湖泊蓝藻水华生态灾害形成机理及防治的基础研究

第一篇：湖泊蓝藻水华生态灾害形成机理及防治的基础研究

湖泊蓝藻水华生态灾害形成机理及防治的基础研究

吴庆龙1，谢平2，杨柳燕3，高光1，刘正文1，潘纲4，朱本占5(1．中国科学院南京地理与湖泊研究所，湖泊与环境国家重点实验室，江苏南京210008；2．中国科学院水生生物研究所，淡水生态与生物技术国家重点实验室，湖北武汉430072；3．南京大学，污染控制与资源化研究国家重点实验室，江苏南京210092；4．中国科学院生态环境研究中心，环境水质学国家重点实验室，北京100085；5．中国科学院生态环境研究中心，环境化学与生态毒理学国家重点实验室，北京100085)摘要：湖泊具有供水、渔业、旅游、维持区域生态系统平衡等功能，是支撑我国经济和社会发展的重要资源之一。但是近30年来，湖泊富营养化所导致的蓝藻水华频繁暴发，生态灾害事件频发，严重影响湖泊功能的发挥，制约区域经济可持续发展。针对国家在保障区域水安全和生态安全、保护人民健康及建设和谐社会等方面的重大需求，国家重点基础研究发展计划项目“湖泊蓝藻水华生态灾害形成机理及防治的基础研究”于2008年7月正式立项。项目拟解决的关键科学问题包括：①湖泊蓝藻水华主要衍生污染物的形成机理、迁移转化规律和毒理效应；②蓝藻水华导致湖泊生态系统结构变化和功能退化的机理；③蓝藻水华生态灾害评估及调控机理。针对上述科学问题，项目以蓝藻水华污染物的产生、湖泊生态系统结构与功能的响应以及生态灾害的评估与调控为研究主线，重点开展以下几个方面的研究：①蓝藻水华衍生污染物的产生及其环境过程；②蓝藻水华衍生污染物的毒理效应与生态和健康风险；③蓝藻水华导致湖泊生态系统结构变化与功能退化的关键过程和机制；④蓝藻水华灾害治理和调控的的技术原理和途径。项目的实施和完成将为我国湖泊蓝藻水华生态灾害的预防与控制提供理论和技术原理支撑。

关键词：湖泊；蓝藻水华；生态灾害；调控

中图分类号：X524 文献标志码：A 1 引言

湖泊蓝藻水华是指湖泊水体中的蓝藻快速大量繁殖形成肉眼可见的蓝藻群体或者导致水体颜色发生变化的一种现象，严重时可在水面漂浮积聚形成绿色的藻席甚至藻浆⋯。蓝藻水华的发生根源于湖泊富集了过多的氮、磷等营养物质，是湖泊寓营养化的一种表现形式⋯。生态灾害是指在一些因素的干扰下由于生态系统平衡改变所带来的各种始料未及的现象和突发事件，如生态系统破坏、生物多样性散失、财产损失、人员伤亡和社会安定失稳等。生态灾害的发生根源于生态系统结构和功能的灾变。由中国科学院南京地理．与湖泊研究所牵头，中国科学院生态环境研究中心、中国科学院水生生物研究所和南京大学等单佗联合申请的国家重点基础研究发展计划项目“湖泊蓝藻水华生态灾害形成机理及防治的基础研究”于2008年7月正式立项。

项目针对国家在保障区域水安全和牛态安全、保护人民健康等方面的重大需求，以蓝藻水华污染物的产生、湖泊生态系统结构与功能的响应以及生态灾害的评估与调控为研究主线，围绕蓝藻水华形成后的积聚、分解等主要过程和阶段，研究蓝藻水华衍生污染物的产生和归趋、主要污染物质的毒理效应及水质安全、蓝藻水华影响湖泊生态系统结构和功能的关键过程和途径。在此基础上，研究防治蓝藻水华生态灾害的新技术原理，建立我国湖泊蓝藻水华生态灾害的评估方法和指标体系，并提出相应的管理和调控对策，为保障我国湖泊供水、资源和生态安全提供重要的理论和技术原理支撑。同时，开拓居国际前沿的、由有害生物异常增殖引发的湖泊灾害生态学研究领域，丰富关键功能群、生态系统恢复力和生态系统灾变等方面的基础理论。

2立项的依据 2．1国家需求

我国是一个湖泊众多的国家，湖泊不仅具有供水、调蓄洪水、调节气候、渔业、旅游等功能，还在维持区域生态系统平衡和保育生物多样性等方面发挥重要作用，是支撑我国经济和社会发展的重要资源之一。然而，最近的几十年，由于湖泊生态系统受损、水质下降，已严重削弱了湖泊生态系统的服务功能，特别是极大地威胁到饮用水的安全供应。湖泊富营养化所导致的蓝藻水华是湖泊生态系统受损的主要表征之一，我国是世界上蓝藻水华暴发最严重、分布最广泛且水华蓝藻种类最多的国家之一。如太湖、滇池和巢湖均有大面积、高频率的蓝藻水华发生，在一些水华堆积区，蓝藻浓度已超过1010个细胞／L。蓝藻水华还会造成水体的“二次污染”，如蓝藻在生长和衰亡过程中所分泌的异味化合物或毒素等可严承影响饮用水及水产品的品质，造成严重的经济损失，还会引起水生和一些陆生动物中毒，并可能危及人类健康。藻类堆积后腐烂分解还可导致局部水域水质的严莆恶化，危及供水安全。如2007年5月底因蓝藻水华暴发导致无锡市主要自来水厂停产，严重干扰居民的生产和生活，影响社会稳定，引起国内外的极大关注，对生态文明与和谐社会建设产生重大不利影响。蓝藻水华暴发也会导致湖泊的渔业及旅游等功能的下降，严重时甚至导致整个系统生态功能和服务价值的丧失，而生态系统的正常结构和功能一旦被破坏并失去平衡，将很难在短时间内恢复。显然，蓝藻水华在湖泊中的频繁暴发已经成为一种“生态灾害”。需要强调的是，我国蓝藻水华生态灾害最严霞的湖泊流域多是经济发达、人口密集的地区，灾害的发生不仅严重制约了区域经济的可持续发展，同时也对人们的健康和社会的稳定产生了极大威胁，控制肆虐的蓝藻水华危害、保障区域水安全和生态安全已成为国家的重大需求。目前针对蓝藻水华的研究主要聚焦于其发生机理，而对其产生生态灾害的机理尚不清楚，对预防策略的理解也相对薄弱。美国众多从事海洋环境研究的学者在1997年和2001年分别向美国国会提交了“有害藻类水华的预防、控制及减缓办法”的报告，2001年的报告内容主要包括：检测和描述水华藻类的种类及其毒素；监控和预警有害藻类水华；预防有害藻类水华并减缓其灾害；有害藻类水华的社会经济冲击及其相关教育等方面。此外，对“预防”概念的理解进行了调整，将预防有害藻类水华并减缓其灾害合并统一。而1997年的报告中所指的“预防”是在有害藻类水华发生前所采取的减少其影响程度和范围的环境管理办法，而非水华发生后的控制或灾害减缓措施。了解有害藻类水华产生灾害的机理是预防其对经济、公众安全和水生态系统产生负面影响的摹础。我国对湖泊有害藻类水华的预防及其灾害减缓的研究非常薄弱，尚未建立相关的理论和技术体系。而且迄今为止，无论国内还是国外，均很少在湖泊生态系统水平上研究蓝藻水华导致的生态灾害，对其中基本科学问题的认识也不够清楚。由于基础研究的薄弱，以往对湖泊蓝藻水华的预防和灾害减缓所采取的措施往往针对性不强，效果也比较差。因此亟待了解蓝藻水华生态灾害的形成机理，揭示生态系统发生灾变的动力学机制，探明防治蓝藻水华灾害的技术原理，探索蓝藻水华灾害防治的策略和新的技术途径，建立灾害评估与评价的方法与体系，为防治蓝藻水华灾害提供急需的理论和技术原理支撑。

2．2科学意义

研究湖泊生态系统中重要生态过程不仅可以揭示蓝藻水华引发灾害的机理，也是湖泊科学发展的自身需求。随着生态学从个体生态学向种群生态学、群落生态学、系统生态学的发展，科学界已经认识到生态系统是一个以生物为主体，由生物和非生物组成的多要素、多层次的复杂系统，它们通过系统内的各种过程和相互作用相联系，并不断与外界环境进行物质、能量、信息等方面的交换，促进系统的演化，体现出系统的各种功能。因此，研究蓝藻水华等莆要因子驱动下湖泊生态系统中的主要过程、相互作用及其对湖?白的关键生物、湖泊资源和生态环境等的影响机制，将成为湖泊科学研究的前沿领域之一。上述研究工作的展开和深入不仅对全面认识湖泊生态系统的运行机制、发展湖泊生态系统的调控理论具有很好的促进作用，而且对推动湖泊科学和淡水环境科学的进一步发展具有重要的意义。由于生态系统中生态过程及其相瓦作用的复杂性，多学科的交义和应用将成为揭示复杂过程的必然选择。本项目研究不仅涉及到社会经济学、湖泊生态学、牛物群落学、种群生态学、地理信息系统、灾害学和数学模拟等宏观科学，而且要利用生物化学、分析化学、分子生物学、微生物学、毒理学和基冈组学等来研究和解释蓝藻水华污染物质的发牛、循环特征及其对湖泊生态系统的影响机制等，这种多学科的交叉也将极大地丰富湖泊科学研究的内容，同时必将推动其它各学科自身的发展。

湖泊生态系统中的某一功能群在一定条件下可能会对整个生态系统的结构和过程起到决定性作用，并因此成为关键功能群。如“清水态”浅水湖泊的大型水生高等植物，寡营养型深水湖泊中的大型植食性滤食浮游动物等。关键功能群对生态系统的驱动作用与过程是生态学基础理论的研究热点，对这一问题的认识不仅是了解牛态系统灾变和进行生态系统过程预测的关键，也足保护和恢复生态系统的核心理论支撑。在蓝藻水华频发的湖泊生态系统中，水华篮藻作为关键功能群，是湖泊主要生态过程的驱动囚子。本项目以蓝藻水华驱动下湖泊生态系统结构和功能灾变的过程为核心内容和途径，揭示蓝藻水华的致灾机理，在评价致灾效应的基础上，提出监藻水华灾害的防治对策，研究不仅能够揭示蓝藻水华牛态灾害发生的过程与机理，以及相应的物质循环的特征，开拓居于围际前沿的、由有害生物异常增殖引发的湖泊灾害生态学研究新领域，还可以为湖泊生态系统的保护恢复提供科学依据。同时，相关研究结果也将丰富关键功能群、生态系统恢复力和生态系统灾变等方面的生态学理论，促进我国湖泊科学、环境科学、灾害学和生态科学等学科的发展。3 国内外研究现状和发展趋势

生态系统格局的变化(Regime shift)及其资源、环境和灾害效应是国际生态学和环境科学研究的热点，也是全球变化的苇要研究内容㈨。水华暴发及其衍生出来的污染物质对水牛态系统的结构和功能产生了巨大影响，并可能引起整个系统格局的变化，从而能导致一系列环境或者灾害事件的发生。国际上对于水华引起的生态灾害丰要集巾在海洋赤潮发生后的牛态环境效应研究，并提出了有害藻类水华的预防、控制及减缓办法与对策M1；在内陆水体如湖泊等的蓝藻水华生态灾害研究主要关注藻毒素的产生及其对人类健康的潜在影响怕J，缺乏较为系统的灾害效应及其预防和控制策略研究。我国的水华研究首先关注的也是海洋赤潮的研究，并在21世纪初启动了国家再点基础研究发展规划项目“我国近海有害赤潮发生的生态学、海洋学机制及预测防治”，其中也重点研究了有害赤潮对关键生物种、重要资源种和海洋牛态系结构与功能的影响，以及降低赤潮发生强度和频率的生态调控原理，从而为进一步了解赤潮危害机理、评估赤潮危害、减轻赤潮灾害提‟广供科学依据。湖泊蓝藻水华的研究则主要关注了篮藻水华的发生机理，并在2002年启动了国家重点基础研究发展规划项目“湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发机理研究”，虽然在其中涉及了湖泊富营养化的灾害研究，但是雨点关注的足蓝藻毒素的发生机理。显然，目前对湖泊蓝藻水华生态灾害发生机理及其灾害效应的认识不够系统和深入，因此缺乏有效的应对篮藻水华生态灾害的对策，尤其体现在以下几个方面：

(1)对水华蓝藻的藻毒素研究较多，对其它衍生污染物的形成及其对水质安全的威胁等灾害效应认识不足。水华蓝藻能大量产生一系列毒性很强的天然毒素从而危及人类健康。我同湖泊中有毒蓝藻水华大量发生，渔产品中的微囊藻毒素(Micro—cysti，MC)含量普遍较高甚至很高，其对人类健康的潜在威胁不容忽视。日前有关太湖水产品中的MC?„染仅见零星报道"，蓝藻死亡分解过程中所产牛的MC在水生动物体内的累积及食用风险急需评估。对水华蓝藻的藻毒素研究较多，对其它衍生污染物质很不清楚，因而存我国关于藻源性异味物质的系统研究还十分缺乏，如财我国水体异味物质的种类、分布、藻类来源，产异味藻的生理生念特性等方面的系统研究几乎是空白。目前，在产异味藻株特异性、异味物质产生的牛理牛态机制、异味物质在水生态系统中的迁移、转化和归趋等方面均亟待进行全面、系统和深入的研究。蓝藻水华暴发后期，大量藻类细胞衰亡并沉入水底，继而在水一泥界面分解而释放出大量蓝藻毒素、异味物质及其它有毒有害物质。蓝藻在特定水域堆积、腐烂和分解，并形成“污水团”，一旦扩散到饮用水源地，将可能引发饮用水危机。因此，研究毒素、异味物质等在水一泥界面和水一气界面的迁移转化规律和在湖泊中的归趋，弄清水华蓝藻在潜在风险区的堆积、腐烂分解和“污水团”形成过程，对于蓝藻成灾机理的阐明具有重要意义。在蓝藻水华衍生污染物质的毒理学分析方面，藻毒素的毒理学研究较多，已有的研究表明微囊藻毒素具有肝毒性、促癌作用、肾毒性和肠毒性。但是，在蓝藻水华消亡过程中，除了产生藻毒素以外，还会产生一些其它有害物质，如甲硫醇、甲硫醚、亚硝酸盐和硝胺等，对这些物质的致毒过程和机理，特别是它们的联合毒性效应缺乏基本认识。绝大部分环境污染物不只通过一种机制发挥作用，而是通过几种机制联合产生生物效应，蓝藻水华消亡过程中还会产生一些复合性环境污染物，使生物种或生态系统暴露于多种化合物的综合影响下，环境污染物风险评价中安全阈值的确定已不仅局限于传统的毒理学研究参数指标，而是更多关注于环境污染物低剂量长期暴露下，生物机体在细胞水平、分子水平上的可观测变化，及污染物长期暴露对整个生态环境中生物种群的影响，只有这样才能有效地对环境污染物做出风险评估。将传统毒理学研究方法与日益发展的分子生物学技术相结合，将宏观生态毒理的研究方法和微观的分子手段相结合，针对蓝藻水华消亡过程中有害物质种类和浓度以及不同功能水体的生态保护要求，系统地研究代谢型化学产物和环境生物之间相互作用的过程及其机理，不能够建立适合我国国情的水华成灾的生态安伞阈值指标体系，而且有望建立蓝藻水华消亡过程中适合不同功能区的水质安全指标体系。

(2)绝大多数研究侧重于生源要素对蓝藻水华形成的影响，缺乏了解蓝藻水华暴发后对生源要素循环过程的影响及其生态环境效应。多年来，大量的研究工作着眼于营养盐等牛源要素对蓝藻水华的产生和发展过程的影响，却少有研究探索蓝藻水华暴发对湖泊水体C、N、P等生源要素循环的反作用，而这种反作用町能对蓝藻水华的多次暴发和灾害形成有极为苇要的影响。事实上，蓝藻水华不仪会影响水体营养盐的循环、矿化速率和再生通量，还会改变其生物地球化学循环方式和途径。有研究指出，水华暴发期间，水体胶体有机碳的浓度硅著增高，并对水体中胶体态磷的浓度及其形态产生影响；富营养湖泊中蓝藻水华的暴发会改变水体pH值，从而导致沉积物中内源磷释放量的急剧增加；蓝藻水华等有机体的死亡分解及伴随的营养物质的再生还可能对水华的暴发程度和周期产生重要影响；浅水湖泊的蓝藻水华暴发与死亡生物残体有机质的分解及营养盐的再生之间可能存在内在关联，这种关联可能导致藻型湖泊生态系统具有更强的自稳定性。湖泊沉积物作为湖泊生态系统的重要组成部分，接纳并蓄积了大量C、N、P等生源要因素，蓝藻水华暴发后，湖泊水体和水土界面的环境会发生霞大变化，因此完全有可能影响到沉积物中生源要素的循环过程，并对水体的营养循环产生重大影响。很显然，水华暴发后对生源要素循环过程的反作用是蓝藻水华成灾对生态系统产生破坏的基本过程，是蓝藻水华暴发后引发生态灾害的前提，对这一过程开展研究将为深入认识蓝藻水华灾害并提出防治措施提供科学依据。

(3)生物群落结构灾变是生态系统灾变的核心，对蓝藻水华驱动下湖泊生物群落结构变化过程和机理认识不足。随着富营养化的加剧，浅水湖泊逐步形成以浮游藻类为优势的生态系统，其中往往又以蓝藻为优势藻类，引发蓝藻水华。蓝藻成为该类湖泊生态系统的关键功能群，驱动着整个生态系统的结构和过程。而这种以蓝藻为优势的湖泊生态系统十分稳定，在相当长的时期内不会发生格局变化，从而形成生态灾害。浅水湖泊的主要生物类群包括微生物分解者；以浮游植物、水生高等植物和附生藻类为主的初级生产者；以浮游动物、底柄动物为主的初级消费者和以鱼类为主的次级消费者等。目前关于蓝藻水华对湖泊其他水生生物的影响研究主要集中在单因子的生理或生态胁迫方面，而各种影响足相互联系的，目前还无法解释蓝藻水华胁迫下湖泊生物群落结构灾变的关键过程与机理。需要重点研究的关键过程包括在水华驱动下：①湖泊中的微食物网结构与功能的响应；②初级生产者如何发生变化；③藻类牧食者的结构及其对浮游藻类的牧食能力的变化；④底栖与水层生境之间的以营养关系为核心的耦合作用发生哪些变化；⑤鱼类结构和湖泊渔业变化的过程与机制；⑥蓝藻水华所携带的物质和能量有多少以及如何在食物网中流传。

(4)防治蓝藻水华生态灾害急需新的技术原理支撑，应急和长效技术相结合是开展探索的主要趋势。由于湖泊营养负荷在相对较长的一段时间内不会显著减少，且即使在理想的流域生态条件下，湖泊也不断承受着来自陆地和人类的强烈扰动。因此，从长效治理蓝藻水华的角度出发，需要构建一个具有较高系统稳定性的良性湖泊生态系统，这种稳定性依赖于系统结构的完整性和丰富的牛物多样性，表现在：对外来营养负荷的冲击有较强的缓冲能力和自动恢复能力；具有良好(4)蓝藻水华灾害治理和调控的的技术原理。

主要研究内容包括：蓝藻水华快速去除、迁移输出与营养盐沉降技术原理；蓝藻衍生污染物质加速分解与吸附技术原理；水、沉积物环境改善与沉水植被、生态系统恢复技术原理；生态系统结构和功能对主要摔制技术措施的响应与生态安全分析；蓝藻水华应急治理与长效稳态转换的理论基础；蓝藻水华生态灾害评估指标和分级体系；蓝藻水华牛态灾害分析方法；典型湖泊蓝藻水华生态灾害预警与专家决策支持系统；蓝藻水华生态灾害的风险管理与调控策略。

4．3研究的总体思路

本项研究的关键问题足要明确蓝藻水华暴发后如何导致湖泊生态系统结构的灾变?致灾效应如何?如何评估?调控的机理与对策是什么?针对这些关键问题，本项目拟以太湖为主要研究对象，并选择滇池和巢湖为参考湖泊，同绕蓝藻水华暴发后的主要过程或者阶段，运用野外生态学、比较湖沼学和实验生态学方法，将历史数据分析、野外调查、原位实验、模拟试验与实验率分析相结合，比较分析小同存量蓝藻水华对湖泊生态系统结构与功能变化的驱动作用及其机理，对这一影响将主要从3个方面进行研究：①对生物群落结构的影响及其机理；②对湖泊生源要素循环过程的影响及其生态环境效应；③对湖泊水质的影响(主要是藻类水华衍牛污染物的发生机理、迁移转换规律及其对湖泊水质安全的影响)。在比较分析上述影响的基础上，确定蓝藻水华引起生态灾害的关键参数和机制，在了解相关机理的基础上探索防治蓝藻水华生态灾害的新途径，研究蓝藻水华生态灾害评估、评价方法和预防策略，最终为蓝藻水华灾害的预防和控制提供科学依据。总体研究思路见图l。研究目标

总体目标：以太湖生态系统为主要研究对象，选择巢湖和滇池为财比研究湖泊，通过研究水华蓝藻衍生污染物质的产生和归趋、主要污染物质的毒理学效臆及对水质安全的影响、湖泊生物群落结构对蓝藻水华暴发的响应和机理、蓝藻水华暴发对湖泊生源要素循环过程的影响及其生态环境效应，在理论上揭示监藻水华暴发导致湖泊生态系统结构和功能灾变的机理，在方法卜建市我国湖泊蓝藻水华生态灾害的评估方法和指标体系，通过研究防治蓝藻水华生态灾害的应急和长效技术原理，探索防治湖泊蓝藻水华生态灾害的新途径，开拓居国际前沿的、由有害生物异常增殖引发的湖泊灾害生态学研究领域，使我国在湖泊生态系统灾变、蓝藻水华敏灾机理及灾害预防和控制等研究领域居同际前沿水平，为我国湖泊蓝藻水华生态灾害的防治和区域水安伞及生态安全保障做出贡献。

五年目标：揭示蓝藻水华的暴发导致湖泊生态系统结构与功能灾变的关键过程，明确生念系统灾变的基本原理，创建湖泊牛态灾害的研究方法和蓝藻水华致灾评价标准及体系，探索防治湖泊监藻水华牛态灾害的新途径和策略，丰富和发展湖泊科学、灾害牛态学与牛态学等学科理沦，为区域町持续发展提供对策。主要贡献如下：

(1)基础理沦贡献：蓝藻水华衍生污染物质的发生机理；蓝藻水华衍生污染物质的毒理学；蓝藻水华引发生态系统结构变化和功能衰退的机理。(2)基本方法贡献：蓝藻水华衍生污染物质的分析方法；湖泊蓝藻水华生态灾害的评估方法。(3)新的技术原理与途径：大面积、低成本、生态安全的蓝藻水华及其衍生污染物快速清除原理；蓝藻水华生态灾害的长效稳态逆转技术原理和

第二篇：山仔水库水质自动监测数据在蓝藻水华生态因子分析上的应用

龙源期刊网 http://.cn

山仔水库水质自动监测数据在蓝藻水华生态因子分析上的应用

作者：林晶

来源：《海峡科学》2012年第06期

[摘要] 以山仔水库水质自动监测站2010年监测数据为基础，结合实验室检测结果，分析了影响蓝藻水华爆发的主要生态因子。结果表明，山仔水库以蓝藻为优势种群；藻类生长与TN/TP呈负相关，与TP、pH、光合有效辐射、浊度呈显著正相关，与TN、水温、DO呈较小正相关；藻类生物量受光合有效辐射、水温、TN、TP等原因变量及pH、浊度、DO等相关因子的影响显著。