藻类爆发影响因子及防控措施分析

邵俊元 陈 芃

（浙江水利水电学院 浙江杭州 310081）

引言

藻类有着不可估量的应用价值，在生物燃料、养殖饵料、化妆品、食品、医药科技等领域，藻类对生态以及生产生活有着重要的作用[1]。然而随着工业化、城市化以及农业生产水平的提高，藻类水华的经常性爆发也给居民供水和生态环境带来威胁。开展有效的水环境治理以确保水质稳定，对经济社会发展和生态环境保护而言至关重要。

一系列环境因子的共同作用促使了藻类的生长。常见的浮游藻类有蓝藻、绿藻、硅藻、隐藻等，它们大多存在于水体之中，分布范围大，适应性较强。藻华（Algal Bloom）是地表水体富营养化的一个重要表征，在近几十年受到了广泛关注，国内外对于藻类爆发的研究也比较深入，例如国内太湖流域的湖泛研究治理[2]，上海淀山湖库区水华控制[3]，三峡支流库区水华藻类生态动力学研究[4]，丹江口水库、珠江三角洲、海河流域等藻类时空分布及相应的预警措施和应急对策；在国外，许多区域的水体也有藻华爆发的情况,包括非洲的维多利亚湖、北美五大湖地区伊利湖、北欧波罗地海及西亚里海等。

现有的大量蓝藻类研究中，采样的监测点水质指标主要有水温、水体pH 值、溶解氧（DO）、高锰酸盐（CODMn）、氨氮、总氮（TN）、总磷（TP）、氯化物、电导率（EC）、浊度（NTU）与叶绿素a（Chla）等。数据分析多采用统计学回归分析以及Pearson 相关性分析[5]（单一变量分析、双变量分析、多变量分析等），通过对变量因子的分析[6]获取湖库藻华爆发时空特征。数据采集与分析方法依据参照 《地表水环境质量标准（GB 3838-2002）》。

综合来看，目前的研究或是单独涉及藻华机理或是重点研究某一种或几种具体防控措施效果，对于藻类相关的综述性介绍较少。基于此，本文结合藻类爆发起因、产生机制、影响因子以及现有的预警防控措施等进行分析，以期对现有藻类治理体系形成一个更完善的认知。

1 水华影响因子研究分析

藻类爆发的形成有许多不确定因素，在大量的藻类防治研究过程中，由于湖库水体、地域水文环境、当地经济社会环境、气象因素的差异，都需要具体问题具体分析，由特定的参数得出一整套因藻类爆发引起水环境问题的预警防治方案。不过可以确定的是浮游藻类优势种的品种具有随时空变化的特点，例如蓝藻能够凭借自身独特的生长机制，而成为优势种[7]。

1.1 水体富营养化和营养盐的影响

水体富营养化是藻类水华生长的重要前提和基础。例如长江中下游地区浅水湖泊富营养化严重导致的蓝藻水华问题十分常见。现有研究普遍认为营养盐氮、磷的输入超出水的自净能力是造成水体富营养化的主要原因。SeibegC.E.W.和Hautmann H.L.M.在研究中认为水体中磷元素的增加，通常会促进蓝藻水华的生长[6]。大量研究显示，总氮和总磷的浓度以及氮磷比值（N/P）限制[7]均会影响藻类生长；也有研究显示N/P比只有当氮或磷成为限制因素时，才会对藻类生长有影响，在氮、磷都很充分的情况下，N/P 对藻类生长已经没有意义。水体水质监测结果显示水体中N/P 比值多位于12-13 数值之间[8]。

在中低营养条件下，藻类爆发的可能性较低，但受温度和水文条件的影响，则并不意味着浮游藻类的生物量总是处于低水平。此外，不同的污染源导致营养输入成分的种类和数量不同，不同地区藻类的生长也不同。

1.2 气象因素

1.2.1 温度

季节性变化所引起的水体温度差异对浮游藻类生长的影响较为显著。温度高会加快营养盐循环作用、促进藻类营养吸收和物质循环。Richard D.Robarts 研究了蓝藻与生长速率和温度之间的关系[9]，数据显示微囊藻属、鱼腥藻属、无鞭毛藻属和振荡藻属的物种在高温下最适宜生长，其最大生长速率（Vimax）通常达到20°C 以上,在37°C 时，鱼腥藻和微囊藻的光合作用速率均为最高值的24%，而隐藻的光合作用速率则降至16%。微囊藻的光合作用在20℃以下下降最大，在15℃时下降到最大值的4%。热带地区水体温度较高，藻类往往有着较强的生命力，例如密西西比河和墨西哥湾蓝藻爆发较为频繁。

1.2.2 降水

降水对藻类水华的产生有两方面作用。崔玉洁在模拟三峡水库异重流模拟实验中提出随降水强度的加大，垂向水体扰动作用增强[4]，大量上游来水起到了稀释的作用，这是藻类水华浓度降低的主要原因。然而若是降水导致的来水携带污染物汇入半封闭湖库，泥沙营养物质等堆积，也会造成富营养化状态。

1.2.3 光照

光照对水环境系统中藻华因素的影响，需全面考虑光照因素、光照强度、光强波动周期、光谱组合等方面。光照条件会影响藻类的生物量、种群结构、垂直迁移和毒素释放[10]。藻类生长需要光合作用，在光照充足的地方光合产氧速率增加，日照藻细胞数量、叶绿素含量及微囊藻毒素数值较大[11]。当温度条件一定时，光照条件为6000lx 时[12]最利于藻类的生长。藻类群落由于光照的差异而引起水体中垂向分布和种群结构变化。不同藻类对光照强度的适应能力不同，不同浮游植物分布在不同的垂直水体光强层。蓝藻体内有叶绿素、藻胆蛋白等优势，最能成功捕获适宜光照，如甲藻能在微弱光照环境下获得生长优势，铜绿微囊藻悬浮的状态容易捕捉表面光照等，因此在浮游藻类竞争中成为优势种[13]。

1.2.4 风速风向

稳定的风速和风向是藻类爆发的基础条件之一。风速较低时，浮游藻类更有可能漂浮起来形成水华，而较低的风速对已经形成的水华运动的影响较小[14]。朱永春等研究在不同风场作用下藻类在湖泊中的迁移过程[15]，模拟结果表明，不同风场对于藻类在湖泊中的水平及垂直分布影响很大，并且存在着一个临界风速，其范围在2-3m/s 之间。当风速小于临界风速时，水面可以近似看作水动力光滑，没有波浪产生，在水表面藻类顺着风向迅速向迎风岸边漂移,形成藻类大量堆积。但当风速超过临界风速时，将产生波浪作用，波浪、风扰动及平均环流的共同作用会使得藻类在水体中上下混合，分布比较均匀。

1.3 水文地质条件

根据水动力原理，地势越平坦，水流越缓慢，滞留的时间越长，藻类的生存环境就会越有利。若湖泊水域处于半封闭状态，则水体循环周期性延长，易导致藻类的聚集。

2 监测预警和防控措施

2.1 监测预警技术

常见的藻类预警监测技术手段有现场监测巡视、实验室数值模拟分析、在线监测和卫星遥感技术等等。随着科技社会进步，从信息化大数据的角度科学分析研究藻类防治成为趋势。联合国提出的可持续发展目标SDG6.3.2[16]中提供了一整套检测报告机制，在划分RBD（报告流域区）的基础上开展一级监测和二级监测，利用六个常见的大气校正算法BAC、C2RCC、POLYMER、暗像元、MUMM 和6SV[17]，通过卫星遥感技术，对水体藻类生长情况进行监控，根据监控值的判断，可以对水体藻类的生长趋势进行人工干预和处理。

2.2 藻华治理

藻类爆发治理措施主要有物理法、生物法、化学法三种。随着技术的进步，将多种方式结合高效使用成为趋势。

2.2.1 物理法

通过物理除藻控制水库藻类繁殖速度，按期进行水环境治理，定期进行除藻作业、利用仿生捞藻设备和除藻技术，降低藻类水华发生，提高水库水质自净能力。常见的物理除藻法主要有打捞除藻法、引水稀释法、曝气法、遮光法、超声波除藻法、过滤除藻法、气浮除藻法等。

（1）打捞除藻法。打捞除藻最常用的方式是设置藻类打捞船，其优点是效果立竿见影，治理难度较低。例如在太湖应急防控与长期治理的过程中，蓝藻的打捞法一直发挥着重要作用。据统计，2007-2016 年太湖周边城市共打捞藻水1000 余万m3（含藻率为0.5%），相当于清除蓝藻干物质4.25 万t，经估算含N、P 和有机质分别为285t、290t、32600t[18]，大大削减了蓝藻数量，有效降低水体富营养化水平。这种方法须在藻类积累量大的区域进行，并且对湖泊蓝藻水华的根治与生态环境修复的作用相对有限。

（2）引水稀释法。引水稀释法是将富营养化程度较低的水体调至已污染的水体，从而改善水体的质量，减少和稀释地表水体营养物质[19]。这一方法的一个成功案例是位于天津市静海区的团泊湖湿地，京津冀三地积极利用区外水资源，在天津成功构架出一横一纵、引滦引江双水源保障的新型供水格局[20]，进一步提高了河湖水系连通的循环能力。

（3）曝气法。曝气是通过跌水或者其它增强水体流动的方法来促进水体上下层的混合干扰温度分层，并将位于水面的藻类驱赶至深水层，从而限制浮游藻类的生长[21]。如于桥水库坝前设了两道智能围隔[21]，在放水洞前设置藻类阻断网，对蓝藻进行拦截。然后启动曝气设备，在高温期进行曝气增氧，抑制藻类生长。适当采用曝气船等设备，以增加水体中氧气含量，抑制内源营养释放，形成垂向混合流，抑制藻类光合作用。需要注意的是，曝气法也并非简单适用所有情况，刘春光等人在曝气实验时研究对比以不同氮源作为营养源的藻类生长影响程度[22]，表明曝气法对不同藻类的影响程度不同，并且会受到连续曝气的影响。在曝气对藻类生长影响的第二次实验中，通过比较试验发现，曝气不能抑制藻类的生长，甚至具有一定的促进作用，特别是昼间曝气。

2.2.2 化学法

常见的有化学试剂除藻法、改性粘土絮凝法等。

（1）化学试剂法。化学试剂法是向水体中添加氧化剂（二氧化氯）、硫酸铜、高锰酸钾和次氯酸，使藻类的细胞壁和细胞膜破裂，从而抑制藻类的生长。该方法操作简单，但成本较高，且某些化学物质的引入会形成大量的藻类毒素，形成卤代烃的副产物[23]，破坏生态平衡，因此在使用范围上具有一定局限性。

（2）絮凝除藻。该方法多采用絮凝剂沉淀的方式，如用含有硫酸铝、氯化铁等铁盐类和铝盐类无机絮凝剂[24]去除硅藻。此外，也有利用一些具有吸附功能的天然物质[25]如活性炭、壳聚糖、蒙脱石等进行沉淀吸附藻类。

2.2.3 生物法

生物法多是通过动物、植物、微生物之间的生存竞争与食物链的关系，有效利用优胜劣汰，从而抑制藻类的繁殖生长。通过生物调控，运用良种选育、杂交育种，应用遗传与基因工程等技术，重建生物群落，对资源充分利用，增加物种的多样性，创造出转化效率高、能适应外界环境的优良物种，以降低藻类生物含量。

（1）增殖放流。通过增殖放流的形式，投放鱼苗、虾、贝类改善水域环境。在一些水库中常常投放花鲢、白鲢、花骨、草鱼、鲫鱼等鱼苗以优化种群结构。高翔等研究提出[26]，有针对性地增加食鱼性鱼类来提高浮游动物的数量，或者直接提高食藻鱼的数量，可有效抑制藻类生长。

（2）植物控藻。加强对水体淹没植被的修复，增加挺水植被和沉水植被[27]，例如在于桥水库中利用芦苇、莲花、猫尾草等植物进行藻类处理，可有效提高水体控制藻类的能力[21]。此外，杨利群等在研究中提到[28]，大麦秸秆等植物体可以用来抑制藻类的生长。秸秆在水中分解后，会产生抑藻物质。

结语

本文从营养盐、气象学、水文条件等方面对藻华产生的影响因子进行分析，并介绍了现场监测和遥感技术等监测手段。针对目前我国国情及国内水域中水体普遍存在的问题，从物理、化学、生物三方面综述了藻类爆发防控措施及效果。虽然国内研究日趋深入，现已形成了一系列研究藻类爆发机制和“影响因素—监测预警—防控措施”的研究体系。但是，受藻类爆发起因、影响因子、形成机制、藻类生物物种多样性等众多因素影响，针对不同地域的湖库仍需因地制宜，根据特定参数对藻类爆发进行预测与防控，尽可能符合当地环境特点，使得所采取的应对措施更具时效性、准确性和可行性。