粵港澳大灣區水庫藍藻水華特征與防治對策建議

趙孟緒，肖利娟

(1.廣東省水文局，廣州 510150；2.暨南大學 生態學系，廣州 510632；3.廣東省水庫藍藻水華防治中心，廣州 510632)

1 概述

粵港澳大灣區(以下簡稱大灣區)位于珠江流域下游，包括香港特別行政區、澳門特別行政區和珠三角九市(廣東省廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、東莞市、中山市、江門市、肇慶市)，是我國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一，在國家發展大局中具有重要戰略地位。水資源的可持續利用是大灣區經濟社會可持續發展的基礎，大灣區缺乏天然湖泊，水庫供水是繼河道供水之外的最主要水源，尤其是香港、澳門高度依賴內地水庫輸供水。受亞熱帶海洋季風氣候影響，大灣區水資源時空分布極其不均，年際和季節間降水差異較大，水庫蓄水是調節水資源時空分布最主要手段。目前，珠三角九市已建大中型水庫共137座，其中大型水庫11座。

藍藻水華是指藍藻大量繁殖并在水體表面形成明顯的漂浮帶或懸浮在水中形成高豐度(通常>107cells/L)的現象。藍藻水華的發生可導致水體中生物多樣性降低，威脅生態系統結構與功能；更為嚴重的是部分藍藻可產生異味物質和藻毒素，增加水處理成本、威脅供水安全。改革開放以來，經濟的快速發展給大灣區水資源帶來較嚴重的污染問題。近年來隨著最嚴格水資源管理制度、河湖長制等工作的推進，大灣區水環境狀況得到持續改善[1]，但水庫富營養化與藍藻水華問題仍較為突出。2020年12月水利部和粵港澳大灣區建設領導小組辦公室聯合印發的《粵港澳大灣區水安全保障規劃》指出，珠三角九市水庫水體富營養化加劇，水庫藍藻水華時有發生。

對大灣區水庫藍藻水華特點和發生規律認識和理解的不足，較大程度上阻礙了水華防治工作的進一步開展。在已有資料和長期監測數據基礎上，本研究分析總結了大灣區水庫水華藍藻的種類組成、水華發生特點以及氣象因子與藍藻水華發生風險間密切關系，提出針對性的區域水華防治對策，為保障大灣區水庫供水安全提供支撐。

2 大灣區水庫水華藍藻組成及其水華表觀特征

2.1 大灣區水庫常見水華藍藻組成

水華藍藻是指能在水體中形成水華的藍藻。全球已報道的水華藍藻至少有26屬[2]，我國已報道的水華藍藻約13屬[3]。各屬水華藍藻多具有自身特有生理生態特點，這些生理生態特點很大程度決定了其競爭優勢與水華發生機制，也決定了其所形成水華的表觀特征，而水華發生機制及其特征又密切關系到藍藻水華防治對策尤其是應急處置措施的選擇與制定。調查區域水庫常見水華藍藻的組成并分析掌握其形成水華的特征，是建立該區域藍藻水華防治對策體系的重要前提。

2000年以來，暨南大學、廣東省水文局等單位持續開展了大灣區珠三角九市超過70座重點水庫的浮游植物監測與研究工作，對區域內水庫的藍藻種類組成進行了較全面的調查，珠三角九市水庫共統計到常見藍藻25屬(見表1)，其中水華藍藻6屬，包括微囊藻(Mycrocystis)、長孢藻(Dolichospermum)、擬柱孢藻(Cylindrospermopsis)、假魚腥藻(Pseudanabaena)、澤絲藻 (Limnothrix)、浮絲藻(Planktothrix)[4-5]。

表1 粵港澳大灣區水庫常見藍藻組成

上述6屬中，微囊藻、長孢藻、擬柱孢藻、澤絲藻和假魚腥藻5屬在大灣區水庫形成藍藻水華的頻次較高，且該5屬常共存而形成多優勢種伴生藍藻水華。廣東省水文局近期監測結果顯示(見圖1)，2023年5月份大灣區水庫共監測到16座水庫發生了藍藻水華(水華藍藻總豐度>107cells/L)，其中12座水庫發生了多優勢種形成的伴生水華，僅4座水庫藍藻水華由單一水華藍藻形成，16座水庫中10座水庫(62.5%)的藍藻水華是由擬柱孢藻、假魚腥藻、澤絲藻中的3種或2種伴生形成。

圖1 2023年5月份大灣區16座發生藍藻水華水庫的水華藍藻伴生情況

2.2 大灣區水庫常見水華藍藻形態及其水華表觀特征

支持藍藻形成水華的生理生態機制主要包括3個方面：① 偽空泡的浮力調節機制：水華藍藻細胞內通常具有豐富的偽空泡，通過偽空泡調節細胞浮力實現在水體中垂直遷移，既能利用深層水體的豐富營養鹽又能利用上層水體的良好光照。② 營養鹽的高效利用能力：水華藍藻均具有“碳濃縮機制”適應高pH值環境，通過堿性磷酸酶利用有機磷適應磷限制環境，部分固氮藍藻，如長孢藻和擬柱孢藻，具有異形胞能夠固定氮氣適應低氮環境。③ 形成大群體和絲體抵御浮游動物捕食：水華藍藻常以大群體和長絲體形態出現，增大了浮游動物牧食難度，有效地減少生物量損失[2]。除了上述機制外，不同水華藍藻在溫度偏好、抗干擾能力等方面有明顯的區別，進而導致水華時空特征的差異。

2.2.1微囊藻形態及其水華表觀特征

微囊藻是全球分布最廣的水華藍藻，全球至少有108個國家記錄了微囊藻水華[6]，我國南北方湖庫中均常見微囊藻水華。微囊藻水華特點主要有以下幾方面：① 細胞以膠群體方式出現在水體中(見圖2a)，具有很強的漂浮能力，大量微囊藻膠群體上浮至水面能夠堆積成肉眼可見的水面水華(Surface Bloom)(見圖2b)，易引起社會公眾關注并影響水體景觀。需要注意的是，有些情況下，水體中的微囊藻豐度并不高，但因微囊藻群體向水面聚集而形成肉眼可見的局部泡沫或薄膜，這種局部水面水華現象對供水安全威脅實際并不大。② 微囊藻水華常呈現明顯的空間異質性，受水庫流場作用多發生在水庫壩前、庫灣等局部水域。③ 在時間上，微囊藻水華多發生在水力滯留時間長、水體穩定分層、降雨量較低、氣溫持續回升的時期。④ 微囊藻產生的微囊藻毒素(Microcystins)是一種肝毒素，微囊藻水華通常會導致水體微囊藻毒素濃度升高，威脅供水安全。

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2.2.2長孢藻和擬柱孢藻形態及其水華特征

長孢藻和擬柱孢藻均屬于藍藻門念珠藻目種類，均為絲狀群體(見圖3a、c)，是全球廣泛分布的水華藍藻。長孢藻和擬柱孢藻水華特點主要有：① 雖然細胞內也有大量偽空泡，但其漂浮能力比微囊藻弱，通常不形成明顯的泡沫或薄膜狀藻華帶，而是懸浮在水面下形成水華而明顯改變水體顏色(見圖3b、d)；② 與微囊藻相比，長孢藻和擬柱孢藻具有更豐富的堿性磷酸酶體系，對有機磷的利用能力更強，能適應更低的磷條件，是中營養水庫水華的主要組成種類；③ 長孢藻和擬柱孢藻均為固氮藍藻，適應低氮環境；④ 長孢藻能產生異味物質，其水華通常伴隨水體異味，擬柱孢藻能產生柱孢藻毒素(Cylindrospermopsins)，其水華常導致水體中擬柱孢藻毒素超過WHO飲用水質量標準。

2.2.3澤絲藻和假魚腥藻形態及其水華特征

澤絲藻和假魚腥藻均屬于藍藻門顫藻目的種類，為絲狀群體，均喜好高溫環境，為典型熱帶水華藍藻[2]。大灣區絕大部分區域位于北回歸線以南，水庫水溫全年在15℃以上，適合澤絲藻和假魚腥藻生長，兩種水華藍藻在大灣區水庫中廣泛分布。二者均能適應水體高度混合導致的低光照條件，在珠海、東莞的眾多渾濁度較高的引水調蓄水庫中成為優勢種[3-4]。與微囊藻、長孢藻和擬柱孢藻不同，澤絲藻和假魚腥藻不具有偽空泡，絲體較細，細胞長寬比大、比表面積(SA/V)較大。澤絲藻和假魚腥藻水華特點主要有：① 二者形成的水華基本不會在水面形成肉眼可見的漂浮堆積；② 相比微囊藻和長孢藻，澤絲藻和假魚腥藻在水體中垂直和水平方向分布更均勻，水華一旦形成，絕大多數情況下會涉及庫區大部分水域，極少僅在局部區域發生；③ 澤絲藻和假魚腥藻對水體擾動適應能力更強，二者形成的水華在水庫中持續時間更長，通常會跨越豐枯水期；④ 澤絲藻和假魚腥藻能產生異味，水華發生后可能導致供水出現異味超標；⑤ 澤絲藻和假魚腥藻均為極細的絲狀群體，形成水華后幾乎無法通過過濾等方式進行收集和打撈。

3 大灣區水庫藍藻水華形成和分布特點

3.1 多種水華藍藻形成伴生水華

受所處氣候帶影響，大灣區水庫兼有熱帶和溫帶常見水華藍藻種類。如前所述，大灣區常見水華藍藻，不僅有微囊藻和長孢藻這類溫帶和亞熱帶湖庫常見的水華藍藻，也有擬柱孢藻、澤絲藻和假魚腥藻這類熱帶湖庫常見水華藍藻。大灣區溫暖的水環境為這些水華藍藻提供了良好的生長條件，導致區域內水庫藍藻水華常為兩種或更多種水華藍藻伴生而形成。例如微囊藻和長孢藻常形成伴生水華，澤絲藻與假魚腥藻常形成伴生水華，甚至微囊藻、擬柱孢藻和長孢藻3種水華藍藻形成伴生水華(如開平大沙河水庫)，在部分水庫澤絲藻、偽魚腥藻、擬柱孢藻和浮絲藻共存成為浮游植物優勢種。

伴生水華的出現，對藍藻水華防治工作提出了更高的要求和挑戰。微囊藻和長孢藻水華，因其漂浮性強，一定程度上可打撈收集，在水處理過程中可過濾清除。而擬柱孢藻、澤絲藻、假魚腥藻所形成的水華，因藻絲不形成水面漂浮堆積且藻絲較細而無法打撈收集，水處理過程中也較難過濾清除。大灣區水庫常見水華藍藻的多樣化，決定了該區域水華預警與防治尤其應急處置工作更具復雜性和挑戰性。

3.2 藍藻水華時空分布廣

大灣區水庫全年具備發生藍藻水華的水溫條件，明顯區別于我國北方溫帶地區的藍藻水華主要發生在夏秋季節。在季節分布上，微囊藻和長孢藻水華主要發生在少雨的溫暖時期，如少雨的夏秋季節，或氣溫持續數日回升的冬春季節。擬柱孢藻、澤絲藻、假魚腥藻水華全年均可發生，在部分水庫長年形成優勢甚至長期處于水華高風險狀態，即豐度持續>107cells/L(見圖4、圖5)。整體上，大灣區水庫夏秋高溫季節擬柱孢藻度、假魚腥藻豐度明顯高于冬春低溫季節；低降水量時期微囊藻和長孢藻水華的風險明顯高于高降水量時期。在大灣區一些富營養化水庫，如開平市大沙河水庫、鎮海水庫，季節性藍藻水華反復出現。

圖4 2020年開平鎮海水庫擬柱孢藻豐度季節動態示意

圖5 2022年江門那咀水庫水華藍藻豐度季節動態示意

大灣區既有常在富營養水體形成水華的微囊藻和長孢藻，也有耐受低營養環境、常在中營養水體形成水華的擬柱孢藻、澤絲藻和假魚腥藻。與溫帶和亞熱帶地區藍藻水華主要發生在富營養水體不同，大灣區很多中營養水庫出現季節性藍藻水華，這些中營養水庫藍藻水華對水華防治提出更高的挑戰。在空間分布上，與微囊藻群體主要分布在水體表層、漂浮性水面水華帶多發生在局部水域不同，擬柱孢藻、澤絲藻和假魚腥藻不形成表面漂浮，可在混合層均勻分布，分布深度甚至可超過30 m。絕大多數情況下，擬柱孢藻、澤絲藻和假魚腥藻形成趨向全庫范圍的藍藻水華。這類長時間處于優勢、分布范圍廣的藍藻水華，同樣對水華應急處置與長期防治工作提出了更高的要求。

3.3 氣象因子對水華生消調控作用明顯

受亞熱帶海洋季風氣候的影響，大灣區強降水、臺風等氣象現象發生頻次高，對水庫藍藻水華時空動態有明顯調控作用。例如，微囊藻水華通常受較強降水、明顯降溫及較強風力等因素影響而快速消落，因而“龍舟雨”季節(5—6月份)大灣區水庫極少發生微囊藻水華。在年際上，大灣區水庫枯水年發生藍藻水華風險高于豐水年。廣東省水文局監測數據顯示，2020、2021年廣東省連續出現特殊旱情，珠三角年累積降雨量分別為1 581 mm和1 505 mm，大灣區珠三角九市72座重點水庫全年中發生過藍藻水華的數目比例分別為33.3%和30.6%，2022年珠三角年累積降雨量升至2 066 mm，全年發生過藍藻水華的水庫數目比例降至20.8%。大灣區水庫藍藻水華發生風險與氣象因子相關性高，因此降水、氣溫等氣象因子是藍藻水華預警與趨勢研判過程的重要參數。

4 大灣區水庫藍藻水華防治對策建議

4.1 掌握不同類型水華的發生規律和提高水華預警預判能力

藻類水華的發生是受多因素調控的有規律的生態過程，具備可預測性[7-9]。影響藍藻水華的因素涉及水動力學、水質、氣象、水華藍藻生理生態特點等多個方面。水庫藍藻水華預警預測過程，應對水庫形態(包括庫區周邊地形)、流域污染狀況、水力滯留時間、水體流速、水庫調度方式、氣象因子(氣溫、降水、風力)、水體氮磷等營養元素水平、水華藍藻種類組成等諸多指標進行綜合分析與判斷。雖然影響因子眾多，但不同水庫藍藻水華發生規律與影響因素具有明顯個體差異性。例如，開平市大沙河水庫的長孢藻水華季節動態主要受氣象因子和水動力學影響，水華主要發生在枯水期1—4月和11—12月，豐水期水體沖刷增強是導致水華消失的主要原因[7]；開平市鎮海水庫的擬柱孢藻生物量季節變化主要受水體營養鹽狀況影響，總磷、總氮和氮磷比是影響擬柱孢藻生物量季節變化的主要因子[10]；東莞市松木山水庫假魚腥藻、擬柱孢藻水華動態主要受氣象與水質因子影響，水溫、pH、氨氮和總氮是影響松木山水庫藍藻時空分布的主要環境因子[11]；2005年期間珠海大鏡山水庫的假魚腥藻種群季節動態主要受氣象因子(水溫、降雨)和水庫調度方式的影響[12]。

因此，大灣區水庫藍藻水華的預警與防治對策均應具體到特定水庫生態系統，形成“一庫一策”。收集匯總水庫流域狀況、形態特征、水動力學特征、營養狀態、往年藍藻水華記錄、水華藍藻種類組成現狀等水華預測所需的基礎數據與信息，開發水庫水華信息管理系統，建立水華風險檔案，篩選水庫藍藻水華關鍵誘發因子，緊密結合區域氣候特征制定針對性藍藻水華預警方案與防治對策。

4.2 強化流域氮磷污染控制和富營養化治理

氮和磷是藻類生長的必需營養鹽，藍藻生長和種群發展需要大量營養鹽的支持，國內外大量研究表明嚴格的氮磷營養鹽輸入管理是最根本的長期控制藍藻水華的方法[8]。近年研究表明，富營養化和全球變暖可協同促進藍藻水華的發生[8]，溫度的升高能夠顯著促進藍藻生長同時，還能降低藍藻水華發生所需的營養鹽閾值。在全球變暖的大背景下，基于營養鹽控制的藍藻水華防治面臨更大的挑戰。在新形勢下，有效的水資源管理必須考慮全球變暖的作用，制訂與溫度條件相適宜的基于營養鹽負荷控制的水資源管理和藍藻水華防治策略。

2012—2022年，隨著最嚴格水資源管理制度、河湖長制等工作的推進，廣東省水庫總氮、總磷濃度水平總體上呈下降趨勢[1]，但截止到2022年底廣東省近60%的大型水庫面臨季節性藍藻水華尤其是擬柱孢藻水華的威脅。在全省水庫氮磷濃度總體下降的背景下，水大灣區庫藍藻水華風險并未同步響應而降低，一些中營養水庫頻繁發生藍藻水華，這表明大灣區水庫藍藻水華發生風險與水庫營養狀態的響應關系具有區域性特征。基于氮磷控制的水華防治策略，必需考慮與依據這些區域特征制訂控制目標。

4.3 加強水庫生態系統管理抑制水華藍藻優勢

藍藻水華是水華藍藻大量繁殖成為絕對優勢種群的生態現象，是生態系統結構異常的表現。生態系統管理是基于對生態系統組成、結構和功能過程的最佳理解，在一定的時空尺度范圍內將人類價值和社會經濟條件整合到生態系統經營中，從系統性的角度分析和制定管理策略，以恢復或維持生態系統整體性和可持續性[13-15]。水庫生態系統管理是富營養化防治和控制水華的重要手段。通過生態工程改變水庫水動力條件、物理條件、浮游動物群落和魚群結構等，以達到抑制水華藍藻的生長和優勢形成的目的，是針對水華控制的生態系統管理的主要內容[16]。生態系統管理涉及到調控生態系統內部結構和功能，提升生態系統服務功能[13]。因此，生態系統管理要求管理者對被管理的生態系統有深刻的理解，對生態過程及其尺度和層級結構、不確定性等有深入的分析和總結。

4.4 合理制定基于水華生態特征的應急處理措施

藍藻水華是世界性水環境問題，國內外應用的藍藻水華應急處理技術和方法多樣，這些技術方法可概括為以下3類：① 物理控藻法：即通過物理手段降低水華藍藻豐度或從水體中去除藍藻，如打撈、超聲波控藻、生態紅土除藻等；② 化學控藻法：通過化學方法殺滅、抑制或清除水華藍藻，如除藻劑、氯化鐵絮凝、過氧化氫殺藻[17-18]等；③ 生物控藻法：通過生物之間的相互作用抑制水華藍藻種群，如經典和非經典生物操縱、微生物降解、病毒侵染等[19]。

不同的應急處理方法在前提條件、處理效果以及生態效應上存在明顯的差別。例如簡單易操作的打撈法，針對小范圍的漂浮性的水華有較好的處理效果，但對大面積的、處于快速發展階段的水華效果不明顯，甚至會促進水華發展[19]。超聲控藻法對水面漂浮的水華藍藻細胞有去除效果，但對懸浮于水柱中的擬柱孢藻水華、假魚腥藻水華等控制作用有限。絮凝劑控藻技術應用在大灣區大沙河水庫2006年長孢藻和微囊藻伴生水華的應急控制中取得了良好的效果[20]，但該方法對擬柱孢藻的去除效果不佳(未發表數據)。生態紅土除藻在大灣區水庫水華應急處理中得到較成功應用，但其效果在不同水庫之間存在較大差異。鰱鳙魚控藻技術被證明在我國溫帶淺水湖泊應用中有效，但在大灣區水庫應用效果不明顯。可見，在藍藻水華應急處理過程中，必需基于水華生態特征來制訂合理的應急處理方法[16]。大灣區水華類型的多樣和伴生水華的出現，更要求需根據具體水庫的水華生態特征制訂針對性的水華防治對策。

5 結論與展望

受區域氣候條件的影響，大灣區水庫藍藻水華具有以伴生水華為主、時空分布廣、受氣象因子調控明顯等區域性特點。應重視大灣區水庫生態監測數據的長期積累，深入研究總結大灣區水庫藍藻水華發生規律，尤其是氣象因子對藍藻水華生消的調控作用規律，不斷提升水華預測和預警能力。大灣區水庫藍藻水華的防治，應在研究掌握藍藻水華與營養鹽的響應關系基礎上，制定流域氮磷污染控制目標；應充分考慮區域氣候與具體水庫環境特征，結合具體水華藍藻的生理生態學特點，制訂針對性的長效防治與應急處置對策。近年擬柱孢藻水華在大灣區水庫呈多發趨勢，應加快大灣區水庫常見藍藻毒素尤其是柱孢藻毒素的拓展監測，并加快各類藍藻毒素評價與監測方法標準的修訂和制定，切實保障大灣區水庫供水安全。