吉林龙湾国家级自然保护区大龙湾玛珥湖水华爆发成因初探

阳 涛，张超凡，何春光，孙立国，盛连喜

(1.东北师范大学国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，吉林 长春 130117；2.吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033；3.吉林龙湾国家级自然保护区管理局，吉林 通化 135102)

吉林龙湾国家级自然保护区位于长白山北麓龙岗山脉中段，山脉中分布的火山群是世界上玛珥湖较多的区域之一，可能形成于中更新世至早全新世的玛珥式火山爆发[1]，其中大龙湾是龙岗山脉玛珥湖群中面积最大的一个玛珥湖.由于玛珥湖的湖水一般比较深，深度与湖面积的比值较一般湖泊要大，并且玛珥式火山喷发形成的环状火山口壁，使得玛珥湖形成封闭湖体，受外界环境干扰(风浪、径流输入等)较弱，易形成稳定水体[2].深水的物理、化学条件，长时间的水体滞留，以及底栖生物难以生存的缺氧环境，使得玛珥湖适于纹层的发育和保存[3]，是纹层、年代学和气候环境演化等多个方面的重要研究载体[1].近几十年来，中外地质学家对东北龙岗火山群玛珥湖进行了大量的研究[4-6]，是中外地质学、古气象学以及气候变化学者关注的热点研究对象[7-8].自2018年开始，龙岗山脉中的玛珥湖群中最大的一个玛珥湖大龙湾开始出现水华现象，但大龙湾玛珥湖的相关水生态研究尚未见报道.玛珥湖水华过程及其水生态的研究不仅对保护玛珥湖具有科学指导意义，同时还能为玛珥湖的地质学、古气象学以及气候变化学研究提供参考佐证数据[1，9]，因此，本文在2018年大龙湾水华爆发期间对大龙湾及其近邻三角龙湾进行了浮游植物群落结构以及相关水质参数的调查研究，以为龙湾国家级自然保护区玛珥湖群的管理保护提供科学的依据.

1 区域概况和研究方法

吉林龙湾国家自然保护区位于吉林省通化市辉南县境内，其东部、南部以龙岗山山脊为界与靖宇县、柳河县相邻，西部和北部与辉南森林经营局接壤，地理位置为东经126°13′55″～126°32′02″、北纬42°16′20″～42°26′57″，是世界上玛珥湖较多的区域之一[10].研究区内大龙湾和三角龙湾是保护区最典型的两个玛珥湖(见图1).大龙湾与三角龙湾地理位置相近，海拔相差仅80 m，所处环境相似具有较好的对比性，因此本研究选择三角龙湾作为同期对照与水华爆发期的大龙湾进行浮游生物群落结构以及水质参数的对比研究.

图1 研究区位置

本研究分别在2018年6—10月逐月调查监测了大龙湾和三角龙湾浮游植物的群落结构，以及水体温度、叶绿素a含量、总氮/总磷含量和电导率.由于火口湖水深-表面积比值较大，且前期的调查发现湖面水平方向上的水质参数差异较小，但随水深的垂直差异较大，因此分别在大龙湾和三角龙湾湖中心位置在随水深的垂直方向上布设采样点.使用1 L有机玻璃采水器在水深的垂直方向上分层采样.使用Hydrolab DS5X-MS5 多功能水质探头测定每一层水样的温度、叶绿素a含量和电导率；采用过硫酸钾-紫外分光光度法测总氮含量，采用钼锑抗分光光度法测总磷含量.浮游植物定性样品用孔径约0.064 mm的25号浮游生物网在水面下约0.5 m处以适当的速度“∞”字形来回拖动1～3 min进行采集，样品使用鲁哥氏液固定；浮游植物定量样品用5 L有机玻璃采水器进行采集，1.5%的鲁哥氏液固定，静置沉淀24 h 后，用虹吸管吸取上层清液，余下20～25 mL沉淀物转移至30 mL定量瓶中；浮游生物样品的鉴定使用OLMPUSDP73型光学显微镜以及杭州讯数科技浮游生物鉴定计数系统，参照《淡水浮游生物图谱》[11]进行鉴定和计数.

2 浮游植物群落结构的变化

图2 水华爆发期间总藻类细胞密度对比

从总的藻类细胞密度来看(见图2)，大龙湾6—10月浮游植物总藻类细胞密度分别为：2.86，25.02，27.86，24.15，6.35万个/L；从6月到7月总藻类细胞密度从1万个/L数量级上升至10万个/L，并且持续到9月份，直到10月份降低至1万个/L数量级.三角龙湾6—10月浮游植物总藻类细胞密度分别为：0.16，0.59，0.59，0.36，0.82万个/L.大龙湾7—9月的藻类细胞密度比三角龙湾同期高2个数量级.

浮游植物优势度数据(见表1)表明，大龙湾增殖的藻类细胞主要由单一的绿藻门的鼓藻属(Cosmarium)(见图3)构成.大龙湾6—10月浮游植物群落均以绿藻门的鼓藻属为绝对优势属，在7—9月份优势度高达0.9以上，在6月和10月也分别达到了0.83和0.70；而三角龙湾各月均以硅藻门的小环藻属(Cyclotella)优势度最高.因此判断本次大龙湾爆发的水华是由绿藻门的鼓藻属(Cosmarium)大量增殖导致的.

表1 水华爆发期间浮游植物优势度对比

图3 导致大龙湾水华爆发的鼓藻(Cosmarium)的显微照片

3 水质参数对比

三角龙湾2018年6—9月各个水层的叶绿素a含量均在5 μg/L以下；而大龙湾2018年6—9月各个水层的叶绿素a含量随深度的增加变化较大，在水深10～15 m范围内出现峰值，分别为：35.14，53.56，45.37和57.92 μg/L.叶绿素a在垂直方向上的分布特征反映了湖泊中藻类在垂直面上的分布特征，从叶绿素a垂直分布的峰值来看，此次大龙湾水华爆发发生在10～15 m水层(见图4).

三角龙湾2018年6—9月各个水层的电导率均在0.08～0.11 mS/cm之间，其电导率在时空上较为均匀.而大龙湾电导率随深度垂直变化较大，大致可以分成两层：0～25 m水层，电导率随深度垂直变化较小，各月电导率都基本稳定在0.3 mS/cm左右，是三角龙湾水体电导率的3倍左右；25m以下水层，7—9月电导率都在水深25 m以下迅速上升，分别在40 m水层和湖底形成两个峰.其中大龙湾8月份电导率最高，在40 m以下水层达到0.8～0.95 mS/cm，是三角龙湾水体电导率的8～9倍(见图5).

图4 水华爆发期间各水层叶绿素含量a对比

图5 水华爆发期间各水层电导率对比

大龙湾总氮浓度在2018年的7月(P<0.05)和9月(P<0.01)显著高于三角龙湾，而8月和10月没有显著差异(见图6).大龙湾7—10月总氮浓度分别为：(0.41±0.10)，(0.53±0.11)，(0.63±0.10)和(0.29±0.07)mg/L，7月和10月达到地表水环境质量标准(GB 3838-2002)Ⅱ 类，8月和9月达到地表水 Ⅲ 类标准；三角龙湾7—10月总氮浓度分别为：(0.17±0.10)，(0.41±0.14)，(0.22±0.06)和(0.23±0.07)mg/L，其中7月份达到地表水环境质量标准 Ⅰ 类，8—10月达到 Ⅱ 类.大龙湾和三角龙湾的总磷含量在7—9月没有显著差异，其中8—10月大龙湾和三角龙湾总磷含量都达到地表水 Ⅰ 类标准，7月大龙湾和三角龙湾都属于 Ⅱ 类.

*P<0.05，差异显著；**P<0.01，差异极显著

4 讨论与建议

2018年大龙湾爆发的水华优势属是绿藻门的鼓藻属(Cosmarium)，在水华爆发期间优势度高达0.9以上.一般来说，相对于硅藻和绿藻，蓝藻往往喜欢较高的水温(>25℃)[12-13]，而吉林龙湾地区的玛珥湖由于纬度和海拔的原因，即使在夏季湖水也很少超过25℃，这可能是大龙湾爆发的是绿藻水华而不是危害更大的蓝藻水华的原因之一.

总氮含量是衡量湖泊富营养化的重要指标，是藻类增殖的必要条件，大龙湾总氮浓度在7月是三角龙湾总氮浓度的2.4倍，在9月则是三角龙湾的2.9倍.电导率反映了水体中的离子浓度，而藻类的增殖除了需要氮、磷等营养物质外，微量元素有时也会成为限制因素，而大龙湾水体的电导率是三角龙湾的3～9倍.从水质参数的对比结果看，较高的总氮浓度和水体电导率可能是导致大龙湾发生水华的原因.

虽然当前大龙湾爆发的是绿藻门的鼓藻属(Cosmarium)水华，没有导致水体缺氧，也没有发生鱼类大量死亡的严重后果，但大龙湾水华爆发期间藻类密度相较于其近邻三角龙湾要高2个数量级；同时大龙湾较高的总氮浓度和水体电导率也为大龙湾的水环境健康埋下了隐患，初次爆发水华后可能会逐渐加速湖泊的演替进程，因此不能不对此次水华事件进行警惕与重视.建议后续要定期监测大龙湾水生浮游植物的群落结构，密切关注其藻类群落结构的演替变化，一方面对玛珥湖水生态健康有重要的指示作用，同时也可以为后续开展大龙湾玛珥湖地质学、古气象学以及气候变化学研究提供参考佐证数据.针对大龙湾较高的总氮浓度和水体电导率，建议要进一步研究其水文过程，在明晰其水文过程的基础上才能进一步阐明其水质状况的成因，进而才能“对症下药”，找到改善、缓解大龙湾玛珥湖水生态恶化趋势的“药方”.目前建议采取的措施可以考虑以下几个方面：减少人为干扰和氮源输入，科学管控渔业活动[14]；采取合理的湖泊生态恢复的生态工程[15-16]；建立水源涵养保护区，保护自然湿地生态系统；重建人工湿地改善区域水生态环境.