從根本上控制藍藻水華的生產力
藍藻水華生產力控制技術路線圖
藍藻水華在全世界普遍發生。近年來，歐美等水環境治理較好的國家中藍藻水華又有重新抬頭之勢，許多發展中國家藍藻水華的發生頻率和強度則呈不斷增加的趨勢。藍藻水華引起的一系列環境和健康問題，20世紀90年代以來，世界上發表的湖泊富營養化和藍藻水華方面的研究論文大幅度上升，說明全世界各國的高度重視。
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——優勢種的競爭策略——
藍藻水華是藍藻在低光強度下旺盛生長，形成優勢的種群。而后遷移到水面為水華。藍藻增長率最大值可以達到0.6至0.8d-1。藍藻旺盛增長所需要的外部條件是：充分的N、P營養，N>2.0mg/l；P>0.02mg/l；在溫度13°C以下，生長非常慢；藍藻生長最適的溫度是25°C—35°C；適宜的pH是7.5—9.0。形成水華的藍藻生長繁殖是快速還是緩慢，與該物種在什么條件下如何發揮其生理潛能有很大關系。在某些情況下，水華藍藻只能以光能轉換率0.2％的效率生長，而同樣的物種，在另外的條件下，能夠以光能轉換率10%的效率生長，相差50倍；另一方面，水華藍藻能在較短時間形成大規模“水華”，這些都有它們的適應和競爭策略，根據現有的知識和本課題組成員長期研究的結果，對水華藍藻8個方面（細胞內具有精細的偽空胞結構—自主浮力調節機理、三套色素系統—低光補償機制、細胞磷庫和營養儲藏轉化—奢侈消費機制、高效吸收和同化二氧化碳—無機碳濃縮機制、固氮—營養補償機制、休眠—回避不良條件機制、產毒—尚不明確的競爭機制、種群演替—生態位替補競爭機制）競爭機制的理解或許可以有助于定位控制藍藻水華的著力點。
——主要危害——
嚴重的水華是有害或有毒的，專門定義為有害藻類水華（HAB）。在淡水重污染水體中水華的優勢種多半屬于藍藻。在我國長江流域如滇池、巢湖、太湖的水華集聚區，藍藻的濃度已經達到3×109細胞/升，即超出通常“嚴重”程度的數千至上萬倍。防治湖泊富營養化和藻類水華成為當代資源、環境、生態領域重大的科學和技術問題與熱點之一。藍藻水華引起一系列環境和健康問題，理論上，藍藻水華的影響在于其損壞水體生態系統的健康，破壞生態系統的服務功能，成為自然和人類社會的生態災害。從技術的、可操作的層面上看，藍藻水華對環境和人畜健康的影響出于三個方面：水華在湖面形成巨大的生物量，某些水華藍藻產毒，藍藻水華造成水體發生異味。重富營養化和嚴重的HAB之所以是近20年來國際上水環境領域和生態系統管理中的一大熱點和難點，也與藍藻水華形成巨大的表層生物量、藻毒素和藻源異味異嗅物質相關。
——現有對策——
在現代社會，人類活動對環境、生態系統的干擾大大超出了自然界通常能夠容納的范圍，原本自然發生的富營養化現象由于人類社會活動使之加速而變得異乎尋常地嚴重。水體富營養化具有三個表征：其一，初級生產力高，水華藻類生物的現存量高；其二，周期性地發生令人厭惡的藍藻水華，特別發生處于水體表面的單細胞群體藍藻銅銹微囊藻水華；其三，氮、磷營養水平大大超過對水華藻類生長限制的程度。富營養化水體的生產力由于人類活動造成的營養加富和輸入而非常高，形成浮游生物密集于水面的惡性狀態，于是，人類干擾下的自然現象便出現了非純自然因素的生態、環境、社會效應，成為災害。人們已經認識到，嚴重的富營養化和水華（包括產毒水華）是對人類損壞環境的一種報復(“產毒的復仇者”——Toxic avengers)。從發生原因和機理方面，了解到許多因素如“磷——一把雙刃劍”、“水流影響藻類水華”等；從控制的角度，人們發展了種種策略和技術，諸如利用安全脫磷、濾食性浮游動物、食藻細菌、混合水層、農業非點源污染控制，等等。這些研究和實踐活動分別從不同側面對湖泊富營養化及其引起的水華的成因、防治對策和技術研究做出了貢獻，但是單方面的結論或單項措施往往局限性很大，既不系統，也不深刻。
——根本出路——
水體污染、水資源短缺和藍藻水華頻發，同時困擾和制約水體周邊城市和流域范圍內的經濟建設與社會發展，治理流域水污染成為全社會的共同愿望與要求，也是控制藍藻水華的根本途徑。根據生態學原理，在污染源控制格局維持原狀或是稍有好轉的前提下，從根本上需要控制的是藍藻水華的生產力，降低藍藻生物量，最終達到削減或清除藍藻水華污染之目的。
理論上，“生產力控制”首先控制種群生存的條件，即控制水體營養水平和提高牧食生物的消費水平（包括“上行操縱”和“下行操縱”）。或者說，是提高生態系統（水華藍藻的生存條件）控制藻類水華發生的能力，達到基本消除藍藻水華污染的目的。這是完全不同于生物量控制的做法，因為生物量控制得到的結果，“每個個體有效食物量和其他資源增加，生長加速”，往往激發種群的增長率，是不可取的。
藍藻水華的生產力，即在以水華藍藻為優勢種的情況下所形成的水體初級生產力。而水體初級生產力源于光合作用，是一個能量和物質轉換的過程。從物質轉化角度看，通常的光合作用表達式如下：
對于水華藍藻的光合生產，光合作用可以表達如下式，即：
[106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++能量＋微量元素]在細胞光合反應系統內生成藻類的原生質并放出氧[C106H263O110N16P1(藻類原生質)+138O2]。
理論上概略計算，每1個磷原子與16個氮原子、110個氧原子、263個氫原子和106個碳原子合成1個藻類原生質大分子，其中，磷是最重要的限制性元素。盡管實際發生的生物化學過程遠遠比這個簡單的表述復雜的多，但是這一基本格局無可取代。
藍藻水華生產力控制的理論依據是建立在現代生態系統理論之上的生態系統能流分析和能量效率學說。根據熱力學定律能量既不能被消滅，也不會憑空產生。只能從一種狀態轉化成另一種狀態。水體初級生產力在執行水體能量流動生態功能方面具有重要的不可替代的作用。初級生產力是次級生產力的基礎，次級生產力使初級生產力能量在食物網鏈的交聯接合上得到合理地轉化和利用，對于維持生態系統的物種構成、營養結構和空間分布具有重要的作用，從而維護了生態系統及其生物群落的物種多樣性、遺傳多樣性和基因多樣性。也是物種種質保護，名特優水生生物種群的資源保護和可持續發展的必不可少的基礎。隨著水體N、P等營養物質上升，水體中浮游植物初級生產力的比例升高；水草的破壞和固著藻類棲息地的損失，浮游植物初級生產力的比例越來越高，光強下降，COD和BOD的值上升，導致藍藻水華暴發。
實踐說明，上述理論分析是正確的。在嚴重發生藍藻水華的湖泊，水體就猶如一個培養水華藍藻的“生物反應器”，其生產力之高，往往非人力所及，因而治理上，需要“釜底抽薪”，破壞其形成很高生產力的外部條件。藍藻水華生產力控制原理闡明了生態系統單元組分的關聯性及其在控制水華藍藻生產力中的作用和過程。湖泊水體內“生物控制藍藻水華技術”分別由濾食性魚類（主要為鰱、鳙魚）、濾食性底棲動物、浮游動物、噬菌體和噬藻體控制藍藻水華技術4個部分組成。過程為：濾食性魚類高強度穩定有效地攝食→表層微囊藻水華消減→水華藻類優勢種向小型化發展→浮游動物種群擴增→控制小型藻類→沉水植物恢復→透明度上升。實踐證明，“魚＋浮游動物＋草”是生物控藻途徑中一個效果顯著的方式。
考慮到水體富營養化問題成因與危害的復雜性，應該從整個社會的不同層面實施下列對策，即推進三個根本轉變、實施受損水生態系統修復、建立截污與節約用水并舉的良好機制、建立信息網絡和在線監測、實行流域管理與區域合作、加強和深化科學技術研究。
推進三個根本轉變：即實行從以截污為主的污染治理到湖泊營養總量控制，從局部或單元治理到湖泊生態系統管理，從行業和地方的資源開發式管理發展到全流域以湖泊生態安全為基礎的可持續發展管理三個根本轉變。
受損水生態系統修復：根據生態系統穩態轉換的原理，水體生態系統在富營養化進程中，理論上總磷濃度在100—1000mg/L范圍內，是可能采取環境生態工程措施進行修復并促使其逆向轉換到清水－水生高等植物為優勢種群的“穩態”的。作者及其團隊的實地研究結果說明，在高于總磷濃度1000mg/L的范圍也可能實現富營養化水體穩態轉換。
建立截污與節約用水并舉的良好機制：截污絕對是控制水體富營養化的前提；截污與用水方式密切相關。大量原始粗曠的用水方式使截污的成本和工作量大大增加。我國在截污和節水機制的建立上還存在很大的弊病。這一看似普遍知曉的道理在實施過程中則是決定整治水環境的關鍵。
建立信息網絡，建立在線監測：我國水環境信息系統在監測站網、水文水質數據共享、水環境信息管理系統、水環境信息發布等方面存在諸多不足，信息網絡的效能、管理水平和共享機制有待提高。
流域管理與區域合作：在治理富營養化問題上，流域管理的合作，生物多樣性保護的合作，是不可缺少的。
加強和深化科學技術研究：水環境惡化的問題是突出的，而且相當嚴重；更嚴重的是人們至今并未足夠地認識淡水生態系統的悲劇性變化，可謂哀莫大矣。如果人們在理性的思維中將科學技術作為一切工程措施的基石，那么，對于治理水環境而言，這個基石并不堅實。我國大規模的水環境治理工程尚未展開，現有的工作的確取得了可貴的經驗，我們應該看到這是在我國大規模整治水環境的前期探索和歷史性任務的啟動；另一方面，我們遇到的問題之所以眾說紛紜，關鍵在于決策的科學技術依據仍然不足，我們的基礎研究和技術研究都還不能全面、完整、及時地為重大決策提供扎扎實實的支撐。因此，治理淡水水體的歷史性任務既是經濟建設和社會發展的需求，也是科學技術進步的需求。(文·劉永定)
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