(jí)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(guò)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(biāo)[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(fēng)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(jì)90年代以來(lái), 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 洱海的旅游業(yè)日漸興旺, 人類(lèi)活動(dòng)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(yíng)養(yǎng)水平, 在1992年到2001年期間一直保持在中營(yíng)養(yǎng)水平[4,5], 現(xiàn)階段處于中營(yíng)養(yǎng)向富營(yíng)養(yǎng)湖泊的過(guò)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(xiàn)率相對(duì)較低[8], 富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益突出, 在1996年和1998年秋季暴發(fā)了大面積藍(lán)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(yán)重影響了洱海水源的安全[9]。近幾年來(lái)盡管采取了很多措施加大了對(duì)洱海的治理力度, 洱海的水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和藍(lán)藻水華暴發(fā)的局勢(shì)仍不容樂(lè)觀(guān), 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(jī)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(diǎn)分布及采樣方法

采樣時(shí)間為洱海藍(lán)藻水華易暴發(fā)期(2009年5—11月), 每月中旬進(jìn)行一次采樣, 全湖共設(shè)置 12個(gè)采樣點(diǎn), 采樣點(diǎn)從南至北分四個(gè)斷面, 每個(gè)斷面分東、中、西3個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。用5 L有機(jī)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(lèi)細(xì)胞計(jì)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(xué)需氧量(CODMn)、葉綠素a (Chl. a), 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫(T)和透明度(SD)?？偟?、總磷、可溶性總氮、氨氮、硝氮、化學(xué)需氧量和葉綠素a均使用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行分析[11]。同時(shí)用25#浮游植物網(wǎng)將浮游網(wǎng)在水體表面呈“∞” 形來(lái)回拖動(dòng)數(shù)次, 撈取少量藻樣用于藻細(xì)胞定性分析。

1.2 藻類(lèi)分析方法

在實(shí)驗(yàn)室借助顯微鏡和微型生物圖譜、檢索表以及各類(lèi)鑒定手冊(cè)對(duì)浮游植物定性樣品進(jìn)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(jì)數(shù)前充分混勻,取0.l mL于浮游植物計(jì)數(shù)框內(nèi)計(jì)數(shù), 計(jì)數(shù)三行, 即2、5、8行, 每個(gè)樣本重復(fù)計(jì)數(shù)2次。其中, 小型個(gè)體與個(gè)體較大的種類(lèi)分別計(jì)數(shù), 以減少誤差。結(jié)果計(jì)算參照國(guó)家環(huán)?？偩值姆椒╗12]。

1.3 水體營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

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(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)各河流的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[13]。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為:

式中, TLI(營(yíng)養(yǎng))為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù); TLI(j)為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù); Wj為第 j種參數(shù)的營(yíng)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(zhǔn)參數(shù)。營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)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(duì)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí): TLI(Σ)<30 貧營(yíng)養(yǎng), 30≤TLI(Σ)≤50 中營(yíng)養(yǎng),TLI(Σ)>50 富 營(yíng) 養(yǎng) , (5070 重度富營(yíng)養(yǎng))。在同一營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下, 指數(shù)值越高, 其營(yíng)養(yǎng)程度越重。

2 結(jié)果

2.1 藍(lán)藻水華暴發(fā)期間各理化指標(biāo)與浮游植物生物量的分布與變化

如圖2所示, 從5月份開(kāi)始, 洱海浮游植物生物量(葉綠素 a含量)開(kāi)始增加, 在 9月份有稍許降低,10月份達(dá)到峰值, 11月份開(kāi)始下降。浮游植物數(shù)量和葉綠素 a的變化趨勢(shì)基本一致, 從7月份開(kāi)始藻細(xì)胞密度由 7.63×106個(gè)/L上升為2.08×107個(gè)/L, 7、8、9、10四個(gè)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(kāi)始降低。8月份較7月份葉綠素 a含量高, 但是藻細(xì)胞數(shù)量卻大幅下降, 這可能是因?yàn)?8月份較 7月份魚(yú)腥藻細(xì)胞數(shù)量大幅增加,雖然兩個(gè)月份都是微囊藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 但洱海魚(yú)腥藻細(xì)胞較大[14], 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微囊藻, 所以雖然 8月份細(xì)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(biāo)在時(shí)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(dòng)較大; 總磷(TP)和氨氮(NH3-N)各月份間無(wú)明顯變化。

5—11月洱海浮游植物數(shù)量以藍(lán)藻門(mén)種類(lèi)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 而浮游植物種群以綠藻門(mén)種類(lèi)最多、藍(lán)藻門(mén)和硅藻門(mén)次之。6—10月洱海水華種類(lèi)為微囊藻屬的一些種, 微囊藻在這些月份中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(圖 3),常見(jiàn)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(kāi)始上升, 在7月達(dá)到最高, 為93.13%, 8月份大幅下降, 9、10月份又開(kāi)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(lán)藻門(mén)所占比例在各月之間的變化與微囊藻屬的變化趨勢(shì)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(yíng)養(yǎng)水平分析

從圖4可以看出2009年5—11月各月?tīng)I(yíng)養(yǎng)水平指數(shù)均大于43, 7月份營(yíng)養(yǎng)水平指數(shù)最高接近50, 5月份最低。這說(shuō)明洱海水質(zhì)依然處于中營(yíng)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(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(shuō)明相對(duì)于其他浮游植物種類(lèi), 總磷(TP)對(duì)微囊藻的影響比較大。

3 討論

洱海藻類(lèi)水華的發(fā)生與其富營(yíng)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(bào)道洱海 1957年南部出現(xiàn)水華束絲藻(Aphanizonmenon flos-aquae)水華,進(jìn)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(kuò)大,主要分布在東南部及北部, 其細(xì)胞數(shù)量達(dá)5093.8×104個(gè)/L。至 1996年 9月底至 10月中, 螺旋魚(yú)腥藻 (Anabaena spiroldes)水華暴發(fā), 其細(xì)胞數(shù)高達(dá) 4449×104個(gè)/L, 占藻類(lèi)種群數(shù)量的93.03%, 最大生物量15.37 mg/L,占藻類(lèi)總生物量的 82.19%。球形魚(yú)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(shì)種群, 梭形裸藻(Euglena aclls)、美麗團(tuán)藻(Volvox aureus)、小顫藻(Oscillatoria tennis)在此時(shí)期也大量繁殖。水華持續(xù)半月余。1997年雖沒(méi)有大量水華發(fā)生, 但藻類(lèi)優(yōu)勢(shì)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(yú)腥藻(Anabaena circinalis)、螺旋魚(yú)腥藻-卷曲魚(yú)腥藻、水華束絲藻的四季轉(zhuǎn)換[9]。在此過(guò)程中, 藍(lán)藻門(mén)逐漸形成了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。1998年, 洱海藻類(lèi)群落演變成終年以卷曲魚(yú)腥藻、球形魚(yú)腥藻、水華束絲藻、銅綠微囊藻、鈍脆桿藻構(gòu)成亞優(yōu)勢(shì)種群的藍(lán)藻型浮游植物群落結(jié)構(gòu)[9]。以卷曲魚(yú)腥藻為主的水華發(fā)生于 9—11月。在水華期間, 卷曲魚(yú)腥藻細(xì)胞數(shù)量最高可達(dá) 11422×104個(gè)/L, 藍(lán)藻門(mén)構(gòu)成藻類(lèi)群落總細(xì)胞數(shù)的79.9%—98.7%[9]。潘曉潔[14]2006年 6—10月對(duì)洱海浮游植物的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn), 在洱海藍(lán)藻水華發(fā)生期間暴發(fā)期, 藻類(lèi)種類(lèi)相對(duì)較少, 以魚(yú)腥藻或微囊藻占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 兩屬的種類(lèi)交替大量生長(zhǎng)形成水華,藻細(xì)胞數(shù)保持在107cells/L的水平。我們的研究結(jié)果進(jìn)一步表明洱海水華暴發(fā)趨勢(shì)已經(jīng)十分嚴(yán)峻, 在藍(lán)藻暴發(fā)期, 始終是微囊藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

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(yíng)養(yǎng)水平Fig. 4 Trophic levels of Lake Erhai from May to November, 2009

4 小結(jié)

洱海藍(lán)藻水華一般發(fā)生在每年的 6—10月份,

水華發(fā)生時(shí)藍(lán)藻數(shù)量高達(dá) 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(duì)優(yōu)勢(shì), 數(shù)量最高可達(dá)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(yú)腥藻和微囊藻交替大量生長(zhǎng)形成水華轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒛以逭冀^對(duì)優(yōu)勢(shì)的藍(lán)藻水華。分析2009年5—11月洱海營(yíng)養(yǎng)水平, 7月?tīng)I(yíng)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(shuō)明相對(duì)于其他浮游植物種類(lèi), 總磷(TP)對(duì)微囊藻的影響比較大。