大水面蓝藻爆发的原因:蓝藻生长和水华形成有重要影响的气象因子

发表时间:2023/09/08 21:13:28  浏览次数:1203  
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水华是指淡水水体中的藻类、浮游动物(腰鞭毛虫等)或细菌爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种灾害性的生态现象。随着近年来水体的富营养化现象越来越严重,越来越多的水体发生水华。按照水华发生的统计标准,当水色发生明显变化或藻类密度高于1000 ×104个/L时认为发生了水华。

中国的第二次湖泊现状调查显示,东部平原湖区、东北平原与山地湖区和云贵高原湖区138个面积大于10Km2,湖泊中有85.4%的湖泊超过了富营养化标准,其中达到重度富营养化标准的占40.1% ,这些数据说明了中国的湖泊蓝藻水华已经达到了十分严重的地步,解决蓝藻水华水体富营养化问题刻不容缓。

针对我国近8年的文献数据库进行筛选和统计,将大水面水库、湖泊、河流蓝藻爆发的原因进行筛选和汇总,归纳出水华爆发的主要原因:光照、温度、营养盐以及大型水利工程。徐晓发现,水华的爆发是水环境因素(如总氮、总磷、pH 值、溶解氧等)和气象因子综合作用的结果。WETZEL R G. 等人研究发现藻类水华是多种环境因子综合作用的结果。

我们把水华爆发因素分为自然因素和人为因素,其中自然因素主要包括光照、水温、 营养盐条件,人为因素主要是大型水利工程。据此,水华爆发因素的示意图如下:

水华爆发因素示意图

一、光照

光辐射为藻类光合作用提供代谢能量,影响光合固碳速率,也影响藻类呼吸强度和能量负荷水平。

Domingues 等研究证实了水中浮游植物和蓝藻的生长受光照强度的影响较大,同时指出在泻湖地区水体富营养化并不是严重的问题,但如果光照强度适宜,则可能导致藻类水华现象的发生。

鲁伟坤通过研究蓝藻水华与气象因素的关系,发现滇池蓝藻水华发生频率与累积日照时数和降雨量相关,其中与风速的相关系数最高。

Lew等人在 Orinoco 河发现藻类生长需要接收足够的光强度,而河流的深度、透明度等将影响水体中光线的分布,从而影响藻类的生长。光合碳固定的能量受光照辐射的影响,是光合作用和水环境评价的重要指标之一。浮游植物在湖泊生态系统中的能量转换和物质循环中起着重要作用,它们通过叶绿素进行光合作用。光照强度与水华爆发有直接关系,崔松云的研究表明光照的影响主要表现在藻类的光合速率随光强的变化而变化。而且,不同的藻类对光强的光敏性也不同。

二、温度

水温是藻类光合作用的必要条件,它决定着细胞的酶反应速率,温度是生物酶工作的重要条件。温度低时导致细胞膜流动性差,会使得藻细胞对营养盐的摄入速度变慢;同时低温条件下生物酶的活性较低,藻类的新陈代谢速率变低。适宜的水温条件是蓝藻水华暴发的前提。随着水温的增加,蓝藻的生长速率增加。当温度在 20℃ 以上且水温为 25℃ 或 35℃ 时,益生的单细胞生长速率开始比蓝藻慢。蓝藻在室温下不可能大规模爆发。

只有进入高温季节,生长速率才能上升,所以温度是蓝藻爆发的主要因素之一。温度的变化会直接导致水温的变化,适当的水温会影响藻类的代谢和繁殖,从而加速藻类的生长,增加水华的风险。近几十年来,短期和长期气候变化对水生生态系统的影响,引起了广泛的关注。温度变化对水生生物的生长和分布具有一定的影响,随着温度的升高,藻类的代谢率增加,生长和繁殖速率增加。

许多研究已经证实, 对蓝藻生长和水华形成有重要影响的气象因子包括温度。

Walls 等研究发现蓝藻生物量随温度升高到增加,当水温大于 18℃ 时蓝藻生物量随温度升高迅速下降,且藻毒素在高温时逐渐增多。

夏志强等认为不同的浮游藻类种类由于受水温等环境的影响,只有当优势藻种类稳定且单一时,叶绿素 a 才与丰度显著相关。

李亚春通过对太湖大面积、长时间、高频次的观测数据研究发现适度高温有利于蓝藻水华的形成。

Jung 等人研究了韩国汉江下游硅藻水华的环境影响因素。发现当水温(5≤10℃ )较低时,硅藻含量达到峰值,硅酸浓度下降,然而在水体中,其他养分仍处于富营养化水平。

Visser 等人指出蓝藻的最适生长温度为 27℃ ~ 37℃ ,且当气温超过25℃ 时,明显有蓝藻生长速率的提高。

三、营养盐条件

前主流观点认为,导致河流水体富营养化的关键要素包括营养盐负荷、水文条件等。水体内营养盐浓度高低对于蓝藻生长产生促进或抑制作用,直接决定蓝藻繁殖的速度,对于水华的发生有至关重要的影响。

Ospina - Alvare 研究表明沉积物中积累的氮、磷等营养物质的释放是水体中藻类生长所需营养物质的重要来源。同时水体中氮磷比对于蓝藻繁殖有显著影响,当TN 与TP 的比 值小于时,蓝藻在藻类群体中会占据优势。

营养盐对于蓝藻繁殖及水华形成的确切关系也随湖泊不同而有所差异。藻类细胞通过获取和储存栖息地底部或游离态的养分供自身在水体中生长所需,在其生长环境条件得到一定程度满足时,氮磷等营养盐是否充沛就成为种群生长繁殖和数量多寡的主要控制因素。种群随机运动与营养盐的扩散速率相同,使得水体中氮磷等营养物质在不同区域的变动引起以其为食的浮游藻类生长繁殖出现相应变动。

四、水利工程

在人类的高强度活动下,水利工程发展引起的水文形势变化是水利与环境学科研究中急需探讨的一个重要的应用基础问题。尤其是最近几十年来,中国水利的大发展,小浪底、葛洲坝等大型水利工程相继建成运营,带来了巨大的效益,方便了人们的生活。但与此同时,强人类活动大型水利工程对中国流域及区域大尺度水文循环过程的影响将更加显著,大型河流水华暴发与水文、水环境和水生态之间相互影响作用过程中的一些新的科学问题亟待研究和探索。

在水利工程调度的影响下,河道型水库形成了较为独特的地理环境、水文情势及水动力变化特征:由于河道型受上游流入和坝前蓄水位的周期性变化的影响,在不同时段表现出以湖泊形态或河流流型为主导的周期性变化;水利工程对水华的影响主要体现在两个方面:(1)人类活动的干扰,包括城市工业污水的排放和农业污水的流入;(2)水利工程的实施和建设,在河流中形成一个大的“死水区” ,导致河水自净能力下降。通过对近 5 年来国内外水利工程背景下江河水华成因研究进展的回顾,发现有众多学者指出,水利工程,特别是堤坝工程,将对河流浮游生物的结构产生非常重大的影响。

夏瑞在针对汉江下游的研究中发现,在强人类活动干扰下,上游水利工程建设和闸坝调度进一步导致了下游河道水文径流过程的改变。

肖婵等人发现南水北调工程导致汉江中下游的水质明显恶化,在促进水华爆发方面发挥重要作用。

为了研究三峡大坝对水生生态系统的影响,ZENG等对三峡水库浮游植物组成、丰富度和时间分布进行了分析,结果表明,雨季香溪河浮游植物含量与 N、P、Si 含量显著负相关。

Lee 等人利用韩国松岛市 FLOW - 3D 水动力模型,确定了人工海水管道水力特性对藻类生长的影响。结果表明:水华爆发的地点受滞洪区和垂直流速的影响。

Jeong 等人发现,韩国洛东江上游大坝的流量和降水量与水体中蓝藻的停留时间有显著的关系。

综上所述,河流型水华通常伴随着人类活动和气候变化的双重效应,是一个复杂的多因素影响问题。

结语

针对近年来国内外水华爆发的文献进行了详细分析,探究蓝藻水华爆发规律及分析水华爆发驱动因素。认为在水体营养盐满足蓝藻生长条件下,水文、气象、气候条件是驱动水华发生的主要因素。营养盐富集是蓝藻生长繁殖的基础,是水华风险预警首先必须考虑到的环境要素。

除此以外,水利工程等人为因素也会为水华形成产生影响。文章总结的水华因素是一些共性的因素,但在不同的水库其作用因子的交叉与联合也不尽相同,在探讨特定水体的水华成因时尚需要因地制宜详细科学地分析。

来源:授渔水产。文章部分摘自《环境科学与管理》周兵、蔡小莉、杨欣欣等

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