高翔，姜霞

湖泊水華暴發(fā)原因解析與防控措施

高翔1，姜霞2

（1.北京大學附屬中學，北京 100080；2.湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術(shù)國家工程實驗室； 國家環(huán)境保護湖泊富營養(yǎng)化控制與生態(tài)修復重點實驗室，北京 100012）

湖泊在中國的社會經(jīng)濟發(fā)展中起著至關(guān)重要的、不可替代的作用，在當前湖泊生態(tài)保護領(lǐng)域，比較突出的問題是富營養(yǎng)化。水華是湖泊富營養(yǎng)化的主要表現(xiàn)形式，嚴重地影響了水資源的利用和使用。調(diào)研了引起和導致湖泊富營養(yǎng)化和水華暴發(fā)的生物學機制和非生物學機制，分析對其影響顯著的人類活動過程，針對性地提出富營養(yǎng)化和水華防控的對策，以期保護和恢復湖泊健康的生態(tài)系統(tǒng)，促進其可持續(xù)發(fā)展。

湖泊；富營養(yǎng)化；水華；生物學因素

1 湖泊富營養(yǎng)化和水華發(fā)生現(xiàn)狀

湖泊的富營養(yǎng)化指在人類活動的影響下，生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進入湖泊，浮游藻類建立優(yōu)勢導致水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)破壞和出現(xiàn)功能異化的過程。在富營養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生時，水體中的溶解氧大幅減少，透明度嚴重降低，水質(zhì)變差，引發(fā)大量水生生物的死亡。在自然演變過程中，湖泊由貧營養(yǎng)向富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)變，但速度十分緩慢。但是，在人類作用下，尤其是大量含有營養(yǎng)物質(zhì)的水排入湖泊，會導致水體在短時間內(nèi)出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題。早在20世紀四五十年代，國外工業(yè)化革命和現(xiàn)代生活方式使得湖泊富營養(yǎng)化問題層出不窮，引起了科學界的廣泛關(guān)注。目前，這一問題備受世界關(guān)注，極具普遍性，是不容忽視的環(huán)境問題。

湖泊在中國社會經(jīng)濟發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，提供了全國1/3的飲用水，支撐了1/3的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和1/4的糧食產(chǎn)量。同時在調(diào)節(jié)洪水、發(fā)電、氣候調(diào)節(jié)、動植物生物多樣性保障和休閑娛樂等方面發(fā)揮了非常重要的作用?！端畻l》實施以來，納入國家斷面考核的湖泊數(shù)量由2015年的62個增加到現(xiàn)在的112個。根據(jù)2017年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報，112個重要湖泊（水庫）中，Ⅰ類水質(zhì)的湖泊（水庫）6個，占5.4%；Ⅱ類27個，占24.1%；Ⅲ類37個，占33.0%；Ⅳ類22個，占19.6%；Ⅴ類8個，占7.1%；劣Ⅴ類2個，占10.7%。湖泊的主要污染指標為總磷、化學需氧量和高錳酸鹽指數(shù)。109個監(jiān)測營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊（水庫）中，貧營養(yǎng)的有9個，中營養(yǎng)的有67個，輕度富營養(yǎng)的有29個，中度富營養(yǎng)的有4個。

2 水華發(fā)生的影響因素

對于水華爆發(fā)機制，生物學方面是正常與非正常功能涉及的內(nèi)在影響因素，同時，也包含生理需求、營養(yǎng)競爭以及食物鏈生態(tài)等因素；非生物學方面主要涉及物理因素以及化學因素，同時，抑制作用也隸屬這一范疇。水華暴發(fā)是多因素共同作用而產(chǎn)生的生態(tài)學現(xiàn)象。

2.1 生物學影響

2.1.1 浮游動物的影響

對于浮游動物而言，其主要以捕食為途徑，強化對浮游藻類結(jié)構(gòu)的影響，同時影響其季節(jié)性演變和生物量變化。浮游動物捕食浮游藻類，其決定因素主要是藻類自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)，同時與浮游動物類型與取食方式也密不可分。而且，對于浮游甲殼動物，其捕食主要受制于食物大小和結(jié)構(gòu)組成，同時，聚集程度也是它考量的原因。浮游動物以選擇性攝食為手段，浮游藻類組成主要以大顆粒、不可食藻類與聚集性藻類為主。針對浮游動物的捕食，浮游藻類會構(gòu)建自身抵御機制，如藍綠藻由于較大體積無法被濾食性動物所食用；另外，一些藻類會分泌毒物，威脅水生動植物的生長；還有些藻類具備抵御機制，即便處于營養(yǎng)豐富的環(huán)境中，能夠借助自身成長，實現(xiàn)對浮游動物攝食的有效抵制。

2.1.2 水生高等植物的影響

水生高等植物是水生態(tài)環(huán)境中不可或缺的組成部分，也是初級生產(chǎn)者的一種，能夠與浮游藻類展開競爭，目的是爭奪更加優(yōu)質(zhì)的生存條件，如光照、營養(yǎng)以及環(huán)境等，同時，二者產(chǎn)生他感作用，有效促進浮游藻類的生長。對于植物他感作用，主要是自身分泌化學物質(zhì)，實現(xiàn)對其他生物的抑制。對于這些物質(zhì)，分子量不大，結(jié)構(gòu)不復雜，是次生代謝物，主要涉及酒精、有機酸等。這種物質(zhì)借助自身揮發(fā)、根系分泌等，與環(huán)境接觸，強化對其他植物生長的有效抑制。近年來，已有許多研究報道了水生高等植物對藻類生長的他感抑制作用。

2.1.3 生物酶學指標的影響

堿性磷酸酶（APA）與湖泊磷循環(huán)關(guān)系緊密。一旦磷營養(yǎng)匱乏，浮游藻類等就會在誘導功能的影響下，出現(xiàn)大量磷酸酶，在其催化作用下，對水中有機磷進行水解，無機磷被釋放。如果磷營養(yǎng)豐富，就會有效抵制磷酸酶的合成。結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)，對于海洋中初級生產(chǎn)力消耗的營養(yǎng)元素，大部分來自于再循環(huán)，同時，這部分磷、氮等主要源于原位。隨著藻類生長加快，磷酸鹽含量也持續(xù)上升，堿性磷酸酶的誘導機制能夠?qū)崿F(xiàn)對湖泊水體藻類生長的有效抑制。

2.2 水華發(fā)生的非生物性影響

2.2.1 物理指標的影響

溫度：溫度對對浮游藻類的生長影響較大，水溫與藻類生物量關(guān)系緊密。借助光合作用，抑制酶促反應或抑制呼吸作用強度，制約藻類增值。浮游藻類不同，適宜溫度也各不相同。通常，18～25 ℃是最佳生長溫度。在同一營養(yǎng)狀況時，有些適合在較低水溫中生存，如金藻、硅藻易生長在早春、晚秋和冬季；對于綠藻，比較適宜的水溫為中溫，溫暖的水體是藍藻的最優(yōu)生長環(huán)境，因此，在夏季與秋季容易爆發(fā)。當水溫度低于15 ℃時，硅藻是磷的優(yōu)良競爭者，顯示其最大的資源競爭優(yōu)勢；當水溫高于20 ℃時，藍藻是氮的優(yōu)良競爭者，表現(xiàn)出最大的競爭潛能。另外，浮游藻類具有較強的適應能力，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)進行光合作用和細胞分裂。溫度還可以影響浮游藻類個體的大小，冷水中浮游藻類通常個體較小，而暖水中的浮游藻類通常個體較大。溫度對藻類在水體中的時空分布和數(shù)量變化也有影響，水體的分層會加速藻類的繁殖生長。結(jié)合水溫的差異，對深水型湖泊進行縱向劃分，可劃分為湖上層、斜溫層和湖下層。具體講，溫度較高的是湖上層，最低的是湖下層，而斜溫層溫度適宜，也是變化最為明顯的位置。鑒于溫度、光照以及營養(yǎng)含量的差異，水體垂直方向呈現(xiàn)階梯分布狀態(tài)，使得在湖泊水柱縱向上出現(xiàn)了許多狹窄的小生境，這導致了浮游藻類在水體的水平、垂向和時間上不同種類與數(shù)量的變化。

光照：光是浮游藻類進行光和作用的主要能源，同時，光的特征是時空變化較大，因此，這也促使其成為浮游藻類生長的重要限制因子。一般情況下，如果光照條件薄弱，此時，光和作用速率與光強呈現(xiàn)正比例關(guān)系；如果光強處于飽和，速率維持平穩(wěn)狀態(tài)，如果光強一度增大，光抑制隨之出現(xiàn)，導致浮游藻類光合作用終止。藻類的不同導致其對光強適應程度也存在差異。也就是說，即便處于同一光強之下，光和速率也會因為藻類的不同而出現(xiàn)不同的參數(shù)。例如，海洋環(huán)境中，適合強光強的是甲藻，硅藻優(yōu)越于綠藻。基于淡水資源，適合低光強環(huán)境的是藍藻，主要源于其對維持能量的需求不大，其能夠在低光照環(huán)境中獲得最大生長優(yōu)勢。除此之外，不同光源對不同浮游藻類的影響也不同。

pH：pH是影響浮游藻類類型與分布的重要因素。結(jié)合瑞典湖泊調(diào)查發(fā)現(xiàn)，浮游藻類幾乎存在于所有類型湖泊中，但是浮游藻類的組成和豐度方面的差異與pH有很大關(guān)系。其中，浮游藻類種類最大值出現(xiàn)在pH為7.0～7.6之間的湖泊中。浮游硅藻多喜歡中性和偏堿性水體，綠藻大多出現(xiàn)在pH＞6.2的水體中，藍藻則喜歡在高pH（8.0以上）的環(huán)境下生長。水體pH值與水華生消密切相關(guān)，藍藻生物量與pH有著顯著的相關(guān)關(guān)系。依托適宜的營養(yǎng)物質(zhì)，加之適宜的條件，pH值為8的時候，水華出現(xiàn)。在水華暴發(fā)之后，即便pH值已經(jīng)與藻類生長環(huán)境不相適應，藻類自身的適應性也會進行調(diào)節(jié)，促使水體pH值轉(zhuǎn)向偏堿性范圍，從而適應藻類生長條件。

溶解氧（DO）：溶解氧主要是溶解于水中的分子狀態(tài)的氧，是水生生物不可或缺的生存條件。溶解氧主要借助氧氣向水體滲入。另外，水中植物借助光合作用，也能夠釋放氧。溶解氧不是一成不變的，會隨著溫度、氣壓等條件的變化發(fā)生變化。通常，溫度越高，溶劑鹽分含量越多，氣壓越低，溶解氧含量更少。溶解氧能夠為很多水質(zhì)物質(zhì)還原消耗如亞硝酸根、亞鐵離子等。同時，水中微生物呼吸作用也能夠?qū)⑵溲趸纸庀摹Ｈ芙庋跏欠从澄廴舅?、污染程度的關(guān)鍵指標。富營養(yǎng)化和水華暴發(fā)水體中，溶解氧的日間變化和水體垂向的空間變化顯著，白天陽光充足時，藻類繁殖旺盛，光合作用強烈，表層水體溶氧含量近于飽和值，但由于藻類大量浮于水體表面，光照照射不入水體深部，對于水體底部有機物，其微生物降解行為會將溶解氧大量消耗，從而使底部溶解氧含量降低；夜間，藻類呼吸作用強烈，不論表層還是水體底層水體溶氧含量趨近于0，處于缺氧或者厭氧狀態(tài)，水體水質(zhì)惡化。

氧化還原電位（Eh）：Eh作為土壤、水體、沉積物等環(huán)境條件的一個綜合性指標，已沿用很久，它表征介質(zhì)氧化性或還原性的相對程度。Eh與氧分壓有關(guān)，也與pH有關(guān)。不同種類微生物所要求的Eh不同。Eh影響酶活性，也影響呼吸作用。

風浪：對于湖泊藻類分布，要了解其正常分布狀態(tài)，需要保證湖水相對靜止，同時，藻類生存環(huán)境具有一定穩(wěn)定性。一旦出現(xiàn)風浪，誘發(fā)水位波動，很難維護藻類正常分布狀態(tài)。另外，還有一種看法認為浮游藻類水平分布與地表徑流外源性應用物質(zhì)關(guān)系緊密。通常情況下的分布規(guī)律是沿岸帶＞河口區(qū)＞敞水區(qū)。

2.2.2 營養(yǎng)鹽的影響

氮：在湖水中，氮主要以五種形態(tài)存在，即分子氮（N2）、氨（NH3）、亞硝酸鹽（NO2－）、硝酸鹽（NO3－）和有機氮化合物。其中，對于溶解的無機氮，很容易被浮游藻類直接吸收。由此可見，在湖水湖泊中，影響浮游藻類生長的核心因素即為氮。

磷：磷主要以三種化學形態(tài)存在，即正磷酸鹽、聚合磷酸鹽和有機磷。一般情況下，浮游藻類吸收的主要形式為溶解的正磷酸鹽。磷含量是湖泊葉綠素濃度的重要影響指標，同時，成為浮游藻類生長的主要限制因子。此外，磷影響浮游藻類的組成。對于生長在北溫帶湖泊60%以上的藍藻，其生物量的變化需要借助總磷濃度來表示，將近一半的藍藻在浮游藻類中生物量的比例與總磷濃度有關(guān)。在磷限制情況的水體中，藻類細胞磷含量與細胞生長率成正比，但是與磷吸收能力呈反比關(guān)系。如果磷含量較高，浮游藻類能夠超量吸收，對其進行貯存，以多磷酸鹽為形式，儲藏在細胞內(nèi)，目的是有效應對水體磷供應不足的問題，維護細胞的可持續(xù)生長。藻類種類的差異會對磷吸收機制以及要求產(chǎn)生影響。在低溫環(huán)境中，硅藻是磷競爭者，微囊藻很難實現(xiàn)在磷限制水體中的生長。浮游藻類的季節(jié)演替是磷限制影響的結(jié)果。

氮磷比：對于不同的浮游藻類，其相對豐度取決于環(huán)境中氮、磷的相對含量。對于綠藻目的藻類，氮磷質(zhì)量比逐漸升高，最終成為最優(yōu)。當前，針對氮磷比的使用，更多應用在湖泊與水庫藍藻優(yōu)勢問題上?？v觀整體，在氮磷比不斷升高的情況下，藍藻生存比例降低，主要因為低水平的氮磷的比值會加劇固氮藍藻的發(fā)展速度，由此獲取其在氮磷較低水平下的優(yōu)勢。水華藍藻的優(yōu)勢體現(xiàn)在TN∶TP低于29的時候，氮磷比的提升是誘發(fā)微囊藻水華消失的根本原因。但是，也存在不同的看法。LATHROP在威斯康星湖（Lake Wisconsin）添加硝酸按，以便有效提升氮磷比，面對氮磷負荷較高的情況下，氮磷比理論實用性不高。氮磷不受制約，其以提高氮磷比為目標，但并沒有導致夏季微囊藻水華的消失。在氮磷負荷都很高的富營養(yǎng)湖泊里，氮磷比理論并不太實用，由于氮和磷都不受限制，氮磷以外的營養(yǎng)元素或者其他環(huán)境因子可能對浮游藻類起主導作用。

鐵：鐵是植物生長的重要微量元素，對浮游藻類生存作用巨大。依托鐵元素，浮游藻類生長欲望被激發(fā)，呈指數(shù)級增長。鐵的限制以及施壓都能夠?qū)λw浮游藻類優(yōu)勢種和浮游藻類群落組成情況產(chǎn)生影響。POLLINGHER等研究發(fā)現(xiàn)，在增加鐵的作用下，浮游藻類種類的組成發(fā)生改變，加快綠藻以及細菌的生長速度；借助圍隔試驗，高濃度鐵的加入會導致硅藻迅速增加，成為浮游藻類的優(yōu)勢種，從而改變了浮游藻類群落結(jié)構(gòu)。

3 人類活動影響解析

3.1 湖泊的自然演化與人為影響

對于湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象，分為兩種情形：天然富營養(yǎng)化以及人為富營養(yǎng)化。前者體現(xiàn)的是生命史的必然，體現(xiàn)的是生命體一個完整的生命周期，是一個天然的過程，在這種自然狀態(tài)下，這種富營養(yǎng)化演變速度很慢，需要高達幾千年的時間才能完成；后者主要源于人的非法排放，誘發(fā)水體幾年的時間能夠由貧營養(yǎng)狀態(tài)變換為富營養(yǎng)狀態(tài)，從而發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象。隨著工業(yè)化革命和現(xiàn)代生活方式的發(fā)展，富營養(yǎng)化問題是當今世界面臨的最主要水污染問題之一，富營養(yǎng)化已經(jīng)不僅僅出現(xiàn)在湖泊中，還出現(xiàn)在水流交換的河流、水庫和河口等區(qū)域?？v觀全球湖泊污染特征，人類頻繁活動會誘發(fā)水體變換，納污規(guī)模加劇，水體富營養(yǎng)化形勢嚴峻。

3.2 中國湖泊生態(tài)環(huán)境保護壓力

中國湖泊生態(tài)環(huán)境保護面臨的壓力主要包括以下幾方面：①近年來社會經(jīng)濟快速發(fā)展導致的污染源排放量急劇增加，流域污染壓力增大；②流域土地高強度不合理開發(fā)利用，特別是圍湖造田、維護造地等行為，加速了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的退化速度；③過度開發(fā)利用水資源，導致下游生態(tài)基流難以保證，江湖聯(lián)通阻斷、湖面萎縮，生物多樣性下降，湖泊生境破碎化；④流域低效率的水資源利用效率增加了水資源需求量，加劇了湖泊生態(tài)環(huán)境生態(tài)用水壓力，加速了生態(tài)系統(tǒng)的退化；⑤國家湖泊環(huán)境監(jiān)管能力不足，科研基礎(chǔ)薄弱，特別是對于欠發(fā)達區(qū)域和深水型湖泊的富營養(yǎng)化與水華發(fā)生機理研究極度匱乏。

3.3 水華暴發(fā)的人為原因

人類對湖泊富營養(yǎng)化和水華暴發(fā)的影響主要是由于過量營養(yǎng)物質(zhì)通過地表徑流、干濕沉降和河流輸入等方式進入湖泊所致。從原因上分析，其涉及多個方面。首先，城市污水排放量不斷增加水中氮磷含量。其次，工業(yè)廢水處理不徹底，導致排放不達標，造成湖泊污染。再次，湖泊周邊農(nóng)藥、化肥等的應用也是增加營養(yǎng)鹽含量的關(guān)鍵因素。在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，餌料的大量使用使得湖泊水質(zhì)很難維持良好。在高氮磷污染底泥中，營養(yǎng)鹽釋放加速使得湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象加??；在城市以及農(nóng)村，地表面源污染隨暴雨徑流快速進入湖泊水體，營養(yǎng)鹽的快速升高導致湖泊富營養(yǎng)化；水利工程閘壩建設改變了湖泊水體原有的水動力循環(huán)過程，延長了營養(yǎng)物質(zhì)的水力停留時間，也促使湖泊富營養(yǎng)化和水華的規(guī)?；┌l(fā)。

4 防控水華措施

要想從根本上解決湖泊富營養(yǎng)化和水華問題，首先要從全流域系統(tǒng)考慮，方案需要具有集中性與綜合性，綜合考慮多種影響因素，要從湖泊流域的空間管控出發(fā)，開展源頭控源減排、過程生態(tài)攔截、湖體生態(tài)恢復和流域環(huán)境監(jiān)管，制定系統(tǒng)性、整體性的解決方案來實現(xiàn)水質(zhì)保護目標。就湖體水華防控方法來講，目前的主要方法有四大類：控制營養(yǎng)鹽、直接去除藻類、生物調(diào)控和生態(tài)修復工程；此外建立一體化的流域污染源排放、水質(zhì)自動監(jiān)測和水華衛(wèi)星遙感解譯聯(lián)合監(jiān)測、預警、管理和決策平臺，也是提早發(fā)現(xiàn)問題、提早解決問題的有效手段。

4.1 營養(yǎng)鹽控制

在富營養(yǎng)化防治工作中，十分常見的手段是對水體營養(yǎng)鹽濃度進行控制，有效減少外源負荷以及內(nèi)源負荷。實踐表明，湖泊富營養(yǎng)化之所以日益嚴重，與外界豐富的營養(yǎng)性物質(zhì)的進入關(guān)系緊密。要想有效減少外部營養(yǎng)鹽輸入量，需構(gòu)建統(tǒng)一的營養(yǎng)物質(zhì)排放標準與水質(zhì)標準；結(jié)合湖泊環(huán)境現(xiàn)狀，貫徹總量控制對策；建設截污工程；對廢水進行處理，使其資源化被重新利用；落實新技術(shù)，主要結(jié)合除磷脫氮功能的廢水生物處理新技術(shù)；要有政府約束性對策；有效控制內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)釋放，一般采用人工曝氣、疏浚底泥工程措施。但是，這種模式需要巨額投入，技術(shù)水平要求較高，加之影響因素多樣，預期效果很難達到。

4.2 直接除藻

直接除藻一般分為化學除藻和機械除藻兩種。

化學除藻主要是要殺死藻類，但不能有效避免二次污染的發(fā)生，易產(chǎn)生負面影響。機械除藻能夠滿足短期使用要求，但是，需要投入較大資金，同時，在藻類不斷生長中，這種方式不能停止。

4.3 生物調(diào)控

對于生物調(diào)控措施，其成為營養(yǎng)鹽控制的重要替代技術(shù)類型，以生物群落的重建為基礎(chǔ)，降低藻類生物含量，維持水體清澈性，豐富生物類型，強化生物針對性調(diào)控。具體講，可以有針對性地增加食魚性魚類，以便保證浮游動物的充足性，達到對藻類的有效控制。另外，也可以發(fā)揮食藻魚的作用，控制藍藻水華?？稍诟粻I養(yǎng)化水體中選擇性地種植水雍菜、水葫蘆、水生高等植物，使其大量吸收水中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，實現(xiàn)對浮游藻類植物的有效抑制。除此之外，構(gòu)建良好的水生生態(tài)系統(tǒng)，包括以藻類、高等水生植物為主的初級生產(chǎn)者，以食草動物、雜食動物為主的消費者以及微生物分解者，以此在減少水體富營養(yǎng)化的同時，增加生物產(chǎn)量，是一種較好的控制富營養(yǎng)化現(xiàn)象發(fā)生的方式。鑒于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的復雜性，要準確界定生物數(shù)量與比例，有效發(fā)揮水生生物的功能是十分關(guān)鍵的。

4.4 生態(tài)修復工程

對于生態(tài)修復工程，其在修復富養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，對維護與修復局部生態(tài)系統(tǒng)意義重大。從本質(zhì)上講，在湖泊富營養(yǎng)化治理工作中，主要目標是對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行修復，維護其自身完整性。對于非點源污染，有效發(fā)揮濕地生態(tài)系統(tǒng)在湖泊周邊以及湖區(qū)之間的作用，利用其在化學以及水文緩沖方面的作用，有效保護湖區(qū)水質(zhì)。根據(jù)當前研究結(jié)果，針對富營養(yǎng)化水體，完整恢復生態(tài)系統(tǒng)的難度較大，且從生態(tài)系統(tǒng)范疇研究水生高等植物群落恢復，以及修復過程對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響的相關(guān)資料不多，仍需不斷進行深入探究。

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.006

2095－6835（2019）22－0024－05

〔編輯：嚴麗琴〕