鄭 昕,陳 麗,仇 菲,張 濤,張昭陽(yáng),尚 麗,白寧?kù)o,陳小林,趙帥營(yíng),孔令陽(yáng),陳光杰

(云南師范大學(xué)地理學(xué)部, 云南省高原地理過(guò)程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650500)

重金屬污染物已成為威脅湖泊水質(zhì)和生態(tài)健康的重要脅迫因子[1],目前對(duì)于重金屬污染水體的污染防控評(píng)估與生態(tài)修復(fù)效果評(píng)價(jià)研究總體較少。陽(yáng)宗海是云南省第三大深水湖泊,于2008年發(fā)生了砷污染事件,污染發(fā)生后湖水中砷的濃度一度高達(dá)176.9 μg/L,為國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)(10.0 μg/L)的17.7倍,水質(zhì)從II類急劇下降為劣V類[2-4]。陽(yáng)宗海砷污染治理主要分為兩期,第一期時(shí)間為2009年10月-2011年10月,治理后湖水平均砷濃度從128.0 μg/L降低到49.0 μg/L;之后砷濃度出現(xiàn)反彈,在2017年10月-2019年10月期間進(jìn)行了二期污染治理。兩次治理后湖水的平均砷濃度降至29.7 μg/L,但仍然超過(guò)國(guó)家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[2,5]。兩次砷污染治理方案中,主要采用噴灑三氯化鐵絮凝劑降低陽(yáng)宗海湖水中的砷濃度,可能導(dǎo)致沉積物成為砷污染物的高蓄積體和二次污染源[6-8]。底泥污染物的釋放可以造成水體出現(xiàn)二次砷污染的風(fēng)險(xiǎn)及季節(jié)性波動(dòng),將通過(guò)生物吸收作用和食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的物種傳遞對(duì)湖泊生物產(chǎn)生直接或間接的毒性效應(yīng)并呈現(xiàn)出季節(jié)性的變化規(guī)律[9-10]。因此,陽(yáng)宗海沉積物中砷的二次釋放過(guò)程可以嚴(yán)重威脅湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康。

浮游植物(浮游藻類)作為初級(jí)生產(chǎn)者,是湖泊食物網(wǎng)的基礎(chǔ)[11]。浮游植物受到溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬等非生物因子及浮游動(dòng)物、魚類等生物因子的共同調(diào)控,同時(shí)浮游植物由于生長(zhǎng)周期短,能夠?qū)ν饨绛h(huán)境的變化做出快速響應(yīng),常被用來(lái)作為水環(huán)境污染的指示生物,其變化將對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響,是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]。重金屬濃度超過(guò)一定閾值后能夠?qū)Ω∮沃参锂a(chǎn)生毒害效應(yīng),該效應(yīng)與重金屬種類、元素形態(tài)、浮游植物種類等有關(guān)[12-14]。其中,砷元素對(duì)浮游植物生物量的影響存在“低促高抑”的作用[15-17]。同時(shí),氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽能夠通過(guò)影響浮游植物的蛋白質(zhì)合成和磷代謝從而對(duì)砷的作用產(chǎn)生影響,如五價(jià)砷通過(guò)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)入藻細(xì)胞,磷能夠顯著減輕五價(jià)砷的毒性[18-21]。此外,富營(yíng)養(yǎng)化能夠通過(guò)影響水體砷循環(huán)而進(jìn)一步對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,富營(yíng)養(yǎng)化容易導(dǎo)致沉積物-水界面的缺氧環(huán)境,從而促進(jìn)毒性更強(qiáng)的三價(jià)砷的釋放,進(jìn)一步對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[22]。砷不僅可以直接影響浮游植物的生長(zhǎng),而且可以通過(guò)食物網(wǎng)的傳遞作用間接影響更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物,從而對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重要影響[23-25],浮游植物已成為指示砷污染水平及其生態(tài)效應(yīng)的敏感指標(biāo)[23,26]。因此,有必要系統(tǒng)研究砷污染背景下影響陽(yáng)宗海浮游植物生物量變化的環(huán)境因子,以識(shí)別砷對(duì)浮游植物生物量的驅(qū)動(dòng)作用。

本研究對(duì)2015-2019年陽(yáng)宗海浮游植物生物量的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究,并進(jìn)一步通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法識(shí)別其與環(huán)境因子的關(guān)系,探討砷污染修復(fù)后水體遺留砷對(duì)藻類的毒性作用和生態(tài)效應(yīng),以期為陽(yáng)宗海的砷污染防治和生態(tài)安全評(píng)價(jià)提供科學(xué)支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)陽(yáng)宗海形態(tài)特點(diǎn),設(shè)置T1、T3、T5共3個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行樣品采集(圖1)。采樣時(shí)間為2015年4、6、8、12月,2016年3、6、9、12月,2017年4、6、9、12月,2018年和2019年的3、6、9和12月。后續(xù)分析中,分別將3(4)、6、8(9)和12月歸為春季、夏季、秋季和冬季。

圖1 陽(yáng)宗海采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites of Lake Yangzong

1.2 樣品采集和測(cè)定

采集2 L表層水樣用于分析總磷(TP)、總氮(TN)等水質(zhì)理化因子,水溫(WT)和pH用YSI 6600多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)量,透明度(SD)用塞氏盤測(cè)定?？偭缀涂偟姆治鰠⒖肌端蛷U水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[27]。水樣經(jīng)0.45 μm的膜過(guò)濾后采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7485-1987)和原子熒光法(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)HJ 694-2014)測(cè)定砷含量,其中2015年4月-2016年12月樣品的砷含量采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測(cè)定,2017年4月-2019年12月樣品的砷含量采用原子熒光法測(cè)定。浮游植物現(xiàn)存量一般用藻數(shù)量(細(xì)胞個(gè)數(shù)和個(gè)體數(shù))和重量(生物量)來(lái)表示,由于不同種類的藻個(gè)體差異較大,因此生物量已經(jīng)被廣泛用于浮游植物的定量分析[28]。采集1 L表層水樣,加入魯哥和甲醛固定后靜置48 h,采用虹吸法吸掉上清液后將樣品濃縮至50 mL,混勻后吸取0.10 mL在顯微鏡下計(jì)數(shù)并計(jì)算生物量[27-29]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2015年8月T1和T3位點(diǎn)的砷濃度低于檢測(cè)限,根據(jù)T5位點(diǎn)砷濃度從底層到表層減少的規(guī)律及T1和T3位點(diǎn)分層水樣的砷濃度(本課題組未發(fā)表數(shù)據(jù))對(duì)T1和T3位點(diǎn)表層水的砷濃度進(jìn)行校正[30]。對(duì)浮游植物生物量和環(huán)境因子進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換使其趨于正態(tài)分布。利用ANOVA分析浮游植物生物量和環(huán)境因子的時(shí)空差異性。采用Pearson分析浮游植物生物量與環(huán)境因子之間的相關(guān)性,并對(duì)顯著環(huán)境因子與生物量做散點(diǎn)圖。利用多元線性回歸分析解釋浮游植物生物量與多個(gè)環(huán)境因子之間的線性關(guān)系。數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行VIF檢驗(yàn),去掉膨脹系數(shù)大于10的環(huán)境因子后,采用多元線性回歸分析識(shí)別驅(qū)動(dòng)陽(yáng)宗海浮游植物生物量變化的顯著環(huán)境因子。所有數(shù)據(jù)分析均通過(guò)Origin 9.0和R 4.1.0處理。

2 結(jié)果

2.1 2015-2019年浮游植物生物量的時(shí)空分布特征

2015-2019年,陽(yáng)宗海浮游植物生物量的范圍為0.7～30.4 mg/L,平均生物量2016年最低,2017年最高。采樣期間浮游植物生物量表現(xiàn)為秋季相對(duì)較高,冬季相對(duì)較低(圖2)。2015-2019年藍(lán)藻門占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),生物量相對(duì)比例為24.6%～97.2%,平均值為74.9%,其生物量變化趨勢(shì)與浮游植物生物量變化趨勢(shì)基本一致(圖2)。ANOVA分析結(jié)果顯示,2015-2019年年際上以及分年度季節(jié)上浮游植物生物量差異顯著,而空間差異均不顯著。

圖2 陽(yáng)宗海浮游植物生物量的變化特征 Fig.2 Variation characteristics of phytoplankton biomass in Lake Yangzong

2.2 2015-2019年環(huán)境因子的變化特征

2015-2019年陽(yáng)宗海主要環(huán)境因子的變化見(jiàn)圖3。砷濃度年平均值在2016年最高,為(63.4±24.1)μg/L,2017年治理后呈下降趨勢(shì),2019年平均值最低,為(26.6±9.0)μg/L;2015、2018和2019年均為混合期,相對(duì)濃度較高,而2016和2017年夏季砷濃度最高。2015-2019年年平均溫度分別為(20.7±3.3)、(18.0±5.2)、(20.0±4.1)、(19.1±4.0)和(19.7±4.4)℃,2016年平均溫度最低;季節(jié)上均表現(xiàn)為夏季(5年平均值為(23.6±0.7)℃)和秋季(5年平均值為(24.7±0.9)℃)溫度較高,而春季(5年平均值為(15.7±1.6)℃)和冬季(5年平均值為(15.0±1.9)℃)溫度相對(duì)較低。總氮年平均值2018年最高((1110.3±640.3)μg/L),2016年最低,為(792.5±183.5)μg/L;季節(jié)上,總氮5年平均值表現(xiàn)為2015和2019年冬季最高而夏季最低,2016年春季最高而夏季最低,2017年冬季最高而秋季最低,2018年秋季最高而夏季最低?？偭啄昶骄翟?015年最高((39.6±8.6)μg/L),2018年最低((28.3±5.7)μg/L);2015、2017、2018年總磷濃度均為冬季最高,而2016和2019年分別為春季和夏季最高。透明度5年來(lái)總體呈升高趨勢(shì),范圍為0.9～4.9 m;季節(jié)上春季和冬季相對(duì)較高,秋季最低。pH最高值為10.1,最小值為7.2;季節(jié)上,除2018年外,春季與冬季pH值較夏季和秋季低(圖3)。ANOVA結(jié)果顯示,除2015年的透明度和2016年的pH外,砷、溫度、總氮、總磷、透明度和pH在分年度上均存在顯著的季節(jié)差異(P<0.05),所有指標(biāo)空間差異均不顯著(P>0.05)。

圖3 陽(yáng)宗海環(huán)境因子的變化特征Fig.3 Variation characteristics of environmental factors in Lake Yangzong

2.3 Pearson相關(guān)分析和多元回歸分析結(jié)果

Pearson相關(guān)分析結(jié)果(表1)顯示,2015-2019年浮游植物總生物量和藍(lán)藻生物量均與水溫和pH呈顯著正相關(guān),與透明度和砷含量呈顯著負(fù)相關(guān)。浮游植物總生物量和藍(lán)藻生物量與水溫、pH、透明度、砷含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.57、0.45、-0.58、-0.49和0.56、0.31、-0.48、-0.43。由于pH、透明度和浮游植物生物量存在相互影響的關(guān)系,進(jìn)一步對(duì)水溫和砷與浮游植物生物量和藍(lán)藻生物量的關(guān)系做了散點(diǎn)圖,結(jié)果見(jiàn)圖4。

表1 陽(yáng)宗海浮游植物生物量與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)分析Tab.1 Pearson correlation analysis of phytoplankton biomass and environmental factors in Lake Yangzong

圖4 陽(yáng)宗海環(huán)境因子與浮游植物生物量的散點(diǎn)圖(橘色為治理前,藍(lán)色為治理后,正方形為春季,圓形為夏季,三角形為秋季,五角星形為冬季)Fig.4 Scatter diagram of environmental factors and phytoplankton biomass in Lake Yangzong

對(duì)浮游植物總生物量和藍(lán)藻生物量與各環(huán)境因子進(jìn)行多元線性回歸分析,通過(guò)逐步篩選建立回歸方程,回歸方程見(jiàn)表2。溫度和砷是驅(qū)動(dòng)陽(yáng)宗海浮游植物生物量和藍(lán)藻生物量變化的顯著因子,其中溫度對(duì)浮游植物生物量和藍(lán)藻生物量的解釋比例最大,系數(shù)分別為0.54和0.63,其次是砷,系數(shù)分別為-0.41和-0.34,總氮的解釋比例最小,系數(shù)分別為0.19和0.33。

表2 陽(yáng)宗海浮游植物生物量與環(huán)境因子的多元線性回歸分析Tab.2 Multiple linear regression analysis of phytoplankton biomass and environmental factors in Lake Yangzong

2.4 浮游植物細(xì)胞豐度/生物量、砷和氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的長(zhǎng)期變化

陽(yáng)宗海浮游植物細(xì)胞豐度/生物量、砷和氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的長(zhǎng)期變化見(jiàn)表3。2008年砷污染之前陽(yáng)宗海浮游植物細(xì)胞豐度和砷濃度均相對(duì)較低[31-33],2008年砷污染事件后浮游植物細(xì)胞豐度顯著升高。2008-2013年,浮游植物細(xì)胞豐度呈上升趨勢(shì),范圍為4.1×103～8.0×107cells/L,在此期間磷和砷濃度先上升后下降而氮濃度變化趨勢(shì)相反[31,34-35]。2015-2019年,浮游植物細(xì)胞豐度的范圍為7.6×106～4.2×109cells/L,與生物量的變化趨勢(shì)一致。ANOVA分析顯示,調(diào)查期間浮游植物細(xì)胞豐度和總氮濃度顯著高于2008-2013年(P<0.05),砷濃度顯著低于2008-2013年(P<0.05),而總磷與2008-2013年不存在顯著差異(P>0.05),反映了調(diào)查期間浮游植物細(xì)胞豐度的增加可能與砷濃度的降低和總氮濃度的增加有關(guān)。

表3 陽(yáng)宗海浮游植物細(xì)胞豐度、生物量與氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的長(zhǎng)期變化Tab.3 Long-term changes of phytoplankton cell abundance, biomass, nitrogen and phosphorus nutrients in Lake Yangzong

3 討論

3.1 砷對(duì)浮游植物的影響

研究表明不同種類的浮游植物對(duì)砷的敏感性不同,長(zhǎng)期砷污染能夠改變水體中浮游植物的物種組成,導(dǎo)致優(yōu)勢(shì)種向耐砷種類轉(zhuǎn)變,同時(shí)降低浮游植物多樣性[26,38-39]。陽(yáng)宗海砷污染以來(lái),藍(lán)藻成為浮游植物的全年絕對(duì)優(yōu)勢(shì)門類,2015-2019年藍(lán)藻門的生物量相對(duì)比例平均值為74.9%,這可能與藍(lán)藻對(duì)砷的耐受性相對(duì)較高有關(guān)[8-9,16,31,34]。此外藍(lán)藻的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較強(qiáng),水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度高等條件均可能導(dǎo)致藍(lán)藻占優(yōu)[40-41]。

本研究結(jié)果顯示調(diào)查期間陽(yáng)宗海浮游植物生物量與砷呈顯著負(fù)相關(guān)。研究表明低濃度砷促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)而高濃度砷抑制浮游植物的生長(zhǎng)[15-17,20]。一定濃度的砷能夠抑制浮游植物的光合作用、破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生氧化損傷,從而對(duì)浮游植物產(chǎn)生毒性效應(yīng),抑制浮游植物的生長(zhǎng)[8,16,18-21,23,42-43]。砷對(duì)浮游植物的毒性以及浮游植物對(duì)砷的富集和轉(zhuǎn)化與氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽有關(guān)[17-20]。淡水浮游植物對(duì)砷響應(yīng)較為敏感,自然本底的砷濃度已經(jīng)是一些營(yíng)養(yǎng)鹽限制淡水水體浮游植物變化的驅(qū)動(dòng)因子[42],而營(yíng)養(yǎng)鹽如磷濃度的增加能夠減輕砷對(duì)浮游植物的毒性,甚至可能出現(xiàn)低促效應(yīng),如對(duì)砷污染湖泊大屯海的研究結(jié)果顯示浮游植物生物量與砷呈正相關(guān),反映了砷對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用,這可能與大屯海磷濃度相對(duì)較高有關(guān)[44]。此外,研究顯示經(jīng)歷過(guò)砷污染的浮游植物對(duì)砷的耐受性增強(qiáng)[23,26]。2015-2019年,陽(yáng)宗海砷的濃度范圍為13.1～107.0 μg/L,平均值為(42.6±19.7)μg/L,氮的濃度范圍為220.7～2561.1 μg/L,平均值為(943.2±357.0)μg/L,磷濃度的范圍為13.5～79.5 μg/L,平均值為(34.7±10.8)μg/L。雖然陽(yáng)宗海浮游植物經(jīng)歷了長(zhǎng)期的砷污染后對(duì)砷的耐受性可能增強(qiáng),但是浮游植物生物量與砷呈負(fù)相關(guān),表明在以上砷和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度范圍內(nèi),砷對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)仍然表現(xiàn)為抑制作用[23-25]。此外,2016年浮游植物的細(xì)胞豐度和生物量低于其他年份也可能與2016年砷濃度相對(duì)較高有關(guān)。

3.2 溫度對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響

Pearson和多元線性回歸的結(jié)果表明,溫度是驅(qū)動(dòng)陽(yáng)宗海浮游植物2015-2019年生物量變化的顯著因子。溫度對(duì)浮游植物至關(guān)重要,通過(guò)影響浮游植物的新陳代謝而對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[45]。本研究結(jié)果顯示2016年平均溫度較低((18.0±5.2)℃),年平均生物量也相對(duì)較低((3.0±1.8)mg/L);2015-2019年陽(yáng)宗海秋季浮游植物生物量平均值最高((15.2±7.1)mg/L),水溫平均值為(24.7±0.9)℃;春季和冬季生物量相對(duì)較低(平均值分別為(5.7±2.9)和(3.3±1.2)mg/L),與此相對(duì)應(yīng)水溫也相對(duì)較低,平均值分別為(15.7±1.6)和(15.0±1.9)℃,對(duì)浮游植物全年優(yōu)勢(shì)門類藍(lán)藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定的抑制作用。不同種類的浮游植物最適生長(zhǎng)溫度不同,藍(lán)藻的最適生長(zhǎng)溫度高于綠藻和硅藻[46]。因此陽(yáng)宗海溫度與浮游植物呈顯著正相關(guān)也可能與藍(lán)藻占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)有關(guān)。周起超等的季節(jié)調(diào)查顯示陽(yáng)宗海浮游植物生物量(以葉綠素a濃度表征)與溫度呈負(fù)相關(guān),本研究結(jié)果與其不一致,這可能與采樣時(shí)間有關(guān)[47]。研究顯示湖泊浮游植物生物量峰值出現(xiàn)的時(shí)間在不同的年份可能不同,如李春永和楊中蘭對(duì)陽(yáng)宗海2009-2010年浮游植物的逐月調(diào)查顯示,2009年7月藻細(xì)胞密度最高而2010年9月和10月相對(duì)較高[34]。周起超等的采樣時(shí)間為2014年10月、2015年1月、4月和2016年7月,溫度較低的2015年1月陽(yáng)宗海浮游植物生物量最高,從而導(dǎo)致浮游植物生物量與溫度呈負(fù)相關(guān)[47]。

此外,溫度可能通過(guò)影響湖水表層砷濃度而對(duì)浮游植物生物量產(chǎn)生影響[9]。陽(yáng)宗海為暖單次混合型深水湖泊,其熱力學(xué)分層存在季節(jié)變化特征,表現(xiàn)為冬季湖水混合、春季開(kāi)始形成分層、夏秋季分層穩(wěn)定[47]。研究表明湖泊混合狀態(tài)能夠影響砷從沉積物到上覆水體中的轉(zhuǎn)移。在存在顯著季節(jié)性熱力學(xué)分層的深水砷污染湖泊,夏季熱分層引起底層水體的季節(jié)性缺氧,導(dǎo)致了沉積物中砷的釋放并限制于底層缺氧水體中,表層湖水中砷濃度相對(duì)較低;隨著分層現(xiàn)象的消退,水體出現(xiàn)混合,底層砷向上層水體轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致表層湖水中砷含量升高[48-49]。因此,陽(yáng)宗海水溫的季節(jié)性變化導(dǎo)致水體熱力學(xué)分層的季節(jié)變化,從而可能對(duì)湖水表層的砷濃度產(chǎn)生影響,進(jìn)一步影響浮游植物生物量的季節(jié)性變化。本研究中砷與水溫呈負(fù)相關(guān),但是相關(guān)性不顯著,相關(guān)性系數(shù)僅為-0.14,這可能與2016年6月砷濃度較高及2017年12月(二次砷污染開(kāi)始治理后)砷濃度降低有關(guān)。

4 小結(jié)

2015年4月-2019年12月,藍(lán)藻門為陽(yáng)宗海浮游植物的主要優(yōu)勢(shì)門類,其生物量變化趨勢(shì)與浮游植物生物量基本一致。浮游植物生物量和藍(lán)藻生物量均夏秋季較高而冬季相對(duì)較低,2016年平均生物量最低而2017年最高。溫度和砷是調(diào)查期間浮游植物生物量和藍(lán)藻生物量變化的顯著驅(qū)動(dòng)因子。溫度與浮游植物生物量和藍(lán)藻生物量呈顯著正相關(guān),可能與藍(lán)藻相對(duì)喜高溫有關(guān)。砷表現(xiàn)出對(duì)陽(yáng)宗海浮游植物生長(zhǎng)的抑制作用,可能反映了水體砷遺留物的藻類毒性效應(yīng)和長(zhǎng)期生態(tài)效應(yīng)。研究結(jié)果可為陽(yáng)宗海的生態(tài)安全評(píng)價(jià)及綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。