2007—2020年太湖藍藻持續暴發影響因素分析

吳林鋒 朱 云 朱 喜

(1.無錫市河湖治理和水資源管理中心，江蘇 無錫 214021； 2.無錫市水利工程管理中心，江蘇 無錫 214021； 3.無錫市水利局，江蘇 無錫 214021)

2007年5·29太湖供水危機[1]后，中央和地方各級黨委和政府高度重視治理太湖，投入巨資，采取控源、清淤、調水、打撈水面藍藻和生態修復等措施，取得了良好階段性成果：確保供水安全，富營養化程度減輕，消除藍藻暴發引起的不良視覺和嗅覺效果。但太湖藍藻密度仍持續升高、藍藻年年持續暴發，此現象值得深思、研究。

藍藻長期持續暴發涉及因素很多。據實地調查和收集2007—2020年太湖有關資料，初步分析太湖藍藻暴發關鍵因素為三類：富營養化、藻密度升高、水溫高(自然因素代表)[2]。分析如下。

1 富營養化是藍藻持續暴發的基本原因

富營養化是人類活動對自然水體干預的總體結果。人為干預具有升高與降低營養程度兩方面效果：升高營養程度主要是由于人口密度增加和社會經濟持續發展致入水污染負荷增加；降低營養程度是由于采取控源、清淤、調水、打撈水面藍藻、生態修復等措施減少污染負荷。此兩方面因素的綜合決定了水體富營養化狀況。

1.1 富營養化是藍藻持續暴發的基本因素

富營養化使藍藻生長繁殖具有足夠營養源，是藍藻暴發的基本因素，只要富營養化程度在一定范圍內均可導致藍藻暴發，不受期間TP、TN濃度升降的影響。

1.2 影響富營養化的主要是人為因素

富營養化主要是人為不合理干預自然的結果。使大水體從貧營養轉變為富營養，單純自然因素需漫長時間(通常為上千年)。而人為因素，在現代社會經濟發展、城市化和大規模工業化進程早中期，甚至只需10～20年或更短時間。如太湖北部梅梁湖是在20世紀80年代的10年中進入富營養化的。

1.3 太湖營養程度變化歷程

太湖在20世紀80年代中期前為中營養，更早則為貧營養[3]；梅梁湖20世紀80年代后期逐步進入富營養，且越來越嚴重。至21世紀太湖全面進入富營養，大部分為中等富營養，梅梁湖、竺山湖等水域曾達到重度富營養，2007年5·29供水危機時貢湖局部范圍達到異常富營養，連藍藻都難以生存，導致藍藻不暴發[3]；2007年后富營養化程度呈逐步減輕趨勢，富營養化指數從2007年的62.3減輕為2020年的60.4，其中主要是TN濃度降低。2020年太湖平均為中等富營養，其中貢湖、東太湖為輕度富營養。

1.4 太湖TP、TN變化

水體富營養化程度取決于受外源和內源污染程度，下面以TP、TN兩項指標為例加以說明。1981—2007年太湖營養程度總體呈增加趨勢，期間有波動。

TN，從1981年的0.90mg/L升至2004年最高值3.57mg/L；2005—2006年略有下降；2007—2020年，由于加大治理太湖力度，環境容量有所增加，藍藻密度持續增加，致使太湖TN呈持續下降趨勢，全太湖均值從2.35mg/L[4-6]下降至1.48mg/L，削減37%。

TP，1981—1996年持續升高，從0.025mg/L升至0.134mg/L；1997—2006年在0.100mg/L上下波動；2007—2020年，TP基本持平，均為Ⅳ類，其中，2008—2012年均低于2007年的0.074mg/L，2015—2019年則均高于2007年(見表1)。其中2020年較2007年，湖心、東太湖分別升高9%、20%[4-5、7]。影響藍藻暴發的營養元素除TP、TN外，還包括有機質、重金屬和微量元素等，具體有待進一步研究。

表1 太湖年均TN、TP濃度 單位：mg/L

1.5 富營養化的主因

大水體形成富營養化的主因很多，包括外源、內源、藍藻、換水率、濕地等因素。

1.5.1 外源污染

外源污染是水污染和富營養化的主要來源，主要指標TP、TN的治理速度趕不上區域污染發展速度。

2007—2020年環太湖城市GDP增加2.44倍，人口增加31%，污染負荷隨之大幅增加，雖大力治理外源污染，但削減TP速度慢于污染發展，致環湖河道入湖TP負荷略有升高，2020較2007年增加6%；13年中河道入湖TP負荷有10年大于2007年的0.184萬t，其中2011、2016年達到0.25萬t，增加36%(見表2)。太湖TN濃度2007年后持續下降，但距太湖水功能區目標的Ⅲ類(東部Ⅱ～Ⅲ類)尚有相當距離。

表2 環太湖河道入湖污染負荷 單位：萬t

入湖污染物主要來自西部和南部入湖河道，其污染源主要為點源(污水廠、生活、工業、規模畜禽養殖業4類)和各類面源。

目前亟待解決的是降低太湖TP濃度。現對環太湖各水資源分區入、出湖河流TP濃度與負荷變化分析如下：

a.入湖TP平均濃度。環太湖河流入湖TP濃度多年平均值為0.189mg/L，明顯高于出湖的0.079mg/L，入湖TP負荷多年平均值為2206.51t，高于出湖873.73t；2016年豐水年入、出湖及凈入湖TP負荷均最高，分別為2993.90t、1341.10t、1652.80t。其中入、出湖TP負荷差值即為太湖自然凈化值。

b.湖西區河流入湖TP濃度多年平均為0.226mg/L，浙西、武澄錫虞區河流出湖TP濃度分別為0.114mg/L、0.109mg/L。其中湖西區入湖TP濃度最高。

c.湖西和浙西區入湖TP年負荷多年平均值分別為1748.70t和278.60t，入湖TP負荷占總入湖負荷比重，湖西區超68%，浙西區為7%～19%，說明湖西區以入湖TP負荷為主；太浦河出湖TP年負荷多年均值272.27t，自2014年起其占出湖TP年負荷比重均超30%。

1.5.2 內源污染

太湖內源污染來自底泥、藍藻和生物死亡殘體等，主要由外源沉積或轉化而成。近年由于藻密度持續升高、藍藻持續暴發，太湖內源污染逐步轉變為以藍藻為主。藍藻每年上百次的生死循環，增加了水體、底泥中的TP、TN和有機質等污染物。同時大量死亡藍藻的耗氧促進底泥的厭氧反應，加快TP、TN特別是TP的釋放。故多年來外源污染根子已延伸至湖中，年年持續暴發的藍藻已成為太湖污染的內部根子、主要內源，致TP降低滯緩或甚至升高。

太湖自2007年來進行多次局部清淤，合計清淤4200萬m3，其減少TP、TN和有機質的效果受到藍藻持續暴發影響。期間太湖各水域藻密度增加3～22倍，致水體和底泥中TP、TN和有機質增多，污染加重，氮元素可進入大氣，磷元素則留在水體、底泥或為生物吸收，同時底泥的厭氧反應增加底泥的磷釋放，相當于削弱控源減磷效果。

1.5.3 藻密度持續高位運行影響TP、TN濃度

2006年前，太湖TP、TN濃度總體呈升高趨勢，藻密度隨之持續升高，藍藻暴發日益嚴重。

2007年供水危機后，太湖TN濃度持續下降，藍藻暴發程度依然嚴重。2007年、2020年，太湖TN分別為2.35mg/L、1.49mg/L，下降37%。TP基本持平：2007年、2020年分別為0.074mg/L、0.073mg/L，期間在0.062～0.087mg/L間波動，其中2015—2019年的5年間較2007年升高，2019年升高幅度曾達到14%。究其原因是藻密度持續升高，從2009年的1447萬個/L上升至2020年的9200萬個/L，其中有2年的密度超過10000萬個/L(見表3)。藻密度持續升高致使TN持續降低，并阻滯TP降低或甚至使其升高。

表3 太湖歷年藻密度 單位：萬個/L

1.5.4 濕地減少

由于水污染、圍墾湖灘地、最低水位提高等原因使大片蘆葦地和沉水植物消失，植物型濕地減少超300km2，太湖植被覆蓋率減少一半以上，致水體自凈能力減小，抑制藍藻生長繁殖能力減弱[8]。

2 藻密度升高是藍藻持續暴發根本原因

藍藻暴發須有相當密度種源種群存在，藻密度高即是種源密度高，是藍藻暴發的根本因素。藻密度高代表著客觀自然因素和人為不合理干預自然因素的總體結果。藻密度持續升高，可持續降低TN及阻滯TP濃度下降或甚至升高TP；反之藻密度較大幅度降低(位于某一限值內)可降低藍藻暴發程度，降低TP濃度，仍然能降低TN。藻密度高位運行，若藍藻大量升至水面則為藍藻暴發，若大多未升至水面則無藍藻暴發。

2.1 歷年藻密度變化與藍藻暴發

歷年藻密度變化可分為三階段，總的是藻密度持續升高使太湖藍藻連年持續暴發。

2.1.1 1987—2007年

此階段開始時藻密度很低，太湖藍藻基本不暴發，之后藻密度持續升高，藍藻種源種群數量日增，太湖藍藻開始規模暴發，規模日益增大，2007年單次藍藻暴發最大面積達到1114km2，以致引發藍藻暴發，造成“湖泛”型供水危機[1]。

2.1.2 2008—2019年

此階段藻密度持續升高，由2009年1447萬個/L增加至2019年12500萬個/L，增加8.64倍，藍藻暴發呈高位波動運行，其中2017年單次藍藻暴發最大面積達到1403km2，為2007年的1.26倍[4]。

2.1.3 2020年以后

2020年藻密度為9200萬個/L，較2019年降低26%，單次藍藻暴發最大面積由2019年的977km2降為2020年的823km2，下降16%[4]。2020年起該階段可能發展趨勢：一是若干年后藻密度再度回升；二是藻密度持續下降至很低程度，不再回升，太湖全面消除藍藻暴發。具體要根據進一步治理太湖的力度和采取的綜合治理措施決定。

2.1.4 太湖各水域藻密度總體呈升高趨勢

2020年與2009年藻密度比值：湖心19.18倍，東部沿岸22.83倍。所以這兩個水域，原藍藻基本不暴發，2019—2020年藍藻暴發程度均有所加重。

2.2 藻密度升高主因

水體中存在藍藻種源，在富營養化等相關生境情況下，加快藍藻增殖速度，藻密度升至一定程度就會使藍藻暴發。

2.2.1 富營養化

富營養化是藻密度升高基本因素，營養程度只要能滿足藍藻生長繁殖的基本需求，藻密度即可能升高，基本不受TP、TN濃度在一定范圍內的波動影響。如2007—2020年TN持續下降37%，但藍藻暴發一直在高位波動運行，主因是藻密度已達到相當高程度，持續削減后的TN仍能滿足藍藻暴發的營養需求。說明現階段藍藻暴發影響因素中，藻密度升高已大于富營養化。

如2007年后，入湖TP、TN負荷上下波動較大，2020年較2007年河道入湖負荷TN僅減少3%，但太湖TN濃度持續下降37%，太湖TN濃度下降的速度為河道入湖負荷TN減少速度的11.90倍。TP濃度基本持平。如2011—2013年入湖TP負荷從每年0.250萬t持續下降至0.181萬t，但太湖TP濃度由0.066mg/L反而升高至0.078mg/L(見表1、表2)，其原因為藍藻密度大幅增加，致使TP濃度升高。

2.2.2 合適的生境

藍藻生長繁殖、密度升高需有合適生境，包括富營養化程度、以水溫為代表的自然因素。

3 水溫是影響藍藻暴發的自然因素

世界氣溫幾十年來持續緩慢升高，水溫隨之升高。水溫高是升高藻密度、加大藍藻暴發程度的主要自然因素。

3.1 水溫是影響藍藻暴發的自然因素的代表

水體溫度高是影響藍藻暴發的自然生境的代表。其他自然因素包括氣候、水文水動力、生物種間競爭等。

氣溫僅對浮于水面及至水下20cm間的藍藻產生直接影響，對水體中藍藻特別是距水面50cm以下的一般無直接影響。如冬春季節水底藍藻休眠、復蘇期主要與水溫有關，與氣溫無關。

3.2 水溫與藍藻暴發四階段

在藍藻種源、種群較多和水體營養程度達到一定值的情況下，一年四季中由于水溫等自然因素不同，藍藻分為休眠、萌發蘇醒、生長繁殖、聚集暴發四階段。其中聚集暴發包括首次暴發、持續暴發、衰退三個時段[9]。一般如下：

a.上年12月下旬—當年2月水溫較低，多年日均水溫不超過9℃，為藍藻休眠期，藍藻大部分存于水底，部分存在水體。此階段水溫是決定藍藻存活率高低的原因之一。

b.3月水溫升高至9℃或以上，多年平均日水溫達到11.6℃，藻類、藍藻先后開始萌發復蘇。此階段水溫是決定藍藻萌發率的主因。

c.4月至5月初，溫度升高，藍藻萌發復蘇后加快生長增殖速度，此時多年日均水溫為17～22℃，此階段若天氣晴好，如2008年、2009年、2010年分別在4月3日、4月29日、4月30日藍藻就首次暴發。此階段非藍藻藻類或非微囊藻藍藻相對較多。

d.5—10月，為一年中水溫較高或最高階段，多年日均水溫超20℃，其中7—8月最高超28℃，個別日超34℃，為藍藻持續暴發期。其中日均溫度超25℃，由于藍藻的耐高溫性，其生長繁殖速度快，致藍藻形成優勢或絕對優勢種；水溫超30℃最易引起藍藻大規模暴發。至于適宜藍藻生長繁殖暴發的最高水溫限值尚不清楚。

e.11—12月上半月，水溫降低，多年日均水溫為14.8～9.0℃，藻類生長繁殖速度減緩，為藍藻暴發衰退期，一般不出現較大藍藻暴發。

f.由于每年溫度、營養等系列生境有差異，故每年藍藻休眠、萌發、生長、暴發、衰退的4階段(6時段)有早晚和長短差異，藍藻進入水體、水底和復蘇比例有差異。

3.3 水溫高是藻密度高、藍藻暴發的必要因素

3.3.1 每年水溫對藍藻生長的影響

水溫是藍藻最重要的自然生境之一，水溫高對藍藻的影響主要指：?冬春季節水溫高使藍藻的存活率、萌發率升高，有利于年內的藻密度升高和藍藻暴發；?年(月)平均日水溫高使藍藻生長繁殖速度相對較快，暴發程度相對較嚴重；?水溫或氣溫夏秋季長期過高，特別是氣溫超過40℃則不利于藍藻暴發，此時可能較多藍藻隱于水下而不升至水面，此情況有待進一步研究。

3.3.2 藍藻每年第一次暴發時間主要決定于水溫

如2007年3月的日均水溫較2006年同期高1.51℃，特別是3月上旬的日均水溫達到12.62℃，較2006年同期升高3.07℃，致使2007年3月29日藍藻就首次暴發，較2006年提前1個月。

3.3.3 水溫高致藍藻暴發持續時間長、暴發面積大

太湖2006—2018年平均日水溫為18.13℃，月均日水溫最高為8月的29.00℃，最低為1月的6.27℃；年均日水溫最高為2018年的19.10℃，最低為2011年的17.20℃；日均水溫最高為2017年7月24日的34.40℃，最低為2008年2月2日的0.20℃。

如2006年、2007年日均水溫分別為18.65℃、19.29℃，較2008—2010年期間的日均值明顯偏高，所以這2年的藍藻累積暴發面積、最大暴發面積均相對較大，特別是2007年的累積暴發面積較后3年增加1～2倍。2006年以前，太湖藍藻每年暴發時間長度一般為5～8個月。從2007年開始，藍藻暴發時長超過10個月，其中2015年、2017年更達到12個月，因藍藻密度基數高，就是在水溫相對較低的月份，只要水溫在藍藻能維持的生長區間，如達到或接近9℃，藍藻仍可暴發。

2007年前太湖藍藻最大暴發面積，一般發生在氣溫最高的6—10月間。2007年后由于藻密度持續升高，只要水溫及生境適合，年內太湖藍藻暴發的單次最大面積可能在5—11月間的任何一個月發生，如2006—2020年的15年中，發生在5月的3次、7月2次、8月4次、9月3次、11月3次。其中，太湖歷史最大單次暴發面積1403km2發生于2017年。

3.3.4 冬季水溫高致藍藻暴發

近幾年，由于冬季水溫較往年有所升高，使藍藻存活率升高、藻密度升高，藍藻暴發期延長，原藍藻不暴發的12月、1月也發生藍藻暴發。如2013年12月10日藍藻暴發面積達982km2，其原因是暴發前6天均為多云、晴，無大風，最高氣溫由9℃升高至15℃，有利于藍藻快速生長繁殖，加之藻密度較高，年均藻密度超4000萬個/L；2018年1月17日暴發面積達到390km2，其原因是暴發前8天為晴、多云天氣，無大風，最高氣溫從4℃升至15℃，加之藻密度長期處于高位，年均藻密度超8000萬個/L，引發藍藻暴發。說明即使是冬春季節，只要水溫達到或接近藍藻暴發最低要求，營養程度合適和藻密度高，通過3～8天的營養積累、生長繁殖，可發生藍藻暴發現象。

4 其他自然因素對藍藻暴發的影響

水溫是影響藍藻暴發自然生境的代表。其他自然因素對藍藻暴發起到一定或相當影響。

4.1 光照影響

太湖是淺水湖，光照對水面、水體直至水底藍藻的生長繁殖均有直接影響。晴天光照好，水溫高，同時太陽光中的紫外光具有藍藻磷同化效應，有利于藍藻生長。光照條件好，藍藻光合作用強烈，藍藻生長繁殖速度快，升高藻密度，易引起暴發。

4.2 風對表層藍藻有聚集擴散作用

風生流使太湖表面藍藻順風向漂移，聚集和堆積在下風的凹岸處或岸邊。風同時可影響藍藻的浮沉。如太湖風速在3.1m/s時[7]，藍藻可以大面積漂移，但風速過大，引起較大風浪，水面藍藻就會下隱于水中，水面則無藍藻聚集暴發現象。

每年春夏藍藻暴發期間一般盛行東風或偏南風，藍藻暴發后易聚集在太湖西部沿岸水域和西北部、北部湖灣，致貢湖2016—2020年藻密度升高至8000～15500萬個/L[4]；每年10月下半月至12月，太湖一般吹北風或西北風，藍藻易聚集在太湖南部沿岸水域，太湖最后數次藍藻暴發往往發生在南部沿岸水域，致次年春季相當多年份的藍藻首次暴發均發生于此水域。

藍藻易在微風和小風條件下垂直上浮于水面。若已聚集的藍藻在稍大風力作用下，藻密度可增加數十倍，葉綠素a濃度在半小時內由10μg/L升至100μg/L，之后穩定在60～80μg/L[7]。

4.3 水流是水下藍藻輸移主動力

太湖自然水流(重力流)驅動藍藻從上游向下游流動，藍藻隨水流輸移擴散至湖心及中下游各水域，直至出湖。近年湖心藻密度持續升高，2020年為2007年19.18倍[4]，故近年東太湖、東部沿岸藻密度持續升高，致其原無藍藻暴發區域也發生小規模暴發。

4.4 降雨影響

降雨可降低水溫、增加水體氧含量。大量降雨使藍藻下沉和降低藍藻生長速度，或使水面無藍藻聚集、暴發現象。中等降雨對藍藻有一定抑制作用，大雨以上級別降雨對藍藻抑制作用較明顯，連續陰雨天氣與集中性強降雨對藍藻抑制作用尤為明顯。

4.5 種間競爭影響藍藻密度和暴發

自然界中，藍藻的種間競爭是指藍藻與其他生物之間生存環境或生命的競爭，種間競爭可在一定程度上影響藻密度和暴發。

a.生境競爭，即藍藻與其他生物適應生境的競爭。

b.生存權(生命)競爭，即藍藻與其他生物生存權的相互競爭，可直接使對方消失、死亡，其中其他生物包括藍藻以外的藻類、微生物、植物、動物等。太湖禁漁是人為因素與藍藻種間競爭的一種表現。

c.藍藻內部微囊藻與非微囊藻存在相當激烈的種間競爭，影響藍藻暴發程度。如近年魚腥藻在藍藻中比例有所增加，其上浮能力小于微囊藻，可減輕藍藻暴發程度。

4.6 其他

其他影響因素包括pH值、電導、鹽度、微量元素、氣壓；大自然異常活動如大規模火山爆發、厄爾尼諾現象、拉尼娜現象；水域形狀；濕地及生物多樣性；細菌等因素均對藍藻生長繁殖和暴發程度有一定或相當影響，尚待進一步研究。

5 消除太湖藍藻暴發的策略

根據影響太湖藍藻暴發的營養程度、藻密度、水溫(自然因素的代表)的三高因素分析，提出消除藍藻暴發的策略。

5.1 建立治理太湖三大目標

全面消除富營養化，水質達到Ⅲ類，其中東部水域Ⅱ～Ⅲ類；全面消除藍藻暴發；大規模恢復濕地。

5.2 采取科學合理的治理措施

對以往治理措施總結分析、補充完善，采取符合現狀的合理治理措施。

5.2.1 加大控制外源力度減少污染物入湖

a.加大控制污水廠、工業、生活和規模畜禽養殖4類外源力度。其關鍵是加大污水處理力度，上游區域污水處理標準提高至湖庫Ⅲ類。

b.進一步控制種植、分散畜禽養殖、水產養殖、農村分散生活、城鎮地面徑流、廢棄物和航行等面源污染。

5.2.2 加大控制以藍藻為主內源力度

a.全年實施消除水面水體和水底藍藻措施，其中冬季除藻能起到事半功倍的效果。

b.采用能同時大規模消除水體、藍藻和底泥污染的三合一專用或組合技術。在減少外源污染入湖基礎上，一次性提升水質、消除藍藻和底泥有機污染。其中入湖河道口等局部區域仍可采用常規清淤技術。

5.2.3 恢復濕地

全面修復生態，使目前350km2植物型濕地達到藍藻暴發前的650km2規模，以有效凈化水體和抑制藍藻生長繁殖。

6 結 語

a.2007—2020年太湖藍藻持續暴發影響因素是富營養化、藻密度升高及水體溫度高，三者缺一不可。其中富營養化是人類不合理干預自然致外源和內源污染負荷增加造成；藻密度升高是客觀存在的自然因素和人為不合理干預自然因素的總體結果；以水溫為代表的自然因素，有其自己的規律，總體不以人的意志為轉移。

b.藻密度持續高位運行使TN濃度持續降低37%，但使TP濃度下降滯緩及2015—2019年升高；此期間TP、TN濃度在一定范圍內波動，不影響藍藻暴發程度，同時太湖TP、TN濃度升降與河道入湖污染負荷增減的關系不密切或甚至為負相關。

c.太湖藍藻持續暴發的三因素，相互影響。以往一般研究人員僅注意富營養化這一因素，忽略藻密度。依靠治理富營養化消除湖泊藍藻暴發僅適用于社會經濟欠發達和入湖污染負荷少的地區，或適用于小微型湖泊，不適用于大型淺水湖泊，一般認為僅依靠治理富營養化須達到TP0.010～0.020mg/L、TN0.10～0.20mg/L才能全面消除太湖藍藻暴發；太湖必須治理、消除富營養化與消除藍藻、降低藻密度密切結合才能全面消除藍藻暴發。

確立治理太湖消除藍藻暴發目標，采取有效綜合治理措施，因勢利導，順應自然，輔以人工措施，改變生境使其不利于藍藻生長繁殖，建設健康水生態系統，則一定能在2030—2049年分水域全面消除藍藻暴發，建成無藍藻暴發的美麗清澈太湖。