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转贴:刘永定——从根本上控制蓝藻水华的生产力

已有 4492 次阅读 2009-12-16 14:39 |个人分类:环境保护|系统分类:论文交流| 治理, 水华, 蓝藻

该文为我所刘永定研究员所写的文章,该文概要地综述了蓝藻暴发的原因和治理的出路,以及目前存在的问题。

 

转贴:刘永定——从根本上控制蓝藻水华的生产力

蓝藻水华在全世界普遍发生。近年来,欧美等水环境治理较好的国家中蓝藻水华又有重新抬头之势,许多发展中国家蓝藻水华的发生频率和强度则呈不断增加的趋势。蓝藻水华引起的一系列环境和健康问题,20世纪90年代以来,世界上发表的湖泊富营养化和蓝藻水华方面的研究论文大幅度上升,说明全世界各国的高度重视。

  ——优势种的竞争策略——

  蓝藻水华是蓝藻在低光强度下旺盛生长,形成优势的种群。而后迁移到水面为水华。蓝藻增长率最大值可以达到0.6至0.8d-1。蓝藻旺盛增长所需要的外部条件是:充分的N、P营养,N>2.0mg/l;P>0.02mg/l;在温度13°C以下,生长非常慢;蓝藻生长最适的温度是25°C—35°C;适宜的pH是7.5—9.0。形成水华的蓝藻生长繁殖是快速还是缓慢,与该物种在什么条件下如何发挥其生理潜能有很大关系。在某些情况下,水华蓝藻只能以光能转换率0.2%的效率生长,而同样的物种,在另外的条件下,能够以光能转换率10%的效率生长,相差50倍;另一方面,水华蓝藻能在较短时间形成大规模“水华”,这些都有它们的适应和竞争策略,根据现有的知识和本课题组成员长期研究的结果,对水华蓝藻8个方面(细胞内具有精细的伪空胞结构—自主浮力调节机理、三套色素系统—低光补偿机制、细胞磷库和营养储藏转化—奢侈消费机制、高效吸收和同化二氧化碳—无机碳浓缩机制、固氮—营养补偿机制、休眠—回避不良条件机制、产毒—尚不明确的竞争机制、种群演替—生态位替补竞争机制)竞争机制的理解或许可以有助于定位控制蓝藻水华的着力点。

  ——主要危害——

  严重的水华是有害或有毒的,专门定义为有害藻类水华(HAB)。在淡水重污染水体中水华的优势种多半属于蓝藻。在我国长江流域如滇池、巢湖、太湖的水华集聚区,蓝藻的浓度已经达到3×109细胞/升,即超出通常“严重”程度的数千至上万倍。防治湖泊富营养化和藻类水华成为当代资源、环境、生态领域重大的科学技术问题与热点之一。蓝藻水华引起一系列环境和健康问题,理论上,蓝藻水华的影响在于其损坏水体生态系统的健康,破坏生态系统的服务功能,成为自然和人类社会的生态灾害。从技术的、可操作的层面上看,蓝藻水华对环境和人畜健康的影响出于三个方面:水华在湖面形成巨大的生物量,某些水华蓝藻产毒,蓝藻水华造成水体发生异味。重富营养化和严重的HAB之所以是近20年来国际上水环境领域和生态系统管理中的一大热点和难点,也与蓝藻水华形成巨大的表层生物量、藻毒素和藻源异味异嗅物质相关。

  ——现有对策——

  在现代社会,人类活动对环境、生态系统的干扰大大超出了自然界通常能够容纳的范围,原本自然发生的富营养化现象由于人类社会活动使之加速而变得异乎寻常地严重。水体富营养化具有三个表征:其一,初级生产力高,水华藻类生物的现存量高;其二,周期性地发生令人厌恶的蓝藻水华,特别发生处于水体表面的单细胞群体蓝藻铜锈微囊藻水华;其三,氮、磷营养水平大大超过对水华藻类生长限制的程度。富营养化水体的生产力由于人类活动造成的营养加富和输入而非常高,形成浮游生物密集于水面的恶性状态,于是,人类干扰下的自然现象便出现了非纯自然因素的生态、环境、社会效应,成为灾害。人们已经认识到,严重的富营养化和水华(包括产毒水华)是对人类损坏环境的一种报复(“产毒的复仇者”——Toxic avengers)。从发生原因和机理方面,了解到许多因素如“磷——一把双刃剑”、“水流影响藻类水华”等;从控制的角度,人们发展了种种策略和技术,诸如利用安全脱磷、滤食性浮游动物、食藻细菌、混合水层、农业非点源污染控制,等等。这些研究和实践活动分别从不同侧面对湖泊富营养化及其引起的水华的成因、防治对策和技术研究做出了贡献,但是单方面的结论或单项措施往往局限性很大,既不系统,也不深刻。

  ——根本出路——

  水体污染、水资源短缺和蓝藻水华频发,同时困扰和制约水体周边城市和流域范围内的经济建设与社会发展,治理流域水污染成为全社会的共同愿望与要求,也是控制蓝藻水华的根本途径。根据生态学原理,在污染源控制格局维持原状或是稍有好转的前提下,从根本上需要控制的是蓝藻水华的生产力,降低蓝藻生物量,最终达到削减或清除蓝藻水华污染之目的。

  理论上,“生产力控制”首先控制种群生存的条件,即控制水体营养水平和提高牧食生物的消费水平(包括“上行操纵”和“下行操纵”)。或者说,是提高生态系统(水华蓝藻的生存条件)控制藻类水华发生的能力,达到基本消除蓝藻水华污染的目的。这是完全不同于生物量控制的做法,因为生物量控制得到的结果,“每个个体有效食物量和其他资源增加,生长加速”,往往激发种群的增长率,是不可取的。

  蓝藻水华的生产力,即在以水华蓝藻为优势种的情况下所形成的水体初级生产力。而水体初级生产力源于光合作用,是一个能量和物质转换的过程。从物质转化角度看,通常的光合作用表达式如下:

    

  对于水华蓝藻的光合生产,光合作用可以表达如下式,即:

  [106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++能量+微量元素]在细胞光合反应系统内生成藻类的原生质并放出氧[C106H263O110N16P1(藻类原生质)+138O2]。

  理论上概略计算,每1个磷原子与16个氮原子、110个氧原子、263个氢原子和106个碳原子合成1个藻类原生质大分子,其中,磷是最重要的限制性元素。尽管实际发生的生物化学过程远远比这个简单的表述复杂的多,但是这一基本格局无可取代。

  蓝藻水华生产力控制的理论依据是建立在现代生态系统理论之上的生态系统能流分析和能量效率学说。根据热力学定律能量既不能被消灭,也不会凭空产生。只能从一种状态转化成另一种状态。水体初级生产力在执行水体能量流动生态功能方面具有重要的不可替代的作用。初级生产力是次级生产力的基础,次级生产力使初级生产力能量在食物网链的交联接合上得到合理地转化和利用,对于维持生态系统的物种构成、营养结构和空间分布具有重要的作用,从而维护了生态系统及其生物群落的物种多样性、遗传多样性和基因多样性。也是物种种质保护,名特优水生生物种群的资源保护和可持续发展的必不可少的基础。随着水体N、P等营养物质上升,水体中浮游植物初级生产力的比例升高;水草的破坏和固着藻类栖息地的损失,浮游植物初级生产力的比例越来越高,光强下降,COD和BOD的值上升,导致蓝藻水华暴发。

 

  实践说明,上述理论分析是正确的。在严重发生蓝藻水华的湖泊,水体就犹如一个培养水华蓝藻的“生物反应器”,其生产力之高,往往非人力所及,因而治理上,需要“釜底抽薪”,破坏其形成很高生产力的外部条件。蓝藻水华生产力控制原理阐明了生态系统单元组分的关联性及其在控制水华蓝藻生产力中的作用和过程。湖泊水体内“生物控制蓝藻水华技术”分别由滤食性鱼类(主要为鲢、鳙鱼)、滤食性底栖动物、浮游动物、噬菌体和噬藻体控制蓝藻水华技术4个部分组成。过程为:滤食性鱼类高强度稳定有效地摄食→表层微囊藻水华消减→水华藻类优势种向小型化发展→浮游动物种群扩增→控制小型藻类→沉水植物恢复→透明度上升。实践证明,“鱼+浮游动物+草”是生物控藻途径中一个效果显著的方式。

  考虑到水体富营养化问题成因与危害的复杂性,应该从整个社会的不同层面实施下列对策,即推进三个根本转变、实施受损水生态系统修复、建立截污与节约用水并举的良好机制、建立信息网络和在线监测、实行流域管理与区域合作、加强和深化科学技术研究。

  推进三个根本转变:即实行从以截污为主的污染治理到湖泊营养总量控制,从局部或单元治理到湖泊生态系统管理,从行业和地方的资源开发式管理发展到全流域以湖泊生态安全为基础的可持续发展管理三个根本转变。

  受损水生态系统修复:根据生态系统稳态转换的原理,水体生态系统在富营养化进程中,理论上总磷浓度在100—1000mg/L范围内,是可能采取环境生态工程措施进行修复并促使其逆向转换到清水-水生高等植物为优势种群的“稳态”的。作者及其团队的实地研究结果说明,在高于总磷浓度1000mg/L的范围也可能实现富营养化水体稳态转换。

  建立截污与节约用水并举的良好机制:截污绝对是控制水体富营养化的前提;截污与用水方式密切相关。大量原始粗旷的用水方式使截污的成本和工作量大大增加。我国在截污和节水机制的建立上还存在很大的弊病。这一看似普遍知晓的道理在实施过程中则是决定整治水环境的关键。

  建立信息网络,建立在线监测:我国水环境信息系统在监测站网、水文水质数据共享、水环境信息管理系统、水环境信息发布等方面存在诸多不足,信息网络的效能、管理水平和共享机制有待提高。

  流域管理与区域合作:在治理富营养化问题上,流域管理的合作,生物多样性保护的合作,是不可缺少的。

  加强和深化科学技术研究:水环境恶化的问题是突出的,而且相当严重;更严重的是人们至今并未足够地认识淡水生态系统的悲剧性变化,可谓哀莫大矣。如果人们在理性的思维中将科学技术作为一切工程措施的基石,那么,对于治理水环境而言,这个基石并不坚实。我国大规模的水环境治理工程尚未展开,现有的工作的确取得了可贵的经验,我们应该看到这是在我国大规模整治水环境的前期探索和历史性任务的启动;另一方面,我们遇到的问题之所以众说纷纭,关键在于决策的科学技术依据仍然不足,我们的基础研究和技术研究都还不能全面、完整、及时地为重大决策提供扎扎实实的支撑。因此,治理淡水水体的历史性任务既是经济建设和社会发展的需求,也是科学技术进步的需求。

  (文·刘永定:中国科学院水生生物研究所)


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