富营养化湖泊蓝藻打捞减污降碳效果模拟研究

王家一，孙亭亭，沙润钰，谌婷红，邢冉，秦伯强，施文卿,*

1. 南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京 210044；2. 中国科学院南京地理与湖泊研究所/湖泊科学与环境国家重点实验室，江苏 南京 210008

环境污染物与温室气体排放具有高度同源、同过程及排放时空一致性特征，环境治理过程中减污和降碳方面具有协同推进的潜力。2022 年6 月生态环境部等多个部门联合印发《减污降碳协同增效实施方案》，要求统筹环境要素治理和温室气体减排要求，优化治理目标、治理工艺和技术路线，强化多污染物与温室气体协同控制，通过减污和降碳两个领域工作的深度耦合和同频共振，实现协同提质增效。

目前，富营养化湖泊蓝藻水华已成为全球水环境重大问题之一（Frumin et al.，2014）。藻类衰亡后分解不仅释放氮磷（N、P）物质（Yan et al.，2017），而且产生大量有机碳，不仅直接为温室气体产生提供底物，而且通过促进了异养微生物繁殖间接促进了温室气体的产生与排放（Yan et al.，2019）。West等人研究发现大量藻源性生物质分解激发了沉积物微生物共代谢效应，促进了二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）产生（West et al.，2016；朱俊羽等，2022）。有研究认为藻源性生物质分解能够改变水体N/P，促进氧化亚氮（N2O）的产生（Amit et al.，2017）。因此，若实现藻源性生物质移除，不仅可以避免N、P 污染物释放实现减污，而且可以有效抑制温室气体排放实现降碳。蓝藻打捞技术是一种简单易行的蓝藻水华治理技术，目前已广泛应用于中国太湖、巢湖、滇池等富营养化水体（邵路路等，2013）。蓝藻打捞对藻源性生物质的直接移除具有潜在的减污降碳效果，但具体效果尚不明晰。

本研究利用水-沉积物柱实验体系，通过人为移除藻源性生物质方式模拟蓝藻打捞不同强度，分析蓝藻移除后水体N，P 浓度与温室气体排放通量之间的关系，核算氮磷水平与碳排削减量，评估蓝藻移除的减污降碳协同效果。研究结果对于富营养化湖泊蓝藻打捞的环境效益综合评估具有重要参考意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本实验所使用的湖水和沉积物取自太湖梅梁湾（31°28'20.1″N，120°09'43.4″E）。湖水和沉积物分别由有机玻璃采水器和彼得森采泥器采集于水面下10 cm 处和沉积物表层0－10 cm 处，样品采集后在黑暗条件下尽快运输至实验室。利用浮游植物网在采样点同步采集藻浆，冷冻干燥后制备藻源性生物质。

1.2 实验装置

湖水和沉积物完全混匀后平均分装至12 根直径（内径）为8.4 cm、高为50 cm 的有机玻璃柱中，每个模拟实验柱中沉积物10 cm、上覆水30 cm。模拟实验柱静置2 周后开始实验。

1.3 实验方案

为对比不同蓝藻打捞强度下藻源性生物质移除的减污降碳效果，本研究采用模拟实验柱，通过调控实验柱内藻源性生物质的量来开展。模拟实验柱中藻生物量调控是通过定量添加藻源性生物质的方式进行。藻源性生物质投加量越少代表蓝藻移除强度越强、藻源性生物质移除越多。实验分为4 个处理组：未进行移除（C）、低强度蓝藻移除（L）、中强度蓝藻移除（M）和高强度蓝藻移除（H）。未进行蓝藻移除对照组的藻源性生物质投加量是基于太湖梅梁湾藻源性生物质的量而定，质量浓度为90 mg·L−1；低强度和中强度蓝藻移除处理组中的藻源性生物质浓度为60、30 mg·L−1，分别代表33%、66%移除强度；高强度蓝藻移除处理组中的藻源性生物质<1 mg·L−1，代表99%移除强度。每个处理组有3 个模拟实验柱。模拟柱在室温条件下 (20±1) ℃运行20 d。在第1、3、5、7、10、15 和20 天进行监测与采样。水体溶解氧（DO）由便携式DO 测定仪测定；抽取50 mL 水样过0.45 μm 滤膜后，−4 ℃条件下保存，用于水质分析（1.4.1 节）；CO2、CH4和N2O 气体释放通量采用静态箱法测定（见1.4.2 部分）。

1.4 分析方法

1.4.1 水质分析

总氮（TN）和总磷（TP）浓度分别用水和废水监测分析方法（第四版）中的碱性-过硫酸钾消解紫外分光光度法和过硫酸钾消解-钼酸盐分光光度法测定（《水和废水监测分析方法》编委会，2002）。为降低大量样品采集对模拟实验体系造成影响，磷酸盐（SRP）、硝态氮（NO3−-N）、亚硝态氮（NO2−-N）和氨态氮（NH4+-N）的测定采用酶标仪微量比色法。酶标仪微量比色法对每个指标的测定所需样品体积仅为200－250 μL，并且与传统分光光度法在线性范围、最低检出限、灵敏度等方面没有明显差异（Ringuet et al.，2011）。

1.4.2 温室气体释放通量测定

CO2、CH4和N2O 释放通量测定采用静态箱法进行，具体操作流程为：将带有50 mL 铝箔气袋的橡胶塞塞紧于模拟实验柱上端，并确保气密性。铝箔气袋主要是起到缓冲作用，避免因箱体内外压力差而被动漏气，测定装置具体设计如图1 所示。用注射器通过取气阀缓慢注入静态箱40 mL 空气，往复抽吸3 次混匀后，回收20 mL 气体，作为初始气体；关闭静态箱取气阀运行1 h 后，用注射器吸取20 mL 静态箱内气体作为运行结束后气体。气体样品常温常压储存于12 mL 顶空瓶（839W，labco Exetainer® Vial，UK）。利用气相色谱（8890，Agilent Technologies，USA）完成测定。CO2、CH4和N2O释放通量按下式计算：

图1 静态箱测定模拟实验柱温室气体排放示意图Figure 1 Static chamber for measuring greenhouse gas emissions from simulated columns

式中：

F——待测气体释放通量，mg·m−2·h−1；

b1和b2——静态箱运行前后的待测气体浓度，mg·m−3；

V——静态箱顶空体积，m3；

S——静态箱覆盖水面的面积，m2；

t——静态箱运行时间，h。

参照第六次气候变化专门委员会政府间的评估报告（IPCC），核算各气体二氧化碳当量（CO2-eq）：

式中：

FCH4、FN2O和FCO2——CH4、N2O 和CO2的CO2-eq，mg·m−2·h−1；

k1和k2值——100 年时间尺度下CH4和N2O 的CO2-eq，分别为27.2 和273（Lahn et al.，2021）；

Ftotal——CH4、N2O 和CO2的CO2-eq 之和，mg·m−2·h−1。

1.4.3 数据分析

本研究中结果均为3 组重复的平均值，误差棒为标准方差。统计分析和绘图均由Origin 2019 软件完成，显著差异水平均采用P<0.05。

2 结果与分析

2.1 藻源性生物质移除对水体DO 的影响

在实验运行期间，各个处理组水体DO 出现显著变化（P=0.03）。未进行藻源性生物质移除的水体DO 下降速率最快，在第3 天出现最小值，为1.3 mg·L−1，并且在实验运行初期的1－5 d 内一直处于缺氧状态（DO<2 mg·L−1），随后逐渐恢复至起始水平。藻源性生物质的移除改善了水环境条件，且随着移除强度增加，该效果更为明显，具体表现为，水体DO 下降速度变缓，DO 最小值也逐步提升。低和中强度蓝藻移除条件下，DO 最低值分别为1.8 mg·L−1和3.1 mg·L−1；高强度蓝藻移除水体DO 并未明显下降，实验运行期间维持在4.4－6.1 mg·L−1（图2）。

图2 各处理组水体DO 变化情况Figure 2 Changes of water DO in the simulated column systems

2.2 藻源性生物质移除对水体N 组份的影响

藻源性生物质移除对水体N 水平，尤其是TN和NO3−-N，具有显著削减作用（P=0.01；P=0.01），且移除强度增强，削减作用更加明显。在整个实验运行期间，处理组水体TN 和NO3−-N 浓度均低于对照组，且藻源性生物质移除强度越强的水体中TN 和NO3−-N 浓度越低。实验运行结束时，对照组、低、中和高移除强度水体TN 浓度分别为4.84、3.57、3.12 和2.24 mg·L−1，NO3−-N 分别为1.57、1.11、1.01 和0.72 mg·L−1（图3a、b）。与对照组相比，低、中、高移除强度下，TN 分别下降26.1%、35.4%、53.8%。实验初期藻源性生物质移除对水体NH4+-N 和NO2−-N 削减作用明显，未出现明显升高，而对照组在前7 天出现明显上升，浓度分别高达0.87 mg·L−1和0.86 mg·L−1（图3c、d）。

图3 各处理组中水体TN（a）、NO−3-N（b）、NH+4-N（c）、NO−2-N（d）变化情况Figure 3 Changes of water TN (a), NO－3-N (b), NH+4-N (c), NO－2 -N (d) in the simulated column systems

2.3 藻源性生物质移除对水体P 组份的影响

与N 类似，蓝藻移除对水体P 浓度具有明显削减作用，且强度越强，削减作用越明显（P=0.01）（图4）。未进行蓝藻移除对照组TP 和SRP 在0－10 d 内逐步升高，随后分别维持在0.76－0.51 和0.61－0.50 mg·L−1范围内。低强度蓝藻移除水体TP 和SRP 在实验期间缓慢升高，在第20 天分别达到0.25 mg·L−1和0.19 mg·L−1。中强度蓝藻移除水体TP 缓慢下降，在第20 天达到0.14 mg·L−1，SRP 略微上升，在第20天达到0.09 mg·L−1。高强度蓝藻移除水体TP 出现略微下降，在第20 天达到0.11 mg·L−1，而SRP 未明显变化，实验期间维持在0－0.03 mg·L−1。对比未进行移除对照组，在低、中、高蓝藻移除强度下，TP 分别下降50.9%、72.9%和78.2%。

图4 各处理组水体TP（a）、SRP（b）变化情况Figure 4 Changes of water TP (a) and SRP (b) in the simulated column systems

2.4 藻源性生物质移除对CO2、CH4和N2O 排放通量的影响

藻源性生物质移除对水体CO2排放通量具有明显的削减作用，且随着强度增加，削减效果越明显（P=0.04）（图5a）。未进行移除的对照组中，CO2在第0－3 天内迅速上升至最大值56.60 mg·m−2·h−1，随后逐步降低至初始水平。低、中、高移除强度下，水体CO2在第0－3 天内峰值分别为39.59、27.53和21.74 mg·m−2·h−1，随后逐渐下降至初始水平（图5a）。因此，藻源性生物质移除避免了CH4和N2O爆发式释放。对照组中CH4和N2O 释放通量在前5天出现明显上升，分别达到1.15、0.08 mg·m−2·h−1，而低、中、高移除强度下，水体CH4释放通量分别维持在<0.15 mg·m−2·h−1、<0.06 mg·m−2·h−1和<0.05 mg·m−2·h−1范围内（图5b）；N2O 释放通量均维持在<0.01 mg·m−2·h−1范围内（图5c）。

图5 各处理组中CO2（a）、CH4（b）、N2O（c）释放通量变化情况Figure 5 Changes of CO2 (a), CH4 (b), and N2O (c) fluxes from the simulated column systems

2.5 藻源性生物质移除对CO2-eq 排放通量及其累积量的影响

藻源性生物质移除对水体CO2-eq 排放通量与累积排放量也具有削减效果，且随着强度的增加而增加（P=0.03）。对照组中，CO2-eq 在前5 天内迅速上升至最大值86.80 mg·m−2·h−1，随后逐渐恢复至初始水平。低、中、高移除强度下，CO2-eq 排放通量峰值在前5 天内分别为42.84、33.64 和23.29 mg·m−2·h−1，随后逐渐恢复至初始水平（图6a）。在实验运行20 d 内，对照组CO2-eq 累积排放量最大，达到95.46 mg，其中CO2、CH4和N2O 分别为72.88、9.48 和13.09 mg。低移除强度中，CO2-eq 累积排放量为61.18 mg，其中CO2、CH4和N2O 分别为53.44、3.97 和3.75 mg；中移除强度中，CO2-eq 累积排放量为46.45 mg，其中CO2、CH4和N2O 分别为44.15、1.04 和1.25 mg；高移除强度中，CO2-eq 累积排放量为35.58 mg，其中CO2、CH4和N2O 分别占比33.13、0.81 和1.64 mg。对比处理组，低、中、高移除强度下，CO2释放量分别下降26.7%、39.4%、54.5%。CH4释放量分别下降58.1%、89.0%、91.5%，N2O 释放量分别下降71.3%、90.4%、87.5%。总CO2-eq 累积排放量分别下降35.9%、51.4%和62.7%（图6b）。不仅如此，CH4和N2O 的CO2-eq 在CO2-eq总累积排放量中占比呈现下降趋势。对照组中CH4和N2O 的CO2-eq 占比分别为9.9%和13.7%，而低、中、高移除强度下，CH4的CO2-eq 占比分别为6.4%、2.2%和2.2%，N2O 的CO2-eq 占比分别为6.1%、2.6%和4.6%（图6c）。

图6 各处理组中CO2-eq 排放通量（a）、累积排放量（b）和各气体在累积排放量的占比（c）Figure 6 CO2-eq flux (a), cumulative emissions and (b) percentage of each GHG gas in cumulative CO2-eq emission (c)in the simulated column systems

3 讨论

目前，随着水体富营养化加剧，蓝藻水华已成为了全球性水环境问题之一（Padisák et al.，1998；杨柳燕等，2019）。蓝藻水华暴发后期，藻源性生物质的快速分解易造成水体中N、P 物质浓度剧烈上升。本研究中，藻源性生物质未移除对照组水体中N、P 浓度上升速率和峰值均最大（图3）。藻源性生物质的移除有效削减了水体N、P 水平，尤其是NH+4-N，NO2−-N 和SRP，且随着移除强度增加，削减效果更加明显。藻源性生物质属于内源有机物，比外源有机物更容易分解产生CO2、CH4和N2O 等温室气体（Li et al.，2021）。国内外大量研究证实，富营养化大幅增加了湖泊CO2、CH4和N2O 释放通量，其中，藻源性生物质是湖泊持续排放 CO2的关键驱动力（Morales-Williams et al.，2021），CH4排放量也因此在下个世纪可能大幅增加30%－90%（Beaulieu et al.，2019）。本研究中，各个处理组CO2、CH4和N2O 释放通量的峰值均出现在第3－5 天，但随着藻源性生物质移除强度的增加，CO2、CH4和N2O 释放通量在实验初期上升速度和峰值逐步减小。相应地，CO2-eq排放通量（图6a）与累积排放量（图6b）也出现明显削减效果。相较而言，藻源性生物质未移除情景下水体表现出较高的CO2、CH4和N2O 释放通量（图5）。

藻源性生物质快速分解常常耗竭DO，诱发水体缺氧。本研究中，蓝藻未移除情景下水体DO 下降速率最快，在第3 天出现最小值，并且在实验运行初期第1－5 天内持续处于缺氧状态（DO<2 mg·L−1）（图2）。随着藻源性生物质移除强度增加，水体DO 下降速度变缓，DO 最小值也逐步提升，缺氧时间逐步缩短。低强度移除时，水体仅在第3－5 天内缺氧，而中和高强度移除实验体系中并未出现缺氧情况。氧化还原条件调控了有机碳分解方式。相比于氧化条件，还原条件有利于有机碳向产CH4方向分解（Gelesh et al.，2016；Shi et al.，2018），同时抑制CH4氧化消耗，从而引起CH4大量释放（Encinas et al.，2014）。有研究发现，富营养化湖泊藻类聚集区存在大量CH4的积累与释放（Wang et al.，2006）。本研究中，CH4的CO2-eq 累积量及其在总CO2-eq 累积排放量中的占比均随藻源性生物质移除量增加呈现下降趋势（图6b、c）。CH4的CO2-eq 累积量及其在总CO2-eq 累积排放量中的占比从对照组的9.9%和9.48 mg 下降至高强度移除处理组的2.2%和0.81 mg。湖泊N2O 释放不仅与N 底物和碳源有关，而且也受氧化还原条件的影响（Nguyen et al.，2005；Chen et al.，2016；Lauerwald et al.，2019）。本研究中，氧化还原条件改变也可能调控N 转化过程，影响N2O 的产生（Sasaki et al.，2011；Zhou et al.，2023）。随着藻源性生物质移除强度的增加，N2O 释放总累积量逐渐下降（图5c），其在总CO2-eq 累积量中的占比也表现出类似规律（图6c）。因此，藻源性生物质移除不仅直接减少了温室气体产生的底物，而且降低了CO2-eq 更高的CH4和N2O 的比例，进一步削减了碳排放水平（Lahn，2021）。

目前，为应对富营养化湖泊蓝藻水华，国内外已研发了多项相关技术，例如，沉积物原位覆盖、底泥疏浚、水生植物恢复和蓝藻打捞等（Yin et al.，2011；吴锋等，2012；陈超等，2013；张迎颖等，2017）。蓝藻打捞是一种简单易行、见效快、副作用小的物理移除技术，已广泛应用于蓝藻水华应急管理。以太湖为例，截至2020 年底，太湖蓝藻日打捞量已超6×104t。基于本研究模拟实验结果，藻源性生物质的直接移除不仅可以避免N、P 二次释放，而且有效削减了温室气体排放，表现出减污和降碳协同的潜力。另外，本研究模拟结果可能与实际蓝藻打捞因尺度效应存在不同，有待进一步研究。同时，蓝藻打捞所收获的藻源性生物质如何实现碳封存，也值得进一步探究。

4 结论

针对富营养化湖泊N、P 水平高和温室气体大量排放问题，本研究利用水-沉积物柱实验体系，模拟了藻源性生物质移除对水体N、P 水平削减与碳排放控制效果。结果表明，藻源性生物质不仅直接削减了水体N、P 水平，降低了CO2、CH4和N2O排放通量，而且水环境条件改善间接降低了CH4和N2O 比例，进一步降低碳排放通量，实现了减污和降碳有效协同。研究结果对于富营养化湖泊蓝藻打捞的环境效益综合评估具有重要参考意义。