星云湖藻類發展趨勢及其資源化利用可行性研究

祁云寬，劉紹俊，劉 宇，李蔭璽

(玉溪市環境科學研究所，云南玉溪 653100)

浮游藻類是湖泊生態系統生產力的基礎［1－2］。星云湖近年持續暴發藍藻，藻類大量死亡后，藻體在腐敗、被分解的過程中，消耗水中大量的溶解氧，并會上升至水面而形成一層綠色的黏質物，使水體嚴重惡臭并發酵釋放污染物，從而影響湖泊水質，水體富營養化進程加快，透明度下降，湖泊生態系失衡，多種生態服務功能散失。1989年以來玉溪市環境監測站對星云湖浮游藻類進行了連續監測，積累了比較系統的監測資料。2011年由南京地理與湖泊研究所設計的大型仿生式除藻船在星云湖下水運用，并開展了相關除藻控藻效益研究。筆者在對以上資料進行系統分析研究基礎上，揭示星云湖表層水體中浮游藻類數量的發展趨勢，調查分析湖區藻類分布狀況及資源量、大型仿生式除藻船藻類清除量，分析研究星云湖流域藻漿資源化利用可行性，為更深入研究和進行生態管理，開展星云湖藻類處置及污染控制提供基礎資料。

1 研究背景與方法

1.1 研究區域介紹 星云湖位于云南省玉溪市江川縣境內，地理坐標為102°45'～102°48'E，24°17'～24°23'N，屬珠江流域南盤江水系的源頭湖泊。湖面呈茄形，南北長9.087 km，東西寬4.727 km，湖周長38.8 km，最大水深10.81 m，平均水深6.01 m，當水位為1 722.5 m高程時，湖面積為34.329 km2，湖泊蓄水量為 2.098 1 億 m3［3］。現行運行水位 1 721.5～1 722.5 m，歷年最高水位 1 723.11 m，最低水位 1 720.56 m，最大變幅 2.55 m，年內變化 0.73 ～1.68 m，補給系數10.9，湖水主要靠地表徑流和湖面降水補給。

2000年前星云湖水質較好，處于Ⅲ類水質狀況。2000年后，全湖水質迅速下降為Ⅳ、Ⅴ類，2003～2013年基本已處于V 類與劣Ⅴ類，TN、TP、CODMn、BOD5、TLIc及綜合污染指數總體呈上升趨勢，2012年星云湖TLIc突破70，為70.16，水體達到重度富營養狀態。

1.2 分析方法 研究采用了1991～2013年連續監測資料［4］，并引用了大型仿生式除藻船研究課題監測資料。藻類數量的年度統計資料采用3個采樣點上3次采樣分析的算術平均值。

2 結果與分析

2.1 星云湖藻類生物量發展趨勢 經歷年調查資料分析，星云湖2000年開始暴發藍藻，主要出現在星云湖湖灣，湖面還沒有大面積出現，以后每年4～11月周期性暴發。2002年5月星云湖藍藻大面積暴發，全湖水面出現水華，特別是湖面下風向湖灣大量藻體堆積。2002年后至今浮游植物生物量發展趨勢較快，最大值為2006年1 228.89萬個/L，湖面水華暴發頻率增大。星云湖浮游植物生物量的組成主要為藍藻門，藍藻暴發期間藍藻門類的生物量占藻類總生物量的80%～90%以上，而優勢種銅綠微囊藻又占藍藻生物量的80% ～90%以上，星云湖浮游植物生物量總體呈上升趨勢。星云湖浮游植物總量與水體葉綠素a濃度呈顯著相關關系［5］，湖水葉綠素a濃度隨藻類數量增加而升高，水體迅速富營養化，透明度(SD)多年呈下降趨勢(圖1)。

2.2 星云湖藻資源量調查分析

2.2.1 湖區藻類分布及資源量。星云湖地處北回歸線低緯度、高海拔地帶，屬亞熱帶西南季風氣候，湖區常年主導風向為南風，風頻11%，其次是西南風，年平均風速1.8 m/s，靜風率36%。受常年主導風向、湖區局地風及湖岸帶形狀影響，湖面漂浮藻類主要集中分布于北半湖區，即漁村河河咀與螺螄鋪河河咀連線以北湖區，且呈向西北湖灣區聚集之態(圖2)。

圖1 星云湖浮游植物及優勢門類數量的發展趨勢

圖2 星云湖漂浮藻類分布示意圖

西北部湖灣湖面面積3.25 km2，漂浮藻類平均厚度約5 mm，共16 250 m3;北半湖西北湖區湖面面積9.28 km2，漂浮藻類平均厚度約2 mm，共18 560 m3;北半湖東南湖區湖面面積4.64 km2，漂浮藻類平均厚度約1 mm，共4 640 m3;除西北部湖灣外，其余湖岸線至湖面100 m區域，岸線29 km，面積2.9 km2，漂浮藻類平均厚度約3 mm，共8 700 m3。湖面漂浮藻漿共計48 150 m3，折合藻鮮重(無自由水狀態)為7 704 t，干重 404.46 t。

2.2.2 大型仿生式除藻船藍藻清除資源量。分別對大型仿生式水面藍藻清除設備進出水及藻漿進行采樣分析，結果表明，除藻船進、出水口水體平均藻體含量(鮮重，無自由水狀態)分別為26.04、9.29 g/L，即平均除藻率為16.75 g/L;藻漿自然風干試驗得出其含水率為99.16%，藻漿樣品經沉淀、藻水自然分離后，上層藻體所占體積比約為40%，上層藻體約含60%自由水，藻體鮮重(無自由水狀態)平均約為160 g/L。大型仿生式除藻船2011年在星云湖下水運行，主要在藍藻暴發的夏秋季節進行作業，年平均清除量為1 684 m3，折合藻量(鮮重，無自由水狀態)為 269.44 t，干重 14.15 t。

2.3 星云湖藻漿資源化利用可行性分析

2.3.1 藻漿營養成分豐富。經藻漿自然風干后藻體營養物質含量分析，各營養物含量有機質67.88%、全N 5.494%、全P 0.690%、全K 0.805%。相比較常規濕地植物及農作物秸稈，藻體營養物質含量較高，其中全N含量高出近5倍，全P含量高出近2倍，可見藻漿營養成分明顯(表1)。試驗分析平均每升藻漿中含有干藻體8.409 g，按除藻船年平均清除1 684 m3藻漿計算，每年清除湖泊內源污染負荷有機質9.62 t、TN 0.77 t、TP 0.101 t。藻漿發酵過程發生硝化與反硝化作用，發酵完全后，發酵液水體變為中性，浮游藻類全部死亡，N、P及有機污染物濃度較高，其中NH3-N 599.66 mg/L、TN 694.38 mg/L、TP 51.95 mg/L、BOD52 573.5 mg/L、CODCr5 725.0 mg/L，可集中利用率大，生物降解及化學降解的有機物隨著時間的推移被逐步分解并釋放能量，而N、P等指標濃度值則變化不大。藻漿發酵產生的這些營養物濃度值遠遠超出了湖水濃度值，不打撈利用，將對湖水形成較大污染(表2)。經藻漿發酵后過濾藻渣樣分析，各營養物含量有機碳37.1%、全 N 0.471%、全 P 0.639%、全 K 0.591%。可見藻漿發酵后，藻體中以有機物、氮為主的營養物大部分已被轉化分解至發酵液中。

表1 大型仿生式除藻船藻漿營養成分分析(采樣日期2012年11月8日)

表2 發酵藻漿過濾液營養成分分析(制樣日期2014年8月5日)

2.3.2 藻漿資源化利用無顯著生態安全風險。經藻漿自然風干重金屬成分分析，對照《土壤環境質量標準》(GB15618－1995)表1Ⅱ類土壤環境質量二級標準限值，主要評價指標汞、鎘、鉛、銅、鋅、鎳、砷均達標;參照《中國土壤元素背景值》研究報告，除硒(人體所需微量元素)外，其各種元素均低于云南省及全國土壤元素算術平均值(表3)。總體來看，藻漿資源化利用無明顯重金屬污染方面的生態安全風險。

表3 星云湖藻漿風干樣重金屬成分分析 mg/kg

2.3.3 湖區農業生產方式有利于消化利用藻漿。星云湖藻漿打撈供應量充足，作為有機肥利用可緩解藻漿后續存放處置問題。星云湖沿湖主要為水田，土地集約化利用程度高，農業配套設施漚肥池建設逐漸普及，農民對藻漿的使用有一定的認識，認為藻漿有一定的肥效，可利用漚肥池進行儲存，混與農作物秸稈及畜禽糞便進行發酵后用于農作物澆灌或用作農田基肥，施用方便，肥效較好。

2.3.4 藻漿在星云湖區具有很好的資源化利用前景。相關研究表明，藻漿發酵后沼液中含有豐富尿素、過磷酸鈣及氯化鉀，含有豐富的游離態氨基酸，是發展有機農業的優質肥料。目前星云湖人工圈養及散養水葫蘆共有182.7 hm2，每年打撈2/3，可打撈水葫蘆鮮重4.1萬t;星云湖退田還湖建設湖濱帶預計每年收割濕地植物殘體鮮重1.93萬t;星云湖大平地山地每年種植的農作物秸稈鮮重0.35萬t;星云湖通過“大型仿生式除藻船”每年6～10月打撈藍藻0.18萬t。通過進一步開展資源化利用研究，將以上資源按不同比例組合發酵每年可生成有機肥近2萬t，形成星云湖區廢棄物資源化循環利用模式，對改善星云湖生態環境，促進湖盆區產業結構調整，發展生態農業及觀光農業具有很好的促進作用。

3 結論

星云湖2000年開始暴發藍藻，以后每年4～11月周期性暴發，對星云湖水生態系統產生顯著影響。星云湖藻類生物量多年呈增長趨勢，湖水葉綠素a濃度隨藻類數量增加而升高，水體迅速富營養化，透明度多年呈下降趨勢。湖區藻類主要分布于西北湖灣，藻漿量共48 150 m3，鮮重7 704 t，干重404.46 t;除藻船年平均打撈藻量共 1 684 m3，鮮重 269.44 t，干重14.15 t;藻漿藻體鮮重約為160 g/L;藻漿含水率約為99.16%。星云湖流域藻漿資源化利用具有一定可行性，主要體現為藻漿營養成分明顯，營養物含量有機質67.88%、全N 5.494%、全 P 0.690%、全 K 0.805%，發酵液 N、P 及有機污染物濃度較高，其中 NH3－N 599.66 mg/L、TN 694.38 mg/L、TP 51.95 mg/L、BOD52 573.5 mg/L、CODCr5 725.0 mg/L，可集中利用率大;藻漿無顯著重金屬污染風險;星云湖湖區農業生產方式有利于消化利用藻漿;藻漿在星云湖區具有很好的資源化利用前景。

［1］李蔭璽，陸婭，劉紅，等.撫仙湖浮游植物發展趨勢分析［J］.湖泊科學，2007，19(2):223 －226.

［2］楊紹聰，呂艷玲，沐嬋，等.漂浮植物對入星云湖河水的凈化效應分析［J］.西南農業學報，2014(6):2580 －2585.

［3］海軍南海工程設計院勘測隊.2002年星云湖地形勘測結果［R］.2002.

［4］玉溪市環境保護局.玉溪市環境質量報告書(1991－2010年度)［R］.1991－2010.

［5］秦潔，吳獻花，吳斌，等.星云湖浮游植物和水環境特征研究及相關性分析［J］.環境科學與技術，2012，35(6):46 －50.