于桥水库藻类群落演替过程及影响因素

张含笑, 白 雪, 霍守亮, 张靖天, 何卓识, 马春子, 李小闯, 卢艳敏

1.中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012

2.北京师范大学水科学研究院, 北京 100875

3.中国环境监测总站， 北京 100012

人类活动和气候变化在长时间尺度上驱动湖库初级生产力改变和浮游藻类群落演替[1-3]. 气温升高引起湖库表层水温升高，对流混合减弱，底层湖水缺氧，湖库温跃层改变；在湖库营养负荷增加的情况下，气候变暖加剧了湖库有害藻华发生风险[4-6]. 蓝藻水华已经成为广泛关注的全球环境问题，尤其是Microcystis和Anabena藻属分别产生的具有肝毒性的微囊藻毒素和具有神经毒性的鱼腥藻毒素，严重威胁饮用水源安全，影响水体生态服务功能[7]. 研究历史湖库水生态演替趋势，识别其对人类活动和气候变化的响应规律，对于规避有害藻华发生风险和湖库水资源保护管理至关重要[4-7].

水生态、水环境监测信息在时间和空间上的局限性，是研究长时间尺度气候变化和人类活动对湖库水生态演替影响的关键难题[8]. 保存在湖库沉积物柱芯中的光合色素作为一种生物标志物，提供了重建湖库藻类历史演替的宝贵信息[8-11]. 根据不同藻类所含有的主要特征色素不同，可通过沉积物柱芯特征色素含量追溯不同藻类丰度，如canthaxanthin和zeaxanthin是蓝藻的特征色素，alloxanthin是隐藻的特征色素，lutein是绿藻和高等植物的特征色素，diatoxanthin和diadinoxanthin是硅藻和甲藻的特征色素等；chlorophyll-a和ββ-carotene指示总藻类生物量[11-12].

沉积物中光合色素的保存程度决定其能否真实可靠反演湖库历史藻类演替. 水体和沉积物中色素的降解受光和化学氧化速率(由温度、光和氧气决定)，以及食草动物摄食和细菌降解速率影响[11-14]. Pheophytins是chlorophyll-a的主要稳定降解产物，可用于评估色素保存程度. Reuss等[13]在北欧的河口研究发现，沉积物再悬浮程度小、无生物扰动的永久缺氧环境是色素保存的理想条件，pheophytins-achlorophyll-a(phe achl a)和总类胡萝卜素与总色素的比值(TcarTpigment)可作为沉积物色素降解指数，用于评估色素保存程度. 已有研究表明，河口、滨海和湖泊沉积物光合色素可用于追溯浮游植物的动力学演替[11-14]，对水库沉积物色素鲜有报道.

该研究选择典型饮用水源地水库-于桥水库为研究对象，通过分析沉积物柱芯光合色素反演近80年来浮游藻类群落的演替过程；结合历史气象因子变化和营养负荷输入分析，揭示气候变化和人类活动对于桥水库藻类演替的影响，从时间尺度量化了缺水生态监测数据水库的藻类群落演替过程，以期为于桥水库及类似水库的富营养化控制和区域饮用水安全保障提供支撑.

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样品采集

于桥水库(117°26′E～118°12′E、39°56′N～40°23′N)，又名翠屏湖，位于天津市蓟县，属温带季风气候，流域面积 2 060 km2，总库容15.59 m3，正常蓄水位21.6 m，最大水深12.16 m，平均水深4.74 m. 于桥水库属蓟运河流域州河段，上游主要入库河流为沙河、淋河和黎河，出流至州河. 于桥水库始建于1959年，主要建筑物包括拦河坝、泄洪洞、溢洪道以及电站等，具备防洪、城市供水、农业灌溉和发电等多种功能. 1983年于桥水库纳入引滦入津重要调蓄水库，是天津市唯一的饮用水源地. 流域农业用地面积达721.8 km2，占流域总面积35%；年均水资源量达1.9×109m3，蒸发量为6×108m3[15].

沉积物柱芯采样点选择在具有稳定沉积环境湖中心YQ点(见图1)，采样点水深10.7 m. 2018年4月，采用带有PMMA管(内径55 mm、长50 cm)的重力采样器在YQ点采集沉积物柱芯，将采集的27 cm长的沉积物柱芯以1 cm为间隔切割为27份子样本，在避光、干冰冷冻的环境下立即运往实验室. 所有样品经超低温冷冻干燥后，称量计算沉积物质量深度，再研磨过筛使其均质化，密封冷冻保存待测.

图1 于桥水库地理位置及采样点

1.2 样品分析

采用核爆炸产生的人工放射性同位素137Cs进行沉积物柱芯年代序列测定，以1963年全球散落最大峰值作为计年时标. 采用高纯锗井型探测器和γ能谱仪(GCL-250-15, 美国ORTEC公司)测定，由能谱中137Cs特征峰661.6 keV分析计算137Cs放射性比活度.

沉积物TP含量测定：取0.5 g沉积物样品经500 ℃灰化2 h后，先用1 molL HCl提取16 h，再用钼酸锑抗坏血酸分光光度法测定.

沉积物色素提取：取1 g沉积物干样置于10 mL聚乙烯离心管中，加入3 mL丙酮-水混合液(体积比为95∶5)，将离心管置于冰水浴中超声处理15 min，在-80 ℃冰箱中避光储存24 h. 提取液经0.22 μm PTFE过滤器过滤后，冷冻避光保存[16-17].

色素分析：采用Agilent 1200系列高效液相色谱(美国Agilent Technologies公司)进行色素分析，色谱柱采用C8固定相(Eclipse XDB, 150 mm×4.6 mm, 3.5 μm, 美国Agilent Technologies公司)，柱温为25 ℃，以1.0 mLmin流速和100 μL进样量进样[16]. 流动相由乙腈(A)、甲醇(B)和四丁胺-乙酸-甲醇混合物(C) 3种洗脱液组成(色谱纯，美国TEDIA公司). 使用19种色素标准品(丹麦DHI公司)，即叶绿素a (Chlorophyll-a, 简称“Chl a”)、叶绿素b (Chlorophyll-b, 简称“Chl b”)、叶绿素c2 (Chlorophyll-c2, 简称“Chl c2”)、脱镁叶绿素a(pheophytin-a)、脱镁叶绿酸a(pheoporbide-a)、Mg-2,4-divinylpheoporphyrin (MgDVP)、异黄素(alloxanthin)、角黄素(canthaxanthin)、β胡萝卜素(β-Carotene, 简称“β Car”)、硅甲藻黄素(diadinoxanthin)、甲藻黄素(diatoxanthin)、岩藻黄素(fucoxanthin)、19′-hexfucoxanthin、叶黄素(lutein)、新黄素(neoxanthin)、多甲藻黄素(peridinin)、青绿藻素(prasinoxanthin)、紫黄素(violaxanthin)和玉米黄素(zeaxanthin). 二极管阵列波长范围为350～750 nm，分辨率为1.2 nm. 除脱镁叶绿素a和脱镁叶绿酸a在430 nm处定量外，其余所有色素在440 nm处定量[16-17]. 考虑到每种色素的平均消光系数和沉积物干样的混合情况，以μgg干沉积物表示色素浓度. 试验中对所有样品均取3份平行并取其平均值，试验误差小于5%.

1.3 数据处理

气象数据来源于数据集CN 05.1，基于国家气象信息中心国家级站台的日观测数据，通过距平逼近法，由气候场和距平场分别插值后再叠加[18]；使用TILIA 2.0.41软件绘制沉积物色素浓度剖面变化，并进行基于Edwards & Cavalli-Sforza弦距离的约束层次聚类(CONISS)；使用OriginPro 8.0软件绘制其余图形.

2 结果与讨论

2.1 年代序列测定

通过测定于桥水库沉积物柱芯各层子样品137Cs比活度，其最大峰值层位(15 cm层)为全球性137Cs最大沉积年，即1963年(见图2). 根据峰值层位和年代关系可计算质量累积速率与各层位的沉积年代. 质量累积速率计算公式:

图2 于桥水库柱芯中137Cs沉积量剖面分布

V=D(Ya-Y0)

(1)

式中：V为质量累积速率，g(cm2·a)；D为137Cs最大峰值层对应的质量深度，gcm2；Ya为沉积物柱芯的采样年份；Y0为137Cs最大峰值层对应年代，即1963年.

于桥水库沉积物柱芯137Cs比活度在1963年出现明显峰值，表明该沉积物柱芯是连续的，采样过程未出现扰动，且沉积物后无明显生物扰动和物理搅动，保存完好.137Cs比活度在深度15 cm处出现峰值，对应质量深度为3.10 gcm2，由此得到柱芯1～15 cm的平均累积速率为0.055 g(cm2·a)，进而推算计年时标.

2.2 沉积物色素保存程度

于桥水库沉积物柱芯检共11种光合色素(见图3)，其中Chl a、β Car几乎存在于所有藻类中，用于指示总初级生产力；Pheo a为Chl a降解产物，用于指示色素保存程度；其余类胡萝卜素和Chl b是指示特定藻类的特征色素[11]. Zeaxanthin和Canthaxinthin主要存在于蓝藻中，Lutein和Chl b主要存在于绿藻中，Fucoxanthin、Neoxanthin、Alloxanthin和Diatoxanthin分别是硅藻、裸藻、隐藻和甲藻的特征色素[12].

注： 图中横坐标数值为色素浓度，单位为μgg(以干质量计).

沉积物色素含量取决于历史湖泊初级生产力大小和色素在沉积和后沉积过程中的降解程度[10-12]. pheophytin a (Pheo a)作为Chl a主要的稳定降解产物，Pheo a含量和Chl a含量呈显著相关(R2=0.871,P<0.05)，降解指数Pheo aChl a小于0.54(见图4)，表明光合色素在水库沉积物缺氧厌氧环境下保存良好. 类胡萝卜素化学稳定性较好，沉积物中总类胡萝卜素含量越高往往反映色素降解程度越低[13]. 于桥水库沉积物中TcarTpigment(总类胡萝卜素含量总色素含量)平均值为0.60，介于0.29～0.80之间，由上往下呈现逐渐递减趋势(见图4)，表明成岩作用对下层沉积物色素影响较明显. 综合沉积物色素降解指数Pheo aChl a和TcarTpigment，表明于桥水库沉积物保存程度较好，可用于反演水库历史藻类演替.

图4 于桥水库沉积物柱芯色素降解指数

2.3 沉积物色素反演藻类群落演替

于桥水库沉积物柱芯色素剖面浓度在下层较低且平稳，10 cm层以上出现显著增长趋势(见图3). 硅藻和甲藻的特征色素Fucoxanthin和Diatoxanthin在16 cm层以下未检出，指示裸藻的Neoxanthin在10 cm 层下未检出(见图3). 11种检出色素中，除指示总初级生产力的Chl a、β Car外，Lutein含量最高，达9.02 μgg；其次为Zeaxanthin，含量为7.71 μgg，表明绿藻和蓝藻在于桥水库水体中丰度较大.

通过TILIA软件CONISS聚类发现，于桥水库藻类演替经历了3个阶段，即第Ⅰ阶段为1938—1958年、第Ⅱ阶段为1958—1983年、第Ⅲ阶段为1983—2019年(见图3). 第Ⅰ、Ⅱ阶段时间节点与于桥水库建库时间吻合，表明1959年建库对藻类演替的显著影响. 沉积物Chl a平均含量由第Ⅰ阶段的(0.04±0.07)μgg、第Ⅱ阶段的(0.16±0.05)μgg增至第Ⅲ阶段的(4.96±2.96)μgg；β Car平均含量由第Ⅱ阶段的(0.05±0.04)μgg增至第Ⅲ阶段的(5.25±3.17)μgg，表明1983年后于桥水库初级生产力出现显著提高. 第Ⅲ阶段于桥水库藻类生物量的显著增加，与20世纪80年代改革开放背景下城镇化进程加快和人类活动加剧导致的营养负荷增加有关[19].

通过特征色素含量估算对应藻类所占的百分比，发现第Ⅲ阶段于桥水库主要藻类包括绿藻、蓝藻、隐藻、甲藻、硅藻和裸藻(见图5)，与水生态现场监测结果[19]基本一致，表明沉积物色素用于反演藻类演替方法学可靠性. 第Ⅰ阶段主要藻类为绿藻、隐藻和蓝藻，第Ⅱ阶段出现了硅藻和甲藻，藻类多样性增加(见图5)，表明1959年建库后相对稳定的水动力条件为藻类生长提供了有利条件，河流型藻类逐渐向湖泊型藻类群落结构演变[20-21]. 于桥水库优势藻类为绿藻和蓝藻，在目前中-富营养状态下，夏季蓝藻、绿藻水华发生风险较高[19].

图5 于桥水库沉积物色素反演三阶段主要藻类占比

2.4 藻类演替影响因素分析

人类活动加剧引起的水体营养负荷增加是藻类演替的主要影响因素之一[6-7]. 1912—1980年于桥水库沉积物TP平均含量为(453.6±13.1)mgkg，1980年后为(535.4±46.4)mgkg，沉积物TP含量呈现显著上升(见图6)，表明20世纪80年代城镇化进程加快、农业化肥用量增加等人类活动因素，导致于桥水库营养负荷显著增加[17]. Spearman相关性分析表明，11种检出的沉积物色素含量与沉积物TP含量呈显著正相关(P<0.01)，反映了TP含量对藻类生长繁殖的促进作用.

图6 于桥水库沉积物柱芯剖面TP含量、年均气温和年均降雨量的变化

河流建坝修库对水生态的影响体现了人类活动对自然水体的主观改变[21]. 于桥水库建于1959年，沉积物色素聚类分析结果显示，1958年前后为藻类群落演替第Ⅰ、Ⅱ阶段分界点(见图3)，表明建坝前后藻类群落结构有显著差异. 建坝引起的水动力条件改变对藻类演替产生直接影响，建坝后于桥水库水动力条件相对稳定，平稳的水流速度有利于浮游藻类生长繁殖，使河流状态下的附着藻类为主的藻类群落逐渐转变为浮游藻类为主，藻类多样性增加[22]. 建坝导致营养物质截留对藻类演替产生重要影响，已有研究表明，建坝改变自然状态生源要素地球化学循环过程，尤其使氮磷等营养元素通量改变，对颗粒态氮磷具有截留作用，促进藻类生长繁殖和水体富营养化[21-23].

在气候变暖背景下，气温对藻类演替的影响受到广泛关注[1-4]. 1961—2016年，于桥水库流域多年平均气温为10.9 ℃，呈现上升趋势，平均增长1.68 ℃(见图6). 年均气温与藻类色素含量呈显著正相关(P<0.05)(见表1)，表明气温升高对藻类生长的促进作用. 气温升高促进藻类生长速率，研究表明大多数藻类最适生长温度为20～25 ℃，蓝藻的最适生长温度高于真核藻类，温度升高至约25 ℃以上直接促进蓝藻光合反应速率和生长速率[24-28]. 气温升高增加水柱稳定性，减弱对流混合，延长热分层期，利于有气囊的蓝藻上浮水面，更充足的阳光使得上浮蓝藻比非上浮藻类占据竞争优势[4,25]. 气候变暖可能延长藻类的生长期，研究表明气候变暖使得蓝藻水华发生期提前，消亡期延后[26-27].

表1 于桥水库沉积物柱芯色素含量、TP含量和气象因子的Spearman相关系数

降雨量变化是反映气候变化的主要气象因子之一. 1961—2016年于桥水库年均降雨量为672.6 mm，年际间降雨量变幅较大，总体呈现下降趋势，平均下降55.3 mm(见图6). 年均降雨量与沉积物藻类色素之间相关性不显著(见表1)，表明年均降雨量对藻类生长的直接影响无法识别. 研究[29-30]表明，降雨量和降雨强度影响流域氮磷营养物向湖库输入的速率和比率，进而可能对藻类生长产生间接影响. 相关系数和置信水平显示，TP含量是于桥水库藻类演替的主要影响因素，气温的影响次之(见表1). 已有研究[27]通过分析美国 1 000 多个湖泊，发现营养物和气温对藻类生物量的相对贡献和相互作用取决于湖泊营养水平和藻类优势种，贫营养湖泊中营养物起主导作用，中营养湖泊中温度作用更大，富营养和超富营养型湖泊中营养物与温度之间存在显著的交互作用. 同时，一些物种(如Anabaena)对水体营养物浓度变化更敏感，而一些物种(如Microcystis)对温度变化更敏感[27].

3 结论

a) 沉积物柱芯137Cs定年结果显示，于桥水库平均累积速率为0.055 g(cm2·a). 通过沉积物光合色素HPLC分析发现，于桥水库沉积物色素保存程度良好，可用于反演藻类群落历史演替.

b) 于桥水库近80年主要藻类包括绿藻、蓝藻、隐藻、甲藻、硅藻和裸藻，藻类演替经历3个阶段，即第Ⅰ阶段为1938—1958年、第Ⅱ阶段为1958—1983年、第Ⅲ阶段为1983—2019年. 1959年建坝对藻类演替产生显著影响，藻类生物量和多样性增加；1980年后营养负荷增加导致于桥水库藻类生物量显著升高.

c) 藻类演替的影响因素分析发现，TP含量和气温均与沉积物藻类色素含量呈显著相关(P<0.05)，表明TP负荷升高和气候变暖对藻类生长的促进作用. 年均降雨量与藻类色素无显著相关性，未识别到年均降雨量对藻类生长的直接影响.