浅谈阳澄湖东湖蓝藻密度与前期环境因子的关系

　　阳澄湖位于江苏东南部昆山市、吴中区、常熟市三市的交界处。南北长约17km, 东西宽约11km,面积119km2, 库容约3.2108m3，湖体被2条带状沙埂分成东、中、西3个湖区，湖体平均水深1.43m，最大水深4.70m。阳澄湖是昆山市的主要水源地，沿湖风景秀丽，湖中盛产蟹、鱼、虾等，尤其以阳澄湖大闸蟹而闻名于世，目前已被苏州市列为阳澄湖休闲、度假、旅游片区进行重点开发，湖区生态环境已成为社会关注的热点。20世纪80年代以来，随着阳澄湖流域工农业的快速发展，工、农业和居民生活的大量废水直接流入湖区，湖区水产养殖量猛增，造成阳澄湖水质呈不断恶化趋势。水质恶化是湖泊富营养化的主要诱因，而湖泊水体富营养化则以蓝藻的大量繁殖并引起水华暴发为主要表象。监测结果显示，早在2000年阳澄湖就出现了蓝藻，且近几年局部水域曾多次出现季节性蓝藻暴发现象，对周边居民的饮用水安全和水产养殖产生了极大威胁，蓝藻暴发的规律及其与环境条件的关系成为人们关注的焦点。
　　目前，国内外学者对蓝藻暴发与环境因素的关系作了大量研究，并取得了一些有意义的成果。Tkameuar等在霞浦湖中进行了光照与铜绿微囊藻生长速度的关系研究，发现藻类增值速度在弱光时随光照的增强而增大，但光照超过一定范围之后会阻碍藻类生长。Reynolds等在野外观测中发现，蓝藻水华暴发与风力搅动有关，风浪所引起的湖底沉积物的再悬浮为水华的暴发创造了一定条件。郑庆锋等对太湖蓝藻暴发的气象条件研究表明，在水体满足富营养化的前提条件下，气温和日照是蓝藻暴发的主要气象原因，相对湿度、降水、风速与蓝藻暴发的关系不显著。王铭玮等进一步研究了淀山湖地区蓝藻暴发的成因，认为低气压、低风速以及基本无降水的气象条件有利于蓝藻上浮并形成水华。强降水、高风速的气象条件则抑制蓝藻水华的形成。此外，还有部分研究通过对湖泊（水库）各种水环境因子的调查和监测，从统计学角度分析了蓝藻生物量与水环境因子间的关系，并建立了相应的回归预报方程。
　　目前相关研究大多是针对太湖、洞庭湖等富营养化较严重的湖泊开展的，有关阳澄湖蓝藻的研究报道极少。本文拟利用 2010、2011 年阳澄湖环境数据和蓝藻观测数据，对前期环境因子与蓝藻密度之间的关系进行分析研究，旨在为阳澄湖蓝藻监测预警和生态环境保护提供参考信息。
　　1 材料与方法
　　1.1 监测站概况
　　昆山市气象局和环保局联合在阳澄湖东湖布设了两个水文气象站和一个水环境监测站，两个水文气象站分别安置在引水渠靠近阳澄湖一侧的闸门正西 2km 处和野寒泾西南 2km 处，水环境监测站位于阳澄湖与傀儡湖之间连接处，站点分布见图 1。昆山市气象局建立的巴城气象站位于湖边，靠近水文和环境监测站。水文气象监测站采用美国 YSI 公司的 Profiler 蓝绿藻监测预警系统。
　　1.2 资料来源及处理
　　（1）用蓝绿藻密度（Cyanobacteria density，CD, 104L-1）表示蓝藻生物量，数据来自 2 个水文气象监测站。所用环境因子共有 13 个，其中，水环境要素 8 个，即水温（Water Temperature，WT）、比电导（Conduction,Cond，S/cm）、浊度（Nephelometric Turbidity Units，NTU）、叶绿素（Chlorophyll，Chl，g/L）、pH 值（Pondus hydrogenii）、溶解氧含量（Dissolved oxygen，DO，mgL-1）、总氮（Totalnitrogen，TN，mgL-1）和总磷（Total phosphorous，TP，mgL-1）。前 6 个因子为阳澄湖中水文气象监测站观测数据，总氮和总磷资料来自昆山市环保局水环境监测站。气象要素 5 个，即日照时数（Sunshine，S）、气温（Temperature，T）、降水量（Rainfall，R，mm）、风向（Wind direction，WD）、风速（Windspeed，WS，m/s）。
　　（2）水文气象监测站采样平均深度为 0.3m，采样间隔为 1h。水环境监测站采样平均深度为 0.4m，采样间隔为 1d。巴城气象站采样间隔为 10min。
　　（3）资料选取期限 2010 年 1 月 1 日-12 月 31 日和 2011 年 5 月 1 日-11 月 30 日。
　　（4）除营养盐资料外，对所有资料进行日平均处理，获得逐日资料。
　　（5）太湖地区蓝藻水华最低预警水平为蓝藻密度 3000104L-1 [11],由于阳澄湖临近太湖，水体及其环境特征与太湖十分相似，因此，将阳澄湖东湖南、北站蓝藻密度平均值3000104L-1的日期作为蓝藻暴发日。
　　（6）蓝藻是一种原生植物，其生长发育和所有生物一样遵循Logistic型生长曲线，即先期个体缓慢生长，中期快速生长，后期又生长较慢。所以，个体与群体的生长增量都要经过一段时间才能完成，一般为5 10d。因此，蓝藻的暴发程度与暴发前一段时间的环境条件相关，本文用当天的资料作为研究对象，以前5d资料的平均值作为因变量，利用多元统计分析软件SAS9.1.3（Statistics AnalysisSystem）分析其相互关系。
　　2 结果与分析
　　2.1 阳澄湖东湖蓝藻密度与前期水环境因子的关系
　　2.1.1 水温
　　各水环境因子与藻类密度的线性相关系数。由表中可见，各因子对蓝藻生长的作用各不相同，除总氮浓度外，其它各项因子与蓝藻密度均呈高度相关。其中，蓝藻密度与水温、浊度、总磷浓度、叶绿素含量呈正相关关系，与比电导、pH 值和溶解氧呈负相关。
　　2.1.2 溶解氧
　　溶解氧作为体现湖泊水体营养水平的重要指示参数,不仅是藻类生长重要的能源物质,也是藻类代谢过程所必需的。
　　蓝藻密度随着溶解氧增大表现出明显减小的趋势,当蓝藻密度大于1000104L-1时，对应的前期平均溶解氧浓度基本上不超过10mgL-1。尽管有部分研究发现，蓝藻生长期间光合作用可使水体中DO浓度增加，但是当蓝藻繁殖到一定程度时会产生大量死亡细胞，其降解过程通常会消耗大量溶解氧，导致水体中溶解氧含量急剧下降。刘丽贞等针对城市浅水湖泊蓝藻的生长规律和降解过程的研究表明，蓝藻暴发的一定时间段内，溶解氧通常保持在较低水平。因此，可将溶解氧含量作为判别阳澄湖湖泊水质好坏或蓝藻水华发生程度的重要依据之一。
　　2.1.3 营养盐
　　前期大量研究表明，湖泊中营养盐含量尤其是 N、P 含量与蓝藻水华的发生关系密切。通常利用总氮/总磷（TN/TP）来反映湖体的营养化程度，当 TN/TP 29 时，蓝藻生长不受限制[16]。由图 4 可以看出，研究期内 TN/TP 基本维持在 10 30，TN/TP 29 的天数所占比例达 90%，可见氮磷条件符合这一基本阈值。除 TN/TP 外，蓝藻生长还受到总磷浓度的限制。Sas 等在对欧洲 18 个水体进行分析时设定,浮游植物生长在可溶性活性磷浓度超过 0.01mgL‐ 1的水体中将不受磷限制[17]，阳澄湖近年来由于营养盐的过量输入,总磷浓度维持在较高水平，处于 0.017 0.195mgL‐1，均值为 0.071mgL‐1，远远超过了最低磷限制水平。因此，研究期内阳澄湖蓝藻生长已不受氮磷条件的限制，湖体本身已经具备了蓝藻大面积暴发的营养盐条件。
　　3 结论与讨论
　　（1）阳澄湖东湖蓝藻密度与水温、溶解氧含量、营养盐等水环境因子密切相关，其中适宜的营养盐水平是蓝藻暴发的前提条件，水温是影响蓝藻生长的重要限制因子，溶解氧可作为判定蓝藻发生程度的重要依据。
　　（2）影响阳澄湖东湖蓝藻生长和水华暴发的气象因子有气温、日照、降水、风向、风速等。高月香等研究表明，蓝藻生长发育的气温范围很广，在 18 20 的气温下，蓝藻就具备了暴发的可能性，本文认为这一结论同样适用于阳澄湖，降水偏少有利于阳澄湖蓝藻的生长发育和暴发，日照条件不是制约阳澄湖蓝藻暴发的主要因子。
　　（3）微风有利于蓝藻上浮、聚集形成水华，一方面是因为适当的微风可以促进藻类的上浮，使蓝藻在水面不断聚拢。有研究表明，在风速为 2.0m/s,波高为 44cm 时，藻类在水柱中的垂直分布很不均匀，大量藻类聚集在湖面（表层 5cm 以内）。本研究的平均采样深度为 30cm 左右，因而可以体现出这一特征。另一方面，风速通过对悬浮物的改变，使湖泊水下的光照条件发生显著的改变，从而对蓝藻的生长繁殖起到一定促进作用。湖面上蓝藻的南北飘移与盛行风向基本一致，藻类大都顺着风向漂移，这与朱永春等针对太湖的研究结果一致。
　　（4）在水体满足富营养化的前提下，当某日前 5d 平均气温 30 、日平均日照时数 4 10h、日平均降水量 3.0mm、平均风速为 1 2.5m/s、盛行风向持续 2d 以上，易暴发蓝藻水华。
　　（5）利用前期对蓝藻密度变化有重要影响的环境因子建立了蓝藻密度预报方程，并对阳澄湖蓝藻水华发生状况进行了拟合和试报，结果表明所建预报方程拟合率较高，但峰值误差较大。这是因为：①夏季水体中藻类浓度通常保持在一个较高水平，此时表层水体中藻类密度更多地受到风浪、湖流等外部条件的影响，而多元逐步回归无法模拟风浪、湖流等动力效应；②本文所用各因子数据取蓝藻暴发前 5d 的平均值，平滑掉了瞬时极端变化，无法反映蓝藻密度受环境因子极端变化的影响；③蓝藻水华暴发受到持续稳定的大气环流背景如夏秋副高、西风带高压控制本地时等的影响，回归方程中体现不出大气环流的作用。因此，在蓝藻水华高发时段，一旦模型拟合值相对于其前期变化有较大的上升时，就要注意风浪和湖流的动力作用，关注环境因子的异常变化，并结合大气环流背景及时做好预警信息的发布。
　　阳澄湖与太湖均属典型的浅水湖泊，与深水湖泊相比，浅水湖泊一般水底较平、水浅、自净能力较低，底泥更频繁地受到风浪等水动力作用的扰动。因而对于阳澄湖这种典型的浅水湖泊而言，单纯使用统计方法无法很好地模拟蓝藻生物量的分布和变化，应积极开展水动力条件对蓝藻水华暴发影响的研究。由于对湖流的大面积观测仍存在较大难度,目前的研究多以通过计算机建立水动力数值模型为主。国内外学者已经建立了大量水动力数值模式，如Gallagher提出的二维风生环流的数学模型，Simons提出的计算大面积湖泊环流的多层模式，胡维平针对太湖建立的风生流和风涌增减水的三维数值模型等，这些模型和方法的建立为围绕阳澄湖开展相关研究提供了重要的理论参考。