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湖泊富营养化成因

发表时间:2017/11/3  作者:刘永定  
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我国是一个多湖泊的国家,全国共有1平方公里以上的湖泊2759个,总面积达91019平方公里,占国土面积的0.95%。其中约1/3为淡水湖泊,主要分布在东部与长江中下游地区。我国湖泊富营养化局势严重的主要是东部平原湖区、长江中下游湖区、云贵高原湖区的湖泊和城市湖泊。富营养化是湖泊生态系统受损的关键阶段。富营养化导致的蓝藻水华暴发,使我国成为世界上蓝藻水华最严重、水华蓝藻种类最多、分布最广泛的国家之一。防治湖泊富营养化和藻类水华是当代资源、环境、生态领域重大的科学和技术问题与热点之一。


湖泊富营养化的趋势


据统计,2007年我国富营养化水域面积已超过8000平方公里,另有1.4万平方公里湖泊的富营养化程度在加重。在我国东部地区,已经很难发现水质清澈的天然湖泊。

湖泊富营养化是一个自然和人为因素叠加的过程,其主导进程是生源要素(生物体所需的元素,如氮、碳等)在集水区内的运动。长江流域在占全国不足18%的国土面积上,集中了约占全国40%的人口和国内生产总值,在我国国民经济发展中具有举足轻重的地位。然而,在流域大规模开发及经济快速发展的同时,人类活动的干扰大大超过自然调节能力,出现了流域环境的生态调节和自我恢复功能大幅降低,引起日趋严重的水生态系统退化与富营养化问题。由于洪泛平原的特点,长江中下游地区的湖泊营养本底均比较高。20世纪50年代的大量围垦和人工建闸,80年代以来的大量工农业和城市生活污水入湖,破坏了生源元素生物地球化学循环的平衡,导致湖泊富营养化,引发水华暴发和水质性缺水。目前由于流域的超强度开发和湖泊资源的超强度利用,造成了水环境恶化、水资源短缺、水灾害频发等一系列问题。在可以预见的相当长一段时间内,湖泊污染及其富营养化仍然是我国浅水湖泊所面临的最主要的生态环境问题。


蓝藻水华暴发特点与原因


水华一词并没有严格的定义,通常指微型生物或大型生物的微小阶段在水体表层形成悬浮的、泡沫状的聚集层;微型藻类形成的水华即称为藻华。我们通常所指的水华仅指狭义的表层水华。我国学者一般将天然水体的Chla含量高于30mg/m3时,看作发生水华。


蓝藻水华的形成必须存在3个基本要素:一是水体中蓝藻能在种间竞争中形成优势;二是蓝藻能够形成较大的生物量,这要求水体环境具有满足水华蓝藻快速生长繁衍的条件,如适宜的光、温度、营养盐等;三是具备合适的水力及水文气候条件,蓝藻能通过浮力调节在水体表层聚集。形成表层蓝藻水华的藻类主要是具有伪空胞的种类,它们跨越数属,群体的形态和大小相差很大。在我国长江流域富营养化程度较高的湖泊中,单细胞群体的微囊藻是发生蓝藻水华的主要物种。由于湖泊各自的差异性,水华蓝藻各自的生物学习性,每个湖泊发生蓝藻水华的特征是不一样的。


湖泊中蓝藻水华暴发的重要特点是其突现性和持续性。区域尺度的生态系统稳态转换,为解释水华的突现性和持续性提供了一种较好方法。即任何水华的发生都是系统状态表征的改变,其驱动力在于环境因素对系统内部结构的影响。目前在浅水湖泊中已发现草型清水稳态和藻型稳态,其中藻型稳态可分蓝藻型亚稳态和非蓝藻型(绿藻和硅藻)亚稳态,在此基础上我国科学家提出了几种常见稳态之间转换的概念性模式,通过生物操纵实现湖泊生态系统稳态转换,即由藻型稳态向健康稳态的转换。研究证明驱动清水草型稳态与浊水藻型稳态转化的营养阈值具有多变性,其大小取决于湖泊的物理、化学和生物以及气候、水利水文等诸多因素。


新近的研究证明,频繁而剧烈的沉积物颗粒再悬浮是物理扰动的结果。它与化学因素的耦联使得内源负荷能为浮游植物在夏季的生长提供更多的营养。但同时,又可作为营养胁迫的周期性缓解因子,如蓝藻门的拟柱胞藻能有效利用从大量再悬浮颗粒上解吸附的磷营养而形成水华。营养总量对蓝藻水华的暴发具有关键作用。太湖五里湖区进行环保疏浚生态治理后,蓝藻水华曾一度重新出现,说明内源营养负荷的变化与蓝藻水华的暴发密切相关。而且,营养的供应速率与各形态营养的比例与藻类水华的发生密切相关,调节磷营养的供应速率可使优势种由微囊藻向束丝藻转化,束丝藻可能会在有机磷浓度较高的水体中占优势。长江中下游浅水湖泊生态系统在特定的营养水平上,水草、蓝藻、绿藻和硅藻均有可能占优势。太湖、巢湖和滇池所处地域不同,气候环境不同,并且各自富营养化状况也不同,导致水华的种类,发生频率与密度也不尽相同。


河湖关系对生源要素输移影响


河湖关系的类型包括常年入流进湖泊河道、常年湖泊出流河道和入流与出流交换的双向流河道3种。河湖关系主要通过水动力特性、闸坝控制及河口特性影响营养物质的输移。


首先,通过水动力特性影响。河湖关系中的常年入流型水体,直接将营养物质输送入湖泊,直接加速湖泊富营养化过程;常年出流河道则将湖泊水体中的营养物质逐渐向流域河道输出,改善湖泊营养状态;而入流和出流交换的双向流河道则在流域丰水期向湖泊输入,当湖泊水位高而河道水位较低时,营养物质向外输出。


其次,通过闸坝控制对营养物质输移影响。在汛期闸坝打开状态时,营养物质通过河道输移进入湖泊,对湖泊富营养化影响表现与洪汛关联的规律性。但在非汛期闸坝关闭后,营养物质被截留在河道中,暂时停止向湖泊输入。当重新开闸后,形成较大的污水团,对湖泊造成较大的负荷冲击。


第三,通过河口结构特性对营养物质输移影响。入湖河口包括自然入湖河口、人工闸控河口。水动力条件活跃的河口,营养物质在河口发生迁移转化的过程非常复杂,易于转化的物质容易得到净化,而在水流较缓慢的河口,容易发生淤积,易于沉降的物质,如颗粒态磷较易沉淀而从水体中去除。


平原湖泊富营养化演化过程


长江中下游地区的系列大型浅水湖泊是在洪泛平原上发育起来的,同江河演化与洪水泛滥有着紧密联系。从地球表层系统科学的角度和流域的尺度看,长江中下游水体富营养化的问题,是在长江中下游洪泛平原的营养本底的背景下,各种自然和人文因素共同作用下发展演化的结果,其中在江湖复合生态体系中,水循环过程是纽带和载体,人类活动是叠加在自然演化背景上的干扰和驱动因子,导致湖泊营养过剩、生态系统结构和功能改变、内源负荷增加及富营养化加速的严重局面。


长江中下游湖泊的营养演化过程研究同时表明,历史时期干旱的气候与人口的快速增加同样可以引起湖泊的富营养化。干旱气候和人类活动增强时期可以引起湖水可溶性营养物质的富集,但每一次的洪水事件由于江湖连通顺畅可以达到去富营养化效果,湖泊的短暂富营养化能够在短时间内自行恢复到本底营养水平,不产生湖泊营养态的转换。与最近50年来富营养化程度的持续上升明显不同,最近几十年来湖泊的富营养化,一方面与流域持续强烈人类活动引起的湖泊营养盐的不断富集有关;另一方面与江湖关系阻断有关,湖泊的围垦和建闸削弱了湖泊的通江能力,增长了湖泊的换水周期,延长了溶解性营养盐在湖泊中的滞留时间,而且,由于湖泊泄洪能力的降低,洪涝事件对湖泊营养盐的富集反而起到了助长作用。


人类活动导致湖泊富营养化


从自然状态到建国初期,到现代阶段,流域营养物质输移演化经历了3个阶段变化。第一个阶段是自然状态到建国初期,人类活动的参与极大地改变了流域营养盐输移的浓度,但这种改变引起的流域营养盐输移变化仍处于一个可控阶段,湖泊水质状况没有发生恶化。第二个阶段是建国初期至20世纪80年代,流域营养物质产出与输移受到自然与人类两方面的共同作用,两者的作用基本持平。第三个阶段是20世纪80年代至今,人类活动的作用已经远远超过自然的作用,人类活动推动了流域营养盐输移的快速发展。在这个阶段之后,湖泊的富营养化问题凸现。


长江中下游湖泊历史时期营养演化的机制分析表明,人类活动导致的入湖营养盐增加是湖泊富营养化的主要原因。控制湖泊富营养化,首先是大幅度地削减外源输入。以上3个阶段的划分也说明,入湖营养盐浓度和总量控制在一定的变化范围内,不会引发湖泊富营养化问题,这个范围的界定也代表了入湖营养物质浓度的临界值,从而可以指导更加合理地确定流域污染物的目标排放量以及湖泊环境恢复工作的目标。


作者单位:中国科学院水生生物研究所,本文源自国家重点基础研究发展计划(973)项目总结报告,作者刘永定为主要执笔人

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