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蓝藻水华:从哪儿来,到哪儿去?

时间:2019-05-08     来源:中国科学报

太湖蓝藻水华暴发的四个过程。(a.蓝藻细胞分裂增殖;b.碰撞形成大细胞团;c.大细胞团上浮形成可见水华;d.湖流携带的迁移与堆积 )中科院南京地理与湖泊研究所供图

“蓝藻水华常常‘来无影、去无踪’,其出现和消失呈现较大的时空差异,以往研究无法很好地解释这种现象。”中科院南京地理与湖泊研究所研究员秦伯强课题组研究发现了蓝藻水华发生的动态特征及其驱动机制,并提出蓝藻水华暴发过程的概念性解释。

■本报记者 秦志伟

5月初,太湖、巢湖等大型浅水湖泊进入了蓝藻水华高发期。蓝藻水华是水域生态环境问题,多发生在大型浅水富营养化湖泊。其暴发会引发一系列连锁反应,影响最为明显的是饮用水供水安全和水体生物多样性。

据预测,太湖、巢湖、滇池等流域今年1月~5月气温与多年平均气温相比增加0.5~2°C,利于蓝藻水华发生。

早在今年2月,生态环境部就发布通知,要求各地做好2019年重点湖库蓝藻水华防控工作。自4月1日起,安徽省已启动巢湖蓝藻水华预警和应急监测工作。

然而,对蓝藻水华的预警和监测并不是一件容易的事。

“蓝藻水华常常‘来无影、去无踪’,其出现和消失呈现较大的时空差异,以往研究无法很好地解释这种现象。”中科院南京地理与湖泊研究所研究员秦伯强课题组研究发现了蓝藻水华发生的动态特征及其驱动机制,并提出蓝藻水华暴发过程的概念性解释。研究成果相继发表在Hydrobiology和Frontiers in Microbiology上。

“谜”一样的问题

虽然今年的气温有点特殊,对蓝藻水华要格外关注些,但对它的预警和监测其实是相关管理部门每年的常规动作。

蓝藻水华的主体是蓝藻,它本是淡水湖泊中常见的浮游类植物,其在富营养化条件下遇到合适的气象条件便会大量生长,进而形成我们熟知的蓝藻水华。微囊藻是蓝藻水华最常见的优势群种,其暴发频度和生物量占比最大。

长江中下游地区和东部沿海集中了我国绝大多数淡水湖泊,也是国际上浅水湖泊较为集中的区域。“浅水湖泊如果换水周期延长,就非常容易富营养化与出现蓝藻水华。”秦伯强告诉《中国科学报》。

据介绍,漂浮的蓝藻水华在湖泊水源地附近堆积、腐化进而恶化水质的状况时有发生。此外,蓝藻分解释放的藻毒素对人体健康有直接的危害,调查表明,太湖周边地区饮用水藻毒素的暴露等级与癌症发病率呈正相关。

其实,社会对于水体富营养化与蓝藻水华暴发已有初步认识,氮、磷等营养盐浓度的增加以及较高的水温、充足的光照、平静的风浪条件,都有可能促成蓝藻水华的暴发。

但是,在太湖这样的大型浅水湖泊中,蓝藻水华的出现和持续时间只有数小时,呈现出较大的时空差异。正是这种情况让人们用“暴发”一词来形容蓝藻水华。秦伯强表示,其出现或消失的原因俨然成了“谜”一样的问题。

太湖是典型的大型浅水湖泊,《中国科学报》记者检索国内文献发现,相关研究多以太湖为案例。根据已有研究,由于水体富营养化,太湖每年5~10月都会暴发微囊藻水华。

单纯控磷效果难达预期

目前的研究基本弄清了是氮、磷等营养盐对水体富营养化及出现蓝藻水华起主导作用,特别是确定了磷的决定性作用,并由此提出以控磷为目标的富营养化控制策略。

但秦伯强团队发现,太湖这样的大型浅水湖泊并不适合这套策略。“单纯的控磷很难达到预期效果。”秦伯强表示,原因是磷通过河流、大气沉降等进入大型浅水湖泊的湖体后,多会沉积到湖底,湖底的磷非常容易因风浪扰动而释放进入水体,供应藻类生长,导致蓝藻水华的暴发。

如果把外部进入的磷看成是外源,那么底泥释放的磷便可以称为内源,后者是秦伯强团队最近的发现。

“在太湖这样的大型浅水湖泊,底泥释放的磷对延缓湖泊富营养治理、抵消外源污染削减起了很大的作用。”秦伯强介绍,以往观点认为,像太湖这样的浅水湖泊,风浪扰动剧烈,水柱从水面到水底都是有氧的,底泥里面的磷释放会被遏制,“但我们发现,富营养化后蓝藻水华的出现,会增加湖底的厌氧频率与强度,增加生物可利用磷的释放”。

虽然学界公认风浪引起的水体扰动直接导致底泥氮磷的大量释放,但扰动强度对水华微囊藻群体的影响并不一样。

江南大学环境与土木工程学院杨桂军等人研究发现,适宜的扰动强度(100r/min)促进水华微囊藻群体生长和光合活性,而过高的扰动强度(400r/min)则抑制其生长和光合活性。

气候变暖是蓝藻水华暴发的另一原因。以太湖为例,太湖地处亚热带地区,冬季水温在5~8℃左右,该温度大致是蓝藻细胞分裂生长的限制阈值。低于此温度,藻类细胞停止生长;高于此阈值,藻类细胞分裂生长。

但秦伯强团队也发现,太湖气候变暖使得水温升高,特别是冬春季节的水温升高对次年春季甚至整个夏季的蓝藻水华规模与强度影响非常大,甚至出现了冬季蓝藻水华的现象。而越冬蓝藻细胞的增加,加大了次年蓝藻水华的种源数量。

在秦伯强看来,正是这种气候变暖叠加营养盐浓度的升高,导致了2007年无锡饮用水危机事件的发生。而最近两年的太湖蓝藻水华反弹,也与气候变化异常有很大关系。

据此,秦伯强团队提出太湖蓝藻水华暴发可概括为四个过程,分别是细胞增殖阶段、细胞团形成阶段、细胞上浮阶段和漂浮阶段。

控源和生态调控并举

当前,湖泊富营养化和蓝藻水华问题无法在短期内得以解决,预警和监测便成了应对蓝藻水华的一种常规做法,再通过智能拦截和高效清理,进而保持湖泊相对清洁。

记者查阅文献获悉,相关技术与设备较多且广泛应用。

例如,南京地理与湖泊研究所专家基于水源地、蓝藻水华减灾防灾需求,研创了“预测预警—智能拦截—高效清理”成套技术与设备,并成功推广应用于太湖、巢湖等湖泊水库。

加强蓝藻水华防控巡查也只是短期内的做法。在秦伯强看来,从长远看,需要加大外源氮磷负荷的控制力度。他表示,现在污水排放标准需要进一步提高,因为即使达标排放的清下水,仍然是氮磷浓度大大高于太湖浓度的污水;其次是加大面源污染治理力度;同时,还需要对湖内已经蓄积的内源污染开展治理。

但不可否认,由于湖泊的水文、地形、湖流、生态环境的复杂性,往往每个湖泊、每个水源地都有一些特殊情况,需要特定的应对方案。

除此之外,“生态调控是恢复水生系统健康的关键所在”。南京大学环境学院教授杨柳燕撰文介绍,“在富营养化得到一定程度控制的前提下,采用生态调控的方法恢复湖滨湿地,增加湖体浮叶植物和沉水植物面积,提高水生生物数量”。

“流域或湖滨的生态恢复,实际上是增强拦截污染物的能力,是提高生态净化能力的一种方式。”秦伯强表示,湖体内的生态修复是为了遏制底泥释放、降低藻类水华风险、增加透明度、提高生态系统防御污染的能力。

但这种恢复需要一个前提条件,即污染负荷必须降低到一定程度才能实施。

杨柳燕同时指出,这需要环保、农业、水利、渔业等部门协调统一,调整湖泊管理模式,实现管理思路从控源截污为主向控源截污与湖泊生态调控并重的重大转变。

但杨柳燕不赞同盲目对水体进行大型水生植物修复。“弄清营养盐浓度、水文状况与大型水生植物和藻类竞争生长的耦合机制十分重要,是未来需要解决的科学问题之一。”

相关论文信息:

DOI: 10.1007/s10750-019-3883-1

DOI:10.3389/fmicb.2018.00451

《中国科学报》 (2019-05-07 第7版 生态环境)