［加拿大］J.G.溫特 等

全世界的江河湖泊藻類和藻類水華公害事件不斷增多，已引起廣泛關(guān)注。20 世紀(jì)90 年代后期以來(lái)，加拿大的大湖(Great Lake)藍(lán)藻水華現(xiàn)象大幅度增加，過(guò)去10 a 比前幾十年出現(xiàn)的岸邊藻類水華次數(shù)要多得多。營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加、水溫的升高、淺而緩水流等都是藻類水華發(fā)生的有利條件。世界淡水系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)鹽的富余，與藻類水華發(fā)生的頻繁程度密切相關(guān)，人類活動(dòng)(包括酸化、非本土物種引入等)更加劇了藻類公害事件的發(fā)生。近來(lái)研究表明，氣候變化是藻類水華蔓延的潛在催化劑。水體溫度升高有利于藍(lán)藻水華形成，另外，藍(lán)藻在水體垂直混合減小的情況下，能自行調(diào)節(jié)本身的浮力。

淡水中的藍(lán)藻水華因會(huì)產(chǎn)生毒素而倍受關(guān)注。藍(lán)藻產(chǎn)生的毒素(即藻毒素)會(huì)影響人畜健康，阻害淡水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)程。藻毒素可分為兩大類:①肝毒素和神經(jīng)毒素，可能引起動(dòng)物急性中毒，甚至致命;②細(xì)胞毒素，對(duì)動(dòng)物雖不是高度致命，但會(huì)顯現(xiàn)出多種生物活性。有幾種藍(lán)藻和金藻(chryso－phytes)產(chǎn)生的有害味道和(或)釋放的氣味化合物，會(huì)對(duì)公共設(shè)施和供水廠產(chǎn)生負(fù)面影響。

作為省政府對(duì)藻類水華事件響應(yīng)的一種措施，安大略省環(huán)保部(MOE)環(huán)境監(jiān)測(cè)與報(bào)告處采集并分析了發(fā)生藻類水華的樣本。從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始，該組織就開(kāi)始了優(yōu)勢(shì)藻類的識(shí)別確定工作。他們將采集到的樣本通過(guò)顯微鏡放大分析，以確定優(yōu)勢(shì)物種是否為會(huì)產(chǎn)生毒性的藍(lán)藻。如果有藍(lán)藻出現(xiàn)，就得采取進(jìn)一步的措施。不管是否為藍(lán)藻水華，首先必須進(jìn)行分類分析，然后對(duì)樣本中的藻類進(jìn)行確認(rèn)。

據(jù)安大略省藻類水華相關(guān)傳聞，仔細(xì)分析了1994～2009 年藻類水華報(bào)告記錄并進(jìn)行了相關(guān)的優(yōu)勢(shì)藻類識(shí)別，以確定:①藻類水華發(fā)生次數(shù)是否增加，特別是藍(lán)藻水華發(fā)生次數(shù);②現(xiàn)在安大略省發(fā)生藻類水華的持續(xù)時(shí)段是否比以前更長(zhǎng)。此外，還分析了安大略省藻類水華的地理分布特點(diǎn)。

1 分析方法

本文中藻類水華定義為湖泊或河流中藻類(包括藍(lán)藻)的超常規(guī)生長(zhǎng)，并達(dá)到令人抱怨的程度，這里包括多細(xì)胞藻類和底棲絲狀藻等在內(nèi)的浮游生物形式。加拿大安大略省環(huán)保部的地區(qū)辦事處工作人員常常會(huì)從藻類生長(zhǎng)茂集區(qū)域水下收集藻類水華的樣本，然后由其監(jiān)測(cè)人員用顯微鏡進(jìn)行樣本分析，按盡可能低的分類級(jí)別(通常是基因或物種)進(jìn)行藻類種類識(shí)別，并編寫(xiě)出藻類識(shí)別報(bào)告，詳細(xì)描述識(shí)別出的藻類優(yōu)勢(shì)種，并提供其生態(tài)學(xué)意義上的和可能產(chǎn)生毒素和(或)味道及氣味的相關(guān)信息。

研究中，共收集了自1994 年以來(lái)所有藻類識(shí)別報(bào)告數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)。記錄下每個(gè)樣本的日期、來(lái)源、位置信息(包括湖泊名、地址描述、地理坐標(biāo))、樣本來(lái)源的所屬M(fèi)OE 區(qū)域、識(shí)別出的藻類種類，并注明每個(gè)樣本的優(yōu)勢(shì)種類，同時(shí)剔出那些不存在藻類的樣本或不是藻類占多數(shù)的樣本(如樣本由非藻類有機(jī)物組成，如真菌、苔蘚蟲(chóng)類)，以及那些同一水華事件中的重復(fù)樣本(從水華的另一位置或在稍后一個(gè)時(shí)期采樣并跟蹤水華的耗散過(guò)程)。這樣，每個(gè)樣本就能代表唯一的、確定性的藻類水華事件。為檢定是否存在微囊藻毒素、藍(lán)藻神經(jīng)毒素，MOE 實(shí)驗(yàn)室服務(wù)組對(duì)2009年含有藍(lán)藻的水華樣本，采用酶聯(lián)免疫吸附檢驗(yàn)(ELISA)技術(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)篩查。經(jīng)過(guò)冷凍使微囊藻毒素變異體的細(xì)胞壁破裂后，根據(jù)其對(duì)ELISA 試劑盒抗體的反應(yīng)測(cè)量其發(fā)生總次數(shù)。樣本中微囊藻毒素的總濃度大于0.15ug/L，表明毒性為正。

2002～2009 年，MOE 湖泊合作伙伴計(jì)劃(Lake Partner Program)總磷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，有39 個(gè)湖泊中含有藍(lán)藻水華。該計(jì)劃是在MOE 科研人員的指導(dǎo)下，自發(fā)形成的一項(xiàng)湖泊監(jiān)測(cè)計(jì)劃。采用MOE 多賽特環(huán)境科學(xué)中心的方法，采集了總磷樣本，并做了平行雙樣分析。在湖泊合作伙伴計(jì)劃數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)2002～2009 年度春季循環(huán)期間的上述39 個(gè)湖泊中總磷濃度與所有湖泊中平均總磷濃度進(jìn)行了對(duì)比分析。首先進(jìn)行異常值數(shù)據(jù)篩查，再進(jìn)行MANNI－WHITNEY 秩和檢驗(yàn)。

采用Mann－kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法，結(jié)合萊布勒和格里瓦勒開(kāi)發(fā)的微軟EXCEL 的add－in 工具，對(duì)2002～2009 年藻類水華數(shù)據(jù)進(jìn)行單調(diào)性趨勢(shì)檢驗(yàn)。用Z 統(tǒng)計(jì)法來(lái)檢驗(yàn)其是否單調(diào)地隨時(shí)間變化。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)藻類水華發(fā)生的總次數(shù)、3 個(gè)優(yōu)勢(shì)種(藍(lán)藻、綠藻、金藻)的水華發(fā)生次數(shù)進(jìn)行了趨勢(shì)檢驗(yàn)。也分別對(duì)5 個(gè)MOE 區(qū)域(北部、東部、西南部、中西部、中部)的藻類水華發(fā)生總次數(shù)以及藍(lán)藻水華發(fā)生次數(shù)進(jìn)行了趨勢(shì)檢驗(yàn)。此外，還分析了每年水華最早和最晚發(fā)生時(shí)間。

對(duì)安大略省藻類水華發(fā)生總次數(shù)、藍(lán)藻水華發(fā)生次數(shù)、綠藻水華發(fā)生次數(shù)、金藻水華發(fā)生次數(shù)等數(shù)據(jù)，采用了SegRegw 計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行拐點(diǎn)分析。該程序是使用分段回歸法來(lái)確定數(shù)據(jù)系列中是否有拐點(diǎn)及其何時(shí)出現(xiàn)，然后檢驗(yàn)其變化是否顯著。與單條回歸線相比，分段回歸法可以使誤差平方和最小。

2 研究成果

1994～2009 年，安大略省藻類水華發(fā)生總次數(shù)每年均呈明顯的上升趨勢(shì)(P ＜0.001)，特別是藍(lán)藻、綠藻水華發(fā)生次數(shù)增長(zhǎng)更明顯。藍(lán)藻水華增長(zhǎng)率最大，占水華發(fā)生總次數(shù)的50%以上。水華發(fā)生總次數(shù)系列以及藍(lán)藻水華發(fā)生次數(shù)系列趨勢(shì)拐點(diǎn)明顯，發(fā)生在2004～2005 年，而綠藻水華發(fā)生次數(shù)系列趨勢(shì)拐點(diǎn)在2003～2004 年(P ＜0.01)。水華發(fā)生總次數(shù)及藍(lán)藻水華系列在2004 年前保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)目，之后出現(xiàn)增長(zhǎng)(綠藻水華發(fā)生次數(shù)在2003 年前保持相對(duì)穩(wěn)定，之后增長(zhǎng))。金藻水華發(fā)生次數(shù)雖也有所增長(zhǎng)但趨勢(shì)不明顯。從2007 年起，每年都有幾起金藻水華發(fā)生。

最常見(jiàn)的藍(lán)藻種類是(按發(fā)生率大小順序)魚(yú)腥藻菌、束絲藻菌、微囊藻菌、刺孢膠刺藻和包括顫藻、鞘絲藻、浮顫藻、席藻在內(nèi)的多種顫藻目。本次分析中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)柱胞藻。按照發(fā)生率大小，最常見(jiàn)的綠藻種類是絲狀水綿(總共出現(xiàn)14 次)、剛毛藻(出現(xiàn)12 次)、轉(zhuǎn)板藻(出現(xiàn)12 次)、雙星藻(出現(xiàn)7次)、鞘藻(出現(xiàn)6 次)。其他的水華優(yōu)勢(shì)種有硅藻、黃藻、鞭毛藻、隱芽植物、裸藻等。

加拿大北部區(qū)域是發(fā)生最多水華的區(qū)域。該區(qū)域縱貫全省區(qū)域最廣，也是安大略省大多數(shù)湖泊所在地。1994～2009 年，北部、中部和西南部的水華發(fā)生總次數(shù)及藍(lán)藻水華發(fā)生次數(shù)均呈顯著性的增長(zhǎng)。增長(zhǎng)次數(shù)開(kāi)始為0，后分別增加到22 次，8 次和10 次;藍(lán)藻水華發(fā)生的次數(shù)開(kāi)始同樣為0，后分別增加到15 次，2 次和5 次。北部區(qū)域水華發(fā)生總次數(shù)及藍(lán)藻水華發(fā)生次數(shù)增長(zhǎng)率最高。東部區(qū)域水華發(fā)生總次數(shù)增長(zhǎng)也較顯著(P ＜0.01)，其中多數(shù)是絲狀綠藻類水華。

總體來(lái)說(shuō)，1994～2009 年，安大略省有66 個(gè)內(nèi)陸湖發(fā)生了藍(lán)藻水華，期間大多數(shù)湖泊(50 個(gè))僅發(fā)生過(guò)1 次水華，有11 個(gè)湖泊在2 a 間發(fā)生過(guò)水華，有4 個(gè)湖泊在3 a 間發(fā)生過(guò)水華，有1 個(gè)湖泊在8 a間發(fā)生過(guò)水華。2009 年，有24 個(gè)湖泊發(fā)生過(guò)水華。大多數(shù)藍(lán)藻水華發(fā)生在北部區(qū)域，特別是薩德伯里、阿爾格瑪、凱洛拉、帕里桑德區(qū)。在2009 年發(fā)生的24 個(gè)藍(lán)藻水華中，有16 個(gè)在ELISA 檢驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)到微囊藻毒素且為正值。

2002～2009 年，通過(guò)實(shí)施MOE 湖泊合作伙伴計(jì)劃，對(duì)安大略省1074 個(gè)湖泊春季總磷濃度與39個(gè)發(fā)生藍(lán)藻水華的湖泊春季總磷濃度進(jìn)行了比較(前者n=4 831、后者n=711，)。發(fā)生藍(lán)藻水華的湖泊春季總磷濃度中間值(15 μg/L，P ＜0.001)比所有湖泊數(shù)據(jù)系列總磷濃度值(9 μg/L)明顯偏高。發(fā)生藍(lán)藻水華的湖泊中，有一半的總磷濃度范圍在11～22 μg/L(總范圍在3～93 μg/L)，而通過(guò)湖泊合作伙伴計(jì)劃的實(shí)施，有一半湖泊的總磷濃度在7～13 μg/L(總范圍在1～107 μg/L)。

此外，每年最后一次發(fā)生水華的日子也明顯向后拖延了(P ＜0.001)，表明與15 a 前相比，近些年每年發(fā)生最后一次水華的時(shí)間要晚些。特別是，藍(lán)藻水華在2006 年以后一直到了11 月份，還有發(fā)生的情況。但每年第1 次水華的發(fā)生時(shí)間未發(fā)現(xiàn)有變化。

3 討 論

過(guò)去15 a，安大略省的藍(lán)藻水華和絲狀綠藻水華發(fā)生的頻度有所增加，這與全世界湖泊藻類水華發(fā)生的頻度增長(zhǎng)趨勢(shì)是一致的。世界性藻類水華發(fā)生的這一趨勢(shì)，主要?dú)w因于氣候變化加劇了營(yíng)養(yǎng)鹽的富集。安大略省藻類水華發(fā)生率上升最快的區(qū)域是MOE 北部區(qū)域(主要是其南部)加拿大地盾(Canadian Shield)湖泊。這些湖泊中含磷量本來(lái)是有限的，但其會(huì)受岸邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展及相關(guān)磷鹽流入的明顯影響(如果有的話)。湖泊上及其周邊人類活動(dòng)的加劇(如不斷增長(zhǎng)的農(nóng)場(chǎng)、居民用水與居住地的擴(kuò)張)，會(huì)給湖泊注入充足的營(yíng)養(yǎng)鹽，使得藍(lán)藻和絲狀綠藻生長(zhǎng)加速。

一般而言，發(fā)生藍(lán)藻水華的湖泊總磷濃度較高(15 μg/L)，而安大略省1 074 個(gè)湖泊總磷平均值是(9 μg/L)。然而，發(fā)生水華的湖泊總磷濃度有些差異，有26%的湖泊是貧營(yíng)養(yǎng)湖泊(春季總磷濃度小于10 μg/L))。發(fā)生在低營(yíng)養(yǎng)鹽湖泊中的藍(lán)藻水華說(shuō)明，決定水華發(fā)生的影響因素有多種。營(yíng)養(yǎng)鹽的組成與其發(fā)生的總次數(shù)對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)的影響都較小，鐵離子含量的影響也是如此。本研究中，很多湖泊也受制于影響浮游植物種群組成的多種環(huán)境脅迫因子，包括酸化、相關(guān)鹽基陽(yáng)離子的濃度減少，入侵性物種的出現(xiàn)、氣候變化等。

氣候變化主要是指溫度上升，會(huì)改善藍(lán)藻生長(zhǎng)條件形成水華。氣候變化表現(xiàn)在水體溫度增高，無(wú)冰季節(jié)延長(zhǎng)，水體混合程度降低。這些變化對(duì)其他形成藻類水華的藻類種群也很有利。例如，安大略省實(shí)驗(yàn)湖泊區(qū)域項(xiàng)目以及丹麥圍隔生態(tài)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于溫度升高，相對(duì)高豐度的絲狀綠藻的生長(zhǎng)又有所增長(zhǎng)。過(guò)去幾十年氣候變暖，導(dǎo)致安大略省湖泊無(wú)冰期的延長(zhǎng)，溫度分層時(shí)間更長(zhǎng)、更明顯，很多湖泊已經(jīng)越過(guò)了氣候變化的生態(tài)閥值。例如，更溫暖的氣候使得樹(shù)林湖(Lake of the Woods，即安大略省、馬尼托巴、明尼蘇達(dá)州交界的大湖)近期藍(lán)藻水華加劇。因此，安大略省區(qū)域氣候變化對(duì)于藻類水華發(fā)生頻度的增長(zhǎng)起著一定作用。

近些年，加拿大地盾地區(qū)湖泊也有金藻水華發(fā)生，但發(fā)生頻率較藍(lán)藻水華和絲狀綠藻水華少。過(guò)去30 多年，該區(qū)域的古生態(tài)學(xué)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，群體類金藻的相對(duì)含量和絕對(duì)含量均有增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象與金藻水華發(fā)生情況一致。浮游植物種群的組成變化(與自20 世紀(jì)中期以來(lái)的工業(yè)活動(dòng)相關(guān))與水體化學(xué)變化、(與氣候變化指數(shù)相關(guān))水體物理變化相符合。

本文是根據(jù)報(bào)告的藻類水華事件，而不是實(shí)時(shí)的水華監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展的分析。MOE、市政府、保護(hù)機(jī)構(gòu)、非政府組織、農(nóng)場(chǎng)協(xié)會(huì)對(duì)公眾展開(kāi)了藻類水華與水質(zhì)教育及相關(guān)合作工作，使公眾的認(rèn)知度得以提高。MOE 在2004、2005 年分別發(fā)布了藻類與藻類水華的情況簡(jiǎn)報(bào)，同時(shí)安大略省內(nèi)、外都加強(qiáng)了對(duì)藻類水華事件的媒體報(bào)道。2007 年魁北克省發(fā)生了藍(lán)藻水華泛濫事件，當(dāng)時(shí)宣布200 多個(gè)湖泊禁止游泳和公眾下水，而安大略省對(duì)此類事件極其關(guān)注，及時(shí)在媒體進(jìn)行了報(bào)道。由于公眾認(rèn)知度提高，對(duì)魁北克省發(fā)生的藻類水華也更加關(guān)切。

水華是令人不快的景觀，當(dāng)?shù)鼐用駮?huì)因此質(zhì)疑水體水質(zhì)而尋求移民。藍(lán)藻通常是產(chǎn)生潛在藻毒素的物種，需要MOE 和健康組織采取進(jìn)一步措施，以抵御水華事件對(duì)人畜健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)。不管是否能探測(cè)到水體中存在毒物，MOE 認(rèn)為，任何藍(lán)藻水華都是一種潛在的含毒物，需采取適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)措施應(yīng)對(duì)水華對(duì)人畜健康帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，而這種風(fēng)險(xiǎn)是通過(guò)一些項(xiàng)目評(píng)價(jià)，如目標(biāo)水體是否為(人或畜的)水源地、在何種程度上被當(dāng)?shù)厝俗鳛閵蕵?lè)用水使用(如公共河灘、公園、游泳區(qū))，以及是否為絕大多數(shù)未處理的飲用水系統(tǒng)水源地等來(lái)確定。在過(guò)去的15 a，發(fā)生藻類水華季節(jié)的時(shí)間都延長(zhǎng)了很多，已超過(guò)了人們預(yù)期需采取應(yīng)對(duì)措施的時(shí)間。

安大略省1994～2009 年藻類水華事件頻發(fā)。由于公眾認(rèn)知度的提高，加上湖泊離人類活動(dòng)區(qū)域較近，探討上述藻類水華事件及其發(fā)展趨勢(shì)已成為一項(xiàng)特殊領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。增長(zhǎng)最快的是藍(lán)藻水華，特別是在MOE 所管轄的北部區(qū)域，這里湖泊因多種因素交織在一起，受到的影響和情況更為復(fù)雜，其中最明顯的因素就是近期的氣候變化，使開(kāi)冰季節(jié)更長(zhǎng)，溫度分層更明顯。如果溫度上升，水體會(huì)隨著溫度分層的加強(qiáng)而減少混合，這將更有利于藍(lán)藻生長(zhǎng)。較高的營(yíng)養(yǎng)鹽水平，也會(huì)增加湖泊對(duì)這些變化的敏感性，因此安大略省在水生生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)鹽管理方面，對(duì)減少藻類水華的發(fā)生起著重要作用。在眾多水華影響因素中，加強(qiáng)對(duì)各種因素間相互影響的認(rèn)識(shí)和研究也很重要，特別是對(duì)那些營(yíng)養(yǎng)水平較低的湖泊。