北方寒冷内陆碱性水体蓝藻暴发特点及影响因子1)

潘翰 刘琰冉 马成学

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



北方寒冷内陆碱性水体蓝藻暴发特点及影响因子1)

潘翰 刘琰冉 马成学

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

为研究北方内陆寒冷地区碱性湖泊夏季蓝藻水华暴发特点及其环境因子影响因素，于2015年夏季(7月末)对呼伦湖及乌兰诺尔河的8个样点进行了水样的采集，分析了呼伦湖地区浮游植物组成，以及水化学环境因子。结果表明：该区浮游植物共有6门76种，可划分为19个功能群，其中重要功能群为H1、C、X2、MP和W1，以H1和X2功能群占明显优势，二者分别占52.08%和21.86%。总磷、总氮是影响呼伦湖夏季蓝藻水藻暴发的最主要因素，其次是BOD5、透明度、碱度和有效积温。

浮游植物；功能群；碱性水体；北方内陆

Phytoplankton； Functional groups； Alkaline water; Northern inland

浮游植物是生态系统的重要组成部分之一，是水环境中的生产者，也是水域生态系统能量金字塔的基础部分。对水生浮游植物的研究，多是基于经典的林奈分类方法上[1]，研究不同门类浮游植物与其所处环境因子之间的关系[2]。Reynolds[3]首次尝试将不同的植物群落与其所在的生态环境因子联系起来进行研究，之后他将这一理念引入到水生浮游植物的研究中[4]，依据浮游植物所处生境的富营养化程度、营养类型、光照强度以及浮游植物对环境中酸碱度、导电率等水化学因子的敏感性和形态方面，对淡水浮游植物进行分类，提出了浮游植物功能群的概念，并描述了31个功能群。随研究深入与补充，Padisák et al.[5]在2009年将浮游植物的功能群扩展到38个。与经典的林奈分类体系下对浮游植物的研究相比，对浮游植物进行功能群划分后，各个功能群的变化能够更加契合其所属环境的变化[6]。浮游植物功能群的概念成功地应用到了河流、湖泊等淡水生态系统中[7]，之前研究对象多属于热带、亚热带地区淡水水体[8-9]，但对北方内陆寒冷地区碱性湖泊中浮游植物蓝藻水华暴发的特点及影响因素未见相关报道。因此，本研究以呼伦湖为例，探讨北方寒冷地区蓝藻暴发碱性湖泊中浮游植物功能群的特点及影响因素，为湿地保护区治理蓝藻暴发和采取相应措施提供依据。

1 研究地概况

呼伦湖也称达赉湖，是东亚中部草原区最大的淡水湖泊，中国第五大湖，在国内和国际上都有着极其重要的生态价值。呼伦湖位于呼伦贝尔市扎赉诺尔区、新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗以及满洲里之间(117°00′10″E～117°41′40″E，48°30′40″N～49°20′40″N)，湖面呈不规则的长方形，整个湖的最长轴呈西南东北方向，最长93 km，最大宽度41 km，整个呼伦湖周长447 km，最大储水量138.5亿m3，平均水深5.7 m，最大深度8.0 m。冬季封冻期长达180 d，最大冰厚1.3 m[10]。共有鱼类20多种[11]，记录鸟类294种[12]，地属北方温带半干旱区，为温带大陆性季风气候，气候寒冷干燥，冬长夏短，春季多风沙。

近40多年来，由于受气候变化和人类不合理开发的影响，呼伦湖及周边生态环境不断恶化，湖泊水位不断下降，水域面积不断减小，水质恶化严重，湖水pH值和含盐量逐年升高，湖周大面积芦苇消失，造成渔业资源濒临枯竭。2015年夏季，呼伦湖蓝藻大量暴发，水体已处于高度富营养化水平，湿地萎缩明显，生态环境急剧恶化，严重威胁着东北乃至整个华北地区的生态安全。

2 材料与方法

2.1 采样地点设置

于2015夏季(7月末)采集呼伦湖夏季水样及浮游植物样品，根据湖泊的水深及地形地貌(图1)，在呼伦湖周边以及湖中共设置7个采样点，在下游乌兰诺尔河处设置1个样点。

图1 呼伦湖浮游植物采样点

2.2 采样方法及水化学指标测定

浮游植物样品采用5 L有机玻璃采水器采集上、

中、下层混合水样1 L，注入标本瓶内，用1.5%的鲁哥氏液固定，带回室内沉淀48 h后，浓缩至30 mL，采用Motic显微拍照摄影系统，进行观察与计数。浮游植物的种类按照文献[13-14]进行显微镜识别鉴定，并依浮游植物的种类及体积，通过体积公式，计算生物量[15]。在现场，用YSI-6600多功能水质分析仪，测定水样的水温(WT)、pH值。透明度(SD)采用塞奇氏盘测定。总氮(TN)、总磷(TP)、总碱度(ALK)、重铬酸盐指数(CODcr)、5日生物耗氧量(BOD5)依据《水和废水监测分析方法》(国家环境保护总局，2002)测定。

2.3 数据分析

对浮游植物的功能群生物量及环境数据通过log10(x+1)进行了去势分析后，采用Canoco for Windows 4.5软件进行DCA分析，由于SD值小于3，之后对浮游植物的功能群的数据与环境因子数据进行RDA分析。

3 结果与分析

3.1 呼伦湖的浮游植物组成

经鉴定呼伦湖浮游植物总共有6门76种，划分为19个功能群(表1)。各样点中的浮游植物进行分类后通过生物量统计，将生物量大于10%的功能群定义为重要功能群，得到重要功能群5个(H1,C,X2,MP,W1)，其余功能群划分为其他。

表1 呼伦湖浮游植物功能群组成

续(表1)

3.2 呼伦湖重要浮游植物功能群生物量水平分布

呼伦湖夏季浮游植物功能群水平分布差异显著，功能群H1分布最广，夏季呼伦湖蓝藻水华暴发时以H1功能群中的浮游植物为主。在采样点1#、4#、5#、6#、7#中所占的比例高达65%～92%；在1#、2#、3#采样点中功能群X2也占有比较大的比例，分别为10%、37%、59%。在2#采样点中功能群C占有30%；8#采样点W1占有53%(表2)。

表2 各采样点浮游植物功能群生物量mg·L-1

3.3 呼伦湖的水化学

呼伦湖水样的水质检测结果(表3)表明其整体污染程度严重。水体整体pH值偏碱，总体碱度偏高，夏季水体温度差异不大。西北岸7#点CODcr值偏高，2#温度和总碱度偏低。北岸1#、2#、3#、7#样点透明度较南岸的4#、5#、8#样点高。同时2#、3#BOD5值也明显高于东南岸样点的BOD5值。呼伦湖水体富营养化状况严重，西北岸7#中TP和TN质量浓度较高，整个西北岸平均营养盐状况较南部水体高。

3.4 浮游植物功能群与水环境因子的RDA分析

在RDA分析结果(图2)中，从轴1结果看，最主要的正相关因子为TP(0.787 8)和TN(0.725 1)，最主要的负相关因子为BOD5(-0.765 7)，其次是SD(-0.645 8)。从轴2结果来看，最主要的正相关因子为TN(0.491 0)，最主要的负相关因子是BOD5(-0.460 5)，其次是SD(-0.284 1)。呼伦湖水体整体富营养化程度高，其中H1功能群同TP和TN显著正相关，X2功能群同TP显著正相关，功能群W1同TN显著正相关，同TP、BOD5和SD显著负相关。C功能群主要与BOD5和SD有关，TP和TN质量浓度对C功能群有负性作用。

表3 呼伦湖各环境因子

图2 浮游植物功能群与环境因子RDA分析

从表4相关系数结果中可以发现，前三个轴相关性累积变化达97.6%，浮游植物重要功能群与环境变量之间存在明显相关性。

表4 排序轴特征值、种类与环境因子排序轴的相关性

4 讨论

4.1 北方内陆蓝藻暴发的碱性水体浮游植物功能群特征

由于气候、温度等地域差异，不同地区蓝藻暴发水体浮游植物功能群明显不同。蓝藻暴发主要集中在热带、亚热带地区。热带[8]、亚热带地区[16]蓝藻暴发通常是由于微囊藻属、假鱼腥藻属(Pseudanabaena)和泽丝藻属(Limnothrix)种类引起的，其功能群以M和S1为主。温带地区蓝藻暴发通常是由于微囊藻属种类引起的，其功能群主要以M为主，北方寒冷地区水体蓝藻暴发以功能群M和H1为主[17]。由此可以看出，功能群M对温度的适应范围较广，从热带到寒冷地区均有分布，而功能群S1和H1对温度的适应范围较窄，S1主要在热带亚热带地区分布，H1功能群主要在北方寒冷地区分布。虽然夏季热带、亚热带地区同北方寒冷地区水温差异不明显，但整个浮游植物的生长期内积温差异明显。Cao等发现[18]，积温与浮游植物的生长有明显的相关性。因此，推断功能群S1需要有效积温较高，而功能群H1需要的有效积温较低。从本研究结果来看，对于北方寒冷内陆碱性水体则明显以功能群H1为主。李锐等研究[19]也发现，碱度对浮游植物的生长也具有明显的作用，同硅藻、绿藻门等种类相比，蓝藻更适宜于在偏碱性水体生长，而呼伦湖的总平均碱度为(343.26±160.48)mmol·L-1，碱度相对较大。由此推断，功能群H1比功能群M更耐受高碱度的水体。此外，以卵形衣藻和球衣藻为主的功能群X2也占有较大比例，尤其是3#采样点。这主要是由于功能群X2对于浮游动物滤食极为敏感[20]，而蓝藻暴发分泌毒素[21]会导致呼伦湖大型滤食性浮游动物显著减少，浮游动物的滤食功能显著降低，适宜功能群X2的生长。

4.2 呼伦湖浮游植物功能群关键驱动因子

温度、营养盐、透明度是影响浮游植物功能群分布的主要因素[22]，此外水动力学因素和浮游动物摄食功能也对浮游植物分布有影响[4-5]。同其他水域略有不同，对于北方内陆寒冷地区碱性水体，营养盐、透明度和碱度是主要驱动因子。呼伦湖4条入湖河流的总磷质量浓度均严重超标[23-24]，富营养化程度严重。从RDA环境因子与浮游植物功能群的分析来看，夏季暴发主要功能群H1与TP呈显著正相关，这与Reynolds[4]等研究中H1对磷含量敏感结论相一致，呼伦湖TP质量浓度严重超标是蓝藻暴发的主要原因。

透明度也是影响呼伦湖浮游植物功能群分布的主要因子之一[25]。从RDA结果可以看出，透明度与功能群C呈显著正相关，与H1功能群呈负相关，说明呼伦湖中水体透明度严重影响了当中浮游植物的生长和功能群的分布。由于碱度较高的水体，水体中的钙离子会被消耗析出[26]，导致透明度降低，而浊度升高，这与本研究中总碱度为透明度的负相关因子(-0.596 3)结论相吻合。水体碱度与浊度呈正相关，与透明度呈负相关，呼伦湖水体总体碱度较高，透明度较低，随着透明度逐渐降低，浊度升高，功能群呈现从C→X2→H1的变化趋势。

碱度也是影响浮游植物的功能群分布的因子之一。从本研究中可以看出，ALK与H1有明显的相关性。张树林等[27]研究发现，碱度对浮游植物的生长有显著地影响，其中的碳酸盐类离子能够为浮游植物提供碳源。Reynolds[4]研究中多数浮游植物功能群不适宜于碱性水体。在呼伦湖碱性水体中，碱度对浮游植物有很强的选择作用。随碱度升高，浮游植物功能群呈现出C→MP→H1的变化趋势，碱度的升高有利于功能群H1的生长，促进了蓝藻暴发。

5 结论

呼伦湖中的浮游植物可以划分为19个功能群，其中主要功能群为H1、C、X2、MP、W1。以卷曲鱼腥藻为代表的H1功能群占52.08%，以卵形衣藻为代表的X2功能群占21.86%，反映出呼伦湖水体富营养化程度严重。TP质量浓度是功能群H1敏感因子，同时TP与X2功能群也有显著的正相关性，所以控制磷量的输入是控制呼伦湖富营养化的主要方向。

营养盐总磷、总氮是影响呼伦湖夏季蓝藻水藻暴发的最主要因素，其次透明度、碱度影响也较大。呼伦湖是碱性水体，总碱度偏高，对浮游植物的功能群也有很强的选择作用。碱度会导致浊度升高，透明度降低，光照减少，同其他功能群相比，碱度的升高有利于功能群H1的生长，促进了蓝藻暴发。此外，有效积温可能也是影响因素之一。

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潘翰，男，1996年3月生，东北林业大学野生动物资源学院，本科生。E-mail：panhan_1996@163.com。

马成学，东北林业大学野生动物资源学院，讲师。E-mail：mch007@163.com。

2017年1月18日。

X524

Characteristics and Physical Factors of Cyanobacteria Outbreak in Northern Cold Region Inland Alkaline Water//Pan Han, Liu Yanran, Ma Chengxue(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(7)：79-83.

1)东北林业大学大学生创新训练项目(201610225216);中央高校基本科研业务费专项资金(2572015CA19、2572014EA07-04);黑龙江水产研究所基本科研业务费专项资金(HSY201511)。

责任编辑：程 红。

We studied the characteristic and affecting physical factors of cyanobacteria outbreak in northern cold region inland alkaline water during summer with the samples collected at eight sites in Hulun Lake and Ullanor Lake in summer (July), 2015. We analyzed the composition of the functional groups of phytoplankton in Hulun Lake and the environmental factors of the water. Nineteen functional groups were identified in Hulun Lake and the important groups included H1, C, X2, MP, W1. The dominant groups were H1 (52.08%) and X2 (21.86%). Total phosphorus and total nitrogen were the main factors of Cyanobacteria outbreak in Hulun Lake during summer followed by biological oxygen demand, Secchi depth, alkalinity and effective accumulated temperature.