营养盐限制驱动富营养化湖泊蓝藻水华动态与毒素产生：以尚普兰湖为例

《Limnology and Oceanography》：Interactive effects of stoichiometry and environmental variability regulate cyanobacteria toxicity in two eutrophic bays

　　本文通过高频率监测与周度采样，揭示了尚普兰湖两个相邻海湾蓝藻水华形成与毒素产生的差异化驱动机制。研究发现，流域特征（总氮TN/总磷TP输入）与湖盆形态（水深、稳定性）共同决定了营养盐限制类型（氮N限制/磷P限制），进而影响蓝藻群落演替（鱼腥藻Dolichospermum与微囊藻Microcystis）及毒素（微囊藻毒素microcystin、鱼腥藻毒素anatoxin）产生模式，强调了氮磷协同管理对富营养化湖泊治理的重要性。

　　

研究背景

蓝藻水华是全球淡水生态系统面临的严峻挑战，其产生的蓝藻毒素对水生态系统和人类健康构成威胁。尽管蓝藻水华的形成机制已有广泛研究，但驱动蓝藻毒素合成的环境因素，尤其是在自然水体中，仍不明确。尚普兰湖的密西西奎湾和圣奥尔本斯湾为研究营养盐动态与蓝藻水华关系提供了理想场所。这两个海湾均呈现低总氮总磷比，且近年来总磷浓度上升、总氮浓度下降，导致鱼腥藻属物种在浮游植物群落中占据优势。尽管两海湾均存在蓝藻毒素问题，但尚普兰湖的蓝藻毒素浓度通常低于其他具有相似生物量的水体。本研究旨在通过周度采样和高频率浮标监测，探讨浮游植物群落元素组成和资源营养盐比率如何驱动蓝藻水华形成和蓝藻毒素产生。

研究方法

研究于2021年5月至11月在尚普兰湖的密西西奎湾和圣奥尔本斯湾进行。每周采集样品，分析浮游植物群落、蓝藻毒素、颗粒物元素组成、溶解有机碳、总氮、总磷、溶解无机氮、磷酸盐等。同时，利用高频垂直剖面仪监测水体物理和气象变量。通过浮游植物颗粒物碳氮磷分子比率评估营养盐限制状况。使用层次聚类确定蓝藻水华的不同生长阶段，并采用统计方法分析环境变量与蓝藻群落组成及毒素浓度的关系。

蓝藻水华阶段与毒素动态

密西西奎湾的蓝藻水华可分为两个独立的阶段，而圣奥尔本斯湾则呈现单一的水华过程。密西西奎湾的蓝藻生物量高于圣奥尔本斯湾，其浮游植物群落以水华鱼腥藻为主。圣奥尔本斯湾的蓝藻群落初期由鱼腥藻属主导，后期微囊藻属丰度增加。蓝藻毒素检测显示，微囊藻毒素和鱼腥藻毒素在两海湾中浓度均较低，且未超过世界卫生组织指南限值。毒素的出现与特定的水华阶段相关，密西西奎湾的毒素主要在第二次水华峰值期检测到，而圣奥尔本斯湾的毒素则在水华峰值期至崩溃期出现。

海湾物理化学特性差异

两海湾在水文动力学和湖盆形态上存在显著差异。密西西奎湾流域较大，来自支流的氮负荷较高，水体较浅，稳定性较低，导致其蓝藻水华主要受磷限制。圣奥尔本斯湾流域较小，与主湖区连通，受南部风影响混合较强，底部水体通常保持氧化状态，减少了沉积物营养盐释放，使其浮游植物在鱼腥藻水华崩溃后主要受氮限制。高频数据显示，水华指数增长期与水体溶解无机氮耗竭相关，而水华峰值期则与底部溶解无机氮和磷酸盐的同步脉冲有关。

蓝藻毒素产生的驱动因素

蓝藻毒素浓度与浮游植物颗粒物营养盐比率存在一定关联。在密西西奎湾，微囊藻毒素在颗粒物碳氮比指示氮充足条件下检测到。鱼腥藻毒素的产生则出现在氮充足及磷胁迫或磷充足等多种条件下。在圣奥尔本斯湾，微囊藻毒素在颗粒物碳氮比指示中度氮胁迫时检测到，而鱼腥藻毒素则在磷充足及氮胁迫至氮充足条件下出现。结果表明，微囊藻毒素的产生可能与氮充足条件相关，而鱼腥藻毒素的产生对氮的需求范围较宽，对磷的状态不敏感。水温也影响毒素产生的时间，最高毒素浓度在圣奥尔本斯湾出现在水温峰值期，而在密西西奎湾则出现在水温下降期。

研究局限与意义

本研究使用颗粒物营养盐比率作为浮游植物营养状况的指标，在藻类生物量高时较为可靠，但在生物量低时可能受外来有机质影响。每周采样频率可能无法捕捉毒素合成的瞬时动态。此外，毒素低浓度可能与非产毒菌株占优势或营养盐条件不利于毒素合成有关。未来研究需结合宏基因组学技术分析产毒基因。本研究强调了在浅水富营养化湖泊中，流域特征、湖盆形态、环境条件和资源化学计量的交互作用共同控制着蓝藻水华和毒素产生。在气候变化导致湖泊升温和营养盐脉冲增加的背景下，这种综合研究视角对湖泊管理和有毒水华减缓至关重要。