太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的四個過程。（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‘來無影、去無蹤’，其出現(xiàn)和消失呈現(xiàn)較大的時空差異，以往研究無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)生的動態(tài)特征及其驅(qū)動機(jī)制，并提出藍(lán)藻水華暴發(fā)過程的概念性解釋。
■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)境問題，多發(fā)生在大型淺水富營養(yǎng)化湖泊。其暴發(fā)會引發(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，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)湖庫藍(lán)藻水華防控工作。自4月1日起，安徽省已啟動巢湖藍(lán)藻水華預(yù)警和應(yīng)急監(jiān)測工作。
然而，對藍(lán)藻水華的預(yù)警和監(jiān)測并不是一件容易的事。
“藍(lán)藻水華常常‘來無影、去無蹤’，其出現(xiàn)和消失呈現(xiàn)較大的時空差異，以往研究無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)生的動態(tài)特征及其驅(qū)動機(jī)制，并提出藍(lán)藻水華暴發(fā)過程的概念性解釋。研究成果相繼發(fā)表在Hydrobiology和Frontiers in Microbiology上。
“謎”一樣的問題
雖然今年的氣溫有點(diǎn)特殊，對藍(lán)藻水華要格外關(guān)注些，但對它的預(yù)警和監(jiān)測其實(shí)是相關(guān)管理部門每年的常規(guī)動作。
藍(lán)藻水華的主體是藍(lán)藻，它本是淡水湖泊中常見的浮游類植物，其在富營養(yǎng)化條件下遇到合適的氣象條件便會大量生長，進(jìn)而形成我們熟知的藍(lán)藻水華。微囊藻是藍(lán)藻水華最常見的優(yōu)勢群種，其暴發(fā)頻度和生物量占比最大。
長江中下游地區(qū)和東部沿海集中了我國絕大多數(shù)淡水湖泊，也是國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，就非常容易富營養(yǎng)化與出現(xiàn)藍(lán)藻水華。”秦伯強(qiáng)告訴《中國科學(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)的狀況時有發(fā)生。此外，藍(lán)藻分解釋放的藻毒素對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與癌癥發(fā)病率呈正相關(guān)。
其實(shí)，社會對于水體富營養(yǎng)化與藍(lán)藻水華暴發(fā)已有初步認(rèn)識，氮、磷等營養(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)時間只有數(shù)小時，呈現(xiàn)出較大的時空差異。正是這種情況讓人們用“暴發(fā)”一詞來形容藍(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”一樣的問題。
太湖是典型的大型淺水湖泊，《中國科學(xué)報(bào)》記者檢索國內(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，由于水體富營養(yǎng)化，太湖每年5～10月都會暴發(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、磷等營養(yǎng)鹽對水體富營養(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，原因是磷通過河流、大氣沉降等進(jìn)入大型淺水湖泊的湖體后，多會沉積到湖底，湖底的磷非常容易因風(fēng)浪擾動而釋放進(jìn)入水體，供應(yīng)藻類生長，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，底泥釋放的磷對延緩湖泊富營養(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)浪擾動劇烈，水柱從水面到水底都是有氧的，底泥里面的磷釋放會被遏制，“但我們發(fā)現(xiàn)，富營養(yǎng)化后藍(lán)藻水華的出現(xiàn)，會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)浪引起的水體擾動直接導(dǎo)致底泥氮磷的大量釋放，但擾動強(qiáng)度對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)，適宜的擾動強(qiáng)度（100r/min）促進(jìn)水華微囊藻群體生長和光合活性，而過高的擾動強(qiáng)度（400r/min）則抑制其生長和光合活性。
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)胞分裂生長的限制閾值。低于此溫度，藻類細(xì)胞停止生長；高于此閾值，藻類細(xì)胞分裂生長。
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)的水溫升高對次年春季甚至整個夏季的藍(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，正是這種氣候變暖疊加營養(yǎng)鹽濃度的升高，導(dǎo)致了2007年無錫飲用水危機(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)可概括為四個過程，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，湖泊富營養(yǎng)化和藍(lán)藻水華問題無法在短期內(nèi)得以解決，預(yù)警和監(jiān)測便成了應(yīng)對藍(lán)藻水華的一種常規(guī)做法，再通過智能攔截和高效清理，進(jìn)而保持湖泊相對清潔。
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。
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，從長遠(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，還需要對湖內(nèi)已經(jīng)蓄積的內(nèi)源污染開展治理。
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，往往每個湖泊、每個水源地都有一些特殊情況，需要特定的應(yīng)對方案。
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水體進(jìn)行大型水生植物修復(fù)。“弄清營養(yǎng)鹽濃度、水文狀況與大型水生植物和藻類競爭生長的耦合機(jī)制十分重要，是未來需要解決的科學(xué)問題之一。”
相關(guān)論文信息：
DOI: 10.1007/s10750-019-3883-1
DOI:10.3389/fmicb.2018.00451
《中國科學(xué)報(bào)》 (2019-05-07 第7版 生態(tài)環(huán)境)