加拿大安大略省藻类水华发生趋势分析

［加拿大］J.G.温特 等

全世界的江河湖泊藻类和藻类水华公害事件不断增多，已引起广泛关注。20 世纪90 年代后期以来，加拿大的大湖(Great Lake)蓝藻水华现象大幅度增加，过去10 a 比前几十年出现的岸边藻类水华次数要多得多。营养盐浓度的增加、水温的升高、浅而缓水流等都是藻类水华发生的有利条件。世界淡水系统中营养盐的富余，与藻类水华发生的频繁程度密切相关，人类活动(包括酸化、非本土物种引入等)更加剧了藻类公害事件的发生。近来研究表明，气候变化是藻类水华蔓延的潜在催化剂。水体温度升高有利于蓝藻水华形成，另外，蓝藻在水体垂直混合减小的情况下，能自行调节本身的浮力。

淡水中的蓝藻水华因会产生毒素而倍受关注。蓝藻产生的毒素(即藻毒素)会影响人畜健康，阻害淡水生态系统进程。藻毒素可分为两大类:①肝毒素和神经毒素，可能引起动物急性中毒，甚至致命;②细胞毒素，对动物虽不是高度致命，但会显现出多种生物活性。有几种蓝藻和金藻(chryso－phytes)产生的有害味道和(或)释放的气味化合物，会对公共设施和供水厂产生负面影响。

作为省政府对藻类水华事件响应的一种措施，安大略省环保部(MOE)环境监测与报告处采集并分析了发生藻类水华的样本。从20 世纪60 年代开始，该组织就开始了优势藻类的识别确定工作。他们将采集到的样本通过显微镜放大分析，以确定优势物种是否为会产生毒性的蓝藻。如果有蓝藻出现，就得采取进一步的措施。不管是否为蓝藻水华，首先必须进行分类分析，然后对样本中的藻类进行确认。

据安大略省藻类水华相关传闻，仔细分析了1994～2009 年藻类水华报告记录并进行了相关的优势藻类识别，以确定:①藻类水华发生次数是否增加，特别是蓝藻水华发生次数;②现在安大略省发生藻类水华的持续时段是否比以前更长。此外，还分析了安大略省藻类水华的地理分布特点。

1 分析方法

本文中藻类水华定义为湖泊或河流中藻类(包括蓝藻)的超常规生长，并达到令人抱怨的程度，这里包括多细胞藻类和底栖丝状藻等在内的浮游生物形式。加拿大安大略省环保部的地区办事处工作人员常常会从藻类生长茂集区域水下收集藻类水华的样本，然后由其监测人员用显微镜进行样本分析，按尽可能低的分类级别(通常是基因或物种)进行藻类种类识别，并编写出藻类识别报告，详细描述识别出的藻类优势种，并提供其生态学意义上的和可能产生毒素和(或)味道及气味的相关信息。

研究中，共收集了自1994 年以来所有藻类识别报告数据库的数据。记录下每个样本的日期、来源、位置信息(包括湖泊名、地址描述、地理坐标)、样本来源的所属MOE 区域、识别出的藻类种类，并注明每个样本的优势种类，同时剔出那些不存在藻类的样本或不是藻类占多数的样本(如样本由非藻类有机物组成，如真菌、苔藓虫类)，以及那些同一水华事件中的重复样本(从水华的另一位置或在稍后一个时期采样并跟踪水华的耗散过程)。这样，每个样本就能代表唯一的、确定性的藻类水华事件。为检定是否存在微囊藻毒素、蓝藻神经毒素，MOE 实验室服务组对2009年含有蓝藻的水华样本，采用酶联免疫吸附检验(ELISA)技术进行了数据筛查。经过冷冻使微囊藻毒素变异体的细胞壁破裂后，根据其对ELISA 试剂盒抗体的反应测量其发生总次数。样本中微囊藻毒素的总浓度大于0.15ug/L，表明毒性为正。

2002～2009 年，MOE 湖泊合作伙伴计划(Lake Partner Program)总磷监测数据库中，有39 个湖泊中含有蓝藻水华。该计划是在MOE 科研人员的指导下，自发形成的一项湖泊监测计划。采用MOE 多赛特环境科学中心的方法，采集了总磷样本，并做了平行双样分析。在湖泊合作伙伴计划数据库中，对2002～2009 年度春季循环期间的上述39 个湖泊中总磷浓度与所有湖泊中平均总磷浓度进行了对比分析。首先进行异常值数据筛查，再进行MANNI－WHITNEY 秩和检验。

采用Mann－kendall 趋势检验法，结合莱布勒和格里瓦勒开发的微软EXCEL 的add－in 工具，对2002～2009 年藻类水华数据进行单调性趋势检验。用Z 统计法来检验其是否单调地随时间变化。具体来说，对藻类水华发生的总次数、3 个优势种(蓝藻、绿藻、金藻)的水华发生次数进行了趋势检验。也分别对5 个MOE 区域(北部、东部、西南部、中西部、中部)的藻类水华发生总次数以及蓝藻水华发生次数进行了趋势检验。此外，还分析了每年水华最早和最晚发生时间。

对安大略省藻类水华发生总次数、蓝藻水华发生次数、绿藻水华发生次数、金藻水华发生次数等数据，采用了SegRegw 计算机程序进行拐点分析。该程序是使用分段回归法来确定数据系列中是否有拐点及其何时出现，然后检验其变化是否显著。与单条回归线相比，分段回归法可以使误差平方和最小。

2 研究成果

1994～2009 年，安大略省藻类水华发生总次数每年均呈明显的上升趋势(P ＜0.001)，特别是蓝藻、绿藻水华发生次数增长更明显。蓝藻水华增长率最大，占水华发生总次数的50%以上。水华发生总次数系列以及蓝藻水华发生次数系列趋势拐点明显，发生在2004～2005 年，而绿藻水华发生次数系列趋势拐点在2003～2004 年(P ＜0.01)。水华发生总次数及蓝藻水华系列在2004 年前保持相对稳定的数目，之后出现增长(绿藻水华发生次数在2003 年前保持相对稳定，之后增长)。金藻水华发生次数虽也有所增长但趋势不明显。从2007 年起，每年都有几起金藻水华发生。

最常见的蓝藻种类是(按发生率大小顺序)鱼腥藻菌、束丝藻菌、微囊藻菌、刺孢胶刺藻和包括颤藻、鞘丝藻、浮颤藻、席藻在内的多种颤藻目。本次分析中没有发现柱胞藻。按照发生率大小，最常见的绿藻种类是丝状水绵(总共出现14 次)、刚毛藻(出现12 次)、转板藻(出现12 次)、双星藻(出现7次)、鞘藻(出现6 次)。其他的水华优势种有硅藻、黄藻、鞭毛藻、隐芽植物、裸藻等。

加拿大北部区域是发生最多水华的区域。该区域纵贯全省区域最广，也是安大略省大多数湖泊所在地。1994～2009 年，北部、中部和西南部的水华发生总次数及蓝藻水华发生次数均呈显著性的增长。增长次数开始为0，后分别增加到22 次，8 次和10 次;蓝藻水华发生的次数开始同样为0，后分别增加到15 次，2 次和5 次。北部区域水华发生总次数及蓝藻水华发生次数增长率最高。东部区域水华发生总次数增长也较显著(P ＜0.01)，其中多数是丝状绿藻类水华。

总体来说，1994～2009 年，安大略省有66 个内陆湖发生了蓝藻水华，期间大多数湖泊(50 个)仅发生过1 次水华，有11 个湖泊在2 a 间发生过水华，有4 个湖泊在3 a 间发生过水华，有1 个湖泊在8 a间发生过水华。2009 年，有24 个湖泊发生过水华。大多数蓝藻水华发生在北部区域，特别是萨德伯里、阿尔格玛、凯洛拉、帕里桑德区。在2009 年发生的24 个蓝藻水华中，有16 个在ELISA 检验时，检测到微囊藻毒素且为正值。

2002～2009 年，通过实施MOE 湖泊合作伙伴计划，对安大略省1074 个湖泊春季总磷浓度与39个发生蓝藻水华的湖泊春季总磷浓度进行了比较(前者n=4 831、后者n=711，)。发生蓝藻水华的湖泊春季总磷浓度中间值(15 μg/L，P ＜0.001)比所有湖泊数据系列总磷浓度值(9 μg/L)明显偏高。发生蓝藻水华的湖泊中，有一半的总磷浓度范围在11～22 μg/L(总范围在3～93 μg/L)，而通过湖泊合作伙伴计划的实施，有一半湖泊的总磷浓度在7～13 μg/L(总范围在1～107 μg/L)。

此外，每年最后一次发生水华的日子也明显向后拖延了(P ＜0.001)，表明与15 a 前相比，近些年每年发生最后一次水华的时间要晚些。特别是，蓝藻水华在2006 年以后一直到了11 月份，还有发生的情况。但每年第1 次水华的发生时间未发现有变化。

3 讨 论

过去15 a，安大略省的蓝藻水华和丝状绿藻水华发生的频度有所增加，这与全世界湖泊藻类水华发生的频度增长趋势是一致的。世界性藻类水华发生的这一趋势，主要归因于气候变化加剧了营养盐的富集。安大略省藻类水华发生率上升最快的区域是MOE 北部区域(主要是其南部)加拿大地盾(Canadian Shield)湖泊。这些湖泊中含磷量本来是有限的，但其会受岸边经济发展及相关磷盐流入的明显影响(如果有的话)。湖泊上及其周边人类活动的加剧(如不断增长的农场、居民用水与居住地的扩张)，会给湖泊注入充足的营养盐，使得蓝藻和丝状绿藻生长加速。

一般而言，发生蓝藻水华的湖泊总磷浓度较高(15 μg/L)，而安大略省1 074 个湖泊总磷平均值是(9 μg/L)。然而，发生水华的湖泊总磷浓度有些差异，有26%的湖泊是贫营养湖泊(春季总磷浓度小于10 μg/L))。发生在低营养盐湖泊中的蓝藻水华说明，决定水华发生的影响因素有多种。营养盐的组成与其发生的总次数对蓝藻生长的影响都较小，铁离子含量的影响也是如此。本研究中，很多湖泊也受制于影响浮游植物种群组成的多种环境胁迫因子，包括酸化、相关盐基阳离子的浓度减少，入侵性物种的出现、气候变化等。

气候变化主要是指温度上升，会改善蓝藻生长条件形成水华。气候变化表现在水体温度增高，无冰季节延长，水体混合程度降低。这些变化对其他形成藻类水华的藻类种群也很有利。例如，安大略省实验湖泊区域项目以及丹麦围隔生态实验中发现，由于温度升高，相对高丰度的丝状绿藻的生长又有所增长。过去几十年气候变暖，导致安大略省湖泊无冰期的延长，温度分层时间更长、更明显，很多湖泊已经越过了气候变化的生态阀值。例如，更温暖的气候使得树林湖(Lake of the Woods，即安大略省、马尼托巴、明尼苏达州交界的大湖)近期蓝藻水华加剧。因此，安大略省区域气候变化对于藻类水华发生频度的增长起着一定作用。

近些年，加拿大地盾地区湖泊也有金藻水华发生，但发生频率较蓝藻水华和丝状绿藻水华少。过去30 多年，该区域的古生态学与现场监测数据表明，群体类金藻的相对含量和绝对含量均有增长，这种现象与金藻水华发生情况一致。浮游植物种群的组成变化(与自20 世纪中期以来的工业活动相关)与水体化学变化、(与气候变化指数相关)水体物理变化相符合。

本文是根据报告的藻类水华事件，而不是实时的水华监测数据开展的分析。MOE、市政府、保护机构、非政府组织、农场协会对公众展开了藻类水华与水质教育及相关合作工作，使公众的认知度得以提高。MOE 在2004、2005 年分别发布了藻类与藻类水华的情况简报，同时安大略省内、外都加强了对藻类水华事件的媒体报道。2007 年魁北克省发生了蓝藻水华泛滥事件，当时宣布200 多个湖泊禁止游泳和公众下水，而安大略省对此类事件极其关注，及时在媒体进行了报道。由于公众认知度提高，对魁北克省发生的藻类水华也更加关切。

水华是令人不快的景观，当地居民会因此质疑水体水质而寻求移民。蓝藻通常是产生潜在藻毒素的物种，需要MOE 和健康组织采取进一步措施，以抵御水华事件对人畜健康的潜在风险。不管是否能探测到水体中存在毒物，MOE 认为，任何蓝藻水华都是一种潜在的含毒物，需采取适当的响应措施应对水华对人畜健康带来的风险，而这种风险是通过一些项目评价，如目标水体是否为(人或畜的)水源地、在何种程度上被当地人作为娱乐用水使用(如公共河滩、公园、游泳区)，以及是否为绝大多数未处理的饮用水系统水源地等来确定。在过去的15 a，发生藻类水华季节的时间都延长了很多，已超过了人们预期需采取应对措施的时间。

安大略省1994～2009 年藻类水华事件频发。由于公众认知度的提高，加上湖泊离人类活动区域较近，探讨上述藻类水华事件及其发展趋势已成为一项特殊领域的挑战。增长最快的是蓝藻水华，特别是在MOE 所管辖的北部区域，这里湖泊因多种因素交织在一起，受到的影响和情况更为复杂，其中最明显的因素就是近期的气候变化，使开冰季节更长，温度分层更明显。如果温度上升，水体会随着温度分层的加强而减少混合，这将更有利于蓝藻生长。较高的营养盐水平，也会增加湖泊对这些变化的敏感性，因此安大略省在水生生态系统营养盐管理方面，对减少藻类水华的发生起着重要作用。在众多水华影响因素中，加强对各种因素间相互影响的认识和研究也很重要，特别是对那些营养水平较低的湖泊。