太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的四個(gè)過(guò)程。（a.藍(lán)藻細(xì)胞分裂增殖；b.碰撞形成大細(xì)胞團(tuán)；c.大細(xì)胞團(tuán)上浮形成可見(jiàn)水華；d.湖流攜帶的遷移與堆積 ）中科院南京地理與湖泊研究所供圖

“藍(lán)藻水華常常‘來(lái)無(wú)影、去無(wú)蹤’，其出現(xiàn)和消失呈現(xiàn)較大的時(shí)空差異，以往研究無(wú)法很好地解釋這種現(xiàn)象。”中科院南京地理與湖泊研究所研究員秦伯強(qiáng)課題組研究發(fā)現(xiàn)了藍(lán)藻水華發(fā)生的動(dòng)態(tài)特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并提出藍(lán)藻水華暴發(fā)過(guò)程的概念性解釋。

■本報(bào)記者 秦志偉

5月初，太湖、巢湖等大型淺水湖泊進(jìn)入了藍(lán)藻水華高發(fā)期。藍(lán)藻水華是水域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，多發(fā)生在大型淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊。其暴發(fā)會(huì)引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，影響最為明顯的是飲用水供水安全和水體生物多樣性。

據(jù)預(yù)測(cè)，太湖、巢湖、滇池等流域今年1月～5月氣溫與多年平均氣溫相比增加0.5～2°C，利于藍(lán)藻水華發(fā)生。

早在今年2月，生態(tài)環(huán)境部就發(fā)布通知，要求各地做好2019年重點(diǎn)湖庫(kù)藍(lán)藻水華防控工作。自4月1日起，安徽省已啟動(dòng)巢湖藍(lán)藻水華預(yù)警和應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作。

然而，對(duì)藍(lán)藻水華的預(yù)警和監(jiān)測(cè)并不是一件容易的事。

“藍(lán)藻水華常常‘來(lái)無(wú)影、去無(wú)蹤’，其出現(xiàn)和消失呈現(xiàn)較大的時(shí)空差異，以往研究無(wú)法很好地解釋這種現(xiàn)象。”中科院南京地理與湖泊研究所研究員秦伯強(qiáng)課題組研究發(fā)現(xiàn)了藍(lán)藻水華發(fā)生的動(dòng)態(tài)特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并提出藍(lán)藻水華暴發(fā)過(guò)程的概念性解釋。研究成果相繼發(fā)表在Hydrobiology和Frontiers in Microbiology上。

“謎”一樣的問(wèn)題

雖然今年的氣溫有點(diǎn)特殊，對(duì)藍(lán)藻水華要格外關(guān)注些，但對(duì)它的預(yù)警和監(jiān)測(cè)其實(shí)是相關(guān)管理部門每年的常規(guī)動(dòng)作。

藍(lán)藻水華的主體是藍(lán)藻，它本是淡水湖泊中常見(jiàn)的浮游類植物，其在富營(yíng)養(yǎng)化條件下遇到合適的氣象條件便會(huì)大量生長(zhǎng)，進(jìn)而形成我們熟知的藍(lán)藻水華。微囊藻是藍(lán)藻水華最常見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)群種，其暴發(fā)頻度和生物量占比最大。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)和東部沿海集中了我國(guó)絕大多數(shù)淡水湖泊，也是國(guó)際上淺水湖泊較為集中的區(qū)域。“淺水湖泊如果換水周期延長(zhǎng)，就非常容易富營(yíng)養(yǎng)化與出現(xiàn)藍(lán)藻水華。”秦伯強(qiáng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

據(jù)介紹，漂浮的藍(lán)藻水華在湖泊水源地附近堆積、腐化進(jìn)而惡化水質(zhì)的狀況時(shí)有發(fā)生。此外，藍(lán)藻分解釋放的藻毒素對(duì)人體健康有直接的危害，調(diào)查表明，太湖周邊地區(qū)飲用水藻毒素的暴露等級(jí)與癌癥發(fā)病率呈正相關(guān)。

其實(shí)，社會(huì)對(duì)于水體富營(yíng)養(yǎng)化與藍(lán)藻水華暴發(fā)已有初步認(rèn)識(shí)，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加以及較高的水溫、充足的光照、平靜的風(fēng)浪條件，都有可能促成藍(lán)藻水華的暴發(fā)。

但是，在太湖這樣的大型淺水湖泊中，藍(lán)藻水華的出現(xiàn)和持續(xù)時(shí)間只有數(shù)小時(shí)，呈現(xiàn)出較大的時(shí)空差異。正是這種情況讓人們用“暴發(fā)”一詞來(lái)形容藍(lán)藻水華。秦伯強(qiáng)表示，其出現(xiàn)或消失的原因儼然成了“謎”一樣的問(wèn)題。

太湖是典型的大型淺水湖泊，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者檢索國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，相關(guān)研究多以太湖為案例。根據(jù)已有研究，由于水體富營(yíng)養(yǎng)化，太湖每年5～10月都會(huì)暴發(fā)微囊藻水華。

單純控磷效果難達(dá)預(yù)期

目前的研究基本弄清了是氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化及出現(xiàn)藍(lán)藻水華起主導(dǎo)作用，特別是確定了磷的決定性作用，并由此提出以控磷為目標(biāo)的富營(yíng)養(yǎng)化控制策略。

但秦伯強(qiáng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，太湖這樣的大型淺水湖泊并不適合這套策略。“單純的控磷很難達(dá)到預(yù)期效果。”秦伯強(qiáng)表示，原因是磷通過(guò)河流、大氣沉降等進(jìn)入大型淺水湖泊的湖體后，多會(huì)沉積到湖底，湖底的磷非常容易因風(fēng)浪擾動(dòng)而釋放進(jìn)入水體，供應(yīng)藻類生長(zhǎng)，導(dǎo)致藍(lán)藻水華的暴發(fā)。

如果把外部進(jìn)入的磷看成是外源，那么底泥釋放的磷便可以稱為內(nèi)源，后者是秦伯強(qiáng)團(tuán)隊(duì)最近的發(fā)現(xiàn)。

“在太湖這樣的大型淺水湖泊，底泥釋放的磷對(duì)延緩湖泊富營(yíng)養(yǎng)治理、抵消外源污染削減起了很大的作用。”秦伯強(qiáng)介紹，以往觀點(diǎn)認(rèn)為，像太湖這樣的淺水湖泊，風(fēng)浪擾動(dòng)劇烈，水柱從水面到水底都是有氧的，底泥里面的磷釋放會(huì)被遏制，“但我們發(fā)現(xiàn)，富營(yíng)養(yǎng)化后藍(lán)藻水華的出現(xiàn)，會(huì)增加湖底的厭氧頻率與強(qiáng)度，增加生物可利用磷的釋放”。

雖然學(xué)界公認(rèn)風(fēng)浪引起的水體擾動(dòng)直接導(dǎo)致底泥氮磷的大量釋放，但擾動(dòng)強(qiáng)度對(duì)水華微囊藻群體的影響并不一樣。

江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院楊桂軍等人研究發(fā)現(xiàn)，適宜的擾動(dòng)強(qiáng)度（100r/min）促進(jìn)水華微囊藻群體生長(zhǎng)和光合活性，而過(guò)高的擾動(dòng)強(qiáng)度（400r/min）則抑制其生長(zhǎng)和光合活性。

氣候變暖是藍(lán)藻水華暴發(fā)的另一原因。以太湖為例，太湖地處亞熱帶地區(qū)，冬季水溫在5～8℃左右，該溫度大致是藍(lán)藻細(xì)胞分裂生長(zhǎng)的限制閾值。低于此溫度，藻類細(xì)胞停止生長(zhǎng)；高于此閾值，藻類細(xì)胞分裂生長(zhǎng)。

但秦伯強(qiáng)團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)，太湖氣候變暖使得水溫升高，特別是冬春季節(jié)的水溫升高對(duì)次年春季甚至整個(gè)夏季的藍(lán)藻水華規(guī)模與強(qiáng)度影響非常大，甚至出現(xiàn)了冬季藍(lán)藻水華的現(xiàn)象。而越冬藍(lán)藻細(xì)胞的增加，加大了次年藍(lán)藻水華的種源數(shù)量。

在秦伯強(qiáng)看來(lái)，正是這種氣候變暖疊加營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的升高，導(dǎo)致了2007年無(wú)錫飲用水危機(jī)事件的發(fā)生。而最近兩年的太湖藍(lán)藻水華反彈，也與氣候變化異常有很大關(guān)系。

據(jù)此，秦伯強(qiáng)團(tuán)隊(duì)提出太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)可概括為四個(gè)過(guò)程，分別是細(xì)胞增殖階段、細(xì)胞團(tuán)形成階段、細(xì)胞上浮階段和漂浮階段。

控源和生態(tài)調(diào)控并舉

當(dāng)前，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華問(wèn)題無(wú)法在短期內(nèi)得以解決，預(yù)警和監(jiān)測(cè)便成了應(yīng)對(duì)藍(lán)藻水華的一種常規(guī)做法，再通過(guò)智能攔截和高效清理，進(jìn)而保持湖泊相對(duì)清潔。

記者查閱文獻(xiàn)獲悉，相關(guān)技術(shù)與設(shè)備較多且廣泛應(yīng)用。

例如，南京地理與湖泊研究所專家基于水源地、藍(lán)藻水華減災(zāi)防災(zāi)需求，研創(chuàng)了“預(yù)測(cè)預(yù)警—智能攔截—高效清理”成套技術(shù)與設(shè)備，并成功推廣應(yīng)用于太湖、巢湖等湖泊水庫(kù)。

加強(qiáng)藍(lán)藻水華防控巡查也只是短期內(nèi)的做法。在秦伯強(qiáng)看來(lái)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，需要加大外源氮磷負(fù)荷的控制力度。他表示，現(xiàn)在污水排放標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步提高，因?yàn)榧词惯_(dá)標(biāo)排放的清下水，仍然是氮磷濃度大大高于太湖濃度的污水；其次是加大面源污染治理力度；同時(shí)，還需要對(duì)湖內(nèi)已經(jīng)蓄積的內(nèi)源污染開(kāi)展治理。

但不可否認(rèn)，由于湖泊的水文、地形、湖流、生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性，往往每個(gè)湖泊、每個(gè)水源地都有一些特殊情況，需要特定的應(yīng)對(duì)方案。

除此之外，“生態(tài)調(diào)控是恢復(fù)水生系統(tǒng)健康的關(guān)鍵所在”。南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授楊柳燕撰文介紹，“在富營(yíng)養(yǎng)化得到一定程度控制的前提下，采用生態(tài)調(diào)控的方法恢復(fù)湖濱濕地，增加湖體浮葉植物和沉水植物面積，提高水生生物數(shù)量”。

“流域或湖濱的生態(tài)恢復(fù)，實(shí)際上是增強(qiáng)攔截污染物的能力，是提高生態(tài)凈化能力的一種方式。”秦伯強(qiáng)表示，湖體內(nèi)的生態(tài)修復(fù)是為了遏制底泥釋放、降低藻類水華風(fēng)險(xiǎn)、增加透明度、提高生態(tài)系統(tǒng)防御污染的能力。

但這種恢復(fù)需要一個(gè)前提條件，即污染負(fù)荷必須降低到一定程度才能實(shí)施。

楊柳燕同時(shí)指出，這需要環(huán)保、農(nóng)業(yè)、水利、漁業(yè)等部門協(xié)調(diào)統(tǒng)一，調(diào)整湖泊管理模式，實(shí)現(xiàn)管理思路從控源截污為主向控源截污與湖泊生態(tài)調(diào)控并重的重大轉(zhuǎn)變。

但楊柳燕不贊同盲目對(duì)水體進(jìn)行大型水生植物修復(fù)。“弄清營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、水文狀況與大型水生植物和藻類競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的耦合機(jī)制十分重要，是未來(lái)需要解決的科學(xué)問(wèn)題之一。”

相關(guān)論文信息：

DOI: 10.1007/s10750-019-3883-1

DOI:10.3389/fmicb.2018.00451

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2019-05-07 第7版 生態(tài)環(huán)境)