武汉市后官湖藻类越冬及复苏过程

贾 迪,许元钊,贡丹丹,潘 雄,董 磊,林 莉

(1.长江科学院 流域水环境研究所,武汉 430010; 2.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室,武汉 430010;3.生态环境部长江流域生态环境监督管理局 生态环境监测与科学研究中心,武汉 430010)

0 引 言

浮游植物是水生态系统的重要组成部分,其丰度是水环境监测的重要指标之一。我国蓝藻水华发生以浅水湖泊最为普遍[1],长江中下游地区是我国浅水湖泊集中区,多数湖泊平均水深仅2 m,也是世界上蓝藻水华最严重的地区之一[2]。蓝藻水华频繁发生引发了环境污染、水质安全等诸多问题[3]。目前公认的浅水湖泊中蓝藻生长与水华形成可分为下沉和越冬休眠、春季复苏、生长繁殖、聚集上浮形成水华4阶段[4]。由于蓝藻越冬休眠时主要集中在浅水湖泊底泥4 cm内的表层[2],此时的藻细胞又是来年夏季水华爆发的“种源”,而浅水湖泊底泥中的蓝藻“种源”会不断释放至水体中,易导致来年蓝藻水华爆发。

前人对太湖、巢湖、东湖等湖泊进行了相关的研究,太湖从11月份时蓝藻开始大量沉降至底泥,次年5月份复苏开始进入水体,在越冬过程中底泥中蓝藻维持增长状态,生长速度在3—5月份加快。巢湖中蓝藻9月—次年3月份光合活性一直处于较低水平,从11月份开始下沉越冬,次年3—4月份开始复苏[5]。不同的地理位置、气候特点,不同的湖泊特性,藻类越冬复苏情况不尽相同。

武汉市是百湖之市,后官湖又是水体富营养化日益显著的武汉市典型浅水湖泊,但是关于后官湖水体中藻类的越冬和复苏过程尚不清楚。以往对湖泊及底泥中藻类丰度的监测方法通常为显微镜血球计数法、光合色素含量测定法。本研究拟结合流式细胞仪快速精准分类与计数的特点,对后官湖水体及底泥活体藻细胞进行统计分析,解析武汉市后官湖藻类越冬期群落结构、丰度的变化,探究后官湖藻类越冬及复苏过程。本研究可以更好地了解蓝藻水华的发生机理,为研发预防水华爆发的技术提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

后官湖(30°28′N— 30°31′N,114°09′E—114°47′E),位于武汉市蔡甸区中北部,后官湖属于典型性北温带浅水型淡水湖泊,水域面积40.81 km2,流域面积360.1 km2,湖岸线长194.3 km,常年平均水深2.02 m,正常水位容积7 211万m3,区域平均气温16.5 ℃,降雨集中于5—8月份,年平均降雨量1 236 mm。武汉市生态环境局监测数据显示,近年来后官湖水质由规定的Ⅲ类水转向Ⅳ类甚至Ⅴ类水,富营养化趋势日益显著,后官湖近岸处亦出现水华现象。

根据后官湖形态、环境监测数据,以及10月初对后官湖藻类种群特征的初步研究,选定采样点位置如图1所示(30°30′N,114°8′E),该点位于后官湖东北侧近岸处,此处水流较缓,藻类生长条件适宜,气温较高时存在小范围水华现象。采样期间采样点处气温变化范围为-2.2～32.4 ℃,水温变化范围为4.0～28.2 ℃(最高温度均出现于4月份)。根据武汉市生态环境局发布的《2021年武汉市生态环境状况公报》[6]与2021年10月—2022年4月《地表水及集中式饮用水源地监测报告》[7],后官湖水质总体为Ⅳ—Ⅴ类水,水体呈轻度至中度富营养状态,超标污染物(超标倍数范围)为总磷(0.48～1.40)、化学需氧量(0.09～0.24)、生化需氧量(0～0.08)。总磷主要来源于农业种植和水产养殖等面源污染,化学需氧量主要来源于点源排污口与城市径流[8]。

图1 后官湖采样点

图2 水温和水体、底泥藻总丰度的时间变化

图3 表层、底层水体和底泥中藻细胞密度的时间变化

图5 藻类在水体和底泥中的分布

1.2 采样时间与方法

通常浅水湖泊蓝藻越冬期为每年11月—次年3月份,本次调查于2021年10月—2022年4月在后官湖水域进行,采集原位湖水和底泥样品,每半月至少进行一次,具体采样频率视气温、风速等天气情况而定并根据实际情况作适当调整。

藻类定性样品的采集用25号浮游生物网在水面下约0.5 m处,以适当的速度作“∞”字形来回拖动3～5 min,获得的浓缩液倒入样品瓶中,用鲁哥试剂固定。

藻类定量采集的野外样品包括表层水、底层水与表层底泥,每种样品取3次平行。用有机玻璃采水器采取1 L表层水样;使用直角玻璃管、塑料软管、针筒组合而成的采集工具,从湖泊底层抽取1 L底层水样;水样采集后先使用25号浮游生物网过滤浓缩,再用纯水进行冲洗,将浓缩后的水样移至100 mL样品瓶。

底泥样品使用不锈钢铲,直接铲取湖底表层2 cm泥样,去除大型石块等杂物,装入密封袋;所有样品采集后做好标记,低温避光保存,并于采样当日带回沌口实验基地实验室处理分析。每次采样利用电子温度计测定采样点处水温。

1.3 样品处理与室内分析

本研究使用流式细胞仪与光学显微镜相结合的方法鉴定藻类种类与密度。藻类定性样品于光学生物显微镜及成像系统(蔡司 Axio Imager A2)下观测,种类的鉴定参考《淡水微型生物图谱》[9]和《中国淡水藻类:系统、分类及生态》[10],藻类污染指示种分析方法参考文献[11-12]。结合显微镜观察结果,于中科院水生所藻种库购置以下藻种:小环藻、舟形藻、小球藻、衣藻、栅藻、卵囊藻、铜绿微囊藻、鱼腥藻,用于开发流式细胞仪荧光指纹,确保流式细胞仪可以校准并获得准确数据。

水体藻类定量样品于频率40 kHz、功率80 W的超声波清洗机中进行2 min的超声波处理,使聚团的藻细胞裂解。轻微震荡摇匀后取适量水样通过200目滤网(筛孔直径为0.075 mm),过滤至无菌5 mL圆底流式细胞管。

底泥样品根据以下步骤进行处理:①取1 mL混合均匀、无明显大型颗粒物及杂质的底泥样品放入离心管中,称量离心管取样前后的重量得到样品净重;②向离心管中加入5 mL配置好的Percoll溶液,轻微震荡后将离心管放入频率40 kHz、功率80 W、时间2 min的超声波清洗机中,使藻类与泥沙基质分离;③待超声波清洗机工作完成后取出离心管,放入离心机,以转速3 000 r/min运行5 min;④待离心机运转完毕后取出离心管,轻微震荡后用200目滤网过滤上清液至无菌5 mL圆底流式细胞管。

将上述流式细胞管置于流式细胞仪托槽内,另取一支流式细胞管加入1mL经300目滤网(筛孔直径为0.05 mm)过滤的纯水作为空白对照,以低流速(10 μL/min)运行2 min并记录,可得到20 μL样品内藻细胞的数量,通过计算即可换算为藻细胞密度,每个样品重复测定3次求平均值。

利用Microsoft Excel 2020、Origin 2021 for Windows 和 CytExpert软件进行数据整理、统计分析和制图。

2 结果与讨论

2.1 后官湖藻类种群组成与功能群划分

调查期间,后官湖水体及底泥中藻类共鉴定出6门26属,其中绿藻门(Chlorophyta)、硅藻门(Bacillariophyta)、蓝藻门(Cyanophyta)占优,绿藻门优势种依次为水绵属(Spirogyrasp．)、栅藻属(Scenedesmussp．)、盘星藻属(Pediastrumsp．);硅藻门优势种依次为小环藻属(Cyclotellasp．)、舟形藻属(Naviculasp．)、直链藻属(Melosirasp．)、针杆藻属(Synedrasp．);蓝藻门优势属依次为微囊藻属(Microcystissp．)、鱼腥藻属(Anabaenasp．)、束丝藻属(Aphanizomenonsp．)、尖头藻属(Raphidiopsissp.)。采样点浮游植物种类组成见表1,检测出常见污染指示种以β-ms(β-中污性)种类最多,其次为α-ms (α-中污性)。后官湖表层及底层水中藻类群落结构在月尺度上发生了明显的演替,10月下旬蓝藻数量开始下降,11月—次年3月份以绿藻和硅藻为主,4月份后蓝藻数量再次激增,开始成为优势种;底泥中10月—次年4月份都以硅藻和绿藻为主。在富营养化严重的巢湖、滇池,湖泊水体中含有大量蓝藻,越冬期优势种也以蓝藻为主。巢湖同时期与隐藻、绿藻共存,其中10—12月份均以微囊藻为优势种,1—4月份以席藻为主。滇池于11月—次年3月份期间,绿藻和硅藻所占比例上升[13]。

表1 后官湖浮游植物种类组成及污染指示等级

表2 后官湖浮游植物功能群组成

生态学上将生活习性和生存策略相似的浮游植物归为同一“功能群”,它们能反映一定的生境特点。根据Reynolds等[14]、胡韧等[15]对浮游植物功能群的划分,可以将后官湖的藻划分为17个功能群(表 2),即B、C、D、F、G、H1、J、Lo、M、MP、P、SN、TD、W1、X1、X2、Y,其中以J、MP、P为优势功能群。根据功能群所展现出来的生境特征,反映出后官湖水体处于中富营养状态,具有近岸处扰动较多,水体较为浑浊等特征,这与后官湖污水入湖问题有关[16]。

2.2 后官湖水体和底泥藻类丰度时间演替规律

本文目的在于观察越冬期藻类沉降与复苏过程,分析越冬期水体垂向上藻细胞密度随时间的变化规律。为了便于比较藻细胞密度变化情况,于水体、底泥中统一使用“个/mL”为单位。结果表明,越冬期水体中总藻细胞密度为(1.27～10.44)×104个/mL,底泥中藻细胞密度为(7.95～48.2)×103个/mL(图 2),水体中浮游植物总丰度在10月份(秋季)和3月份(春季)为峰值,蓝藻密度分别为2.5×103、3.3×103个/mL,绿藻密度分别为4.92×104、1.028×105个/mL(图 3)。

从时间尺度上看,水体中藻类丰度于10月末11月初(秋季)后开始下降,这可能与10月中旬气温骤降,10月下旬—11月初有所回升有关;藻类丰度于12月—次年2月份(冬季)处于较低水平,3—4月份(春季)总体上升,此结论与孙沿等[17]的结论一致。底泥中藻细胞密度呈现相似的变化规律,从10—11月份则呈现先上升后下降的趋势,并于1月末—2月初降至最低,最低值低于检测限,随后上升,并于4月中旬达到峰值(图 2)。该变化较水体而言有所延迟,由于近岸区水体较浅,表层与底层水体温差可忽略,故此延迟可能与藻类垂向迁移有关。秋季和春季蓝藻更多分布于表层水体,冬季底泥及水体中的蓝藻密度较低,故在此时间段对底泥种源蓝藻进行选择性抑制,对于控制来年水华爆发具有重要作用。

后官湖水体和底泥藻丰度的时间演替规律与太湖、巢湖有相似之处。史小丽等[18]观测巢湖湖心底泥蓝藻,发现底泥蓝藻生物量于11月开始上升,12月—次年1月份下降,来年2月份生物量再次上升并达到峰值,随后下降,并于夏季降至最低。以上结论与本研究中底泥蓝藻演替规律前后有1～2个月的差异,但总体趋势相近,时间差异可能是采样位置不同而导致的。吴晓东等[5]发现太湖水体中蓝藻数量自2003年10月开始下降,并一直保持较低水平,2004年5月以后蓝藻数量持续增加,4月份水体中绿藻硅藻含量较高,这与本研究中水体蓝绿藻变化规律相似。但观测结果也存在部分差异,该团队认为太湖、巢湖底泥藻蓝素水平自2003年9月—2004年4月保持增加趋势,在4—5月份达到最大值,说明底泥中的蓝藻自秋季开始数量持续增加,并在4月份和5月份到达最高峰;越冬过程中,底泥中各色素呈增加趋势,说明越冬过程中持续有藻类由水体进入底泥或者底泥中的藻类保持生长,本文及史小丽等[18]的研究与该结论有一定差异。

2.3 藻类丰度与水温相关关系

温度是公认的影响藻类密度的最主要因素[19],本研究对温度、蓝藻丰度、绿藻丰度、水体中藻类丰度、底泥中藻丰度进行相关关系分析(图 4),可得出水体和底泥中藻类丰度均与水温有较强的正相关性,水体中藻细胞密度与水温显著正相关(p<0.001),说明水体中藻细胞对水温极为敏感。底泥中藻细胞密度与水温相关关系较强(p<0.01),结合图 2、图 3可发现底泥中藻细胞密度随温度的起伏也会产生相应变化,但较水体而言有所延迟。例如12月下旬气温骤降,水体中总体藻细胞密度骤降,而底泥中蓝藻密度有所上升,此变化可能是因为随着气温的降低,水体中藻类生理状态受到影响,开始大幅沉降至湖底。进入冬季后,底泥中藻类经历衰老与死亡,这可能与低温、低光照强度、二氧化碳与溶解氧含量的限制等不利的环境因素有关[20-21]。随着春季气温水温回升,水体和底泥中藻类丰度也逐步回升。4月中下旬气温回升,水体中藻丰度上升,而底泥中却出现下降趋势,说明藻细胞开始从底泥向水体进行迁移。

由相关性分析亦可发现,水体和底泥中藻细胞密度的变化分别主要取决于绿藻和蓝藻的变化,说明越冬期大量蓝藻细胞沉降至湖底。

2.4 藻类丰度在水体和底泥中的相对分布规律

在10月份—次年4月份,后官湖近岸处水体与底泥藻类丰度的比值发生了很大变化,两者比值最小为1.23,最大比值为4.30,比值较高说明大部分藻类主要分布在水体中,而冬季(11月份—次年2月份)比值相对较低,说明大多数藻类在冬季沉降在底泥中(图 5)。

越冬期大部分藻类停留在底泥和底层水体中,底泥藻类密度于次年4月份达到第2个峰值,这可能是因为虽然越冬期大量藻细胞衰亡沉降至湖底,但沉积物能为藻类的生长提供大量养分[22],蓝藻仍能在低于10 ℃的水体中保持活性,近岸区水深约为1 m,藻细胞易受到光强和水温的影响而生长复苏,当水温>12.5 ℃时,藻细胞便能重新生长,在底泥与底层水体中增殖,并逐渐扩散至水体中[23],此结论与调查结果相符。史小丽等[18]对巢湖藻类生物量在水体和底泥中的相对分布规律研究表明,越冬期水体与底泥藻生物量比值相对较低,最小<2,本研究结论与此相符。

3 结 论

(1)后官湖近岸区越冬期共检出浮游植物6门26属,其中以绿藻门(Chlorophyta)、硅藻门(Bacillariophyta)、蓝藻门(Cyanophyta)为主。藻类共划分为17个功能群,其中以J、MP、P为优势功能群,反映出后官湖近岸处水体处于中富营养状态,具有扰动较多、水体较为浑浊等特征。

(2)本研究对后官湖近岸区越冬期水体和底泥中藻类丰度进行了调查,结果表明,后官湖近岸处越冬期水体及底泥藻丰度于12月份—次年2月份(冬季)总体处于较低水平。从时间尺度上看,水体中藻类丰度于10月末11月初(秋季)后开始下降,12月份—次年2月份(冬季)处于较低水平,3—4月份(春季)总体上升。底泥中藻类丰度从10—11月份则呈现先上升后下降的趋势,并于1月末2月初降至最低,随后上升,并于4月份中达到峰值,该变化较水体而言有所延迟,可能与藻类垂向迁移有关。

(3)水体和底泥中藻细胞密度对水温变化均有较强的响应,水体和底泥中藻细胞密度的变化分别主要取决于绿藻和蓝藻的变化,说明越冬期大量蓝藻细胞沉降至湖底。冬季(11月份—次年2月份)后官湖近岸处水体与底泥藻类丰度的比值相对较低,说明大多数藻细胞在冬季沉降于底泥中。

(4)虽然蓝藻于越冬期沉降至湖底,但底泥及水体中总体细胞密度依旧处于较低水平,故在此时间段对底泥种源蓝藻进行选择性抑制,对于控制来年水华爆发具有重要的作用。