湖泊水華暴發原因解析與防控措施

高翔，姜霞

湖泊水華暴發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修復技術國家工程實驗室； 國家環境保護湖泊富營養化控制與生態修復重點實驗室，北京 100012）

湖泊在中國的社會經濟發展中起著至關重要的、不可替代的作用，在當前湖泊生態保護領域，比較突出的問題是富營養化。水華是湖泊富營養化的主要表現形式，嚴重地影響了水資源的利用和使用。調研了引起和導致湖泊富營養化和水華暴發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化和水華防控的對策，以期保護和恢復湖泊健康的生態系統，促進其可持續發展。

湖泊；富營養化；水華；生物學因素

1 湖泊富營養化和水華發生現狀

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

湖泊在中國社會經濟發展中起著至關重要的作用，提供了全國1/3的飲用水，支撐了1/3的工農業產值和1/4的糧食產量。同時在調節洪水、發電、氣候調節、動植物生物多樣性保障和休閑娛樂等方面發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量由2015年的62個增加到現在的112個。根據2017年中國生態環境狀況公報，112個重要湖泊（水庫）中，Ⅰ類水質的湖泊（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。109個監測營養狀態的湖泊（水庫）中，貧營養的有9個，中營養的有67個，輕度富營養的有29個，中度富營養的有4個。

2 水華發生的影響因素

對于水華爆發機制，生物學方面是正常與非正常功能涉及的內在影響因素，同時，也包含生理需求、營養競爭以及食物鏈生態等因素；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。水華暴發是多因素共同作用而產生的生態學現象。

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，強化對浮游藻類結構的影響，同時影響其季節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結構，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構組成，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，即便處于營養豐富的環境中，能夠借助自身成長，實現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環境中不可或缺的組成部分，也是初級生產者的一種，能夠與浮游藻類展開競爭，目的是爭奪更加優質的生存條件，如光照、營養以及環境等，同時，二者產生他感作用，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，實現對其他生物的抑制。對于這些物質，分子量不大，結構不復雜，是次生代謝物，主要涉及酒精、有機酸等。這種物質借助自身揮發、根系分泌等，與環境接觸，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）與湖泊磷循環關系緊密。一旦磷營養匱乏，浮游藻類等就會在誘導功能的影響下，出現大量磷酸酶，在其催化作用下，對水中有機磷進行水解，無機磷被釋放。如果磷營養豐富，就會有效抵制磷酸酶的合成。結合研究發現，對于海洋中初級生產力消耗的營養元素，大部分來自于再循環，同時，這部分磷、氮等主要源于原位。隨著藻類生長加快，磷酸鹽含量也持續上升，堿性磷酸酶的誘導機制能夠實現對湖泊水體藻類生長的有效抑制。

2.2 水華發生的非生物性影響

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生長環境，因此，在夏季與秋季容易爆發。當水溫度低于15 ℃時，硅藻是磷的優良競爭者，顯示其最大的資源競爭優勢；當水溫高于20 ℃時，藍藻是氮的優良競爭者，表現出最大的競爭潛能。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量變化也有影響，水體的分層會加速藻類的繁殖生長。結合水溫的差異，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、光照以及營養含量的差異，水體垂直方向呈現階梯分布狀態，使得在湖泊水柱縱向上出現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正比例關系；如果光強處于飽和，速率維持平穩狀態，如果光強一度增大，光抑制隨之出現，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不同的參數。例如，海洋環境中，適合強光強的是甲藻，硅藻優越于綠藻?；诘Y源，適合低光強環境的是藍藻，主要源于其對維持能量的需求不大，其能夠在低光照環境中獲得最大生長優勢。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。結合瑞典湖泊調查發現，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有很大關系。其中，浮游藻類種類最大值出現在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，綠藻大多出現在pH＞6.2的水體中，藍藻則喜歡在高pH（8.0以上）的環境下生長。水體pH值與水華生消密切相關，藍藻生物量與pH有著顯著的相關關系。依托適宜的營養物質，加之適宜的條件，pH值為8的時候，水華出現。在水華暴發之后，即便pH值已經與藻類生長環境不相適應，藻類自身的適應性也會進行調節，促使水體pH值轉向偏堿性范圍，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物質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將其氧化分解消耗。溶解氧是反映污染水平、污染程度的關鍵指標。富營養化和水華暴發水體中，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，水體水質惡化。

氧化還原電位（Eh）：Eh作為土壤、水體、沉積物等環境條件的一個綜合性指標，已沿用很久，它表征介質氧化性或還原性的相對程度。Eh與氧分壓有關，也與pH有關。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，需要保證湖水相對靜止，同時，藻類生存環境具有一定穩定性。一旦出現風浪，誘發水位波動，很難維護藻類正常分布狀態。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關系緊密。通常情況下的分布規律是沿岸帶＞河口區＞敞水區。

2.2.2 營養鹽的影響

氮：在湖水中，氮主要以五種形態存在，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。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，目的是有效應對水體磷供應不足的問題，維護細胞的可持續生長。藻類種類的差異會對磷吸收機制以及要求產生影響。在低溫環境中，硅藻是磷競爭者，微囊藻很難實現在磷限制水體中的生長。浮游藻類的季節演替是磷限制影響的結果。

氮磷比：對于不同的浮游藻類，其相對豐度取決于環境中氮、磷的相對含量。對于綠藻目的藻類，氮磷質量比逐漸升高，最終成為最優。當前，針對氮磷比的使用，更多應用在湖泊與水庫藍藻優勢問題上?？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展速度，由此獲取其在氮磷較低水平下的優勢。水華藍藻的優勢體現在TN∶TP低于29的時候，氮磷比的提升是誘發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，氮磷以外的營養元素或者其他環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，呈指數級增長。鐵的限制以及施壓都能夠對水體浮游藻類優勢種和浮游藻類群落組成情況產生影響。POLLINGHER等研究發現，在增加鐵的作用下，浮游藻類種類的組成發生改變，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，成為浮游藻類的優勢種，從而改變了浮游藻類群落結構。

3 人類活動影響解析

3.1 湖泊的自然演化與人為影響

對于湖泊富營養化現象，分為兩種情形：天然富營養化以及人為富營養化。前者體現的是生命史的必然，體現的是生命體一個完整的生命周期，是一個天然的過程，在這種自然狀態下，這種富營養化演變速度很慢，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，誘發水體幾年的時間能夠由貧營養狀態變換為富營養狀態，從而發生富營養化現象。隨著工業化革命和現代生活方式的發展，富營養化問題是當今世界面臨的最主要水污染問題之一，富營養化已經不僅僅出現在湖泊中，還出現在水流交換的河流、水庫和河口等區域?？v觀全球湖泊污染特征，人類頻繁活動會誘發水體變換，納污規模加劇，水體富營養化形勢嚴峻。

3.2 中國湖泊生態環境保護壓力

中國湖泊生態環境保護面臨的壓力主要包括以下幾方面：①近年來社會經濟快速發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利用，特別是圍湖造田、維護造地等行為，加速了湖泊生態系統的退化速度；③過度開發利用水資源，導致下游生態基流難以保證，江湖聯通阻斷、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，加劇了湖泊生態環境生態用水壓力，加速了生態系統的退化；⑤國家湖泊環境監管能力不足，科研基礎薄弱，特別是對于欠發達區域和深水型湖泊的富營養化與水華發生機理研究極度匱乏。

3.3 水華暴發的人為原因

人類對湖泊富營養化和水華暴發的影響主要是由于過量營養物質通過地表徑流、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，湖泊周邊農藥、化肥等的應用也是增加營養鹽含量的關鍵因素。在水產養殖業中，餌料的大量使用使得湖泊水質很難維持良好。在高氮磷污染底泥中，營養鹽釋放加速使得湖泊富營養化現象加??；在城市以及農村，地表面源污染隨暴雨徑流快速進入湖泊水體，營養鹽的快速升高導致湖泊富營養化；水利工程閘壩建設改變了湖泊水體原有的水動力循環過程，延長了營養物質的水力停留時間，也促使湖泊富營養化和水華的規?；┌l。

4 防控水華措施

要想從根本上解決湖泊富營養化和水華問題，首先要從全流域系統考慮，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，開展源頭控源減排、過程生態攔截、湖體生態恢復和流域環境監管，制定系統性、整體性的解決方案來實現水質保護目標。就湖體水華防控方法來講，目前的主要方法有四大類：控制營養鹽、直接去除藻類、生物調控和生態修復工程；此外建立一體化的流域污染源排放、水質自動監測和水華衛星遙感解譯聯合監測、預警、管理和決策平臺，也是提早發現問題、提早解決問題的有效手段。

4.1 營養鹽控制

在富營養化防治工作中，十分常見的手段是對水體營養鹽濃度進行控制，有效減少外源負荷以及內源負荷。實踐表明，湖泊富營養化之所以日益嚴重，與外界豐富的營養性物質的進入關系緊密。要想有效減少外部營養鹽輸入量，需構建統一的營養物質排放標準與水質標準；結合湖泊環境現狀，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，主要結合除磷脫氮功能的廢水生物處理新技術；要有政府約束性對策；有效控制內源性營養物質釋放，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生，易產生負面影響。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 生物調控

對于生物調控措施，其成為營養鹽控制的重要替代技術類型，以生物群落的重建為基礎，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，也可以發揮食藻魚的作用，控制藍藻水華?？稍诟粻I養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物質，實現對浮游藻類植物的有效抑制。除此之外，構建良好的水生生態系統，包括以藻類、高等水生植物為主的初級生產者，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化的同時，增加生物產量，是一種較好的控制富營養化現象發生的方式。鑒于湖泊生態系統的復雜性，要準確界定生物數量與比例，有效發揮水生生物的功能是十分關鍵的。

4.4 生態修復工程

對于生態修復工程，其在修復富養化湖泊生態系統中占有舉足輕重的地位，對維護與修復局部生態系統意義重大。從本質上講，在湖泊富營養化治理工作中，主要目標是對生態系統結構進行修復，維護其自身完整性。對于非點源污染，有效發揮濕地生態系統在湖泊周邊以及湖區之間的作用，利用其在化學以及水文緩沖方面的作用，有效保護湖區水質。根據當前研究結果，針對富營養化水體，完整恢復生態系統的難度較大，且從生態系統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系統的影響的相關資料不多，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〕