1、梅品文草湖泊藍藻水華生態(tài)災禍形成機理及防治的基礎研究4,5 （2.中國科學院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點實 驗室，江蘇210008；中國科學院水生生物研究所，淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室，湖北武漢 430072；南京大學，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，江蘇南京210092；中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，環(huán)境水質(zhì)學國家重點實驗室北京100085；摘要：湖泊具有供水、漁業(yè)、旅游、維持區(qū)域生30 年來，湖泊富營養(yǎng)化所導致的藍藻水華頻繁暴發(fā)，生 態(tài)災禍事件202X 7 月正式立 項。項目擬解決的關精品文草精品文草的機理；藍藻水華生態(tài)災禍評估及調(diào)控機 理。針關于上述科學問題，項目以藍

2、藻水華污染物的產(chǎn)生、湖泊生態(tài)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的響應以及生態(tài)災禍的評估與調(diào)控為研究主線，重點開 展以下幾個方面的研究：藍藻水華衍生污染物的產(chǎn)生及其環(huán)境過 程；藍藻水華衍生污染物的毒理效應與生態(tài)和健康風險；藍藻水 華導致湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化與功能退化的關鍵進程和機制；藍藻水華災禍治理和調(diào)控的的技術原理和途徑項目的實施和完成將為我國湖泊藍藻水華生態(tài)災禍的預防與控制提供 理論和技術原理支撐。關鍵詞：湖泊；藍藻水華；生態(tài)災禍；調(diào)控中圖分類號：X524 文獻標志碼：訂引言湖泊藍藻水華是指湖泊水體中的藍藻快速大量繁殖形成肉眼可 見是指在一些因素的干擾下由于生態(tài)系統(tǒng)平衡改變所帶來的 各種始料的國家重點基礎研究

3、發(fā)展計劃項目“湖泊藍藻水華 生態(tài)災禍形成機理202X 7 月正式立項。項目針關于國家在保證區(qū)域水安全和牛態(tài)安全、保護人民健康等方 而的重大需求，以藍藻水華污染物的產(chǎn)生、湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能 的響應以及生態(tài)災禍的評估與調(diào)控為研究主線，圍繞藍藻水華形成后 的集聚、分解等主要進程和階段，研究藍藻水華衍生污染物的產(chǎn)生和 歸趨、主要污染物質(zhì)的毒理效應及水質(zhì)安全、藍藻水華影響湖泊生態(tài) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關鍵進程和途徑。在此基礎上，研究防治藍藻水華 生態(tài)災禍的新技術原理，建立我國湖泊藍藻水華生態(tài)災禍的評估方法 和指標體系，并且提出相應的管理和調(diào)控關于策，為保證我國湖泊供水、 資源和生態(tài)安全提供重要的理論和技

4、術原理支撐。同時，開辟居國際 前沿的、由有害生物異常增殖引發(fā)的湖泊災禍生態(tài)學研究領域，豐富 關鍵功能群、生態(tài)系統(tǒng)恢復力和生態(tài)系統(tǒng)災變等方而的基礎理論。2.1 國家需求我國是一個湖泊眾多的國家，湖泊不僅具有供水、調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)氣候、漁業(yè)、旅游等功能，還在維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡和保育生物多樣性等方而發(fā)揮重要作用，是支撐我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要資源之一然而，最近的幾十年，由于湖泊生態(tài)系統(tǒng)受損、水質(zhì)下降，己嚴重削弱了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的服務功能，特別是極大地威脅到飲用水的安全供應湖泊富營養(yǎng)化所導致的藍藻水華是湖泊生態(tài)系統(tǒng)受損的主要表征之一我國是世界上藍藻水華暴發(fā)最嚴重、分布最廣泛且水華藍藻種類最多的國家之一。

5、如太湖、滇池和巢湖均有大而積、高頻率的藍藻水華發(fā)生在一些水華堆積區(qū)，藍藻濃度已超過2010 個細胞/I。藍藻水華還會造成水體的“二次污染”，如藍藻在生長和衰亡過程中所分泌的異味化合物202X 年5 月底因藍藻水華暴發(fā)導致無錫市 主要自來水廠停產(chǎn)，嚴重干擾居民的生產(chǎn)和生活，影響社會穩(wěn)定，引 起國內(nèi)外的極大關切，關于生態(tài)文明與和游等功能的下降，嚴重時甚至導致整個系統(tǒng)生態(tài)功能和服務價值的喪失而生態(tài)系統(tǒng)的正常結(jié) 構(gòu)和功能一旦被損壞并且失去平衡，將很難在短時間內(nèi)恢復。顯然，藍藻水華在湖泊中的頻繁暴發(fā)已經(jīng)成為一種“生態(tài)災 害”。需要強調(diào)的 是，我國藍藻水華生態(tài)災禍最嚴霞的湖泊流域多是經(jīng)濟發(fā)達、人口密 集的

6、地區(qū)，災禍的發(fā)生不僅嚴重制約了區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，同時 也關于人們的健康和社會的穩(wěn)定產(chǎn)生了極大威脅，控制肆虐的藍藻水華危害、保證區(qū)域水安全和生態(tài)安全已成為國家的重大需求。目前針關于 藍藻水華的研究主要聚焦于其發(fā)生機理，而關于其產(chǎn)生生態(tài)災禍的機理 尚不清楚，關于預防策略的理解也相關于薄弱。美國眾多從事海洋環(huán)境研究的學者在xx 年和202X 年訣別向美國國會提交了“有害藻類水華的預防控制及減緩辦法”的報告 年的報告內(nèi)容主要囊括檢測和描述水華藻類的種類及其毒素；監(jiān)控和預警有害藻類水華；預防 有害藻類水華并且減緩其災禍；有害藻類水華的社會經(jīng)濟沖擊及其相關 教育等方而。此外，關于“預防”概念的理解進行

7、了調(diào)整，將預防有害 藻類水華并且減緩其災禍合并且統(tǒng)一。而xx 年的報告中所指的“預防” 是在有害藻類水華發(fā)生前所采取的減少其影響程度和范圍的環(huán)境管理辦法，而非水華發(fā)生后的控制或災禍減緩措施。了解有害藻類水華 產(chǎn)生災禍的機理是預防其關于經(jīng)濟、公眾安全和水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負面影 響的摹礎。我國關于湖泊有害藻類水華的預防及其災禍減緩的研究非常 薄弱，尚未建立相關的理論和技術體系。而且迄今為止，無論國內(nèi)還 是國外，均很少在湖泊生態(tài)系統(tǒng)水平上研究藍藻水華導致的生態(tài)災 害，關于其中基本科學問題的認識也不夠清楚。由于基礎研究的薄弱， 以往關于湖泊藍藻水華的預防和災禍減緩所采取的措施往往針關于性不 強，效果也比較

8、差。因此亟待了解藍藻水華生態(tài)災禍的形成機理，揭 示生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生災變的動力學機制，探明防治藍藻水華災禍的技術原 理，探索藍藻水華災禍防治的策略和新的技術途徑，建立災禍評估與 評判的方法與體系，為防治藍藻水華災禍提供亟待的理論和技術原理 支撐?？茖W意義研究湖泊生態(tài)系統(tǒng)中重要生態(tài)進程不僅可以揭示藍藻水華引發(fā) 災禍的機理，也是湖泊科學發(fā)展的自身需求。隨著生態(tài)學從個體生態(tài) 學向種群生態(tài)學、群落生態(tài)學、系統(tǒng)生態(tài)學的發(fā)展，科學界己經(jīng)認識 到生態(tài)系統(tǒng)是一個以生物為主體，由生物和非生物組成的多要素、多 層次的復雜系統(tǒng)，它們經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)的各種進程和相互作用相聯(lián)系，并且 不斷與外界環(huán)境進行物質(zhì)、能量、信息等方而的交換

9、，促進系統(tǒng)的演 化，體現(xiàn)出系統(tǒng)的各種功能。因此，研究藍藻水華等莆要因子驅(qū)動下 湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的主要進程、相互作用及其關于湖。白的關鍵生物、湖 泊資源和生態(tài)環(huán)境等的影響機制，將成為湖泊科學研究的前沿領域之 一。上述研究工作的展開和深入不僅關于全面認識湖泊生態(tài)系統(tǒng)的運行 機制、發(fā)展湖泊生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控理論具有很好的促進作用，而且關于推 動湖泊科學和淡水環(huán)境科學的進一步發(fā)展具有重要的意義。由于生態(tài) 系統(tǒng)中生態(tài)進程及其相瓦作用的復雜性，多學科的交義和應用將成為 揭示復雜進程的必然選擇。本項目研究不僅涉及到社會經(jīng)濟學、湖泊 生態(tài)學、牛物群落學、種群生態(tài)學、地理信息系統(tǒng)、災禍學和數(shù)學模 擬等宏觀科學，而且要

10、利用生物化學、分析化學、分子生物學、微生 物學、毒理學和基岡組學等來研究和解釋藍藻水華污染物質(zhì)的發(fā)牛、 循環(huán)特征及其關于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響機制等，這種多學科的交叉也將 極大地豐富湖泊科學研究的內(nèi)容，同時必將推動其它各學科自身的發(fā) 展。湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的某一功能群在一定條件下可能會關于整個生態(tài)系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和進程起到?jīng)Q定性作用，并且因此成為關鍵功能群。如“清水態(tài)淺水湖泊的大型水生高等植物，寡營養(yǎng)型深水湖泊中的大型植 食性濾食浮游動物等。關鍵功能群關于生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動作用與進程是生 態(tài)學基礎理論的研究熱點，關于這一問題的認識不僅是了解牛態(tài)系統(tǒng)災 變和進行生態(tài)系統(tǒng)進程預測的關鍵，也足保護和恢復生態(tài)系統(tǒng)的核

11、心 理論支撐。在藍藻水華頻發(fā)的湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，水華籃藻作為關鍵功 能群，是湖泊主要生態(tài)進程的驅(qū)動囚子。本項目以藍藻水華驅(qū)動下湖 泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能災變的進程為核心內(nèi)容和途徑，揭示藍藻水華 的致災機理，在評判致災效應的基礎上，提出監(jiān)藻水華災禍的防治關于 策，研究不僅能夠揭示藍藻水華牛態(tài)災禍發(fā)生的進程與機理，以及相 應的物質(zhì)循環(huán)的特征，開辟居于圍際前沿的、由有害生物異常增殖引發(fā)的湖泊災禍生態(tài)學研究新領域，還可以為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的保護恢復 提供科學依據(jù)。同時，相關研究結(jié)果也將豐富關鍵功能群、生態(tài)系統(tǒng) 恢復力和生態(tài)系統(tǒng)災變等方面的生態(tài)學理論，促進我國湖泊科學、環(huán) 境科學、災禍學和生態(tài)科學等學科的發(fā)展。

12、3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展 趨勢(regimeshift)生態(tài)學和環(huán)境科學研究的熱點，也是全球變化的葦要研究內(nèi)容。水暴發(fā)及其衍生出來的污染物質(zhì)關于水牛態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了巨大影響，并且可能引起整個系統(tǒng)格局的變化，從而能導致一系列環(huán)境或者災禍事件的發(fā)生。國際上關于于水華引起的生態(tài)災禍豐要集巾在海洋赤潮發(fā)生后的牛態(tài)環(huán)境效應研究，并且提出了有害藻類水華的預防、控制及減緩辦法與關于策；在內(nèi)陸水體如湖泊等的藍藻水華生 態(tài)災禍研究主要關切藻毒素的產(chǎn)生及其關于人類健康的潛在影響怕 j, 缺乏較為系統(tǒng)的災禍效應及其預防和控制策略研究。我國的水華研究首先關切的也是海洋赤潮的研究，并且在21 世紀初啟動了國家再

13、點基 礎研究發(fā)展計劃項目“我國近海有害赤潮發(fā)生的生態(tài)學、海洋學機制及預測防治”，其中也重點研究了有害赤潮關于關鍵生物種、重要資源種和海洋牛態(tài)系結(jié)構(gòu)與功能的影響，以及降低赤潮發(fā)生強度和頻率的 生態(tài)調(diào)控原理，從而為進一步了解赤潮危害機理、評估赤潮危害、減輕赤潮災禍提”廣供科學依據(jù)。湖泊藍藻水華的研究則主要關切了籃 藻水華的發(fā)生機理，并且在202X 年啟動了國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目“湖泊富營養(yǎng)化進程與藍藻水華暴發(fā)機理研究”，雖然在其中涉及了湖泊富營養(yǎng)化的災禍研究，但是雨點關切的足藍藻毒素的發(fā)生機 理。顯然，目前關于湖泊藍藻水華生態(tài)災禍發(fā)生機理及其災禍效應的認 識不夠系統(tǒng)和深入，因此缺乏有效的應關

14、于籃藻水華生態(tài)災禍的關于策， 尤其體現(xiàn)在以下幾個方而：關于水質(zhì)安全的威脅等災禍效應認識不足。水華藍藻能大量產(chǎn)生一 系列毒性很強的天然毒素從而危及人類健康。我同湖泊中有毒藍藻水 華大量發(fā)生，漁產(chǎn)品中的微囊藻毒( microcysti, me)含量普遍 較高甚至很高， 其關于人類健康的潛在威脅不容忽略FI 前有關太湖水產(chǎn)品中的。染僅見零星報道藍藻死亡分解進程中所產(chǎn)牛的me 在水生動物體內(nèi)的累積及食用風險亟待評估。關于水華藍藻的藻毒素研 究較多，關于其它衍生污染物質(zhì)很不清楚，因而存我國關于藻源性異味 物質(zhì)的系統(tǒng)研究還十分缺乏，如財我國水體異味物質(zhì)的種類、分布、 藻類來源，產(chǎn)異味藻的生理生念特性等方面

15、的系統(tǒng)研究簡直是空口。目前在產(chǎn)異味藻株特異性、異味物質(zhì)產(chǎn)生的牛理牛態(tài)機制、異味物 質(zhì)在水生態(tài)系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化和歸趨等方面均亟待進行全而系統(tǒng)和深入的研究藍藻水華暴發(fā)后期， 大量藻類細胞衰亡并且沉入水底， 既而在水一泥界而分解而釋放出大量藍藻毒素、異味物質(zhì)及其它有毒 有害物質(zhì)。藍藻在特定水域堆積、腐爛和分解，并且形成“污水團”， 一旦擴散到飲用水源地，將可能引發(fā)飲用水危機。因此，研究毒素、 異味物質(zhì)等在水一泥界面和水一氣界面的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和在湖泊中 的歸趨，弄清水華藍藻在潛在風險區(qū)的堆積、腐爛分解和“污水團”形成進程，關于于藍藻成災機理的闡明具有重要意義。在藍藻水華衍生 污染物質(zhì)的毒理學分析方而

16、，藻毒素的毒理學研究較多已有的研究表明微囊藻毒素具有肝毒性、促癌作用、腎毒性和腸毒性。但是，在 藍藻水華消亡進程中，除了產(chǎn)生藻毒素以外，還會產(chǎn)生一些其H （ 、 n p 等生環(huán)、礦化速率和再生通量，還會改變其生物地球化學循環(huán)方式和途徑有研究指出，水華暴發(fā)期間，水體膠體有機碳的濃度硅著增高，并且關于水體中膠體態(tài)磷的濃度及其形態(tài)產(chǎn)生影響；富營養(yǎng)湖泊中藍藻水華的暴發(fā)會改變水體ph 值，從而導致沉積物中內(nèi)源磷 釋放量的激烈增加；藍藻水華等有機體的死亡分解及伴隨的營養(yǎng)物質(zhì)的再生還可能關于水華的暴發(fā)程度和周期產(chǎn)生重要影響；淺水湖泊的藍藻水華暴發(fā)與死亡生物殘體有機質(zhì)的分解及營養(yǎng)鹽的再生之間可能存在內(nèi)在關聯(lián)，

17、這種關聯(lián)可能導致藻型湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有更強的自穩(wěn)定性。湖泊沉積物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，接納并且蓄積了大量、p 等生源要因素，藍藻水華暴發(fā)后，湖泊水體和水土界面的環(huán)境會發(fā)生霞大變化，因此完全有可能影響到沉積物中生源要素的循環(huán)進程，并且關于水體的營養(yǎng)循環(huán)產(chǎn)生重大影響。很顯然，水華暴發(fā)后關于生源要素循環(huán)進程的反作用是藍藻水華成災關于生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生損壞的基木進程，是藍藻水華暴發(fā)后引發(fā)生態(tài)災禍的前提，關于這一進程開展研究將為深入認識藍藻水華災禍并且提出防治措施提供科學依據(jù)。（下湖泊生物群落結(jié)構(gòu)變化進程和機理認識不足。隨著富營養(yǎng)化的加劇， 淺水湖泊逐步形成以浮游藻類為優(yōu)勢的生態(tài)系統(tǒng)，其中往往又以藍藻

18、為優(yōu)勢藻類，引發(fā)藍藻水華。藍藻成為該類湖泊生態(tài)系統(tǒng)的關鍵功能群， 驅(qū)動著整個生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和進程。而這種以藍藻為優(yōu)勢的湖泊生態(tài)系統(tǒng)十分穩(wěn)定在相當長的時期內(nèi)不會發(fā)生格局變化從而 形成生態(tài)災禍淺水湖泊的主要生物類群囊括微生物分解者；以浮游 植物、水生高等植物和附生藻類為主的初級生產(chǎn)者；以浮游動物、底 柄動物為主的初級消費者和以魚類為主的次級消費者等。目前關于藍 藻水華關于湖泊其他水生生物的影響研究主要集中在單因子的生理或 生態(tài)脅迫方而，而各種影響足相互聯(lián)系的，目前還無法解釋藍藻水華 脅迫下湖泊生物群落結(jié)構(gòu)災變的關鍵進程與機理。需要重點研究的關 鍵進程囊括在水華驅(qū)動下：湖泊中的微食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)與功能的響

19、應； 初級生產(chǎn)者如何發(fā)生變化；藻類牧食者的結(jié)構(gòu)及其關于浮游藻類的 牧食能力的變化；底棲與水層生境之間的以營養(yǎng)關系為核心的耦合 作用發(fā)生哪些變化；魚類結(jié)構(gòu)和湖泊漁業(yè)變化的進程與機制；藍 藻水華所攜帶的物質(zhì)和能量有多少以及如何在食物網(wǎng)中流傳。(4) 防治藍藻水華生態(tài)災禍亟待新的技術原理支撐，應急和長 效技術相接合是開展探索的主要趨勢。由于湖泊營養(yǎng)負荷在相關于較長 的一段時間內(nèi)不會顯著減少，且即使在理想的流域生態(tài)條件下，湖泊 也不斷承受著來自陸地和人類的強烈擾動。因此，從長效治理藍藻水 華的角度出發(fā)，需要構(gòu)建一個具有較高系統(tǒng)穩(wěn)定性的良性湖泊生態(tài)系 統(tǒng)，這種穩(wěn)定性依賴于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性和豐富的牛物多樣

20、性，表現(xiàn) 在：關于外來營養(yǎng)負荷的沖擊有較強的緩沖能力和自動恢復能力；具有 良好( 4)藍藻水華災禍治理和調(diào)控的的技術原理。主要研究內(nèi)容囊括。藍藻水華快速去除、遷移輸出與營養(yǎng)鹽沉降 技術原理；藍藻衍生污染物質(zhì)加速分解與吸附技術原理；水、沉積物 環(huán)境改善與沉水植被、生態(tài)系統(tǒng)恢復技術原理；生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能 關于主要摔制技術措施的響應與生態(tài)安全分析；藍藻水華應急治理與長 效穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的理論基礎；藍藻水華生態(tài)災禍評估指標和分級體系；藍 藻水華牛態(tài)災禍分析方法；典范湖泊藍藻水華生態(tài)災禍預警與專家決 策支持系統(tǒng)；藍藻水華生態(tài)災禍的風險管理與調(diào)控策略。4.3 研究的總體思路本項研究的關鍵問題足要明確藍藻水華暴

21、發(fā)后如何導致湖泊生 態(tài)3 （主要為藍藻水華災禍的預防和控制提供科 學依據(jù)?？傮w研究思路見圖。5 研究目標總體目標。以太湖生態(tài)系統(tǒng)為主要研究關于象，選擇巢湖和滇池為財比研究湖泊，經(jīng)過研究水華藍藻衍生污染物質(zhì)的產(chǎn)生和歸趨、主要污染物質(zhì)的毒理學效臆及關于水質(zhì)安全的影響、湖泊生物群落結(jié)構(gòu)關于藍藻水華暴發(fā)的響應和機理、藍藻水華暴發(fā)關于湖泊生源要素循環(huán)進程的影響及其生態(tài)環(huán)境效應，在理論上揭示監(jiān)藻水華暴發(fā)導致湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能災變的機理，在方法卜建市我國湖泊藍藻水華生態(tài)災禍的評估方法和指標體系，經(jīng)過研究防治藍藻水華生態(tài)災禍的應急和長效技術原理，探索防治湖泊藍藻水華生態(tài)災禍的新途徑，開辟居國際前沿的、由有

22、害生物異常增殖引發(fā)的湖泊災禍生態(tài)學研究領域，使我國在湖泊生態(tài)系統(tǒng)災變、藍藻水華敏災機理及災禍預防和控制等研究領域居同際前沿水平為我國湖泊藍藻水華生態(tài)災禍的防治和區(qū)域水安傘及生態(tài)安全保證做出貢獻。五年目標：揭示藍藻水華的暴發(fā)導致湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能災 變的關鍵進程，明確生念系統(tǒng)災變的基本原理，創(chuàng)建湖泊牛態(tài)災禍的 研究方法和藍藻水華致災評判標準及體系，探索防治湖泊監(jiān)藻水華牛 態(tài)災禍的新途徑和策略，豐富和發(fā)展湖泊科學、災禍牛態(tài)學與牛態(tài)學 等學科理淪，為區(qū)域町持續(xù)發(fā)展提供關于策。主要貢獻如下：（1）基礎理淪貢獻：藍藻水華衍生污染物質(zhì)的發(fā)生機理；藍藻水第二篇：山仔水庫水質(zhì)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)在藍藻水華生態(tài)因子分析上的應用龍源期刊網(wǎng)：.cn山仔水庫水質(zhì)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)在藍藻水華生態(tài)因子分析上的應用作者：林晶202X 06 期摘要202X tn/tp tp、 、光合有效輻射、濁度呈顯著正相關，與tno 、tp o 等相關因子的影響顯著。協(xié)議書專題福州市江北城區(qū)山洪防治及生態(tài)補水工程建設合作協(xié)議書甲方：乙方：福建眾欣建筑工程有限公司甲、乙雙方木著平等互利、優(yōu)勢互補、共謀發(fā)展的