錢奎梅,劉 霞,段 明,陳宇煒*(.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇南京 0008；.江西省鄱陽湖水利樞紐建設(shè)辦公室,江西 南昌 330046)

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鄱陽湖藍藻分布及其影響因素分析

錢奎梅1,劉 霞1,段 明2,陳宇煒1*(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇南京 210008；2.江西省鄱陽湖水利樞紐建設(shè)辦公室,江西 南昌 330046)

摘要：利用鄱陽湖的原位監(jiān)測數(shù)據(jù),分析鄱陽湖水華藍藻的分布現(xiàn)狀及其影響因素,探索鄱陽湖水華藍藻的源頭.研究結(jié)果表明,鄱陽湖浮游植物的優(yōu)勢種為硅藻,藍藻為鄱陽湖的次級優(yōu)勢種,藍藻在浮游植物總生物量的比例有逐年增加的趨勢.水華藍藻的主要優(yōu)勢種為魚腥藻,其次為微囊藻和浮游藍絲藻.鄱陽湖藍藻水華形成初期的基本規(guī)律為水華藍藻在營養(yǎng)鹽濃度相對較高且水流較緩的內(nèi)灣及尾閭區(qū)生長分布,在夏秋季水位較高時在水流和風的作用下向主航道輸移聚集.結(jié)合鄱陽湖水文特點,主航道的水華藍藻聚集有可能是上游四個湖區(qū)的藍藻向下游漂移綜合作用的結(jié)果.研究成果可為控制鄱陽藍藻水華區(qū)域風險災害提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

關(guān)鍵詞：鄱陽湖；水華藍藻；分布

? 責任作者, 研究員, ywchen@niglas.ac.cn

鄱陽湖是中國最大的吞吐性、季節(jié)性和通江性淡水湖泊.鄱陽湖上承贛、撫、信、饒、修五河之水,下接長江,水位受“五河”入湖水量和長江水位頂托雙重影響,年內(nèi)水位變幅巨大,最大年變幅為9.59～15.36m,最小年變幅為3.80～9.79m,湖水換水速度快,平均換水周期約為21d.豐水期與枯水期的湖泊面積、容積相差極大.每年4～7月,鄱陽湖水位隨鄱陽湖水系漲水入湖而上漲,8～9月因長江漲水頂托或倒灌而維持高水位, 10月開始穩(wěn)定退水.年最高水位一般出現(xiàn)在6～7月(出現(xiàn)在7月的占82.4%),年最低水位一般出現(xiàn)在12月至次年3月,絕大多數(shù)年出現(xiàn)在12月至次年1 月(占77.5%)[1].

2007年,鄱陽湖部分湖區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯水華藍藻聚集現(xiàn)象.2013～2014年鄱陽湖藍藻水華分布區(qū)域較前幾年有大范圍增加,在鄱陽湖主航道都昌水域、軍山湖、康山湖、撮箕湖、戰(zhàn)備湖等湖區(qū)水面均有發(fā)現(xiàn),并且水華藍藻生物量近期呈增加的趨勢.對鄱陽湖浮游植物樣品分析發(fā)現(xiàn),硅藻為絕對優(yōu)勢種,生物量占浮游植物總生物量的50%以上,藍藻為次級優(yōu)勢種,在夏秋季部分湖區(qū)發(fā)現(xiàn)水華藍藻聚集.藍藻水華的出現(xiàn),表觀現(xiàn)象上是瞬時的“暴發(fā)”,但其本質(zhì)卻是藻類生物量在水體中逐漸增加的過程[2].一般來說,藍藻在富營養(yǎng)化的封閉水體中較易大量繁殖,由于都昌水域位于主航道,水流速度較快,不利于藍藻的生長,本文旨在探索都昌水域水華藍藻的來源,通過對鄱陽湖近幾年水華藍藻生物量的時空變化分析,研究鄱陽湖水華藍藻的源發(fā)地,可為控制鄱陽藍藻水華區(qū)域風險災害提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

鄱陽湖位于江西省的北部,長江中下游南岸.鄱陽湖形似葫蘆,湖體通常以都昌和吳城間的松門山為界,松門山西北為北湖,湖面狹窄,實為一狹長通江港道.松門山東南為南湖,湖面遼闊,是湖區(qū)主體.都昌區(qū)域位于鄱陽湖通江港道的南北分界附近.鄱陽湖的特點是豐水期鄱陽湖主航道與各個季節(jié)性內(nèi)湖連成大湖面,而水位較低時,鄱陽湖呈現(xiàn)為河道特點,其各個季節(jié)性內(nèi)湖各自成湖,主航道與各個內(nèi)湖的水系隔離.漲水期湖泊水面呈現(xiàn)北低南高,湖面比降大,湖泊換水較快,湖水在重力作用下較規(guī)則地沿主槽方向流動,北部湖域流速大于南部湖域,北部湖域曾實測到最大點流速為1.48～2.85m/s;南部湖域除主槽流速可達1.54m/s外,一般都在0.3m/s以內(nèi).豐水期湖泊水面總體呈現(xiàn)水平狀,此時流速相應較小,一般為0.10～0.80m/s[1].

1.2 研究方案及分析方法

在鄱陽湖主航道(PY1-PY24)和已發(fā)現(xiàn)藍藻水華湖區(qū)(都昌水域、軍山湖、康山湖、撮箕湖、戰(zhàn)備湖)設(shè)置采樣點,采樣點平面布置如圖1所示.監(jiān)測時間為2009～2014年,常規(guī)監(jiān)測設(shè)定為每季度一次(1月、4月、7月和10月),監(jiān)測區(qū)域包括主航道和已發(fā)現(xiàn)藍藻水華湖區(qū),高頻監(jiān)測設(shè)定為水情波動較大時期(5～11月),每月2～3次,監(jiān)測區(qū)域設(shè)定為鄱陽湖主航道.現(xiàn)場原位監(jiān)測過程中,根據(jù)水深情況,分別在各樣點的表層、中層和底層采集水樣,混合之后作為樣品,用1L塑料瓶取水樣加10mL魯哥氏液固定,回實驗室后靜置48h以上濃縮為30mL,作為浮游植物定量樣品.一部分水樣帶回實驗室,利用GF/C玻璃濾膜(Waterman)過濾之后,按照湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范[3]進行測定總氮、總磷、葉綠素a、氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、正磷酸鹽磷(PO43--P)等指標.采樣同時利用YSI 6600V2 多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀測定透明度、水溫(WT)、溶解氧(DO)、電導率、pH值、光合有效輻射(PAR)等指標.

各種統(tǒng)計學檢驗均采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件完成,繪圖使用SigmaPlot 10.0軟件完成.

圖1 鄱陽湖采樣區(qū)域分布Fig.1 The sampling areas in Poyang Lake

2 結(jié)果

2.1 鄱陽湖浮游植物的群落結(jié)構(gòu)

2009～2014年鄱陽湖浮游植物隸屬于7門67 屬132種,其中綠藻門34屬64種,占總藻類數(shù)百分比為48.5%;硅藻門17屬30種,占總藻類數(shù)的22.7%;藍藻門6屬22種,占總藻類數(shù)的16.7%;裸藻門4屬7種,占5.3%;甲藻門和隱藻門分別為3屬4種和2屬4種,均占鄱陽湖浮游植物總藻類數(shù)的3.0%;金藻門種類數(shù)最少,僅見1屬1種.鄱陽湖浮游植物生物量從2009年到2014年逐漸增加(圖2),其平均值分別為0.66, 5.00, 5.13, 51.56, 57.92mg/L,特別是2012年10月份和2013年1月份和4月份,其平均值分別達到94.55,80.82, 83.40mg/L.總體而言,鄱陽湖浮游植物的優(yōu)勢種為硅藻,生物量百分比可達53%;藍藻和綠藻為鄱陽湖的次級優(yōu)勢種,生物量百分比分別為15%和13%;隱藻生物量百分比為12%,并且藍藻占浮游植物總生物量的比例有逐年增加的趨勢.鄱陽湖浮游植物優(yōu)勢種季節(jié)變化見表1.其中顆粒直鏈硅藻(Aulacoseira granulata)和卵形隱藻(Cryptomonas ovata)在4個季節(jié)均為主要的優(yōu)勢種,其生物量百分比分別占15.53%～34.92%和9.34%～15.30%.鄱陽湖水華藍藻分布具有明顯的季節(jié)變化,豐水期平均生物量為0.69mg/L,枯水期平均生物量為0.50mg/L.

圖2 2009～2014年鄱陽湖藻類總生物量及群落結(jié)構(gòu)的季度變化Fig.2 Seasonal variations of phytoplankton biomass and community composition in 2009～2014藍藻硅藻綠藻生物量隱藻甲藻其他

鄱陽湖水華藍藻的主要優(yōu)勢種為魚腥藻、微囊藻和浮游藍絲藻(圖3).總體而言,魚腥藻的生物量百分比相對較高,其次為微囊藻和浮游藍絲藻.魚腥藻在豐水期的生物量百分比較高, 占28%～55%;浮游藍絲藻和微囊藻在枯水期的生物量百分比較高,分別為29%～36%和29%～33%.

表1 鄱陽湖浮游植物優(yōu)勢種及其生物量百分比(%)Table 1 The dominant species and the relative biomass of phytoplankton in Poyang Lake (%)

圖3 鄱陽湖藍藻的種類組成與藍藻生物量Fig.3 Species composition and biomass of cyanobacteria微囊藻　浮游藍絲藻藍藻生物量魚腥藻其他

2.2 水華藍藻在鄱陽湖的分布現(xiàn)狀

鄱陽湖水華藍藻生物量較高的區(qū)域為營養(yǎng)鹽濃度相對較高且水流較緩的內(nèi)灣及尾閭區(qū).目前,康山圩、撮箕湖、戰(zhàn)備湖、軍山湖以及都昌區(qū)域均有藍藻群體聚集出現(xiàn),并且水華藍藻在鄱陽湖中的分布面積及生物量逐年增加(圖4).2010年都昌水域水華藍藻生物量達到0.15mg/L,軍山湖水華藍藻生物量達到0.6mg/L.2012～2014年位于東部和南部的撮箕湖、軍山湖、戰(zhàn)備湖、蚌湖以及主航道都昌水域的水華藍藻均相對較高.

鄱陽湖水華藍藻季度變化趨勢(圖5)顯示,春季撮箕湖、康山圩、軍山湖和戰(zhàn)備湖的藍藻生物量較高,夏季藍藻分布范圍不僅包括軍山湖、康山湖,在鄱陽湖主航道也有分布.秋季,水華藍藻分布范圍有所擴大,蚌湖、撮箕湖以及康山圩生物量均高于1mg/L.冬季枯水期,軍山湖、康山圩以及撮箕湖周圍水域藍藻生物量均較高.

圖4 2010～2014年鄱陽湖水華藍藻分布區(qū)域(mg/L)Fig.4 The distributions of cyanobacteria in Poyang Lake from 2010 to 2014(mg/L)

圖5 鄱陽湖水華藍藻在4個水文時期的分布(mg/L)Fig.5 The distributions of cyanobacteria in Poyang Lake in different seasons (mg/L)

3 討論

3.1 水華藍藻生長與環(huán)境因子之間的關(guān)系

鄱陽湖磷和氮營養(yǎng)鹽濃度在夏季高水位時期相對較低,而在低水位時期相對較高(圖6).漲退水期,伴隨漲退水過程,湖流增大,加上風浪的作用,湖泊底泥不斷上涌,釋放營養(yǎng)鹽進入水體,同時水流帶來周圍的污染物營養(yǎng)鹽.而來源于農(nóng)用化肥和畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生大量的營養(yǎng)鹽污染負荷,與季節(jié)密切相關(guān)[4-5].

水體中浮游植物群落的種類組成和數(shù)量結(jié)構(gòu)的變化主要受相關(guān)的物理、化學和生物等環(huán)境因子的影響[6].鄱陽湖營養(yǎng)鹽與水位呈顯著的負相關(guān)性(圖6和表2),表明鄱陽湖中營養(yǎng)鹽受到水位波動的顯著影響.浮游植物生物量與SS和COD呈顯著負相關(guān)(P<0.01).鄱陽湖浮游植物與SS表現(xiàn)出負相關(guān)性,說明鄱陽湖的漲退水過程中SS影響了浮游植物光合作用所需光照[7].藍藻生物量與浮游植物總生物量呈顯著正相關(guān)(R2= 0.744, P<0.001),藍藻平均生物量占浮游植物總生物量的25%左右.藍藻生物量與營養(yǎng)鹽和電導率表現(xiàn)出顯著的負相關(guān)(P<0.01),與水位呈正相關(guān)(P<0.01).魚腥藻生物量與水位和溶解氧呈顯著正相關(guān)(P<0.01),與水溫、SS及氮磷營養(yǎng)鹽呈顯著負相關(guān)(P<0.01).微囊藻、浮游藍絲藻生物量與透明度和溶解氧呈顯著正相關(guān)(P<0.01),與濁度、SS及氮磷營養(yǎng)鹽呈顯著負相關(guān)(P<0.01).

圖6 鄱陽湖浮游植物Chl a、水溫及營養(yǎng)鹽在不同水位時期的變化Fig.6 Variations of Chl a, water temperature and nutrients in different hydrological phases in Poyang Lake

浮游植物生物量及chl a與水位呈正相關(guān)(P <0.01).表現(xiàn)為鄱陽湖水位上升,浮游植物chl a濃度增加;水位回落,chl a濃度減少.藍藻與水位呈顯著正相關(guān)(P<0.01),表明鄱陽湖中水位變化會通過改變水體養(yǎng)分、理化變量等因素導致浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化[8-10].鄱陽湖不同水位期對應了不同季節(jié),季節(jié)變化與水位波動帶來的協(xié)同耦合作用導致了鄱陽湖浮游植物以及藍藻的季節(jié)變化.春末夏初漲水期水位上升,水溫的增加有利于浮游植物,特別是喜溫耐高光強的種類生長,因此,浮游植物生物量增加;豐水期由于漲水過程導致的SS增加,透明度降低,同時加上漲水對藻類和營養(yǎng)鹽的稀釋作用,豐水期浮游植物生物量降低;秋冬季,水位回落,此時水溫有所降低,只有少數(shù)喜低溫的藻類生長,浮游植物生物量降低.總體來說,豐水期,水位顯著提高,透明度降低,光照低,再加上大量生長的大型水生植物,對藍藻的生長和繁殖不利.枯水期,營養(yǎng)鹽濃縮,局部水體形成了靜水狀態(tài),有利于水華藍藻的生長,從而形成了藍藻水華[11].

營養(yǎng)鹽和水溫是影響浮游植物生長的關(guān)鍵因子[12].一般來說,在營養(yǎng)物質(zhì)充足、水體較為穩(wěn)定時,適宜的高水溫是藍藻生長旺盛的外界誘發(fā)因子.隨著溫度的升高,藍藻光合作用速率加快,在高水溫的誘發(fā)下藍藻大量繁殖生長.雖然綠藻在溫度較高時可以快速生長,但當溫度維持較高水平時,藍藻可以產(chǎn)生藻毒素來抑制綠藻生長增殖[13].同時其他藻類在25℃以上時生長速率緩慢[14],耐受不住高水溫,因此高溫條件下藍藻更具有競爭優(yōu)勢.而本研究中,冬春季藍藻生物量隨著水溫的增加而增加,而夏季生物量卻有所降低,其原因為夏季漲水過程的稀釋作用大于藍藻的生長,導致藍藻及其優(yōu)勢種與水溫沒有顯著的相關(guān)關(guān)系.鄱陽湖水華藍藻的優(yōu)勢種為魚腥藻、浮游藍絲藻和微囊藻,其中魚腥藻占絕對優(yōu)勢.魚腥藻屬固氮藻類,夏季豐水期隨著水體中氮營養(yǎng)鹽的消耗及水體的稀釋作用,同時水溫較高,當周圍氮源濃度降低時,魚腥藻的部分營養(yǎng)細胞會轉(zhuǎn)變?yōu)楹痰傅漠愋伟?起到固氮作用,是較強的氮競爭者[15].

表2 浮游植物生物量與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between phytoplankton biomass and environment parameters

3.2 鄱陽湖水位變化對水華藍藻分布的影響

軍山湖、康山圩、戰(zhàn)備湖和撮箕湖為鄱陽湖四個季節(jié)性內(nèi)湖(表3),主要污染來源包括水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源、工業(yè)污染及通過支流帶入的其他污染源,水體富營養(yǎng)化程度較高.這幾個湖區(qū)在枯水期與鄱陽湖主湖區(qū)隔離,物理特征近似于淺水湖泊,為藍藻生長提供了相對穩(wěn)定的水力條件,同時營養(yǎng)負荷的積累[20]促使該區(qū)域的水華藍藻迅速繁殖并累積.

在常規(guī)采樣過程中發(fā)現(xiàn),不僅以上幾個相對靜止湖區(qū)(軍山湖、撮箕湖、康山圩和戰(zhàn)備湖等)有肉眼可見的藍藻水華漂浮聚集層,在水流速度較快的主航道都昌水域也發(fā)現(xiàn)了暫時性的肉眼可見的水華藍藻聚集.監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,主航道都昌水域水質(zhì)正常,未發(fā)現(xiàn)氮磷超標、水質(zhì)富營養(yǎng)化情況,表明藍藻本地生長量較小.

表3 鄱陽湖已發(fā)現(xiàn)藍藻聚集湖區(qū)的比較Table 3 Comparison of different regions

鄱陽湖屬于過水型湖泊,水位波動不僅會改變水體理化性質(zhì)從而影響浮游植物生長,還會使得水體中的藻類隨水流遷移[16-18].鄱陽湖水下地形起伏,水位季節(jié)性變化大,湖區(qū)水面變化明顯,流態(tài)呈多樣性.枯水期(12～3月)水位低時,水流在河道里流動(圖7),湖流流速較大,為河道型湖泊.枯水期水面較小,各個季節(jié)性內(nèi)湖各自成湖,風對于藻類的輸移作用不明顯.豐水期湖區(qū)水位高,湖面廣闊(圖1),出湖、入湖河道流量較大,除出湖、入湖河流的河口區(qū)域外,湖面流速很小,鄱陽湖中的浮游藻類就會受到風的作用.鄱陽湖年最多風向為偏北風,只有豐水期7～9月間在太平洋副高控制下才多刮偏南風,偏南風加快湖流從南至北流動(圖8).

圖7 鄱陽湖的流場分布Fig.7 The flow distribution of Poyang Lake

圖8 南風作用下鄱陽湖主湖面的流場分布Fig.8 The flow distribution of Poyang Lake under south wind

從水華發(fā)生的空間分布上看,都昌水域位于鄱陽湖的主航道,表層流速較快,這有悖于流速和浮游植物生物量之間的相互關(guān)系[21-24].這一現(xiàn)象同鄱陽湖的湖流特點以及形狀特征有很大的關(guān)系.結(jié)合圖5四個時期的水華藍藻輸移分布狀況以及圖7和圖8的鄱陽湖流場圖,豐水期鄱陽湖水體流速較低,在局部湖灣生長的浮游藍藻,如內(nèi)灣及尾閭區(qū),不易受到鄱陽湖由南向北的主流場影響,而是堆積在這些湖灣中,從而形成表面水華.鄱陽湖內(nèi)灣及尾閭區(qū)原位生長的浮游藍藻在漲退水期間受到水流的影響,就會在鄱陽湖主航道中輸移,其中的魚腥藻和微囊藻的絲狀、絮狀群體在未明顯聚集成片的情況下隨水流順著主航道向下游漂移,到都昌水域這段收縮的過水斷面時,該處過水斷面的收縮對水中大量繁殖生長的藍藻生物群體起到了一定的“濃縮”作用,在氣溫、光照等環(huán)境條件合適的情況下大量藍藻逐漸上浮,并形成自岸邊緩流帶向河道中心逐漸延伸的肉眼可見的片狀、帶狀藍藻生物聚集體.

4 結(jié)論

鄱陽湖水華藍藻在營養(yǎng)鹽濃度相對較高且水流較緩的內(nèi)灣及尾閭區(qū)如撮箕湖、戰(zhàn)備湖、康山圩和軍山湖中生長積累,水位較高時隨水流在鄱陽湖主航道中輸移,在都昌水域上浮聚集.因此,鄱陽湖水華藍藻的源發(fā)地應為營養(yǎng)鹽濃度相對較高且水流較緩的內(nèi)灣及尾閭區(qū),即已發(fā)現(xiàn)水華藍藻聚集的4個湖區(qū)撮箕湖、戰(zhàn)備湖、康山圩和軍山湖.

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Distribution and its influencing factors of bloom-forming cyanobacteria in Poyang Lake.

QIAN Kui-mei1, LIU Xia1, DUAN Ming2, CHEN Yu-wei1*(1.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.Construction Office of Poyang Lake Water Control Project of Jiangxi Province, Nanchang 330046, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：261～267

Abstract：The field monitoring data was used to analyze the distribution and its influencing factors of bloom-forming cyanobacteria and explore the source of bloom-forming cyanobacteria in Poyang Lake.It resulted that diatoms was dominant in Poyang Lake, cyanobacteria was sub-dominant, and there is a rising trend of the proportion of cyanobacteria in the composition of phytoplankton.The dominant species of cyanobacteria were Anabaena Sp., Microcystis Sp.and Planktonic Lansi.The basic law of the formation of cyanobacterial blooms at the initial stage was that cyanobacteria grow and distributed in the lentic regions with relatively high nutrient concentrations and slow flow, and then transported and gathered in the main channel under stress of flow and wind in summer and autumn in Poyang Lake.Combined with hydrologic characteristics, cyanobacteria aggregates floating in the surface of main channel in Poyang Lake was the combined effects of other four upstream regions.It can provide the basic data and information for the prevention and control of cyanobacteria blooms.

Key words：Poyang Lake；bloom-forming cyanobacteria；distribution

中圖分類號：X524,X171

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)01-0261-07

收稿日期：2015-05-19

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB417000);國家自然科學基金(41301088);江蘇省博士后科研資助計劃資助項目(1401158C);江西省水利廳委托項目

作者簡介：錢奎梅(1982-),女,江蘇連云港人,博士,主要從事淡水藻類生態(tài)學研究.發(fā)表論文10余篇.