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朱喜:太湖蓝藻持续爆发关键因素为三高-藻密度高营养程度高水温高(上)

* 作者: admin * 发表时间: 2022-02-15 1:42:24 * 浏览: 60

太湖蓝藻持续爆发关键因素为三高-藻密度高营养程度高水温高(上)

【作者简介】朱喜:男,1968年毕业于乌鲁木齐农垦大学,高工,中国水利学会会员;在新疆水利行业工作至1985年调回无锡,于无锡市水资源管理处、犊山工程管理处等9个单位工作过,2005年退休前后工作于无锡市水利局12年。前后从事水资源、水工程规划、设计和管理工作50余年,2002起从事河湖水污染、水环境、水生态研究,2007年起从事太湖等大中型湖泊消除蓝藻爆发、富营养化技术及其应用理论研究。20076月首先提出太湖20075.29供水危机实质是湖泛的理论,为政府采纳和专家认同;提出新沟河引江济太的设想;2007-2013年任无锡市蓝藻办顾问,专门从事蓝藻治理技术工作。

 


共编撰出版5部技术专著:《河湖污染与蓝藻爆发治理技术》(2021),《河湖生态环境治理与调研》(2018),《中国淡水湖泊蓝藻爆发治理与预防》(2014),《太湖蓝藻治理创新与实践》(2012),《太湖无锡地区水资源保护和水污染防治》(2009)。

 

主编4个规划:《无锡市水资源综合规划》(2007),《无锡市水生态系统保护和修复规划》(2006),《无锡市水资源保护和水污染防治规划》(2005),《无锡市区水资源保护规划》(1995)。

 

发表有关水资源、水生态、水环境、河湖治理、2007年供水危机、调水、防御洪涝、污水处理提标、治理太湖巢湖滇池富营养化和蓝藻爆发等百余篇文章,参加全国百余场学术研讨交流会并作报告。

 

文章全文

自我国加入世贸组织以来,国民经济持续高速发展,人民环保意识不断增强。201710月,习总书记在十九大报告中指出:随着社会的发展,社会主义进入新时代,社会矛盾已经发生明显的转变;在现阶段我国社会的主要矛盾是人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。其中环境保护问题日益凸显,成为影响人民生活水平的主要障碍。太湖流域是我国经济最发达区域之一,环保压力一直很大,太湖蓝藻的爆发与治理是党中央、各级政府和全国人民关注的焦点之一。

 

一、全面治理太湖是我国的基本国策

国家高度重视治理太湖(简称治太),投入了大量的资金和人力、物力,目前治太取得阶段性良好效果:富营养化程度减轻,TN浓度持续下降37%,消除蓝藻爆发、蓝藻堆积的不良感觉,消除大规模湖泛,连续14年确保供水安全。TN持续下降是由于有效控制外源及蓝藻年年持续爆发致N进入大气的双重原因所致。

 


二、治太存在问题

1 蓝藻爆发程度依然严重

蓝藻爆发是自然存在的蓝藻种源在水体富营养化和水温较高等适合生境的条件下快速生长繁殖,蓝藻密度(以下称藻密度)升高至一定程度及大面积浮于水面并可视的现象。蓝藻爆发是以蓝藻为主的藻类水华爆发的简称。蓝藻爆发严重表现在如下:① 蓝藻密度持续上升种源大幅增加。藻密度是衡量蓝藻爆发程度的主要指标之一,蓝藻爆发规模大必然是藻密度高,但藻密度高不一定蓝藻爆发规模大,因其中还有天气因素(下大雨.刮大风等因素使蓝藻下沉)和藻类结构问题(蓝藻中的微囊藻易上浮,非微囊藻的蓝藻相对不易上浮)。太湖2020年年均藻密度9200万个/L,为20096.3倍。其中湖心水域同期为19.18倍,其藻密度升高带动全太湖升高,贡湖、梅粱湖、竺山湖和西部沿岸水域分别为10.79-3.07 倍。原无蓝藻爆发的东太湖、东部沿岸水域也发生一定程度蓝藻爆发。蓝藻爆发面积高位波动。2007年来蓝藻持续爆发,年最大爆发面积规模大小不等,如2007年为1114km22017年为历年最高峰1403km22009年低峰为524km2。每年蓝藻爆发月份不等,从20世纪90年代初蓝藻刚开始爆发时5―8个月,增加至近年如2015年、2017年的11-12个月。如201720162013年在12月也发生爆发,其中2013.12.10爆发仍达到982km2叶绿素a持续升高。叶绿素a也是衡量蓝藻爆发程度的一个主要指标。如2020年年均叶绿素a37.7mg/m3200919.8mg/m31.9倍。

 2 富营养化程度仍然严重

①  入湖污染负荷大幅度超出环境容量。

② 水质未达标。没有达到水功能区目标西部Ⅲ类、东部Ⅱ-Ⅲ类。

③ 太湖TP时有升高。2007年以来TP浓度曲折波动,时有升高,其中2015-2019年较2007年0.074mg/L升高6.8-17.6%。原因是藻密度大幅升高、削减外源力度不够。

 


三 、蓝藻持续爆发关键因素以藻密度.营养程度.水温的三高为代表

蓝藻长期爆发涉及的因素很多。根据研究分析得出主要因素有三个:藻密度高、营养程度高、太湖水温高为主的自然因素。

1 藻密度高

蓝藻爆发须有相当密度的种源种群存在,是蓝藻爆发的根本性因素、直接根源。藻密度高代表着客观存在的自然因素和人为因素的总和。太湖每年蓝藻爆发初期,由于水温相对较低,一般非蓝藻的藻类或非微囊藻的蓝藻相对较多,随着温度升高,蓝藻特别是微囊藻类蓝藻就成为优势种或绝对优势种。

  蓝藻种源种群越多,爆发规模越大。19902007年,蓝藻种源种群数量日渐增多、爆发规模日益增大,引发2007年供水危机,此后蓝藻爆发总趋势是日趋严重。如2009年藻密度1450万个/L增加至2020年的9200万个/L(缺2009年前数据),为6.3倍。其中2019年达到12500万个/L,为2009年的8.6倍,使蓝藻爆发面积一直在高位运行。

  太湖各水域的藻密度均呈持续增加趋势。2020年与2009年藻密度比值:湖心19.18倍,东部沿岸22.83倍。导致蓝藻爆发面积近年一直在高位波动运行,基本不受N P浓度在一定范围内波动的影响。如2007-2020TN持续下降,但蓝藻爆发一直在高位波动,主要原因是藻密度已达到相当高的程度,持续削减后的TN仍能满足蓝藻爆发对TN的营养需求。

 

2 营养程度高

当水体中P N 等营养盐含量超过一定限度就称为富营养化。富营养化使水域生态系统失去良性平衡,生物多样性受损。营养程度从低至高分为:贫富营、中富营、富营养。富营养又分为:轻度、中度、重度和异常富营养。

  营养程度持续高位运行是蓝藻持续爆发的基本因素

营养程度高代表着人类活动对自然水体不合理干预的总和。营养程度高是使藻密度升高、产生蓝藻爆发的基本因素,在富营养化一定程度的范围内均可发生蓝藻爆发,不受期间P N浓度浓度下降或升高的影响。

  影响富营程度的主要是人为因素

使大水体从贫营养化转变为富营养化,单纯的自然因素需要经过漫长的时间,至少要上千年。而人为因素,在现代的社会经济发展、城市化和大规模工业化进程的早中期,甚至只需要10-20年或更短的时间,如太湖的梅梁湖就是在20世纪80年代的10年中逐步进入富营养化的,而全太湖则到90年代就进入富营养化。

 

3 水温高

太阳是地球能源的主要来源,天气的阴晴风雨各种状态决定了每天接受能源的多少和光照强度的强弱时间长短,直接影响到水温。

  水温高是藻密度升高、蓝藻爆发的基本因素

① 水温高是影响蓝藻爆发的诸多自然因素的代表(以下统一简称水温高)。根据世界气象组织的报告,二十一世纪一十年代是有气象观测记录以来气候最热的十年,而且在未来的十年内气温上升的趋势没有改变的迹象。南北极冰雪融化的速度加快是地球持续升温的标志。因此,全球气候变暖必然导致温度持续升高。所以水温高是当前世界气温升高的必然趋势,不以人们的意志为转移。水温高是影响蓝藻爆发的诸多自然生境的代表,是自然因素中最主要因子,自然因素还包括光照、风、水等因素及包括生物种间竞争。

② 每年水温对蓝藻生长的影响。每年春季蓝藻种源种群的多少主要取决于水温在912.5℃时蓝藻萌发(复苏)的程度。冬季蓝藻种源主要存在于底泥表层,部分存在于水体中。蓝藻每年的第一次爆发时间和以后的生长繁殖速度,与底泥和水体的蓝藻细胞萌发的种类、密度及复苏时间有关。若春季水温升高较快,蓝藻就种源多种群大,如20073月的日均水温较2006年同期高1.51℃,特别是3月上旬的日均水温达到12.62℃,较2006年同期升高3.07℃,此水温已是蓝藻萌发开始加速的温度,在该年的329日蓝藻就首次爆发,较2007年前2年蓝藻爆发提前近1个月时间。

 

  水温与蓝藻爆发关系密切

年均日水温高,爆发时间就长,爆发面积或累积面积就大。20062007年的年均日水温分别达到18.65℃19.29℃,较2008-2010年均高,所以这2年的爆发面积均较大,其中2007年的累积爆发面积较后3年增加1-2倍;2006年以前太湖蓝藻每年爆发时间长度一般为58个月,但2007蓝藻爆发时间有10个月,近年如20152017年更有达到12个月。只要水温维持在90C左右的适当水温,蓝藻仍可能爆发。近几年,由于冬季水温有所升高,如201720181月的日均水温较多年日均水温6.27℃均为高,促使蓝藻提前萌发,加快藻密度的升高速度,蓝藻爆发期延长,原来蓝藻不爆发的冬季12月、1月也发生蓝藻爆发,爆发面积多次超过300km2。如20131210日爆发面积达到982km2,其原因是期间最高气温由9℃升至15℃,加之近年太湖藻密度持续升高,˃000万个/L;同样2018117日蓝藻爆发面积达到390km2,其原因是期间最高气温从4℃升至13-15℃,近几年年均藻密度˃8000万个/L

 


⑶ 其他自然因素

水温高是是蓝藻爆发的自然生境因素的代表。还有其他一些自然因素对蓝藻爆发的生境或种群起到一定或相当的影响。① 光照。光照时间长和强度大,光合作用强烈,使蓝藻生长繁殖速度加快。风雨气压。风力达到一定水平使水面蓝藻在风力驱动下向太湖沿岸下风处水域聚集,晴日微风使蓝藻垂直上浮,大风浪则使蓝藻隠于水下使水面看不到蓝藻聚集现象。雨天,降低温度,使蓝藻隠于水下而使水面上看不到蓝藻聚集爆发现象。气压对蓝藻爆发有相当的影响,但尚未有确切的研究记录。水流。自然水流驱动蓝藻自上游至中下游在水平方向的流动扩散,加大湖心和东太湖等水域藻密度,使以往蓝藻不爆发的东太湖、东部沿岸水域发生一定规模的蓝藻爆发;还有水量、水位、流速和换水次数等均对蓝藻爆发均有一定影响。④ 岸线形状。自然岸线形状由于风的作用,可接纳蓄存相当蓝藻数量。如东南风梅梁湖、竺山湖和贡湖的湖湾顶端水域可蓄积大量高密度的蓝藻,形成爆发的态势。

 

⑷ 大自然活动异常影响温度

如大规模火山爆发是可导致气候异常、影响地球温度和光照的突发性因素。如报道的2022115日的太平洋汤加海底火山爆发,称可能使地球部分区域的气温下降2,或可能在短期内降低藻密度和蓝藻爆发规模。另外,厄尔尼诺现象(指赤道太平洋东部和中部海面温度持续异常偏暖的现象)与拉尼娜现象(与厄尔尼诺相反的现象)可显著影响地球温度。

 

⑸ 种间竞争影响藻密度。

 种间竞争是自然界中存在的生物之间的竞争:生境竞争,即蓝藻与其他生物适应生境的竞争;生物间的竞争,即蓝藻与其他生物生存权的相互竞争、或直接使对方消失、死亡。其中其他生物包括蓝藻以外的藻类、微生物、植物、动物。

 


四、三高因素相互关联

使太湖蓝藻爆发的三高因素不是单独存在,且是错综复杂相互关联的。

1 富营养化使使藻密度升高  

人为干预使大量外源入湖、水体富营养化,继而使蓝藻生长繁殖速度加快,藻密度升高。如太湖水质从20世纪80年代初的类降至80年代末的类,90年代劣类;营养程度从贫-中营养升高至中富营养、个别水域为重富营养;年均藻密度估计从80年代初的百万个/L左右至20091447万个/L,再升至20209200万个/L

 

2 水温是自然因素中使藻密度升高的首要条件

水温是影响藻密度和蓝藻爆发程度的全部自然因素中的代表,是影响蓝藻爆发的最主要生境。水温一年四季不同,蓝藻就发生休眠、萌发、爆发、衰退等过程。但由于每年温度、营养状态等生境的差异,蓝藻复苏.生长.爆发.衰退的时间段有早晚和长短的差异,及蓝藻下沉水底、次年蓝藻复苏比例有差异。

一般情况:① 上年12月下旬-当年2月的日均水温﹤9℃为蓝藻休眠期,大部分蓝藻在水底,部分蓝藻在水体中间。② 3月水温升至9-11.6℃,藻类、蓝藻先后开始萌发(复苏)。③ 4-5月初,水温达到1722℃,蓝藻发生首次爆发。④ 510月,水温﹥20℃34℃,为蓝藻持续爆发期。其中﹥25℃时形成蓝藻的优势或绝对优势;水温﹥30℃最易引起大规模爆发。⑤ 11月~12月上半月,水温为149℃,为蓝藻爆发后的延续、衰退期,一般不发生较大蓝藻爆发,但近些年由于水中存在蓝藻种源较多或冬季水温偏高或耐低温的藻类增加,使蓝藻爆发期延长及爆发面积较大。

 

3 藻密度持续高位运行明显影响富营养化N P指标

2006-2020年太湖藻密度持续高位运行,由20091450万个/L升至20209200万个/L,为6.3倍。其中2019年达到12500万个/L,为20098.6倍。以致蓝藻爆发持续在高位运行,年最大爆发面积一般在500-1400km2。蓝藻持续的高密度和爆发使太湖TN浓度持续下降,在2007年至2020年,河道入湖TN负荷仅下降3%的情况下,但太湖水质TN2.35mg/L降至1.48mg/L、削减37%;太湖20072020年水质TP基本持平,其中20072019年入湖TP负荷虽均为0.184t,但期间由于藻密度升高10倍,达到12500万个/L,结果TP0.074mg/L升至0.087mg/L、升高17.6%

 

小结:藻密度、富营养化、水温三者密切相关。富营养化是人为干预因素的结果和代表,使藻密度升高,但富营养化程度升高至一定范围时,营养程度的升降不能影响藻密度的升降;水温是自然因素的代表,明显影响着藻密度的升降;藻密度持续升高至一定范围后,可明显影响富营养化的P N指标,使TN持续下降、阻滞TP下降速度或可使TP升高。