大水面藍(lán)藻爆發(fā)的原因：藍(lán)藻生長和水華形成有重要影響的氣象因子

水華是指淡水水體中的藻類、浮游動(dòng)物(腰鞭毛蟲等)或細(xì)菌爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色的一種災(zāi)害性的生態(tài)現(xiàn)象。隨著近年來水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,越來越多的水體發(fā)生水華。按照水華發(fā)生的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)水色發(fā)生明顯變化或藻類密度高于1000 ×104個(gè)/L時(shí)認(rèn)為發(fā)生了水華。

中國的第二次湖泊現(xiàn)狀調(diào)查顯示，東部平原湖區(qū)、東北平原與山地湖區(qū)和云貴高原湖區(qū)138個(gè)面積大于10Km2,湖泊中有85.4%的湖泊超過了富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn),其中達(dá)到重度富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)的占40.1% ，這些數(shù)據(jù)說明了中國的湖泊藍(lán)藻水華已經(jīng)達(dá)到了十分嚴(yán)重的地步,解決藍(lán)藻水華水體富營養(yǎng)化問題刻不容緩。

針對(duì)我國近8年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行篩選和統(tǒng)計(jì)，將大水面水庫、湖泊、河流藍(lán)藻爆發(fā)的原因進(jìn)行篩選和匯總，歸納出水華爆發(fā)的主要原因:光照、溫度、營養(yǎng)鹽以及大型水利工程。徐曉發(fā)現(xiàn)，水華的爆發(fā)是水環(huán)境因素(如總氮、總磷、pH 值、溶解氧等)和氣象因子綜合作用的結(jié)果。WETZEL R G. 等人研究發(fā)現(xiàn)藻類水華是多種環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果。

我們把水華爆發(fā)因素分為自然因素和人為因素，其中自然因素主要包括光照、水溫、 營養(yǎng)鹽條件，人為因素主要是大型水利工程。據(jù)此，水華爆發(fā)因素的示意圖如下：

水華爆發(fā)因素示意圖

一、光照

光輻射為藻類光合作用提供代謝能量，影響光合固碳速率，也影響藻類呼吸強(qiáng)度和能量負(fù)荷水平。

Domingues 等研究證實(shí)了水中浮游植物和藍(lán)藻的生長受光照強(qiáng)度的影響較大，同時(shí)指出在瀉湖地區(qū)水體富營養(yǎng)化并不是嚴(yán)重的問題，但如果光照強(qiáng)度適宜，則可能導(dǎo)致藻類水華現(xiàn)象的發(fā)生。

魯偉坤通過研究藍(lán)藻水華與氣象因素的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)滇池藍(lán)藻水華發(fā)生頻率與累積日照時(shí)數(shù)和降雨量相關(guān)，其中與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)最高。

Lew等人在 Orinoco 河發(fā)現(xiàn)藻類生長需要接收足夠的光強(qiáng)度，而河流的深度、透明度等將影響水體中光線的分布，從而影響藻類的生長。光合碳固定的能量受光照輻射的影響，是光合作用和水環(huán)境評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。浮游植物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)中起著重要作用，它們通過葉綠素進(jìn)行光合作用。光照強(qiáng)度與水華爆發(fā)有直接關(guān)系,崔松云的研究表明光照的影響主要表現(xiàn)在藻類的光合速率隨光強(qiáng)的變化而變化。而且,不同的藻類對(duì)光強(qiáng)的光敏性也不同。

二、溫度

水溫是藻類光合作用的必要條件，它決定著細(xì)胞的酶反應(yīng)速率,溫度是生物酶工作的重要條件。溫度低時(shí)導(dǎo)致細(xì)胞膜流動(dòng)性差,會(huì)使得藻細(xì)胞對(duì)營養(yǎng)鹽的攝入速度變慢；同時(shí)低溫條件下生物酶的活性較低,藻類的新陳代謝速率變低。適宜的水溫條件是藍(lán)藻水華暴發(fā)的前提。隨著水溫的增加，藍(lán)藻的生長速率增加。當(dāng)溫度在 20℃ 以上且水溫為 25℃ 或 35℃ 時(shí),益生的單細(xì)胞生長速率開始比藍(lán)藻慢。藍(lán)藻在室溫下不可能大規(guī)模爆發(fā)。

只有進(jìn)入高溫季節(jié)，生長速率才能上升，所以溫度是藍(lán)藻爆發(fā)的主要因素之一。溫度的變化會(huì)直接導(dǎo)致水溫的變化，適當(dāng)?shù)乃疁貢?huì)影響藻類的代謝和繁殖,從而加速藻類的生長，增加水華的風(fēng)險(xiǎn)。近幾十年來，短期和長期氣候變化對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響,引起了廣泛的關(guān)注。溫度變化對(duì)水生生物的生長和分布具有一定的影響，隨著溫度的升高，藻類的代謝率增加,生長和繁殖速率增加。

許多研究已經(jīng)證實(shí), 對(duì)藍(lán)藻生長和水華形成有重要影響的氣象因子包括溫度。

Walls 等研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻生物量隨溫度升高到增加，當(dāng)水溫大于 18℃ 時(shí)藍(lán)藻生物量隨溫度升高迅速下降，且藻毒素在高溫時(shí)逐漸增多。

夏志強(qiáng)等認(rèn)為不同的浮游藻類種類由于受水溫等環(huán)境的影響，只有當(dāng)優(yōu)勢藻種類穩(wěn)定且單一時(shí)，葉綠素 a 才與豐度顯著相關(guān)。

李亞春通過對(duì)太湖大面積、長時(shí)間、高頻次的觀測數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)適度高溫有利于藍(lán)藻水華的形成。

Jung 等人研究了韓國漢江下游硅藻水華的環(huán)境影響因素。發(fā)現(xiàn)當(dāng)水溫(5≤10℃ )較低時(shí),硅藻含量達(dá)到峰值，硅酸濃度下降，然而在水體中，其他養(yǎng)分仍處于富營養(yǎng)化水平。

Visser 等人指出藍(lán)藻的最適生長溫度為 27℃ ~ 37℃ ,且當(dāng)氣溫超過25℃ 時(shí)，明顯有藍(lán)藻生長速率的提高。

三、營養(yǎng)鹽條件

前主流觀點(diǎn)認(rèn)為,導(dǎo)致河流水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵要素包括營養(yǎng)鹽負(fù)荷、水文條件等。水體內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度高低對(duì)于藍(lán)藻生長產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用,直接決定藍(lán)藻繁殖的速度,對(duì)于水華的發(fā)生有至關(guān)重要的影響。

Ospina - Alvare 研究表明沉積物中積累的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的釋放是水體中藻類生長所需營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源。同時(shí)水體中氮磷比對(duì)于藍(lán)藻繁殖有顯著影響，當(dāng)TN 與TP 的比 值小于時(shí)，藍(lán)藻在藻類群體中會(huì)占據(jù)優(yōu)勢。

營養(yǎng)鹽對(duì)于藍(lán)藻繁殖及水華形成的確切關(guān)系也隨湖泊不同而有所差異。藻類細(xì)胞通過獲取和儲(chǔ)存棲息地底部或游離態(tài)的養(yǎng)分供自身在水體中生長所需，在其生長環(huán)境條件得到一定程度滿足時(shí)，氮磷等營養(yǎng)鹽是否充沛就成為種群生長繁殖和數(shù)量多寡的主要控制因素。種群隨機(jī)運(yùn)動(dòng)與營養(yǎng)鹽的擴(kuò)散速率相同,使得水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)在不同區(qū)域的變動(dòng)引起以其為食的浮游藻類生長繁殖出現(xiàn)相應(yīng)變動(dòng)。

四、水利工程

在人類的高強(qiáng)度活動(dòng)下，水利工程發(fā)展引起的水文形勢變化是水利與環(huán)境學(xué)科研究中急需探討的一個(gè)重要的應(yīng)用基礎(chǔ)問題。尤其是最近幾十年來，中國水利的大發(fā)展，小浪底、葛洲壩等大型水利工程相繼建成運(yùn)營，帶來了巨大的效益，方便了人們的生活。但與此同時(shí)，強(qiáng)人類活動(dòng)大型水利工程對(duì)中國流域及區(qū)域大尺度水文循環(huán)過程的影響將更加顯著，大型河流水華暴發(fā)與水文、水環(huán)境和水生態(tài)之間相互影響作用過程中的一些新的科學(xué)問題亟待研究和探索。

在水利工程調(diào)度的影響下,河道型水庫形成了較為獨(dú)特的地理環(huán)境、水文情勢及水動(dòng)力變化特征：由于河道型受上游流入和壩前蓄水位的周期性變化的影響，在不同時(shí)段表現(xiàn)出以湖泊形態(tài)或河流流型為主導(dǎo)的周期性變化；水利工程對(duì)水華的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)人類活動(dòng)的干擾，包括城市工業(yè)污水的排放和農(nóng)業(yè)污水的流入；(2)水利工程的實(shí)施和建設(shè)，在河流中形成一個(gè)大的“死水區(qū)” ，導(dǎo)致河水自凈能力下降。通過對(duì)近 5 年來國內(nèi)外水利工程背景下江河水華成因研究進(jìn)展的回顧，發(fā)現(xiàn)有眾多學(xué)者指出，水利工程，特別是堤壩工程，將對(duì)河流浮游生物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常重大的影響。

夏瑞在針對(duì)漢江下游的研究中發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)人類活動(dòng)干擾下，上游水利工程建設(shè)和閘壩調(diào)度進(jìn)一步導(dǎo)致了下游河道水文徑流過程的改變。

肖嬋等人發(fā)現(xiàn)南水北調(diào)工程導(dǎo)致漢江中下游的水質(zhì)明顯惡化，在促進(jìn)水華爆發(fā)方面發(fā)揮重要作用。

為了研究三峽大壩對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，ZENG等對(duì)三峽水庫浮游植物組成、豐富度和時(shí)間分布進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，雨季香溪河浮游植物含量與 N、P、Si 含量顯著負(fù)相關(guān)。

Lee 等人利用韓國松島市 FLOW - 3D 水動(dòng)力模型，確定了人工海水管道水力特性對(duì)藻類生長的影響。結(jié)果表明：水華爆發(fā)的地點(diǎn)受滯洪區(qū)和垂直流速的影響。

Jeong 等人發(fā)現(xiàn)，韓國洛東江上游大壩的流量和降水量與水體中藍(lán)藻的停留時(shí)間有顯著的關(guān)系。

綜上所述，河流型水華通常伴隨著人類活動(dòng)和氣候變化的雙重效應(yīng)，是一個(gè)復(fù)雜的多因素影響問題。

結(jié)語

針對(duì)近年來國內(nèi)外水華爆發(fā)的文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，探究藍(lán)藻水華爆發(fā)規(guī)律及分析水華爆發(fā)驅(qū)動(dòng)因素。認(rèn)為在水體營養(yǎng)鹽滿足藍(lán)藻生長條件下，水文、氣象、氣候條件是驅(qū)動(dòng)水華發(fā)生的主要因素。營養(yǎng)鹽富集是藍(lán)藻生長繁殖的基礎(chǔ)，是水華風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警首先必須考慮到的環(huán)境要素。

除此以外，水利工程等人為因素也會(huì)為水華形成產(chǎn)生影響。文章總結(jié)的水華因素是一些共性的因素，但在不同的水庫其作用因子的交叉與聯(lián)合也不盡相同，在探討特定水體的水華成因時(shí)尚需要因地制宜詳細(xì)科學(xué)地分析。

來源：授漁水產(chǎn)。文章部分摘自《環(huán)境科學(xué)與管理》周兵、蔡小莉、楊欣欣等

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