史小麗，范 帆，2，張 民，陽 振，陳開寧

(1：中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室, 南京 210008)(2：中國科學院大學，北京 100049)

湖泊富營養(yǎng)化是我國目前以及今后相當長一段時期內(nèi)的重大水環(huán)境問題. 藍藻在富營養(yǎng)化湖泊中大量增殖，形成水華，對飲用水源、旅游水體和工業(yè)用水造成嚴重的危害. 藍藻水華的發(fā)生機制也備受關(guān)注，一直都是研究熱點. 1980年，Preston等基于湖泊圍隔實驗結(jié)果首次提出了底泥藍藻復蘇可能對水體藍藻生物量有重要貢獻[1]. 隨后歐美湖沼學家開展了一系列有關(guān)底泥藍藻復蘇的研究[2-5]. 我國學者孔繁翔和高光針對淺水湖泊，提出了藍藻水華過程的4階段理論，即藍藻生長與水華形成可以分為休眠、復蘇、生物量增加(生長)、上浮及聚集4個階段，每個階段藍藻的生理特性及主導環(huán)境影響因子有所不同[6]. 春季底泥藍藻的復蘇為水體藍藻生長提供種源，是水體藍藻生長的起點. 因此基于該理論，通過削減越冬和復蘇底泥藍藻生物量，可能會降低夏季藍藻水華強度，市場上也開發(fā)了用于去除或削減底泥藻種生物量的設(shè)備，包括底泥藻種翻耕設(shè)備、大型浮動式湖底除藻設(shè)備、底泥藻種洗脫船等. 事實上復蘇藍藻對水體藍藻的貢獻是否顯著還存在很多爭議. 一些研究結(jié)果表明底泥藍藻具有較高復蘇量，浮游藍藻種群主要通過底泥藍藻復蘇進入水柱中，對水柱最大生物量的貢獻可高達50%左右[2,7-8]；然而有些研究表明底泥藍藻復蘇量只占水柱藻類生物量的很小一部分[9]. 上述截然相反的結(jié)論可能是因為藍藻復蘇量受到藍藻種類、湖泊類型、環(huán)境因子等影響所致[3].

巢湖是我國第五大淡水湖泊，也是我國水污染防治的重點水體. 近30年來，隨著流域內(nèi)人類活動加劇，巢湖水體營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)濃度增加，湖泊富營養(yǎng)化進程加快[10-11]，以微囊藻和魚腥藻為優(yōu)勢種屬的大面積藍藻水華頻繁發(fā)生[12]. 巢湖藍藻水華已經(jīng)對飲用水供水安全和巢湖水生態(tài)健康造成了威脅. 目前藍藻水華的防控主要是應(yīng)急處置，比如對夏季藍藻實施打撈，然而現(xiàn)有的打撈強度并不能有效控制藍藻生長[13]，僅能緩解藍藻水華大量堆積造成的次生災(zāi)害，因此迫切需要加強藍藻防控方法的研究. 本研究通過調(diào)查巢湖西湖心藍藻在水體和底泥中的周年分布變化規(guī)律，并通過原位藍藻捕獲器，研究巢湖西湖心底泥藍藻上浮和下沉通量，揭示底泥藍藻種源對水柱藍藻的貢獻程度，回答是否可以通過削減底泥藍藻種源控制巢湖藍藻水華，為科學防控藍藻水華提供理論支撐.

1 研究方法

1.1 采樣點選擇與采樣

采樣點位于巢湖西湖心(31.658625°N，117.366904°E)，全年水深在3～4 m之間波動，溫度變化范圍為3.1～31.7℃，總磷平均濃度為0.18 mg/L(0.069～0.29 mg/L)，總氮平均濃度為3.27 mg/L(1.64～6.20 mg/L)，平均透明度為25.83 cm(5～50 cm). 由于巢湖主要入湖污染物來自于西北部，西巢湖營養(yǎng)鹽水平顯著高于其他湖區(qū)，藍藻水華發(fā)生概率和藍藻生物量也相對較高，能代表藍藻水華發(fā)生相對嚴重的湖泊敞水區(qū). 2018年10月-2019年10月，每月采集一次野外樣品. 野外樣品包括水樣和表層泥樣：用5 L有機玻璃采水器采集不同水層(上、中、下)水樣后，倒入大桶混合均勻，再取2.5 L混合樣；用柱狀沉積物采樣器(采樣管內(nèi)徑Φ84 mm)采集沉積物柱狀芯樣，并現(xiàn)場切分獲取0～2 cm及2～4 cm表層樣品. 將采集到的水樣和泥樣低溫避光保存，并于采樣當日帶回實驗室處理分析. 利用多參數(shù)水質(zhì)儀(YSI 6600, 美國YSI公司)原位測定水體理化指標，包括水溫、溶解氧(DO)、pH、濁度、氧化還原電位和電導率. 浮游藻類樣品通過魯哥試劑固定.

1.2 野外藍藻捕獲器的安裝

在巢湖西湖心安裝了自行設(shè)計的針對強擾動淺水湖泊的底泥復蘇藍藻捕集裝置和下沉藍藻收集裝置. 底泥復蘇藍藻捕集裝置由一個旋轉(zhuǎn)支架和一根錨定滑桿構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)支架可沿錨定滑桿上下滑動，旋轉(zhuǎn)支架上裝有2組長度不同上浮藍藻捕集器，每組4個. 上浮藍藻捕集器由捕集管和捕集管末端的收集瓶組成. 在布設(shè)時，先將旋轉(zhuǎn)支架提拉至水面以上，并使捕集器管口豎直朝上，向管內(nèi)注入無藍藻的濾后原位湖水，然后下放拉繩使旋轉(zhuǎn)支架及捕集器管口沒入水面下，拉動支架在水中翻轉(zhuǎn)180°并用鎖止手柄鎖定，使捕集器管口朝下，繼續(xù)下放，直至長捕集器管口插入表泥，此時短捕集器管口懸于底泥上方約10 cm處. 插入表泥的長捕集器用于捕獲靜態(tài)復蘇的藍藻，懸于表泥之上的短捕集器用于捕獲有風浪擾動狀態(tài)下的復蘇藍藻，比較兩種工況下的藍藻復蘇量. 下沉藍藻收集裝置包括下沉藍藻收集管、收集管管架和錨定滑桿，收集管底部具有底塞. 布設(shè)時，將下端口具有底塞的收集管裝載入管架，并向管內(nèi)注入無藍藻的濾后原位湖水，然后下放收集裝置至湖底(圖1).

圖1 底泥復蘇藍藻捕集裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of cyanobacteria capture device for sediment recovery

1.3 室內(nèi)分析

水樣帶回實驗室后，用GF/C 玻璃纖維濾膜過濾，濾液參照標準方法測定溶解性營養(yǎng)鹽[14]. 取2 mL原水樣，使用調(diào)制葉綠素熒光儀(PHYTO-PAM，德國WALZ公司)測定藍藻門生物量(以葉綠素a(Chl.a)表征)及藍藻門、綠藻門和硅藻門的光合活性，每次檢測重復3次.

對底泥藍藻生物量和光合活性檢測前，首先對底泥中活性藍藻細胞進行離心分離和提純：用膠頭吸管或注射器吸取1 mL野外采集的底泥樣品(吸取前將采樣袋中泥樣混勻)至15 mL離心管中，加入10 mL 29%(v/v)的Percoll密度分離液(美國GE公司)搖勻，用離心機(Allegra X-22R，美國Beckman公司)在7200 r/min下離心30 min，取出后用移液槍貼管壁緩慢吸取含藻上清液2 mL于PAM測量杯中進行檢測. 每次檢測重復3次. 對復蘇藍藻捕集裝置及下沉藍藻收集裝置所獲得的樣品的檢測方法分別與上述水樣和泥樣的檢測方法相同.

浮游藻類通過顯微鏡觀察和計數(shù). 每個水樣根據(jù)藻類生物量的多少取500～1000 mL按100∶1的比例用魯哥固定液固定，靜置48 h后，濃縮到一定的體積，濃縮后樣品用于藻類的鑒定，藻類鑒定參照文獻[15]. 用每個物種的細胞濃度乘以估計的該物種的細胞體積就得到了每個物種的生物體積(mm3/L)[16]，根據(jù)通常的假設(shè)浮游植物的密度近似1 mg/mm3，生物體積可直接轉(zhuǎn)化為生物量(mg/L).

1.4 結(jié)果分析

利用Microsoft Excel 2010、Origin 8.0 for Windows和ArcGIS 9.3軟件進行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計分析和制圖.

2 結(jié)果

2.1 巢湖西湖心浮游藻類群落結(jié)構(gòu)和全年演替規(guī)律

巢湖西湖心浮游藻類優(yōu)勢種屬為微囊藻屬(Microcystis)、席藻屬(Phormidioideae)、十字藻屬(Crucigenia)、卵形隱藻(Cryptomonasovata)和魚腥藻屬(Anabaena)，生物量比例分別達到了43.39%、23.7%、13.04%、7.9%和6.01%. 浮游藻類在月尺度上發(fā)生了明顯的演替，6-10月主要以微囊藻屬為優(yōu)勢種屬；8月隱藻屬的比例較高；11月和12月主要藻類種屬為卵形隱藻、魚腥藻屬和微囊藻屬；1-3月以十字藻屬、席藻屬為主，伴有少量扁裸藻屬(Phacus)；4月主要為席藻屬；5月微囊藻屬和席藻屬共同存在(圖2). 藻類的光合能力全年也發(fā)生了明顯變化，其中藍藻的光合活性在5-8月最高，9月至來年3月保持在一個較低水平；綠藻的光合活性在5月達到峰值，而在夏季低于檢測限；硅藻的活性全年都相對較高，1月達到峰值(圖3).

圖2 巢湖西湖心浮游藻類群落結(jié)構(gòu)的演替Fig.2 The succession of phytoplankton community structure in the center of western Lake Chaohu

圖3 巢湖西湖心浮游藻類光合活性的變化Fig.3 The photosynthetic activity of phytoplankton in the center of western Lake Chaohu

2.2 巢湖水體和底泥藍藻生物量的時間演替格局

從時間尺度上看，巢湖西湖心水柱藍藻生物量一年有兩個峰值，出現(xiàn)在2月和9月，分別達到了8和12 μg/L，11-1月和3-6月處于相對較低水平. 底泥藍藻生物量全年呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，11月底泥藍藻生物量上升，在來年2月達到峰值，隨后下降，在夏季降到最低值. 巢湖西湖心底泥藍藻生物量最高值達到1500 μg/g(DW)，最低值低于檢測限(圖4).

圖4 巢湖西湖心水柱和底泥藍藻生物量Fig.4 The chlorophyll-a concentration of cyanobacteria in water column and sediment in the western center of Lake Chaohu

2.3 藍藻生物量在水柱和底泥中的相對分布規(guī)律

巢湖西湖心水柱藍藻生物量9月達到峰值，水柱的Chl.a總量最高為4.17 μg /cm2. 底泥藍藻生物量在10月開始升高，在來年2月達到最高值，底泥藍藻Chl.a含量達到0.85 μg /cm2. 底泥藍藻主要分布在表層(0～2 cm)，次表層底泥(2～4 cm)藍藻生物量僅在11月相對較高. 水柱與底泥藍藻生物量的比值全年發(fā)生了很大的變化，在夏季(6-8月)，兩者最小比值約為24，最大比值超過100，說明絕大部分藍藻主要分布在水柱中，而在10月至來年4月，水柱與底泥藍藻生物量比值相對較低，最低小于2(圖5).

圖5 藍藻在水柱和沉積物中的分布Fig.5 The distribution of cyanobacteria biomass between water column and sediment

2.4 巢湖西湖心藍藻垂直遷移通量

通過設(shè)定捕獲器，得到了巢湖西湖心底泥藍藻靜態(tài)釋放和有擾動影響的動態(tài)釋放通量. 在沒有擾動影響的情況下，從底泥主動遷移到水體中的藍藻生物量在全年都很低，而擾動帶來的底泥藍藻向水體遷移的通量遠遠高于靜態(tài)遷移通量，全年有兩個峰值，分別出現(xiàn)在6月和10月，最高值達到了700 ng Chl.a/(d·cm2)(圖6). 藍藻從水柱向底泥遷移的通量全年也有兩個峰值，分別在11月和3月，最高值達到了70.55 ng Chl.a/(d·cm2)(圖7).

圖6 藍藻從底泥遷移到水柱中的生物量Fig.6 The recruitment biomass of cyanobacteria from sediment to water

圖7 藍藻從水柱進入底泥的生物量Fig.7 The sedimentation biomass of cyanobacteria from water column to sediment

3 討論

3.1 藍藻在水體和底泥中的分布規(guī)律

由于本研究采用Percoll溶液提取底泥藍藻，樣品量較低，用PAM可實現(xiàn)快速測定，藍藻生物量用藍藻Chl.a濃度表征. 為了與底泥藍藻檢測方法一致，水體藍藻生物量也用該方法測定，因此絕對值小于常規(guī)方法(抽提過GF/C濾膜的Chl.a)的測定結(jié)果. 西巢湖湖心水柱和底泥藍藻生物量具有時間變化規(guī)律. 水柱藍藻生物量在2月和9月達到峰值，藍藻優(yōu)勢種屬分別為席藻屬和微囊藻屬. 水柱藍藻活性在10月降到最低，表明此時藍藻細胞大量衰亡，造成大量水柱藍藻沉降到底泥，致使底泥表層藍藻生物量顯著升高. 法國Grangent水庫的全年監(jiān)測結(jié)果表明，春季水體藍藻酯酶活性開始增加，到夏季達到峰值，隨后酯酶活性下降，在秋末達到最低值，冬季一直處于較低水平[17]，這與本研究中的光合活性年度變化規(guī)律一致. 湖泊藍藻在水華末期，會經(jīng)歷衰老和程序性死亡，這可能與不利的環(huán)境條件有關(guān)系，包括低光強、CO2限制、氧化還原條件或鹽離子壓力等[18-19]. 不同種群藍藻的衰亡下沉特征不同，例如銅綠微囊藻(M.aeruginosa)的沉降速率遠遠高于挪氏微囊藻(M.novacekii)和水華微囊藻(M.flos-aquae)[20]. 此外藍藻形態(tài)或生理類型對沉降有重要影響. 底泥藍藻生物量3月開始明顯下降，在5-8月處于較低水平. 已有研究報道，底泥藍藻在低溫，例如5℃時可存活22周，隨著溫度的升高，底泥藍藻會發(fā)生死亡降解，25℃時90%的藻細胞會在3個月內(nèi)死亡[21]. 此外，我們的顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，底泥藍藻在膠鞘中的完整細胞越來越少.

本研究首次對巢湖西湖心底泥和水體藍藻生物量進行了周年調(diào)查，結(jié)果表明，底泥藍藻生物量在10月達到最大值，但此時仍小于水柱藍藻生物量. 一些研究表明大部分微囊藻會在水體中分解死亡，只有少部分微囊藻會沉降在底泥[22]. 本團隊已有研究結(jié)果表明，太湖水體藍藻的裂解速率在10月達到峰值[23]，造成水體溶解性有機質(zhì)濃度顯著增加[24]. 雖然秋季大量藍藻衰亡沉降到底泥，冬季太湖微囊藻水華強度也遠遠小于夏、秋季，但微囊藻仍能在低于10℃的水體中保持較低活性，藍藻死亡和分解速度也相對較低，有利于藍藻水華的維持，當溫度高于12.5℃時，便重新生長[25].

3.2 底泥藍藻垂直遷移通量的變化規(guī)律

孔繁翔等的“四階段”理論認為，湖泊底泥表面“休眠”越冬的藍藻，有較強的適應(yīng)低溫和低光照能力，會在春季復蘇，并上浮至上層水柱中生長，這部分種源在適宜的水環(huán)境中大量增殖，最終對夏季藍藻生物量有重要的貢獻. 然而底泥中微囊藻是否能進入水體還存在很大的爭議. 一些研究認為藍藻會有從水體到底泥的下沉過程，但不會有太多復蘇藍藻進入水體[9]. 有研究在淺水區(qū)底泥樣品中發(fā)現(xiàn)了70%～80%只有膠鞘沒有細胞的群體微囊藻，因此認為微囊藻沉降到底泥后可能會快速分解[3]. 太湖梅梁灣原位捕獲器實驗結(jié)果表明，底泥藻種對水柱藻種的貢獻只有2.15%[26]. 事實上，水體藍藻生物量可能遠遠高于其垂直遷移量的通量，底泥復蘇藍藻量對水體藍藻的貢獻并不顯著[27]. 然而另一些研究認為底泥復蘇藍藻是水體藍藻的主要貢獻者[1]. 結(jié)合原位生長速率和底泥藍藻復蘇通量，足以解釋夏季適宜條件下的水體藍藻能達到的生物量[5].

本研究在巢湖西湖心安裝了針對強擾動淺水湖泊的底泥復蘇藍藻捕集裝置，定期觀測每月水體藍藻下沉和底泥藍藻上浮的通量. 觀測結(jié)果表明，水體藍藻下沉通量遠遠高于底泥藍藻上浮通量，比值最高達到一百倍以上；同時水體藍藻的下沉通量在全年有明顯的雙峰變化模式，11月最高，3月出現(xiàn)了另一個峰值，表明巢湖西湖心藍藻在秋季和春季有明顯的從水柱向底泥遷移的過程，可能分別與微囊藻和席藻的衰亡下沉有關(guān)，這與底泥藍藻生物量的兩個峰值有很好的吻合. 我們也分析了藍藻上浮和下沉通量與水柱生物量的比值，發(fā)現(xiàn)春、夏季藍藻上浮/下沉通量在水柱藍藻生物量中的占比都很小，小于1%. 秋末冬初(9-12月)藍藻垂直遷移通量的貢獻相對較大，特別是2018年11月藍藻下沉量是水柱藍藻生物量的6倍，表明此時水體中大部分藍藻都衰亡沉降了，其他3個月藍藻下沉遷移通量對水柱藍藻的貢獻大部分在10%～30%之間；擾動造成的底泥藍藻上浮通量對水柱藍藻的貢獻也是在10月和11月相對較高，特別是在2018年11月，是水柱藍藻生物量的3.8倍. 藍藻衰亡下沉導致大部分藍藻聚集在水-沉積物界面上，隨著風浪的擾動，又會進入水體，被捕獲器獲取，但由于藻自身已處于衰亡期，最終還是會沉降到底泥上. 隨著風浪擾動，這可能是一個反復的過程.

藍藻從底泥向水體中的遷移是通過調(diào)節(jié)浮力的主動遷移，還是通過再懸浮的被動遷移，仍然存在廣泛爭議. 本研究結(jié)果表明底泥藍藻向水體中的靜態(tài)釋放量在全年都很低，而在模擬自然湖流擾動條件下，在6月和10月底泥藍藻發(fā)生了兩次明顯的向上遷移過程. 這可能與高底泥藍藻生物量和風浪擾動有很大關(guān)系. 本研究結(jié)果表明，大部分底泥藍藻分布在表層0～2 cm，在風浪擾動頻繁的大型淺水湖泊，底泥再懸浮對底泥藍藻的垂直遷移有重要的影響. 生物擾動或風浪擾動帶來的再懸浮，使埋在下層底泥的藻類獲得光照[28]. 高光強有利于底泥藍藻的復蘇，因此湖泊深度是影響越冬和遷移藍藻量的重要因素，通常認為淺水區(qū)域的底泥藻種復蘇是水體藍藻的重要來源[29]. 此外溫度也是影響底泥藍藻復蘇的主要因子，野外原位調(diào)查和室內(nèi)試驗結(jié)果表明，底泥藍藻在9～12℃之間復蘇進入水體[30]，這可能與微囊藻群體在此溫度范圍內(nèi)上浮能力增強[31]和底泥群體藍藻粒徑增大有關(guān)[32]. 底泥來源(近岸/敞水區(qū))也是影響藍藻復蘇的重要因子，在同樣條件下，近岸帶藍藻更容易復蘇. Erken湖的研究結(jié)果表明底泥藍藻復蘇量在水深為1 m的近岸湖區(qū)最大，而在超過3 m深的湖區(qū)內(nèi)則很小[33]. 本研究的模擬裝置懸掛在巢湖西湖心，全年平均水深為3.3 m，由于藻類的生長和底泥再懸浮，水體平均透明度只有30 cm左右，因此底泥表層的光強相對很弱，不利于底泥藍藻的生長和復蘇，即便在溫度適宜的條件下，也沒有觀察到明顯的復蘇現(xiàn)象. 本研究結(jié)果僅代表巢湖敞水區(qū)底泥藍藻復蘇的現(xiàn)狀，需要進一步對近岸區(qū)域藍藻復蘇進行調(diào)查和研究.

4 結(jié)論

1)巢湖西湖心藍藻的主要優(yōu)勢種屬在5-10月為微囊藻屬，11-12月為魚腥藻屬，1-4月為席藻屬.

2)巢湖西湖心水柱藍藻生物量在1月和9月達到兩個峰值，底泥藍藻生物量在10月到來年2月最高，主要分布在0～2 cm的底泥表層.

3)巢湖西湖心藍藻主要分布在水柱中，底泥藍藻生物量對湖泊藍藻生物量的貢獻很小，單位面積水柱藍藻與底泥藍藻量在6月的比值大于100，在11月到來年3月間的比值相對較小.

4)巢湖西湖心藍藻在11月和2月有明顯從水柱遷移到底泥的過程；而底泥藍藻靠自身主動復蘇遷移到水體中的通量很低，向上遷移通量主要受底泥藍藻生物量和再懸浮的影響.

5)削減巢湖西湖心底泥種源的最佳時期為10月至來年2月，但由于底泥藍藻向水體復蘇遷移的量較低，水柱藍藻生物量高于底泥藍藻生物量，即使削減了底泥種源，也不能有效降低水體藍藻生物量.

6)本研究結(jié)果僅能說明巢湖敞水區(qū)藍藻復蘇的狀況，需要進一步對近岸區(qū)域進行調(diào)查研究.