從根本上控制藍(lán)藻水華的生產(chǎn)力
藍(lán)藻水華生產(chǎn)力控制技術(shù)路線圖
藍(lán)藻水華在全世界普遍發(fā)生。近年來(lái)，歐美等水環(huán)境治理較好的國(guó)家中藍(lán)藻水華又有重新抬頭之勢(shì)，許多發(fā)展中國(guó)家藍(lán)藻水華的發(fā)生頻率和強(qiáng)度則呈不斷增加的趨勢(shì)。藍(lán)藻水華引起的一系列環(huán)境和健康問(wèn)題，20世紀(jì)90年代以來(lái)，世界上發(fā)表的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華方面的研究論文大幅度上升，說(shuō)明全世界各國(guó)的高度重視。
 |
——優(yōu)勢(shì)種的競(jìng)爭(zhēng)策略——
藍(lán)藻水華是藍(lán)藻在低光強(qiáng)度下旺盛生長(zhǎng)，形成優(yōu)勢(shì)的種群。而后遷移到水面為水華。藍(lán)藻增長(zhǎng)率最大值可以達(dá)到0.6至0.8d-1。藍(lán)藻旺盛增長(zhǎng)所需要的外部條件是：充分的N、P營(yíng)養(yǎng)，N>2.0mg/l；P>0.02mg/l；在溫度13°C以下，生長(zhǎng)非常慢；藍(lán)藻生長(zhǎng)最適的溫度是25°C—35°C；適宜的pH是7.5—9.0。形成水華的藍(lán)藻生長(zhǎng)繁殖是快速還是緩慢，與該物種在什么條件下如何發(fā)揮其生理潛能有很大關(guān)系。在某些情況下，水華藍(lán)藻只能以光能轉(zhuǎn)換率0.2％的效率生長(zhǎng)，而同樣的物種，在另外的條件下，能夠以光能轉(zhuǎn)換率10%的效率生長(zhǎng)，相差50倍；另一方面，水華藍(lán)藻能在較短時(shí)間形成大規(guī)模“水華”，這些都有它們的適應(yīng)和競(jìng)爭(zhēng)策略，根據(jù)現(xiàn)有的知識(shí)和本課題組成員長(zhǎng)期研究的結(jié)果，對(duì)水華藍(lán)藻8個(gè)方面（細(xì)胞內(nèi)具有精細(xì)的偽空胞結(jié)構(gòu)—自主浮力調(diào)節(jié)機(jī)理、三套色素系統(tǒng)—低光補(bǔ)償機(jī)制、細(xì)胞磷庫(kù)和營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)藏轉(zhuǎn)化—奢侈消費(fèi)機(jī)制、高效吸收和同化二氧化碳—無(wú)機(jī)碳濃縮機(jī)制、固氮—營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)償機(jī)制、休眠—回避不良條件機(jī)制、產(chǎn)毒—尚不明確的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制、種群演替—生態(tài)位替補(bǔ)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制）競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的理解或許可以有助于定位控制藍(lán)藻水華的著力點(diǎn)。
——主要危害——
嚴(yán)重的水華是有害或有毒的，專門定義為有害藻類水華（HAB）。在淡水重污染水體中水華的優(yōu)勢(shì)種多半屬于藍(lán)藻。在我國(guó)長(zhǎng)江流域如滇池、巢湖、太湖的水華集聚區(qū)，藍(lán)藻的濃度已經(jīng)達(dá)到3×109細(xì)胞/升，即超出通常“嚴(yán)重”程度的數(shù)千至上萬(wàn)倍。防治湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和藻類水華成為當(dāng)代資源、環(huán)境、生態(tài)領(lǐng)域重大的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題與熱點(diǎn)之一。藍(lán)藻水華引起一系列環(huán)境和健康問(wèn)題，理論上，藍(lán)藻水華的影響在于其損壞水體生態(tài)系統(tǒng)的健康，破壞生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，成為自然和人類社會(huì)的生態(tài)災(zāi)害。從技術(shù)的、可操作的層面上看，藍(lán)藻水華對(duì)環(huán)境和人畜健康的影響出于三個(gè)方面：水華在湖面形成巨大的生物量，某些水華藍(lán)藻產(chǎn)毒，藍(lán)藻水華造成水體發(fā)生異味。重富營(yíng)養(yǎng)化和嚴(yán)重的HAB之所以是近20年來(lái)國(guó)際上水環(huán)境領(lǐng)域和生態(tài)系統(tǒng)管理中的一大熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也與藍(lán)藻水華形成巨大的表層生物量、藻毒素和藻源異味異嗅物質(zhì)相關(guān)。
——現(xiàn)有對(duì)策——
在現(xiàn)代社會(huì)，人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)的干擾大大超出了自然界通常能夠容納的范圍，原本自然發(fā)生的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象由于人類社會(huì)活動(dòng)使之加速而變得異乎尋常地嚴(yán)重。水體富營(yíng)養(yǎng)化具有三個(gè)表征：其一，初級(jí)生產(chǎn)力高，水華藻類生物的現(xiàn)存量高；其二，周期性地發(fā)生令人厭惡的藍(lán)藻水華，特別發(fā)生處于水體表面的單細(xì)胞群體藍(lán)藻銅銹微囊藻水華；其三，氮、磷營(yíng)養(yǎng)水平大大超過(guò)對(duì)水華藻類生長(zhǎng)限制的程度。富營(yíng)養(yǎng)化水體的生產(chǎn)力由于人類活動(dòng)造成的營(yíng)養(yǎng)加富和輸入而非常高，形成浮游生物密集于水面的惡性狀態(tài)，于是，人類干擾下的自然現(xiàn)象便出現(xiàn)了非純自然因素的生態(tài)、環(huán)境、社會(huì)效應(yīng)，成為災(zāi)害。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化和水華（包括產(chǎn)毒水華）是對(duì)人類損壞環(huán)境的一種報(bào)復(fù)(“產(chǎn)毒的復(fù)仇者”——Toxic avengers)。從發(fā)生原因和機(jī)理方面，了解到許多因素如“磷——一把雙刃劍”、“水流影響藻類水華”等；從控制的角度，人們發(fā)展了種種策略和技術(shù)，諸如利用安全脫磷、濾食性浮游動(dòng)物、食藻細(xì)菌、混合水層、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制，等等。這些研究和實(shí)踐活動(dòng)分別從不同側(cè)面對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化及其引起的水華的成因、防治對(duì)策和技術(shù)研究做出了貢獻(xiàn)，但是單方面的結(jié)論或單項(xiàng)措施往往局限性很大，既不系統(tǒng)，也不深刻。
——根本出路——
水體污染、水資源短缺和藍(lán)藻水華頻發(fā)，同時(shí)困擾和制約水體周邊城市和流域范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展，治理流域水污染成為全社會(huì)的共同愿望與要求，也是控制藍(lán)藻水華的根本途徑。根據(jù)生態(tài)學(xué)原理，在污染源控制格局維持原狀或是稍有好轉(zhuǎn)的前提下，從根本上需要控制的是藍(lán)藻水華的生產(chǎn)力，降低藍(lán)藻生物量，最終達(dá)到削減或清除藍(lán)藻水華污染之目的。
理論上，“生產(chǎn)力控制”首先控制種群生存的條件，即控制水體營(yíng)養(yǎng)水平和提高牧食生物的消費(fèi)水平（包括“上行操縱”和“下行操縱”）；蛘哒f(shuō)，是提高生態(tài)系統(tǒng)（水華藍(lán)藻的生存條件）控制藻類水華發(fā)生的能力，達(dá)到基本消除藍(lán)藻水華污染的目的。這是完全不同于生物量控制的做法，因?yàn)樯锪靠刂频玫降慕Y(jié)果，“每個(gè)個(gè)體有效食物量和其他資源增加，生長(zhǎng)加速”，往往激發(fā)種群的增長(zhǎng)率，是不可取的。
藍(lán)藻水華的生產(chǎn)力，即在以水華藍(lán)藻為優(yōu)勢(shì)種的情況下所形成的水體初級(jí)生產(chǎn)力。而水體初級(jí)生產(chǎn)力源于光合作用，是一個(gè)能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。從物質(zhì)轉(zhuǎn)化角度看，通常的光合作用表達(dá)式如下：
對(duì)于水華藍(lán)藻的光合生產(chǎn)，光合作用可以表達(dá)如下式，即：
[106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++能量＋微量元素]在細(xì)胞光合反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)生成藻類的原生質(zhì)并放出氧[C106H263O110N16P1(藻類原生質(zhì))+138O2]。
理論上概略計(jì)算，每1個(gè)磷原子與16個(gè)氮原子、110個(gè)氧原子、263個(gè)氫原子和106個(gè)碳原子合成1個(gè)藻類原生質(zhì)大分子，其中，磷是最重要的限制性元素。盡管實(shí)際發(fā)生的生物化學(xué)過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)比這個(gè)簡(jiǎn)單的表述復(fù)雜的多，但是這一基本格局無(wú)可取代。
藍(lán)藻水華生產(chǎn)力控制的理論依據(jù)是建立在現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)理論之上的生態(tài)系統(tǒng)能流分析和能量效率學(xué)說(shuō)。根據(jù)熱力學(xué)定律能量既不能被消滅，也不會(huì)憑空產(chǎn)生。只能從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化成另一種狀態(tài)。水體初級(jí)生產(chǎn)力在執(zhí)行水體能量流動(dòng)生態(tài)功能方面具有重要的不可替代的作用。初級(jí)生產(chǎn)力是次級(jí)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，次級(jí)生產(chǎn)力使初級(jí)生產(chǎn)力能量在食物網(wǎng)鏈的交聯(lián)接合上得到合理地轉(zhuǎn)化和利用，對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)的物種構(gòu)成、營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和空間分布具有重要的作用，從而維護(hù)了生態(tài)系統(tǒng)及其生物群落的物種多樣性、遺傳多樣性和基因多樣性。也是物種種質(zhì)保護(hù)，名特優(yōu)水生生物種群的資源保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的必不可少的基礎(chǔ)。隨著水體N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)上升，水體中浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的比例升高；水草的破壞和固著藻類棲息地的損失，浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的比例越來(lái)越高，光強(qiáng)下降，COD和BOD的值上升，導(dǎo)致藍(lán)藻水華暴發(fā)。
實(shí)踐說(shuō)明，上述理論分析是正確的。在嚴(yán)重發(fā)生藍(lán)藻水華的湖泊，水體就猶如一個(gè)培養(yǎng)水華藍(lán)藻的“生物反應(yīng)器”，其生產(chǎn)力之高，往往非人力所及，因而治理上，需要“釜底抽薪”，破壞其形成很高生產(chǎn)力的外部條件。藍(lán)藻水華生產(chǎn)力控制原理闡明了生態(tài)系統(tǒng)單元組分的關(guān)聯(lián)性及其在控制水華藍(lán)藻生產(chǎn)力中的作用和過(guò)程。湖泊水體內(nèi)“生物控制藍(lán)藻水華技術(shù)”分別由濾食性魚類（主要為鰱、鳙魚）、濾食性底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、噬菌體和噬藻體控制藍(lán)藻水華技術(shù)4個(gè)部分組成。過(guò)程為：濾食性魚類高強(qiáng)度穩(wěn)定有效地?cái)z食→表層微囊藻水華消減→水華藻類優(yōu)勢(shì)種向小型化發(fā)展→浮游動(dòng)物種群擴(kuò)增→控制小型藻類→沉水植物恢復(fù)→透明度上升。實(shí)踐證明，“魚＋浮游動(dòng)物＋草”是生物控藻途徑中一個(gè)效果顯著的方式。
考慮到水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題成因與危害的復(fù)雜性，應(yīng)該從整個(gè)社會(huì)的不同層面實(shí)施下列對(duì)策，即推進(jìn)三個(gè)根本轉(zhuǎn)變、實(shí)施受損水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、建立截污與節(jié)約用水并舉的良好機(jī)制、建立信息網(wǎng)絡(luò)和在線監(jiān)測(cè)、實(shí)行流域管理與區(qū)域合作、加強(qiáng)和深化科學(xué)技術(shù)研究。
推進(jìn)三個(gè)根本轉(zhuǎn)變：即實(shí)行從以截污為主的污染治理到湖泊營(yíng)養(yǎng)總量控制，從局部或單元治理到湖泊生態(tài)系統(tǒng)管理，從行業(yè)和地方的資源開發(fā)式管理發(fā)展到全流域以湖泊生態(tài)安全為基礎(chǔ)的可持續(xù)發(fā)展管理三個(gè)根本轉(zhuǎn)變。
受損水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)：根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的原理，水體生態(tài)系統(tǒng)在富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程中，理論上總磷濃度在100—1000mg/L范圍內(nèi)，是可能采取環(huán)境生態(tài)工程措施進(jìn)行修復(fù)并促使其逆向轉(zhuǎn)換到清水－水生高等植物為優(yōu)勢(shì)種群的“穩(wěn)態(tài)”的。作者及其團(tuán)隊(duì)的實(shí)地研究結(jié)果說(shuō)明，在高于總磷濃度1000mg/L的范圍也可能實(shí)現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化水體穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換。
建立截污與節(jié)約用水并舉的良好機(jī)制：截污絕對(duì)是控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的前提；截污與用水方式密切相關(guān)。大量原始粗曠的用水方式使截污的成本和工作量大大增加。我國(guó)在截污和節(jié)水機(jī)制的建立上還存在很大的弊病。這一看似普遍知曉的道理在實(shí)施過(guò)程中則是決定整治水環(huán)境的關(guān)鍵。
建立信息網(wǎng)絡(luò)，建立在線監(jiān)測(cè)：我國(guó)水環(huán)境信息系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、水文水質(zhì)數(shù)據(jù)共享、水環(huán)境信息管理系統(tǒng)、水環(huán)境信息發(fā)布等方面存在諸多不足，信息網(wǎng)絡(luò)的效能、管理水平和共享機(jī)制有待提高。
流域管理與區(qū)域合作：在治理富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題上，流域管理的合作，生物多樣性保護(hù)的合作，是不可缺少的。
加強(qiáng)和深化科學(xué)技術(shù)研究：水環(huán)境惡化的問(wèn)題是突出的，而且相當(dāng)嚴(yán)重；更嚴(yán)重的是人們至今并未足夠地認(rèn)識(shí)淡水生態(tài)系統(tǒng)的悲劇性變化，可謂哀莫大矣。如果人們?cè)诶硇缘乃季S中將科學(xué)技術(shù)作為一切工程措施的基石，那么，對(duì)于治理水環(huán)境而言，這個(gè)基石并不堅(jiān)實(shí)。我國(guó)大規(guī)模的水環(huán)境治理工程尚未展開，現(xiàn)有的工作的確取得了可貴的經(jīng)驗(yàn)，我們應(yīng)該看到這是在我國(guó)大規(guī)模整治水環(huán)境的前期探索和歷史性任務(wù)的啟動(dòng)；另一方面，我們遇到的問(wèn)題之所以眾說(shuō)紛紜，關(guān)鍵在于決策的科學(xué)技術(shù)依據(jù)仍然不足，我們的基礎(chǔ)研究和技術(shù)研究都還不能全面、完整、及時(shí)地為重大決策提供扎扎實(shí)實(shí)的支撐。因此，治理淡水水體的歷史性任務(wù)既是經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的需求，也是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的需求。(文·劉永定)
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
