我国淡水藻华特征分析和相关建议

中国环境学会  2011年 06月22日

  陈能汪1,2* 章颖瑶1,2 洪华生1,2 张玉珍3 李延风3
  1.福建省教育部共建海洋环境科学联合重点实验室;2.厦门大学海洋与海岸带发展研究院,厦门 361005; 3. 福建省环境科学研究院, 福州 350013
   
  摘要:水体富营养化与藻华是全球普遍现象,我国是一个高氮磷投入的国家,河流湖库富营养化问题将长期存在。通过收集水华报道数据和资料,基于综合研究思路和统计学分析,回顾性总结了我国水华发生的基本特征、成因和变动趋势,为流域污染控制和水华防治提供背景资料。分析表明,自上世纪80年代以来,我国水华从点到面蔓延,且主要集中在经济发达、污染严重的长江中下游地区和东部沿海地区;水华发生频率呈上升趋势;人类活动、气候变化和多因子的耦合作用,使得人们对水华过程的认识和防控更加困难。最后从污染削减和控制策略、机理研究和科技支撑、监测模拟与防控技术、信息共享和管理机制等方面提出建议。


  关键词:富营养化, 水华,湖泊库区, 管理对策


  Harmful algal bloom dynamics in China: A meta-analysis and management implications.
  CHEN Neng-wang1,2, ZHANG Ying-yao1,2, HONG Hua-sheng1,2, ZHANG Yu-zhen3, LI Yan-feng3
  1. Joint Key Laboratory of Coastal Study; 2. Coastal and Ocean Management Institute, Xiamen University, Xiamen 361005, China; 3. Fujian Research Academy of Environmental Science, Fuzhou 350013, China
  Abstract: Eutrophication and harmful algal bloom (HAB) is a global issue. China has experienced eutrophication problem due to population growth, economic development and urbanization after China open and reform policy initiated since 1978. A meta-analysis was conducted using a comprehensive database on reported HAB events, to indentify and analysis the HAB characteristic, dynamics and potential causes. Data showed that occurrence of HAB in China expanded both spatially and temporally. Much of HAB occurred in developing area (i.e. lakes and reservoirs in lower Yangtze River and coastal region) where provides high GDP and great nutrient discharge. Interactive effect of human activity, climate change as well as hydrogeochemical condition on HAB was basically observed, which became a challenge to understand the algal bloom process and predict HAB. Management implications on nutrient abatement and management strategy, future research and scientific support, monitoring and modeling and practical techniques, information share and cooperating mechanism at watershed level were fully discussed.
  Key words: eutrophication, harmful algal bloom, lake and reservoir, management implication
   
  1 引言


  水体富营养化与有害藻华(或水华)是全球普遍现象(Smith and Schindler, 2009)。近几十年来,在全球变化与人类活动干扰下,流域氮、磷营养盐排放负荷日益增加,河流湖库水体趋于富营养化,在合适的气象水文条件下容易产生水华(Howarth, 2008)。水华时某些藻类暴发性繁殖,致使水质恶化、缺氧、产生腥臭等异味物质,甚至产生藻毒素并通过食物链对人畜和水生生物造成毒害,继而破坏河流生态的稳定性,严重影响城市供水和饮用水安全。近年来,我国水华频频暴发,2007年5月太湖暴发了有史以来规模最大的蓝藻水华事件,引起国内外的极度关注,也敲响了饮用水安全的警钟。在我国,不仅太湖,还有滇池、巢湖、汉江、蓄水后的三峡库区等,也都频频暴发水华,造成了不可估量的健康和财产损失(崔广柏等, 2009; 谢平, 2009)。研究水华过程和机理,提出正确且有效的预防和管理措施,解决富营养化与水华问题,成为保护水质水生态、保障饮用水源安全的迫切需要(秦伯强等, 2006; 金相灿, 2008)。本研究旨在通过收集我国水华(本文指有害藻华)的报道数据和资料,基于综合研究思路,运用GIS技术和统计学分析手段,针对我国水华发生的基本特征和变动规律进行比较系统的总结,以期为我国流域污染控制和水华防治提供背景资料。


  2 数据采集与处理


  本研究主要通过CNKI数据库及相关网络资源收集近年来我国水华事件资料(收集工作尽可能全面,但难免遗漏),建立水华案例数据库,并利用EXCELL和SPSS软件对水华特征(藻种丰度、营养盐等相关参数)进行数理统计分析。有较详细记载的文献共涉及87个水华事件,时间跨越1985年至2009年。为比较全面地反映实际,在相关统计时也考虑其他报道性资料并计入样本总体。如太湖80年代中后期水华每年暴发2-3次,90年代中后期上升到每年暴发4-5次(吴传庆等,2007;臧小平等2009)。为使结合更符合太湖的实际情况,将1986-1997年12年间记为每年3例,1998-2009年12年间记为每年4例,因此太湖水华事件总计为84例。表1列出我国淡水水华相关统计参数的样本数。
  表1 我国水华案例数据库统计参数

  统计参数

总体

水体类型

优势种类

藻类密度

总氮

总磷

氮磷比

样本数

87

87

87

17

36

37

37

  

       3 我国湖库水华基本特征


  3.1 区域分布特征
  水华大多发生在富营养化的湖泊和库区,包括“三湖”(滇池、巢湖、太湖),也包括三峡库区及支流库湾和汉江中下游,如香溪河、大宁河、神女溪、抱龙河、凤凰三库湾、高岚河、东湖、新立城水库、三峡水库小江回水区等均有水华发生,环渤海、闽浙粤近海河流库区也有大量的水华事件报道。从发生频率统计,约77%的水华发生在湖泊水体,河流库区水华占23%。2003年以前水华主要发生在湖泊中,而2003年以后河流库区水华发生频率明显上升,在空间上呈现水华从湖泊向河流漫延的趋势。图1是我国已报道水华事件的空间分布,由图可见,水华问题主要集中在经济发达、污染严重的长江中下游地区和东部沿海地区,这些地方是工业企业相对密集或开发活动强度大的大中城市近郊或江河下游。由此可见,人类活动是我国河流湖库富营养化和水华问题日趋严重的根本原因。
  
  3.2 季节分布特征
  水华发生的时间主要集中在3-9月份(占总案例数的83%),主要原因在于水温较高有利于藻类进行光合作用。单次水华事件的持续时间最短为3天,最长可达50天,平均20天左右。近年来持续时间有延长的趋势。河流库区水华事件持续时间一般为20天,有关湖泊水库中水华事件持续时间的记录较少,如淀山湖15天(程曦等,2008),东湖27天(汤宏波等, 2007),大浪淀水库28天(高丽等,2004),洱海有20天和50天的记录(董云仙, 1999)。


  3.3 水华优势藻
  根据报道的水华事件资料统计,我国常见水华藻类为:蓝藻占81%,甲藻、绿藻、硅藻各占6%,裸藻占1%。在蓝藻型水华中,主要涉及蓝藻门(Cyanophyta)的种类,其中最常见的有微囊藻(Microcystis)、鱼腥藻(Anabaena)、颤藻(Oscillatoria)、束丝藻(Aphanizomenon)等。其他还有裸藻门(Euglenophyta)中的裸藻(Euglena)、绿藻门(Chlorophyta)中的小球藻(Chlorella)、硅藻门(Bacillaeiophyta)中的小环藻(Cyclotella)、甲藻门(Pyrrophyta)中的多甲藻(Peridinium)等。
  湖泊与河流库区的水华优势藻有很大的差异,湖泊中除了东湖的1次甲藻水华,洱海的1次硅藻+蓝藻水华外,其余的均为蓝藻水华(占98%)。河流中的水华藻种则比较多样化,发生绿藻、甲藻、硅藻、蓝藻水华的频次相当。
  

        3.4 水华生物量和营养盐特征
  水华发生时,藻类密度数量级可达107(1.7~11.4×107个/L)。水华时水中总氮浓度最小为0.38mg/L,最大可达11.89mg/L。总磷浓度最小为0.025mg/L,最大为1.060mg/L。氮磷比最小为3.95,最大可达67.67。总体上氮磷营养盐浓度越高,可供藻类生长的营养盐越充分,藻类密度也越大(图2a,b)。N:P比值对藻类的生长有重要影响,与海洋生物16:1不同,湖泊水体通常在TN:TP<29时,可以形成水华的蓝藻会占优势(Smith, 1983)。据案例数据统计,无论是河流库区还是湖泊水华期间TN:TP均小于29,且与藻类密度有一定的相关性(图2c,d)。最近研究表明,在较高的TN:TP的情况下,水体中也会形成蓝藻水华,较低的TN:TP并不是蓝藻水华形成的条件,而是蓝藻水华产生的结果(Xie et al., 2003)。
  
  4 我国水华成因与变化趋势分析


  (1)水华事件由大型湖泊扩展到河流库区,呈现由点到面不断蔓延趋势
  近年来,随着流域营养盐污染的加重,以及梯级电站的大量建设,湖泊库区水体富营养化,水华事件由大型湖泊向河流库区不断蔓延。20世纪我国大部分湖泊经历了从贫营养到富营养的演化过程,20世纪80年代开始,随着我国工业发展和城市化进程,工业废水、生活污水成为湖泊的特征污染源,外来营养盐的大量输入,加上湖泊本身的水动力条件弱,水体自净能力下降,这样的水体更容易发生水华。而流动的河流处于开放状态,有较强的纳污能力,营养盐不太容易富集,相比起湖泊,理论上没那么容易发生水华。但是,近年来河流发生水华的现象也越发普遍,除了与流域污染排放有关外,流域梯级电站的大量建设,河流库区和支流回水区的水动力条件发生了很大变化,库区静水条件成为水体富营养化甚至暴发水华的重要原因。
  (2)水体日趋富营养化,湖泊与河流库区发生水华的频率仍在上升
  自上世纪80年代开始,我国水华发生频率总体呈现上升趋势(图3),90年代末水华发生频率显著增加,尤其是2003年和2005年最为严重。值得关注的是,近年来河流库区甲藻水华频频暴发,2003年2月,云南漫湾水库发生了挨尔多甲藻水华,分析认为与较高的磷、有机质含量以及大量硅藻的存在有关(王海珍等,2004);同年3月,三峡水库神女溪发生了甲藻水华,磷为此次水华的限制因子,且主要来源于底泥释放(王敏等,2008)。2005年2月,高岚河发生了拟多甲藻水华,在充足的营养盐条件下,由于气温和水温的回升,以及某个时刻造成了水体涌升流,把底泥中的大量营养盐甚至甲藻孢囊带到了水面,从而促成了此次水华的发生(汤宏波等, 2006);2005年4月武汉东湖发生了拟多甲藻水华,此次水华是多种环境因子综合作用的结果(汤宏波等, 2007);2005年3-5月三峡水库的凤凰山库湾、抱龙河、大宁河、神女溪也相继发生了甲藻水华,库水总磷含量大,以泥沙吸附颗粒态磷、游离颗粒态磷、胶粒态磷、溶解态磷等多种形态存在,在磷形态等环境因子和生物因子的协同作用下,加快了藻类生长过程直至水华暴发(王海云等, 2007)。
  (3)全球气候变化对水华发生有显著影响
  除水体富营养化因素,气候变化(如气温上升、水文条件改变)也是水华频发的重要因素。Paerl等(2008)发表在Science的文章指出,全球气候变化是蓝藻暴发的诱因,不断上升的温度通过多种方式来促进蓝藻生长,使蓝藻比其他浮游植物更能适应较高温度(通常高于25℃),一些蓝藻已经扩大了它们的地理分布范围,例如Cylindrospermopsis raciborskii原本是一个热带、亚热带藻种,于20世纪30年代在欧洲北部发现,20世纪后期开始在更高纬度的地区繁殖,现在已经蔓延到德国北部湖泊。近年来,在原本较冷的冬春季节近年来却时常有水华发生,如1992年、1998年和2000年的2月份以及2003年1月份,汉江发生了硅藻水华,这四次水华时的平均水温都比同期分别高出3.1℃、4.7℃、4.8℃和5.7℃(李春青, 2007)。再以太湖为例,从2000年以来,冬春季气温持续偏高,2007年春季(3-5月)气温比同期偏高2.6℃,比原历史最高的2006年春季又高了0.4℃(夏健等, 2009)。加上降水偏少,风向转换提前,造成越冬蓝藻种源丰富,复苏繁殖提早,从而导致蓝藻水华提前暴发。太湖水华从1999年起大约以每年11.4天的速度前移(段洪涛等, 2009);又如广东省的汤溪水库,1997年主要在10-11月份发生蓝藻水华,但到2003年,蓝藻水华提前到7月份发生,降水减少和汛期反常导致了蓝藻水华产生季节性变动(赵孟绪等,2005)。这些均反映了水华发生与全球气候变化之间有着密切联系。
  (4)多因子耦合作用和藻种演替使得对水华过程的预测和防控更加困难
  水华暴发与富营养化以及气象水文条件密切相关,水华形成过程和机理十分复杂,目前人们对水华过程仍难以作出准确预测。分析表明,太湖流域人口数量、GDP等指标与蓝藻水华的最初暴发时间,以及每年的持续时间等关系明显;特别是在多元回归中,这些指标明显大于气候等影响因素,说明人类活动是太湖蓝藻水华主要驱动机制(段洪涛等, 2009)。从报道的水华事件来看,水华暴发时间越来越不确定,水华发生规模和持续时间也高度变化。另一方面,不同生态系统经长期演替后,新的藻种更能适应变化中的环境条件,从而加快了水华的发生。同样是蓝藻型水华,太湖主要是微囊藻,巢湖主要是微囊藻和鱼腥藻,滇池主要是微囊藻和束丝藻,洱海主要是微囊藻、束丝藻和鱼腥藻。此外,在水华期间也经常出现藻种更替现象,2003年3月三峡水库神女溪发生甲藻水华,从上游到下游就有菱形藻、等片藻、星杆藻、和针杆藻等多种优势藻种的变化(王敏等,2008)。营养盐组成及其变动可能在藻类演替中起着关键作用(王岚等, 2009)。2008年春季香溪河库湾水华暴发过程可分为“复苏-增长-衰亡”三个阶段,数据表明营养盐和水文气象条件对水华的生消有协同作用(杨霞等, 2009)。2009年1月,福建省九龙江北溪中下游多个库区暴发了首次大规模的拟多甲藻水华(黄滨松, 2009)。笔者对江东库区水华过程数据的初步分析认为,含高磷粪污排放引起的水体氮磷比值变低、气温偏高和流量偏低是水华发生的主要原因。


  四、总结与建议


  我国是一个高氮磷投入的国家,流域污染和河流湖库富营养化问题将长期存在。通过历史回顾性分析发现,自上世纪80年代以来,我国淡水藻华从湖泊向河充库区、从点到面蔓延,且主要集中在经济发达、污染严重的长江中下游地区和东部沿海地区。水华发生频率呈上升趋势。人类活动、气候变化和多因子的耦合作用,使得人们对水华问题的认识和防控更加困难。鉴于水华发生过程和机理的复杂性和水华防控的迫切性,笔者提出以下相关建议:
  (1)开展流域营养盐污染溯源工作,实施“重点污染优先控制、氮磷污染同时削减”策略。在应用污染源普查成果的基础上识别关键污染源,采取“流域综合规划、分阶段实施”原则,从源头上削减污染排放,在河流廊道上进行生态修复,以减缓水体富营养化趋势。
  (2)加强水华过程和机理研究,加大水环境领域的科技投入。针对典型水体(包括各种类型的湖泊和河流库区),遵循生态学和地球系统科学理论,重点开展水华过程和调控机理研究。既要在宏观上把握全球变化可能带来的水环境生态效应和应对策略,更要在微观上分析各种因子及其对水华发生、发展和消亡的调控作用和机制,以适应水华特有的多时空尺度过程变动的复杂性。
  (3)建立可运行的水环境动态预测模型,提高水华预警和应急处置能力。加强重点湖泊和河流库区的模型研发和实际应用。在总结评估国内外现有水华应急处置技术的基础上,根据各地实际,筛选出一套经济可行、切实有效的防控措施和技术,作为突发性水华事件的应急预案。
  (4)优化水源地监测体系,建立流域水环境信息共享平台,推进流域协调管理机制。整合现有的水质、水量和生物监测力量,优化监测指标和频率,集成监测数据和动态模型,实现网络管理、系统应用、数据共享和信息服务,构建具有辅助决策作用的信息共享平台,推进建立流域各行政区和相关部门之间的协调管理机制。


  参考文献
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  基金项目:厦门市重大科技平台项目(3502Z20091005)
  作者简介:陈能汪(1976–),博士,副教授,主要从事营养盐生地化和流域管理研究。E-mail:nwchen@xmu.edu.cn

 
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