第一篇：湖泊藍藻水華生態災害形成機理及防治的基礎研究

湖泊藍藻水華生態災害形成機理及防治的基礎研究

吳慶龍1，謝平2，楊柳燕3，高光1，劉正文1，潘綱4，朱本占5(1．中國科學院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環境國家重點實驗室，江蘇南京210008；2．中國科學院水生生物研究所，淡水生態與生物技術國家重點實驗室，湖北武漢430072；3．南京大學，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，江蘇南京210092；4．中國科學院生態環境研究中心，環境水質學國家重點實驗室，北京100085；5．中國科學院生態環境研究中心，環境化學與生態毒理學國家重點實驗室，北京100085)摘要：湖泊具有供水、漁業、旅游、維持區域生態系統平衡等功能，是支撐我國經濟和社會發展的重要資源之一。但是近30年來，湖泊富營養化所導致的藍藻水華頻繁暴發，生態災害事件頻發，嚴重影響湖泊功能的發揮，制約區域經濟可持續發展。針對國家在保障區域水安全和生態安全、保護人民健康及建設和諧社會等方面的重大需求，國家重點基礎研究發展計劃項目“湖泊藍藻水華生態災害形成機理及防治的基礎研究”于2008年7月正式立項。項目擬解決的關鍵科學問題包括：①湖泊藍藻水華主要衍生污染物的形成機理、遷移轉化規律和毒理效應；②藍藻水華導致湖泊生態系統結構變化和功能退化的機理；③藍藻水華生態災害評估及調控機理。針對上述科學問題，項目以藍藻水華污染物的產生、湖泊生態系統結構與功能的響應以及生態災害的評估與調控為研究主線，重點開展以下幾個方面的研究：①藍藻水華衍生污染物的產生及其環境過程；②藍藻水華衍生污染物的毒理效應與生態和健康風險；③藍藻水華導致湖泊生態系統結構變化與功能退化的關鍵過程和機制；④藍藻水華災害治理和調控的的技術原理和途徑。項目的實施和完成將為我國湖泊藍藻水華生態災害的預防與控制提供理論和技術原理支撐。

關鍵詞：湖泊；藍藻水華；生態災害；調控

中圖分類號：X524 文獻標志碼：A 1 引言

湖泊藍藻水華是指湖泊水體中的藍藻快速大量繁殖形成肉眼可見的藍藻群體或者導致水體顏色發生變化的一種現象，嚴重時可在水面漂浮積聚形成綠色的藻席甚至藻漿?。藍藻水華的發生根源于湖泊富集了過多的氮、磷等營養物質，是湖泊寓營養化的一種表現形式?。生態災害是指在一些因素的干擾下由于生態系統平衡改變所帶來的各種始料未及的現象和突發事件，如生態系統破壞、生物多樣性散失、財產損失、人員傷亡和社會安定失穩等。生態災害的發生根源于生態系統結構和功能的災變。由中國科學院南京地理．與湖泊研究所牽頭，中國科學院生態環境研究中心、中國科學院水生生物研究所和南京大學等單佗聯合申請的國家重點基礎研究發展計劃項目“湖泊藍藻水華生態災害形成機理及防治的基礎研究”于2008年7月正式立項。

項目針對國家在保障區域水安全和牛態安全、保護人民健康等方面的重大需求，以藍藻水華污染物的產生、湖泊生態系統結構與功能的響應以及生態災害的評估與調控為研究主線，圍繞藍藻水華形成后的積聚、分解等主要過程和階段，研究藍藻水華衍生污染物的產生和歸趨、主要污染物質的毒理效應及水質安全、藍藻水華影響湖泊生態系統結構和功能的關鍵過程和途徑。在此基礎上，研究防治藍藻水華生態災害的新技術原理，建立我國湖泊藍藻水華生態災害的評估方法和指標體系，并提出相應的管理和調控對策，為保障我國湖泊供水、資源和生態安全提供重要的理論和技術原理支撐。同時，開拓居國際前沿的、由有害生物異常增殖引發的湖泊災害生態學研究領域，豐富關鍵功能群、生態系統恢復力和生態系統災變等方面的基礎理論。

2立項的依據 2．1國家需求

我國是一個湖泊眾多的國家，湖泊不僅具有供水、調蓄洪水、調節氣候、漁業、旅游等功能，還在維持區域生態系統平衡和保育生物多樣性等方面發揮重要作用，是支撐我國經濟和社會發展的重要資源之一。然而，最近的幾十年，由于湖泊生態系統受損、水質下降，已嚴重削弱了湖泊生態系統的服務功能，特別是極大地威脅到飲用水的安全供應。湖泊富營養化所導致的藍藻水華是湖泊生態系統受損的主要表征之一，我國是世界上藍藻水華暴發最嚴重、分布最廣泛且水華藍藻種類最多的國家之一。如太湖、滇池和巢湖均有大面積、高頻率的藍藻水華發生，在一些水華堆積區，藍藻濃度已超過1010個細胞／L。藍藻水華還會造成水體的“二次污染”，如藍藻在生長和衰亡過程中所分泌的異味化合物或毒素等可嚴承影響飲用水及水產品的品質，造成嚴重的經濟損失，還會引起水生和一些陸生動物中毒，并可能危及人類健康。藻類堆積后腐爛分解還可導致局部水域水質的嚴莆惡化，危及供水安全。如2007年5月底因藍藻水華暴發導致無錫市主要自來水廠停產，嚴重干擾居民的生產和生活，影響社會穩定，引起國內外的極大關注，對生態文明與和諧社會建設產生重大不利影響。藍藻水華暴發也會導致湖泊的漁業及旅游等功能的下降，嚴重時甚至導致整個系統生態功能和服務價值的喪失，而生態系統的正常結構和功能一旦被破壞并失去平衡，將很難在短時間內恢復。顯然，藍藻水華在湖泊中的頻繁暴發已經成為一種“生態災害”。需要強調的是，我國藍藻水華生態災害最嚴霞的湖泊流域多是經濟發達、人口密集的地區，災害的發生不僅嚴重制約了區域經濟的可持續發展，同時也對人們的健康和社會的穩定產生了極大威脅，控制肆虐的藍藻水華危害、保障區域水安全和生態安全已成為國家的重大需求。目前針對藍藻水華的研究主要聚焦于其發生機理，而對其產生生態災害的機理尚不清楚，對預防策略的理解也相對薄弱。美國眾多從事海洋環境研究的學者在1997年和2001年分別向美國國會提交了“有害藻類水華的預防、控制及減緩辦法”的報告，2001年的報告內容主要包括：檢測和描述水華藻類的種類及其毒素；監控和預警有害藻類水華；預防有害藻類水華并減緩其災害；有害藻類水華的社會經濟沖擊及其相關教育等方面。此外，對“預防”概念的理解進行了調整，將預防有害藻類水華并減緩其災害合并統一。而1997年的報告中所指的“預防”是在有害藻類水華發生前所采取的減少其影響程度和范圍的環境管理辦法，而非水華發生后的控制或災害減緩措施。了解有害藻類水華產生災害的機理是預防其對經濟、公眾安全和水生態系統產生負面影響的摹礎。我國對湖泊有害藻類水華的預防及其災害減緩的研究非常薄弱，尚未建立相關的理論和技術體系。而且迄今為止，無論國內還是國外，均很少在湖泊生態系統水平上研究藍藻水華導致的生態災害，對其中基本科學問題的認識也不夠清楚。由于基礎研究的薄弱，以往對湖泊藍藻水華的預防和災害減緩所采取的措施往往針對性不強，效果也比較差。因此亟待了解藍藻水華生態災害的形成機理，揭示生態系統發生災變的動力學機制，探明防治藍藻水華災害的技術原理，探索藍藻水華災害防治的策略和新的技術途徑，建立災害評估與評價的方法與體系，為防治藍藻水華災害提供急需的理論和技術原理支撐。

2．2科學意義

研究湖泊生態系統中重要生態過程不僅可以揭示藍藻水華引發災害的機理，也是湖泊科學發展的自身需求。隨著生態學從個體生態學向種群生態學、群落生態學、系統生態學的發展，科學界已經認識到生態系統是一個以生物為主體，由生物和非生物組成的多要素、多層次的復雜系統，它們通過系統內的各種過程和相互作用相聯系，并不斷與外界環境進行物質、能量、信息等方面的交換，促進系統的演化，體現出系統的各種功能。因此，研究藍藻水華等莆要因子驅動下湖泊生態系統中的主要過程、相互作用及其對湖?白的關鍵生物、湖泊資源和生態環境等的影響機制，將成為湖泊科學研究的前沿領域之一。上述研究工作的展開和深入不僅對全面認識湖泊生態系統的運行機制、發展湖泊生態系統的調控理論具有很好的促進作用，而且對推動湖泊科學和淡水環境科學的進一步發展具有重要的意義。由于生態系統中生態過程及其相瓦作用的復雜性，多學科的交義和應用將成為揭示復雜過程的必然選擇。本項目研究不僅涉及到社會經濟學、湖泊生態學、牛物群落學、種群生態學、地理信息系統、災害學和數學模擬等宏觀科學，而且要利用生物化學、分析化學、分子生物學、微生物學、毒理學和基岡組學等來研究和解釋藍藻水華污染物質的發牛、循環特征及其對湖泊生態系統的影響機制等，這種多學科的交叉也將極大地豐富湖泊科學研究的內容，同時必將推動其它各學科自身的發展。

湖泊生態系統中的某一功能群在一定條件下可能會對整個生態系統的結構和過程起到決定性作用，并因此成為關鍵功能群。如“清水態”淺水湖泊的大型水生高等植物，寡營養型深水湖泊中的大型植食性濾食浮游動物等。關鍵功能群對生態系統的驅動作用與過程是生態學基礎理論的研究熱點，對這一問題的認識不僅是了解牛態系統災變和進行生態系統過程預測的關鍵，也足保護和恢復生態系統的核心理論支撐。在藍藻水華頻發的湖泊生態系統中，水華籃藻作為關鍵功能群，是湖泊主要生態過程的驅動囚子。本項目以藍藻水華驅動下湖泊生態系統結構和功能災變的過程為核心內容和途徑，揭示藍藻水華的致災機理，在評價致災效應的基礎上，提出監藻水華災害的防治對策，研究不僅能夠揭示藍藻水華牛態災害發生的過程與機理，以及相應的物質循環的特征，開拓居于圍際前沿的、由有害生物異常增殖引發的湖泊災害生態學研究新領域，還可以為湖泊生態系統的保護恢復提供科學依據。同時，相關研究結果也將豐富關鍵功能群、生態系統恢復力和生態系統災變等方面的生態學理論，促進我國湖泊科學、環境科學、災害學和生態科學等學科的發展。3 國內外研究現狀和發展趨勢

生態系統格局的變化(Regime shift)及其資源、環境和災害效應是國際生態學和環境科學研究的熱點，也是全球變化的葦要研究內容㈨。水華暴發及其衍生出來的污染物質對水牛態系統的結構和功能產生了巨大影響，并可能引起整個系統格局的變化，從而能導致一系列環境或者災害事件的發生。國際上對于水華引起的生態災害豐要集巾在海洋赤潮發生后的牛態環境效應研究，并提出了有害藻類水華的預防、控制及減緩辦法與對策M1；在內陸水體如湖泊等的藍藻水華生態災害研究主要關注藻毒素的產生及其對人類健康的潛在影響怕J，缺乏較為系統的災害效應及其預防和控制策略研究。我國的水華研究首先關注的也是海洋赤潮的研究，并在21世紀初啟動了國家再點基礎研究發展規劃項目“我國近海有害赤潮發生的生態學、海洋學機制及預測防治”，其中也重點研究了有害赤潮對關鍵生物種、重要資源種和海洋牛態系結構與功能的影響，以及降低赤潮發生強度和頻率的生態調控原理，從而為進一步了解赤潮危害機理、評估赤潮危害、減輕赤潮災害提?廣供科學依據。湖泊藍藻水華的研究則主要關注了籃藻水華的發生機理，并在2002年啟動了國家重點基礎研究發展規劃項目“湖泊富營養化過程與藍藻水華暴發機理研究”，雖然在其中涉及了湖泊富營養化的災害研究，但是雨點關注的足藍藻毒素的發生機理。顯然，目前對湖泊藍藻水華生態災害發生機理及其災害效應的認識不夠系統和深入，因此缺乏有效的應對籃藻水華生態災害的對策，尤其體現在以下幾個方面：

(1)對水華藍藻的藻毒素研究較多，對其它衍生污染物的形成及其對水質安全的威脅等災害效應認識不足。水華藍藻能大量產生一系列毒性很強的天然毒素從而危及人類健康。我同湖泊中有毒藍藻水華大量發生，漁產品中的微囊藻毒素(Micro—cysti，MC)含量普遍較高甚至很高，其對人類健康的潛在威脅不容忽視。日前有關太湖水產品中的MC??染僅見零星報道"，藍藻死亡分解過程中所產牛的MC在水生動物體內的累積及食用風險急需評估。對水華藍藻的藻毒素研究較多，對其它衍生污染物質很不清楚，因而存我國關于藻源性異味物質的系統研究還十分缺乏，如財我國水體異味物質的種類、分布、藻類來源，產異味藻的生理生念特性等方面的系統研究幾乎是空白。目前，在產異味藻株特異性、異味物質產生的牛理牛態機制、異味物質在水生態系統中的遷移、轉化和歸趨等方面均亟待進行全面、系統和深入的研究。藍藻水華暴發后期，大量藻類細胞衰亡并沉入水底，繼而在水一泥界面分解而釋放出大量藍藻毒素、異味物質及其它有毒有害物質。藍藻在特定水域堆積、腐爛和分解，并形成“污水團”，一旦擴散到飲用水源地，將可能引發飲用水危機。因此，研究毒素、異味物質等在水一泥界面和水一氣界面的遷移轉化規律和在湖泊中的歸趨，弄清水華藍藻在潛在風險區的堆積、腐爛分解和“污水團”形成過程，對于藍藻成災機理的闡明具有重要意義。在藍藻水華衍生污染物質的毒理學分析方面，藻毒素的毒理學研究較多，已有的研究表明微囊藻毒素具有肝毒性、促癌作用、腎毒性和腸毒性。但是，在藍藻水華消亡過程中，除了產生藻毒素以外，還會產生一些其它有害物質，如甲硫醇、甲硫醚、亞硝酸鹽和硝胺等，對這些物質的致毒過程和機理，特別是它們的聯合毒性效應缺乏基本認識。絕大部分環境污染物不只通過一種機制發揮作用，而是通過幾種機制聯合產生生物效應，藍藻水華消亡過程中還會產生一些復合性環境污染物，使生物種或生態系統暴露于多種化合物的綜合影響下，環境污染物風險評價中安全閾值的確定已不僅局限于傳統的毒理學研究參數指標，而是更多關注于環境污染物低劑量長期暴露下，生物機體在細胞水平、分子水平上的可觀測變化，及污染物長期暴露對整個生態環境中生物種群的影響，只有這樣才能有效地對環境污染物做出風險評估。將傳統毒理學研究方法與日益發展的分子生物學技術相結合，將宏觀生態毒理的研究方法和微觀的分子手段相結合，針對藍藻水華消亡過程中有害物質種類和濃度以及不同功能水體的生態保護要求，系統地研究代謝型化學產物和環境生物之間相互作用的過程及其機理，不能夠建立適合我國國情的水華成災的生態安傘閾值指標體系，而且有望建立藍藻水華消亡過程中適合不同功能區的水質安全指標體系。

(2)絕大多數研究側重于生源要素對藍藻水華形成的影響，缺乏了解藍藻水華暴發后對生源要素循環過程的影響及其生態環境效應。多年來，大量的研究工作著眼于營養鹽等牛源要素對藍藻水華的產生和發展過程的影響，卻少有研究探索藍藻水華暴發對湖泊水體C、N、P等生源要素循環的反作用，而這種反作用町能對藍藻水華的多次暴發和災害形成有極為葦要的影響。事實上，藍藻水華不儀會影響水體營養鹽的循環、礦化速率和再生通量，還會改變其生物地球化學循環方式和途徑。有研究指出，水華暴發期間，水體膠體有機碳的濃度硅著增高，并對水體中膠體態磷的濃度及其形態產生影響；富營養湖泊中藍藻水華的暴發會改變水體pH值，從而導致沉積物中內源磷釋放量的急劇增加；藍藻水華等有機體的死亡分解及伴隨的營養物質的再生還可能對水華的暴發程度和周期產生重要影響；淺水湖泊的藍藻水華暴發與死亡生物殘體有機質的分解及營養鹽的再生之間可能存在內在關聯，這種關聯可能導致藻型湖泊生態系統具有更強的自穩定性。湖泊沉積物作為湖泊生態系統的重要組成部分，接納并蓄積了大量C、N、P等生源要因素，藍藻水華暴發后，湖泊水體和水土界面的環境會發生霞大變化，因此完全有可能影響到沉積物中生源要素的循環過程，并對水體的營養循環產生重大影響。很顯然，水華暴發后對生源要素循環過程的反作用是藍藻水華成災對生態系統產生破壞的基本過程，是藍藻水華暴發后引發生態災害的前提，對這一過程開展研究將為深入認識藍藻水華災害并提出防治措施提供科學依據。

(3)生物群落結構災變是生態系統災變的核心，對藍藻水華驅動下湖泊生物群落結構變化過程和機理認識不足。隨著富營養化的加劇，淺水湖泊逐步形成以浮游藻類為優勢的生態系統，其中往往又以藍藻為優勢藻類，引發藍藻水華。藍藻成為該類湖泊生態系統的關鍵功能群，驅動著整個生態系統的結構和過程。而這種以藍藻為優勢的湖泊生態系統十分穩定，在相當長的時期內不會發生格局變化，從而形成生態災害。淺水湖泊的主要生物類群包括微生物分解者；以浮游植物、水生高等植物和附生藻類為主的初級生產者；以浮游動物、底柄動物為主的初級消費者和以魚類為主的次級消費者等。目前關于藍藻水華對湖泊其他水生生物的影響研究主要集中在單因子的生理或生態脅迫方面，而各種影響足相互聯系的，目前還無法解釋藍藻水華脅迫下湖泊生物群落結構災變的關鍵過程與機理。需要重點研究的關鍵過程包括在水華驅動下：①湖泊中的微食物網結構與功能的響應；②初級生產者如何發生變化；③藻類牧食者的結構及其對浮游藻類的牧食能力的變化；④底棲與水層生境之間的以營養關系為核心的耦合作用發生哪些變化；⑤魚類結構和湖泊漁業變化的過程與機制；⑥藍藻水華所攜帶的物質和能量有多少以及如何在食物網中流傳。

(4)防治藍藻水華生態災害急需新的技術原理支撐，應急和長效技術相結合是開展探索的主要趨勢。由于湖泊營養負荷在相對較長的一段時間內不會顯著減少，且即使在理想的流域生態條件下，湖泊也不斷承受著來自陸地和人類的強烈擾動。因此，從長效治理藍藻水華的角度出發，需要構建一個具有較高系統穩定性的良性湖泊生態系統，這種穩定性依賴于系統結構的完整性和豐富的牛物多樣性，表現在：對外來營養負荷的沖擊有較強的緩沖能力和自動恢復能力；具有良好(4)藍藻水華災害治理和調控的的技術原理。

主要研究內容包括：藍藻水華快速去除、遷移輸出與營養鹽沉降技術原理；藍藻衍生污染物質加速分解與吸附技術原理；水、沉積物環境改善與沉水植被、生態系統恢復技術原理；生態系統結構和功能對主要摔制技術措施的響應與生態安全分析；藍藻水華應急治理與長效穩態轉換的理論基礎；藍藻水華生態災害評估指標和分級體系；藍藻水華牛態災害分析方法；典型湖泊藍藻水華生態災害預警與專家決策支持系統；藍藻水華生態災害的風險管理與調控策略。

4．3研究的總體思路

本項研究的關鍵問題足要明確藍藻水華暴發后如何導致湖泊生態系統結構的災變?致災效應如何?如何評估?調控的機理與對策是什么?針對這些關鍵問題，本項目擬以太湖為主要研究對象，并選擇滇池和巢湖為參考湖泊，同繞藍藻水華暴發后的主要過程或者階段，運用野外生態學、比較湖沼學和實驗生態學方法，將歷史數據分析、野外調查、原位實驗、模擬試驗與實驗率分析相結合，比較分析小同存量藍藻水華對湖泊生態系統結構與功能變化的驅動作用及其機理，對這一影響將主要從3個方面進行研究：①對生物群落結構的影響及其機理；②對湖泊生源要素循環過程的影響及其生態環境效應；③對湖泊水質的影響(主要是藻類水華衍牛污染物的發生機理、遷移轉換規律及其對湖泊水質安全的影響)。在比較分析上述影響的基礎上，確定藍藻水華引起生態災害的關鍵參數和機制，在了解相關機理的基礎上探索防治藍藻水華生態災害的新途徑，研究藍藻水華生態災害評估、評價方法和預防策略，最終為藍藻水華災害的預防和控制提供科學依據。總體研究思路見圖l。研究目標

總體目標：以太湖生態系統為主要研究對象，選擇巢湖和滇池為財比研究湖泊，通過研究水華藍藻衍生污染物質的產生和歸趨、主要污染物質的毒理學效臆及對水質安全的影響、湖泊生物群落結構對藍藻水華暴發的響應和機理、藍藻水華暴發對湖泊生源要素循環過程的影響及其生態環境效應，在理論上揭示監藻水華暴發導致湖泊生態系統結構和功能災變的機理，在方法卜建市我國湖泊藍藻水華生態災害的評估方法和指標體系，通過研究防治藍藻水華生態災害的應急和長效技術原理，探索防治湖泊藍藻水華生態災害的新途徑，開拓居國際前沿的、由有害生物異常增殖引發的湖泊災害生態學研究領域，使我國在湖泊生態系統災變、藍藻水華敏災機理及災害預防和控制等研究領域居同際前沿水平，為我國湖泊藍藻水華生態災害的防治和區域水安傘及生態安全保障做出貢獻。

五年目標：揭示藍藻水華的暴發導致湖泊生態系統結構與功能災變的關鍵過程，明確生念系統災變的基本原理，創建湖泊牛態災害的研究方法和藍藻水華致災評價標準及體系，探索防治湖泊監藻水華牛態災害的新途徑和策略，豐富和發展湖泊科學、災害牛態學與牛態學等學科理淪，為區域町持續發展提供對策。主要貢獻如下：

(1)基礎理淪貢獻：藍藻水華衍生污染物質的發生機理；藍藻水華衍生污染物質的毒理學；藍藻水華引發生態系統結構變化和功能衰退的機理。(2)基本方法貢獻：藍藻水華衍生污染物質的分析方法；湖泊藍藻水華生態災害的評估方法。(3)新的技術原理與途徑：大面積、低成本、生態安全的藍藻水華及其衍生污染物快速清除原理；藍藻水華生態災害的長效穩態逆轉技術原理和

第二篇：山仔水庫水質自動監測數據在藍藻水華生態因子分析上的應用

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山仔水庫水質自動監測數據在藍藻水華生態因子分析上的應用

作者：林晶

來源：《海峽科學》2012年第06期

[摘要] 以山仔水庫水質自動監測站2010年監測數據為基礎，結合實驗室檢測結果，分析了影響藍藻水華爆發的主要生態因子。結果表明，山仔水庫以藍藻為優勢種群；藻類生長與TN/TP呈負相關，與TP、pH、光合有效輻射、濁度呈顯著正相關，與TN、水溫、DO呈較小正相關；藻類生物量受光合有效輻射、水溫、TN、TP等原因變量及pH、濁度、DO等相關因子的影響顯著。