程海冬季水華特征、成因與控制對策

董云仙,金 玉,胡錦乾,關兆國,和熊祥(.云南省環境科學研究院,云南昆明65004;.云南省環境監測中心站,云南昆明65004;.永勝縣程海管理局,云南永勝67400)

程海冬季水華特征、成因與控制對策

董云仙1,金 玉2,胡錦乾3,關兆國3,和熊祥3(1.云南省環境科學研究院,云南昆明650034;2.云南省環境監測中心站,云南昆明650034;3.永勝縣程海管理局,云南永勝674200)

報道了程海冬季水華發生時間、分布、聚集狀況、優勢種和現存量。認為:營養物質積累、特殊的水動力、適宜的水溫和光照是刺激銅綠微囊藻水華暴發的原因,近期應采取流域生態系統管理、削減污染物入湖量、增強生態系統功能三方面的控制對策減輕水華危害。

水華特征;成因;控制;冬季;程海

程海地處青藏高原與云貴高原的銜接部位,東經100°33′～100°45′,北緯26°25′～24°40′,行政區劃上屬于麗江市永勝縣。程海流域面積318.3km2,東、西、北三面環山,南面地勢相對平坦。湖面海拔高程1501.0 m,湖體呈南北向橢圓形展布,南北長19km,東西寬4.3km,面積約74.6km2,最大水深35m,平均水深26.5m,蓄水量19.8×108m3,在云南省九大高原湖泊中位列第四。

程海湖區位于金沙江干熱河谷地區,年平均氣溫18.7℃,水溫20℃,多年平均日照時數2403.6h,≥10℃的積溫6616℃。程海湖區充足的光照、熱量以及特殊的水質條件極有利于藍藻生長。

程海大約形成于新生代第三紀中期(距今1200萬a以前),是喜馬拉雅期造山運動形成斷裂地塹,中陷低凹之處聚水成湖,原來曾經是一個外流湖,湖水通過程河(又名期納河)向南30余km流入金沙江。大約1690年前后,程海湖水位突然快速下降,形成封閉湖后,湖泊水體交換周期加長,營養物質積累,湖泊富營養化進程加快。1911年～1942年,程海初級生產力明顯變化,生物結構明顯轉變[1～3]。1980年后,湖周農業生產方式轉變和湖濱區螺旋藻養殖業發展的背景下,程海富營養化發展加速,據王若南[4～5]報道,1984年～1985年,程海藻類數量的年變化呈“單峰”型,每年藻類數量4～5月達到高峰,此時,以阿氏項圈藻(Anabaenopsis arnoldiiAptek.)為單優勢種的水華暴發,平均數量可達164萬個/ml,優勢種優勢度可達99.7%,水華覆蓋大半湖面。但在本次《程海湖生態系統的調查研究》中,發現程海藻類優勢種類群已經發生較大變化,水華在冬季就有發生。

1 程海冬季水華基本特征

1.1 水華發生時間

2009年11月16 日夜晚,程海一夜大北風,持續時間4～5h,浪高達2～3m,風動引起湖水對流,水草(基本是紅線草群落單優勢群落)消亡;20d后,風平浪靜之時,在陽光照射下肉眼可見藻團懸浮于水柱中;23日藍藻上浮,聚集形成水華,漂浮于湖南部水面,日出前后比較明顯,持續時間2～3h;此后1個月,程海水華現象越來越明顯,厚度逐漸增加,分布范圍由湖南部擴展到湖中部直至整個湖區。至2009年12月28日～2010年1月3日,程海水華達到高峰,整個湖泊都有水華出現,水華堆積于湖東部和湖北部等下風向區域。此后半月余,程海水華逐漸減少,水體異味,2010年2月20日前后水華消失,水華持續時間總計約60d。

1.2 分布與聚集狀況

程海冬季水華,最早出現于湖南部程海管理局—程海管理局東站一線,隨后,擴展到湖南部—湖中部半海子以南—湖北部,7d內即遍布整個湖區。風平浪靜時,水華覆蓋整個湖面,厚度約5～10cm,遮蔽進入水層的光照;風浪較大時,水華多聚集于湖北部和東部,厚度可達10～30cm。

1.3 優勢種群

程海冬季水華優勢種是銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa Kutz.),伴生種:水華微囊藻(M.flosaquae(Wittr.)Kerch)、假絲微囊藻(M.pseudofila2 mentosa Crpw.)、史密斯微囊藻(M.s mithii Koma.),而鞘藻(Oedogonium spp.)、實球藻(Pancorina mo2 rum(Muell)Bory)、星型冠盤藻小型變種(Stephano2 discus astraea var.minutula(Kutz.)Grun.)、對對柵裂藻(Scenedes mus bijuga(Turp.)Lag.)、四尾柵裂藻(S.quadricauda(Turp.)Breb.)、單生卵囊藻(Oecystis solitaria Wittr.)、湖生卵囊藻(O.lacustis Chod.)、鼓藻(Cos marium spp.)等數量也較多。

1.4 現存量

2009年冬季,程海水華現存量為567.5～3264.2萬個細胞/L,平均1374.5萬個細胞/L;優勢種數量為517.2～2754.7萬個細胞/L,平均1150.1萬個細胞/L,優勢度76.9～92.25%,平均優勢度83.7%,水華期間15個采樣點平均現存量見圖1。

圖1中顯示:水華現存量在北部湖心最低,而在歐陽村最高;大體分布規律是:湖南部高于湖中部和湖北部,湖東部高于湖西部,有時在湖東部和湖北部一些湖灣藻細胞數量較高,是由于風浪的緣故。

2 程海冬季水華暴發成因

2.1 營養物質的積累奠定了物質基礎

20世紀80年代末期,程海流域森林覆蓋率曾經一度降低至5.73%,經過天然林保護、退耕還林、小流域治理、長防工程、綠色扶貧、環湖生態防護林建設等工程項目的實施,流域森林覆蓋率雖然回升至11.5%,森林植被逆向演替的趨勢并未得到根本緩解,森林生態系統涵養水源、保持水土等生態功能薄弱,流域區水土流失嚴重,土壤侵蝕面積達流域總面積的61.59%,年侵蝕量78.4萬t。每年雨季,大量污染物集中入湖,加之湖周農田廢水、村鎮污水、螺旋藻養殖業廢水長期未經處理直接排放,極快地增加了營養物質的積累。

本次水體營養物質同步調查和分析結果顯示,水華發生期間,水體總磷濃度0.019～0.091mg/L,平均0.055mg/L;可溶性總磷0.003～0.049mg/L,平均0.031mg/L;生物活性磷濃度0.011～0.034mg/L,平均0.022mg/L?？偟獫舛?.558～1.274mg/L,平均0.759mg/L;可溶性總氮0.360～0.623mg/L,平均0.519g/L;硝酸鹽氮濃度0.009～0.045mg/L,平均0.024mg/L;氨氮0.017～0.0173mg/L,平均0.075mg/L;生物活性氮平均含量0.035mg/L。程海水體TP、TN含量水平分別超過國際上公認的湖泊富營養化發生濃度(TN 0.30 mg/L,TP 0.03 mg/L)1.8倍和2.5倍,也就是說:程海水體營養物質含量水平和存在形態都不再成為藻類暴發生長的限制性條件[6]。

2.2 特殊水動力利于藻類最適營養條件的形成

程海湖盆基底構造復雜,湖盆發育數條南北向大斷層和數十條不同方向的斷裂,周圍地區的地下水以向心狀向湖盆區匯流,形成了6種淺層地下水類型和2種深層地下熱水類型[7]。對各類型地下水、汛期地表水的聯動作用,造成程海湖水運動顯著,環流明顯,垂直運動也明顯,常出現“翻白水”、“翻黑水”現象。特別是秋末冬初以及春季,湖區盛行大風,湖水運動更加突出。湖水運動引起沉積于湖底的有機物再懸浮、再分配,加之進入冬季,恰逢大型水生植物衰退、分解、營養鹽釋放,持續的水體運動和營養物質流動,致使營養物質形態、分布、數量等條件形成為藻類最適營養條件。

2.3 適宜的水溫和光照強度刺激藻類大量繁殖

程海地處金沙江干熱河谷地帶,其氣候特點是四季不明顯而干濕季分明。冬季在熱帶大陸性氣團控制下,北方冷空氣不易入侵,因而,天氣晴朗,空氣干燥,雨云量少,日照充足,較高的積溫和水表溫度(14～20℃),刺激銅綠微囊藻暴發性生長。

2.4 藍藻上浮機制使其占領最佳生態空間

微囊藻生長期間,其多個個體形成不定型群體,以膠被相連,較大的群體有利于藻體上浮,占領最佳生態空間。程海冬季水華優勢種還能形成偽空泡,使藻體自主沉浮,選擇最佳物理、化學條件。這些競爭策略,都有利于其占據絕對優勢。

3 水華控制對策建議

水華的暴發是湖泊富營養化的表征,是生態系統對富營養化的響應。以銅綠微囊藻為主的冬季水華暴發是程海湖生態失穩、生態功能退化、水環境進一步惡化、富營養化程度加重的結果。因此,程海水華控制需要一個長期的認識和實施過程。借鑒洱?！绑w制保證、機制健全、依法治湖、科學決策、綜合防治、協調發展”的治湖經驗,課題組建議,近期程海水華控制對策為:在建立和完善流域生態系統管理的基礎上,全面推進削減污染物入湖量,增強湖泊生態系統功能。

3.1 建立和完善流域生態系統管理

3.1.1 開展宣傳教育,提高全民的環境意識

要堅持不懈地宣傳和貫徹執行國家和地方環境保護法律法規,增強全民對水體富營養化生態后果,特別是對螺旋藻養殖業危害性的認識。要建立相應機制,督促有關部門制定符合可持續發展的人口、資源、經濟與環境政策,促使各級領導干部帶頭確保相關的政策和措施順利實施,以帶動湖區人民保護家園的自覺行動。

3.1.2 修改完善地方法規體系,加強執行力度

2006年修改通過的《云南程海保護條例》是程海管理法制化的依據,但其中并未解決程海保護與管理條塊分割的現狀。執行過程中,監督、管理不能與計劃、實施實體分開,不能有效監督執行成效,有關富營養化的論述也很少,缺乏相應的行政法規和配套政策。目前為止,條例執行力度也明顯不足,對保護程海起重要作用的“在一級保護區的界線上設置界樁”、“搬遷一級保護區內的永久性建筑和住戶”、“污水達標排放”、“村鎮截污”等措施還未全面付諸實踐。建議近期應重點加強條例執行力度,時機成熟時修改完善條例。

3.1.3 建立程海信息系統,為科學管理程海服務

由于程海的地理位置和地質背景,水體中pH、F-、總硬度、礦化度等含量較高。程海水化學基本類型為重碳酸納組第Ⅰ型水,而云南高原湖泊多為重碳酸鈣組第Ⅱ型水,程海在云南省九大高原湖泊中個性特征突出。因而,在其他湖泊適應的管理方式和治理技術,在程海實施并不一定能取得預期成果。有必要通過持續深入的基礎科學研究,掌握程海氣候、水文、水質以及生態系統的動態變化資料,了解其生態系統的現狀、發育階段和發展變化趨勢,建立集基礎數據庫、圖形庫、模型庫、治理技術庫和效果評估等為一體的信息系統,適應新時期湖泊科學管理的需要。

3.2 削減污染物入湖量

3.2.1 點源污染削減

程海湖區工業污染源類型相對單一,都為螺旋藻養殖廢水。目前生產企業5家,皆分布于湖泊東南部,養殖面積約46hm2。由于螺旋藻養殖過程中使用NaCO3、NaNO3、NH4HCO3、KH2PO4等營養鹽類,因此,螺旋藻養殖廢水具有污染成分復雜、濃度高、廢水排放量大而且不穩定等特點[8]。雖然歷經多次攻關,但要做到水質達標排放或零排放,確實存在實際困難。建議加快推進云南永勝縣螺旋藻養殖廠整體搬遷的工作進度,從根本上保障程海的永續利用和螺旋藻產品的質量安全。

3.2.2 面源污染削減

程海湖面源污染來源主要有:水土流失、村鎮徑流、農田徑流、農田廢棄物、畜禽糞便、垃圾等。水土流失治理方面,針對程海東側劉家河到團山大河的山體中下部劇烈和極強度侵蝕區,東北面的馬鬃山梁子至雞冠山一帶強度侵蝕區,湖周山麓和山體上部中度侵蝕區,應因其各自的特點采用適宜的工程治理與生物治理結合措施,在控制水土流失的基礎上,繼續想辦法提高流域內荒山植被覆蓋率和林地生產率。對于其他面源污染,建議加緊推進已完成的《程海流域水污染實施方案》工作進度,通過系統設計的村落污水收集處理系統、生態公廁、沼氣池工程、村落垃圾收運系統、農田固廢治理、太陽能推廣等項目實施,達到年削減60%～65%面源污染入湖量的工程目標,盡可能避免重蹈污染物一旦進入湖泊,事后治理事倍功半的被動局面。另一方面,太陽能、生物新能源、生物肥料、廢棄物循環利用以及農業產業結構的調整等措施都是控制農業面源污染的重要手段,應積極向縱深推進。

3.3 增強湖泊生態系統功能

湖泊生態系統是一個復雜的綜合體系,它是盆地、面山、水體中的沉積物、各種有機物、無機物遷移、轉化與生物體和生物群落相互作用的綜合反映。程海湖生態系統的演變特征,既有自然環境和歷史原因,又深深印下了近現代人口、社會、經濟、管理、政策、法規乃至科學技術等烙印。因此,增強湖泊生態系統的功能,不僅僅只針對湖泊水體本身,更重要的是整個流域區的社會經濟活動。課題組認為,增強程海湖泊生態系統功能,按程海自然地理條件,可大體上劃分出盆地、面山、水體三個區域,各個區域應采取不同的生態對策。

程海南北盆地區是人口集中區域,該區域應著重于統籌協調人口、資源、環境與社會經濟發展的關系,轉變發展觀念,創新發展模式,提高發展質量,防止環境污染;面山區以生態建設為重點,退耕還林、植樹造林,封山固土,防治水土流失;水體內則以土著魚類種群增殖為核心,建立復雜的食物網結構,通過全流域穩定有序的生態空間結構修復,實現湖泊生態系統整體功能的增強,以使得程海繼續造福于人類。

[1]吳敬祿,蔣雪中.云南程海近500年來湖泊初始生產力的演化[J].海洋地質與第四紀地質,2002,22(2).

[2]吳敬祿,王蘇民.云南程海富營養化過程的碳氮穩定同位素示蹤[J].第四紀研究,2003,23(5).

[3]萬國江,陳敬安.210Pbex沉積通量突然增大對湖泊生產力的指示——以程海為例[J].中國科學D輯地球科學,2004,34(2).

[4]王若南,錢澄宇.程海的藍藻[J].云南大學學報(自然科學版),1987,9(1).

[5]王若南,錢澄宇.程海藻類植物調查研究[J].云南大學學報(自然科學版),1988,10(3).

[6]鄭朔方.銅綠微囊藻生長的營養動力學[J].環境科學,2005,26(2).

[7]周欽.螺旋藻開發對程海水質的影響及對策[J].云南環境科學,1997,16(2).

Characteristics and Origin and Countermeasures of Water Bloom of Chengha iLake in theW inter

DONG Yun-xian1,J IN Yu2,HU Jin-qian3,GUAN Zhao-guo3,HE Xiong-xiang3
(1.Yunnan Institute of Environmental Science,Kunming Yunnan 650034 China)

The occurrence time and distribution and aggregation and dominant species and standing crop of water bloom of Chenghai lake in the winter is revealed.The accumulation of nutrient materials and special hydrodynamic and suitable water temperature and illumination are the main reasons resulting to bloom of Microcystis aeruginosa.There are three controlling measures put forward to decrease the harm of water bloom involving in streng the ningwa-tershed ecological system management and cutting down the discharging amount of the pollutants into the lake and promoting the ecological system function.

characteristics ofwater bloom;origin;control;winter;Chenghai

X52

A

1673-9655(2010)03-0028-04

2010-03-08