邵俊元 陳 芃

（浙江水利水電學(xué)院 浙江杭州 310081）

引言

藻類有著不可估量的應(yīng)用價(jià)值，在生物燃料、養(yǎng)殖餌料、化妝品、食品、醫(yī)藥科技等領(lǐng)域，藻類對(duì)生態(tài)以及生產(chǎn)生活有著重要的作用[1]。然而隨著工業(yè)化、城市化以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高，藻類水華的經(jīng)常性爆發(fā)也給居民供水和生態(tài)環(huán)境帶來威脅。開展有效的水環(huán)境治理以確保水質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)而言至關(guān)重要。

一系列環(huán)境因子的共同作用促使了藻類的生長(zhǎng)。常見的浮游藻類有藍(lán)藻、綠藻、硅藻、隱藻等，它們大多存在于水體之中，分布范圍大，適應(yīng)性較強(qiáng)。藻華（Algal Bloom）是地表水體富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要表征，在近幾十年受到了廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外對(duì)于藻類爆發(fā)的研究也比較深入，例如國(guó)內(nèi)太湖流域的湖泛研究治理[2]，上海淀山湖庫(kù)區(qū)水華控制[3]，三峽支流庫(kù)區(qū)水華藻類生態(tài)動(dòng)力學(xué)研究[4]，丹江口水庫(kù)、珠江三角洲、海河流域等藻類時(shí)空分布及相應(yīng)的預(yù)警措施和應(yīng)急對(duì)策；在國(guó)外，許多區(qū)域的水體也有藻華爆發(fā)的情況,包括非洲的維多利亞湖、北美五大湖地區(qū)伊利湖、北歐波羅地海及西亞里海等。

現(xiàn)有的大量藍(lán)藻類研究中，采樣的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)主要有水溫、水體pH 值、溶解氧（DO）、高錳酸鹽（CODMn）、氨氮、總氮（TN）、總磷（TP）、氯化物、電導(dǎo)率（EC）、濁度（NTU）與葉綠素a（Chla）等。數(shù)據(jù)分析多采用統(tǒng)計(jì)學(xué)回歸分析以及Pearson 相關(guān)性分析[5]（單一變量分析、雙變量分析、多變量分析等），通過對(duì)變量因子的分析[6]獲取湖庫(kù)藻華爆發(fā)時(shí)空特征。數(shù)據(jù)采集與分析方法依據(jù)參照 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）》。

綜合來看，目前的研究或是單獨(dú)涉及藻華機(jī)理或是重點(diǎn)研究某一種或幾種具體防控措施效果，對(duì)于藻類相關(guān)的綜述性介紹較少?；诖?，本文結(jié)合藻類爆發(fā)起因、產(chǎn)生機(jī)制、影響因子以及現(xiàn)有的預(yù)警防控措施等進(jìn)行分析，以期對(duì)現(xiàn)有藻類治理體系形成一個(gè)更完善的認(rèn)知。

1 水華影響因子研究分析

藻類爆發(fā)的形成有許多不確定因素，在大量的藻類防治研究過程中，由于湖庫(kù)水體、地域水文環(huán)境、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境、氣象因素的差異，都需要具體問題具體分析，由特定的參數(shù)得出一整套因藻類爆發(fā)引起水環(huán)境問題的預(yù)警防治方案。不過可以確定的是浮游藻類優(yōu)勢(shì)種的品種具有隨時(shí)空變化的特點(diǎn)，例如藍(lán)藻能夠憑借自身獨(dú)特的生長(zhǎng)機(jī)制，而成為優(yōu)勢(shì)種[7]。

1.1 水體富營(yíng)養(yǎng)化和營(yíng)養(yǎng)鹽的影響

水體富營(yíng)養(yǎng)化是藻類水華生長(zhǎng)的重要前提和基礎(chǔ)。例如長(zhǎng)江中下游地區(qū)淺水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重導(dǎo)致的藍(lán)藻水華問題十分常見。現(xiàn)有研究普遍認(rèn)為營(yíng)養(yǎng)鹽氮、磷的輸入超出水的自凈能力是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因。SeibegC.E.W.和Hautmann H.L.M.在研究中認(rèn)為水體中磷元素的增加，通常會(huì)促進(jìn)藍(lán)藻水華的生長(zhǎng)[6]。大量研究顯示，總氮和總磷的濃度以及氮磷比值（N/P）限制[7]均會(huì)影響藻類生長(zhǎng)；也有研究顯示N/P比只有當(dāng)?shù)蛄壮蔀橄拗埔蛩貢r(shí)，才會(huì)對(duì)藻類生長(zhǎng)有影響，在氮、磷都很充分的情況下，N/P 對(duì)藻類生長(zhǎng)已經(jīng)沒有意義。水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示水體中N/P 比值多位于12-13 數(shù)值之間[8]。

在中低營(yíng)養(yǎng)條件下，藻類爆發(fā)的可能性較低，但受溫度和水文條件的影響，則并不意味著浮游藻類的生物量總是處于低水平。此外，不同的污染源導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)輸入成分的種類和數(shù)量不同，不同地區(qū)藻類的生長(zhǎng)也不同。

1.2 氣象因素

1.2.1 溫度

季節(jié)性變化所引起的水體溫度差異對(duì)浮游藻類生長(zhǎng)的影響較為顯著。溫度高會(huì)加快營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)作用、促進(jìn)藻類營(yíng)養(yǎng)吸收和物質(zhì)循環(huán)。Richard D.Robarts 研究了藍(lán)藻與生長(zhǎng)速率和溫度之間的關(guān)系[9]，數(shù)據(jù)顯示微囊藻屬、魚腥藻屬、無(wú)鞭毛藻屬和振蕩藻屬的物種在高溫下最適宜生長(zhǎng)，其最大生長(zhǎng)速率（Vimax）通常達(dá)到20°C 以上,在37°C 時(shí)，魚腥藻和微囊藻的光合作用速率均為最高值的24%，而隱藻的光合作用速率則降至16%。微囊藻的光合作用在20℃以下下降最大，在15℃時(shí)下降到最大值的4%。熱帶地區(qū)水體溫度較高，藻類往往有著較強(qiáng)的生命力，例如密西西比河和墨西哥灣藍(lán)藻爆發(fā)較為頻繁。

1.2.2 降水

降水對(duì)藻類水華的產(chǎn)生有兩方面作用。崔玉潔在模擬三峽水庫(kù)異重流模擬實(shí)驗(yàn)中提出隨降水強(qiáng)度的加大，垂向水體擾動(dòng)作用增強(qiáng)[4]，大量上游來水起到了稀釋的作用，這是藻類水華濃度降低的主要原因。然而若是降水導(dǎo)致的來水?dāng)y帶污染物匯入半封閉湖庫(kù)，泥沙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等堆積，也會(huì)造成富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

1.2.3 光照

光照對(duì)水環(huán)境系統(tǒng)中藻華因素的影響，需全面考慮光照因素、光照強(qiáng)度、光強(qiáng)波動(dòng)周期、光譜組合等方面。光照條件會(huì)影響藻類的生物量、種群結(jié)構(gòu)、垂直遷移和毒素釋放[10]。藻類生長(zhǎng)需要光合作用，在光照充足的地方光合產(chǎn)氧速率增加，日照藻細(xì)胞數(shù)量、葉綠素含量及微囊藻毒素?cái)?shù)值較大[11]。當(dāng)溫度條件一定時(shí)，光照條件為6000lx 時(shí)[12]最利于藻類的生長(zhǎng)。藻類群落由于光照的差異而引起水體中垂向分布和種群結(jié)構(gòu)變化。不同藻類對(duì)光照強(qiáng)度的適應(yīng)能力不同，不同浮游植物分布在不同的垂直水體光強(qiáng)層。藍(lán)藻體內(nèi)有葉綠素、藻膽蛋白等優(yōu)勢(shì)，最能成功捕獲適宜光照，如甲藻能在微弱光照環(huán)境下獲得生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，銅綠微囊藻懸浮的狀態(tài)容易捕捉表面光照等，因此在浮游藻類競(jìng)爭(zhēng)中成為優(yōu)勢(shì)種[13]。

1.2.4 風(fēng)速風(fēng)向

穩(wěn)定的風(fēng)速和風(fēng)向是藻類爆發(fā)的基礎(chǔ)條件之一。風(fēng)速較低時(shí)，浮游藻類更有可能漂浮起來形成水華，而較低的風(fēng)速對(duì)已經(jīng)形成的水華運(yùn)動(dòng)的影響較小[14]。朱永春等研究在不同風(fēng)場(chǎng)作用下藻類在湖泊中的遷移過程[15]，模擬結(jié)果表明，不同風(fēng)場(chǎng)對(duì)于藻類在湖泊中的水平及垂直分布影響很大，并且存在著一個(gè)臨界風(fēng)速，其范圍在2-3m/s 之間。當(dāng)風(fēng)速小于臨界風(fēng)速時(shí)，水面可以近似看作水動(dòng)力光滑，沒有波浪產(chǎn)生，在水表面藻類順著風(fēng)向迅速向迎風(fēng)岸邊漂移,形成藻類大量堆積。但當(dāng)風(fēng)速超過臨界風(fēng)速時(shí)，將產(chǎn)生波浪作用，波浪、風(fēng)擾動(dòng)及平均環(huán)流的共同作用會(huì)使得藻類在水體中上下混合，分布比較均勻。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)水動(dòng)力原理，地勢(shì)越平坦，水流越緩慢，滯留的時(shí)間越長(zhǎng)，藻類的生存環(huán)境就會(huì)越有利。若湖泊水域處于半封閉狀態(tài)，則水體循環(huán)周期性延長(zhǎng)，易導(dǎo)致藻類的聚集。

2 監(jiān)測(cè)預(yù)警和防控措施

2.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

常見的藻類預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)手段有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)巡視、實(shí)驗(yàn)室數(shù)值模擬分析、在線監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感技術(shù)等等。隨著科技社會(huì)進(jìn)步，從信息化大數(shù)據(jù)的角度科學(xué)分析研究藻類防治成為趨勢(shì)。聯(lián)合國(guó)提出的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)SDG6.3.2[16]中提供了一整套檢測(cè)報(bào)告機(jī)制，在劃分RBD（報(bào)告流域區(qū)）的基礎(chǔ)上開展一級(jí)監(jiān)測(cè)和二級(jí)監(jiān)測(cè)，利用六個(gè)常見的大氣校正算法BAC、C2RCC、POLYMER、暗像元、MUMM 和6SV[17]，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)，對(duì)水體藻類生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控值的判斷，可以對(duì)水體藻類的生長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)行人工干預(yù)和處理。

2.2 藻華治理

藻類爆發(fā)治理措施主要有物理法、生物法、化學(xué)法三種。隨著技術(shù)的進(jìn)步，將多種方式結(jié)合高效使用成為趨勢(shì)。

2.2.1 物理法

通過物理除藻控制水庫(kù)藻類繁殖速度，按期進(jìn)行水環(huán)境治理，定期進(jìn)行除藻作業(yè)、利用仿生撈藻設(shè)備和除藻技術(shù)，降低藻類水華發(fā)生，提高水庫(kù)水質(zhì)自凈能力。常見的物理除藻法主要有打撈除藻法、引水稀釋法、曝氣法、遮光法、超聲波除藻法、過濾除藻法、氣浮除藻法等。

（1）打撈除藻法。打撈除藻最常用的方式是設(shè)置藻類打撈船，其優(yōu)點(diǎn)是效果立竿見影，治理難度較低。例如在太湖應(yīng)急防控與長(zhǎng)期治理的過程中，藍(lán)藻的打撈法一直發(fā)揮著重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007-2016 年太湖周邊城市共打撈藻水1000 余萬(wàn)m3（含藻率為0.5%），相當(dāng)于清除藍(lán)藻干物質(zhì)4.25 萬(wàn)t，經(jīng)估算含N、P 和有機(jī)質(zhì)分別為285t、290t、32600t[18]，大大削減了藍(lán)藻數(shù)量，有效降低水體富營(yíng)養(yǎng)化水平。這種方法須在藻類積累量大的區(qū)域進(jìn)行，并且對(duì)湖泊藍(lán)藻水華的根治與生態(tài)環(huán)境修復(fù)的作用相對(duì)有限。

（2）引水稀釋法。引水稀釋法是將富營(yíng)養(yǎng)化程度較低的水體調(diào)至已污染的水體，從而改善水體的質(zhì)量，減少和稀釋地表水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[19]。這一方法的一個(gè)成功案例是位于天津市靜海區(qū)的團(tuán)泊湖濕地，京津冀三地積極利用區(qū)外水資源，在天津成功構(gòu)架出一橫一縱、引灤引江雙水源保障的新型供水格局[20]，進(jìn)一步提高了河湖水系連通的循環(huán)能力。

（3）曝氣法。曝氣是通過跌水或者其它增強(qiáng)水體流動(dòng)的方法來促進(jìn)水體上下層的混合干擾溫度分層，并將位于水面的藻類驅(qū)趕至深水層，從而限制浮游藻類的生長(zhǎng)[21]。如于橋水庫(kù)壩前設(shè)了兩道智能圍隔[21]，在放水洞前設(shè)置藻類阻斷網(wǎng)，對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行攔截。然后啟動(dòng)曝氣設(shè)備，在高溫期進(jìn)行曝氣增氧，抑制藻類生長(zhǎng)。適當(dāng)采用曝氣船等設(shè)備，以增加水體中氧氣含量，抑制內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)釋放，形成垂向混合流，抑制藻類光合作用。需要注意的是，曝氣法也并非簡(jiǎn)單適用所有情況，劉春光等人在曝氣實(shí)驗(yàn)時(shí)研究對(duì)比以不同氮源作為營(yíng)養(yǎng)源的藻類生長(zhǎng)影響程度[22]，表明曝氣法對(duì)不同藻類的影響程度不同，并且會(huì)受到連續(xù)曝氣的影響。在曝氣對(duì)藻類生長(zhǎng)影響的第二次實(shí)驗(yàn)中，通過比較試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，曝氣不能抑制藻類的生長(zhǎng)，甚至具有一定的促進(jìn)作用，特別是晝間曝氣。

2.2.2 化學(xué)法

常見的有化學(xué)試劑除藻法、改性粘土絮凝法等。

（1）化學(xué)試劑法?；瘜W(xué)試劑法是向水體中添加氧化劑（二氧化氯）、硫酸銅、高錳酸鉀和次氯酸，使藻類的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜破裂，從而抑制藻類的生長(zhǎng)。該方法操作簡(jiǎn)單，但成本較高，且某些化學(xué)物質(zhì)的引入會(huì)形成大量的藻類毒素，形成鹵代烴的副產(chǎn)物[23]，破壞生態(tài)平衡，因此在使用范圍上具有一定局限性。

（2）絮凝除藻。該方法多采用絮凝劑沉淀的方式，如用含有硫酸鋁、氯化鐵等鐵鹽類和鋁鹽類無(wú)機(jī)絮凝劑[24]去除硅藻。此外，也有利用一些具有吸附功能的天然物質(zhì)[25]如活性炭、殼聚糖、蒙脫石等進(jìn)行沉淀吸附藻類。

2.2.3 生物法

生物法多是通過動(dòng)物、植物、微生物之間的生存競(jìng)爭(zhēng)與食物鏈的關(guān)系，有效利用優(yōu)勝劣汰，從而抑制藻類的繁殖生長(zhǎng)。通過生物調(diào)控，運(yùn)用良種選育、雜交育種，應(yīng)用遺傳與基因工程等技術(shù)，重建生物群落，對(duì)資源充分利用，增加物種的多樣性，創(chuàng)造出轉(zhuǎn)化效率高、能適應(yīng)外界環(huán)境的優(yōu)良物種，以降低藻類生物含量。

（1）增殖放流。通過增殖放流的形式，投放魚苗、蝦、貝類改善水域環(huán)境。在一些水庫(kù)中常常投放花鰱、白鰱、花骨、草魚、鯽魚等魚苗以優(yōu)化種群結(jié)構(gòu)。高翔等研究提出[26]，有針對(duì)性地增加食魚性魚類來提高浮游動(dòng)物的數(shù)量，或者直接提高食藻魚的數(shù)量，可有效抑制藻類生長(zhǎng)。

（2）植物控藻。加強(qiáng)對(duì)水體淹沒植被的修復(fù)，增加挺水植被和沉水植被[27]，例如在于橋水庫(kù)中利用蘆葦、蓮花、貓尾草等植物進(jìn)行藻類處理，可有效提高水體控制藻類的能力[21]。此外，楊利群等在研究中提到[28]，大麥秸稈等植物體可以用來抑制藻類的生長(zhǎng)。秸稈在水中分解后，會(huì)產(chǎn)生抑藻物質(zhì)。

結(jié)語(yǔ)

本文從營(yíng)養(yǎng)鹽、氣象學(xué)、水文條件等方面對(duì)藻華產(chǎn)生的影響因子進(jìn)行分析，并介紹了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和遙感技術(shù)等監(jiān)測(cè)手段。針對(duì)目前我國(guó)國(guó)情及國(guó)內(nèi)水域中水體普遍存在的問題，從物理、化學(xué)、生物三方面綜述了藻類爆發(fā)防控措施及效果。雖然國(guó)內(nèi)研究日趨深入，現(xiàn)已形成了一系列研究藻類爆發(fā)機(jī)制和“影響因素—監(jiān)測(cè)預(yù)警—防控措施”的研究體系。但是，受藻類爆發(fā)起因、影響因子、形成機(jī)制、藻類生物物種多樣性等眾多因素影響，針對(duì)不同地域的湖庫(kù)仍需因地制宜，根據(jù)特定參數(shù)對(duì)藻類爆發(fā)進(jìn)行預(yù)測(cè)與防控，盡可能符合當(dāng)?shù)丨h(huán)境特點(diǎn)，使得所采取的應(yīng)對(duì)措施更具時(shí)效性、準(zhǔn)確性和可行性。