湖泊富营养化与蓝藻水华

湖泊富营养化、蓝藻水华、生态效应及其对策吴吴庆龙 庆龙湖泊与环境国家重点实验室，中国科学院南京地理与湖泊研究所中国 北京2013年 10月 25日报告提纲湖泊富营养化一、二 湖泊蓝藻水华二 、三 、 湖泊蓝藻水华的生态效应三 、四、蓝藻水华灾害的控制湖泊是地球上重要生态系统之一为啥 重 要 ？ 淡水水资 源、生物 多样 性、全 球碳平衡 、 气候变 化要沉积沉积内源释放内源释放物质内循环物质内循环物质内循环物质内循环湖泊及其水资源是重要的战略资源太湖 安徽巢湖天目湖博斯腾湖我国湖泊面临蓝藻水华影响什么是富营养化（ is of a of s in of by th f i l t l b t he a on o a or na su s as or to an In it is or of in a 大百科全书 ） （ ）什么是水华和蓝藻水华（ 水体出现富营养化现象时 由于浮游生物大量繁殖 往， ， 往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中叫水华（水花），在海中叫赤潮。蓝藻水华是指由蓝藻的过渡生长和繁殖导致的水体颜色变蓝色或者绿色，其中的优势种在不同的环境和季节有所变化。湖泊的稳态转化 2007农业面源污染问题： 人口 粮食 化肥 固氮哪些水华蓝藻？、 ：、 ：微囊藻 ； 束球藻；丝状、无异型胞、多不固氮：鞘丝藻 ； 颤藻 ； ； ； ；浮游蓝丝藻丝状、有异型胞、固氮：项圈藻；水华束丝藻 ； 拟柱胞藻 ； 节藻 ； ； 节藻 ； ； 节藻 ； ； 节球藻蓝藻水华及其引起的灾害一个全球性的环境问题2006库等内陆水体富营养化所、导致的蓝藻异常增殖（水华）频繁发生，严重损害湖泊、水库的生态功能，制约区域社会经济发展 。淡水湖咸水湖2007年 5月 ， 太湖蓝藻水太湖年 月 ，华导致自来水厂停产；2007年7月，秦皇岛市饮；2005年天津于桥水库水华导致供水困难 ；巢湖；，极其重要。1994 200420022006蓝藻水华灾害包括广义和狭义两个方面藻堆积积聚藻类生分解剧增长和消复苏消亡致灾过程？休眠蓝藻水华衍生污染物 藻毒素 氨氮 亚硝酸盐 收的重金吸 属 吸附的 高 低 嗅味物质杨柳燕等， 2009微囊藻异常增殖引发水体污染大气异味物质的水气界面过程，空气质量下降微囊藻毒素水 体藻类破碎，藻毒素进入水体，危及人类健康。水 体沉积物矿物质具有较强的吸附藻毒素能力 部分藻毒素直接食用藻类导致中毒。水体腥臭 ， 功能散失 。异味物质沉积物，降解。部分藻毒素可以影响地下水 ！， 。生物！积累水产品体内的微囊藻毒素具有不同程度积累，水产品安全 ？湖泊生态系统结构与功能？异味物质在鱼体内,土腥!2007年6月25日 2007年5月 23日巢湖月 日无锡南泉水厂取水口（2007年5月30日）滇池2007年4月17日2007年无锡饮用水危机事件蓝藻污水团无锡市贡湖水厂取水口无锡市贡湖水厂取水口嗅味问题岸边大量藻类死亡发出异味居民家中自来水有异味二甲基三硫醚通过 硫醚、多种二甲基硫醚等，左图为其中一次结果。2007年 “ 黑水团 ” 或者 “ 湖泛 ” 事件年 “ ” “ ”无锡的饮用水危机事件，凸显了天然湖泊水源地保护和湖泊富营养化控制的紧迫性蓝藻污水团无锡市贡湖水厂取水口2009年6月3日八房港附近水域的“黑水团”湖泛的感官特征1、黑色2 气泡、3、怪味4 死鱼、5、无大型浮游生物什么是“湖泛”？“湖泛”是指湖泊水体中（包括沉积物）富含大量有机物质 在微生物的分解作用下 大量消， ，耗氧气，出现厌氧分解，微生物在还原条件下，促进许多“黑臭”物质的形成，进而影响水质和湖泊生态系统结构与功能乃至生态灾难 。“ 藻源性湖泛 ” 是指由蓝藻水华引发的 “ 湖“ ” “ 湖泛”，也可说是蓝藻水华引起的次生灾害之一。次生有毒有害物质微囊藻毒素微囊藻毒素 （ 异味物质异味物质 （ C 3H 3C C 是一种肝毒素，具有致癌性是一种肝毒素，具有致癌性 g/L 人体最大允许摄入人体最大允许摄入z 严重影响水体景观生态效应严重影响水体景观生态效应z 严重破坏饮用水品质严重破坏饮用水品质量为量为 ， 人体最大允许摄入， 人体最大允许摄入量为量为 kg/下水已知产生致嗅物质的藻类已知主要的致嗅物质正常生长时即会分泌二甲基异莰醇土嗅素大量死亡时产生恶臭气体极其微量就导致水体臭味，水质下降！美的 湖也出 湖美 国 的 “ 湖 泛和蓝藻水华如何影响湖泊食物网及生态系统结构？浅水湖泊的草型或者藻型稳定态转换et 2002; 200719971980s1970s 2010蓝藻水华导致清水型生态系统局变 蓝藻水华的分布具有明显的非重叠特点。近十年来的最大变化是19801950水下森林 ” 即沉水植被消失。et 20101994 200420022006太湖蓝藻水华分布趋势蓝藻水华导致清水型生态系统局变 草100000*600008000014 低浓度藻毒素 0/0.5 5 10 25020000d R /L( 下降e mg a+hl a+ 5 10 25g/ 5 10 g/et 2011藻毒素 苦草蓝藻水华导致清水型生态系统局变 对照组低浓度藻毒素 0.5 诱发叶片微结构损伤诱发叶片微结构损伤诱发叶片微结构损伤诱发叶片微结构损伤10透射电镜（ 描电镜下的苦草叶片扫描电镜下的苦草叶片对照组/扫描电镜下的苦草叶片扫描电镜下的苦草叶片10et 2011微食物环与经典食物链之间营养传递目前太湖等湖泊出现“湖泛”等极端环境灾害的情况很少 ，通常情况下，在蓝藻水华不断暴发的条件下，湖泊中的浮游动物和鱼类是如何获得物质和能量的？微食物环与经典食物链之间营养传递 ：记的活体微囊藻 (2g/l囊藻有机碎屑 (8.6mg/l囊藻溶解有机碳 (8.6mg/l. 空白对照2 主要浮游动物种类 :象鼻蚤 大型蚤 3天培养 6升培养体系 稳 碳 浮 游 动 物 (数 量 ,稳 定同位素 ,碳 ) 浮游藻类 (数量 , 色素、稳定同位素 , 碳 ) 细菌 (数量 定同位素 ), , 13C溶解有机碳 ,13C溶解无机碳 ,营养盐 ,温度 ,et 2012活体微囊藻微囊藻有机碎屑象鼻蚤利用更多的微囊藻碳象鼻蚤和大型蚤利用部分微囊藻碎屑微囊藻溶解有机碳浮游动物通过有机碳的途径利用的碳源和直接利用微囊藻碳源的效率几乎接近，但效率更高， 提示蓝藻水华碳过食物 游物快碳 源通 过 微 食物 环与浮 游 动 物 间的 快速传递和溶解有机碳 et 2012微食物环与经典食物链之间营养传递 之间营 养关 系密切原位模拟藻养关实验查析野外调 查 分 析10002礸C r =p=p=13 3216 ,001 0,01 0,1 110Li et 2011微食物环与经典食物链之间营养传递 et 2012微食物环与经典食物链之间营养传递 小型的浮游动物具有优势关键功能群生物趋于小型化 ）枝角类和微囊藻，B）桡足类和微囊藻，C）简弧象鼻逐步回归结果显示微囊藻生物量对枝角类优势度解释量最大，蓝藻水华蚤和微囊藻，D）角突网纹蚤和微囊藻，E）汤匙华哲水蚤和微囊藻，F）中华窄腹剑水蚤和微囊藻，G）枝角类和蓝藻，H）桡足类和蓝藻，明显促进了枝角类的小型化。et 2012et 2011微囊藻水华发生的不同阶段存在明显的藻游细同季节浮游细菌结构调查样点图菌结构变化与微囊藻的关系统计分析图80%100%0%0%3 3 12 et 2012月“藻源性湖泛”跟踪调查和实时分析原位湖泛调查也表明梭菌是缺氧状态下参与蓝藻生物质分解的主要微生物类群生物质分解的主要微生物类群1000h 24h 360 65/668071 7280 8189 9160e(%)95 123139/140 150139 b ： 丛毛单胞菌04206 207211 214p：91和 95 菌65 硫弧菌4042345 354367 3702065/6673516 551558 Li et 2012957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 20072010年9 捕捞产量总体呈不断增长趋势，近 20年增长迅速；大中型经济鱼类比重减少，小型鱼类比重增加，渔业资源的小型化趋势加剧。et 2012蓝藻水华对湖泊重要生物资源的影响- 鱼类小型化明显湖鲚 银鱼 鲢鳙 鲤鲫 草鱼 鮊鱼 野杂鱼100%野杂鱼鲌鱼1993年 2008年60%80%组成比例(%)鲌鱼鲫鱼鲤鱼鲢鳙草鱼40%湖区渔获物组草鱼银鱼湖鲚A 东部湖区1993 195220%不同湖东部湖区B 北部湖区C 湖心区0%008年太湖主要年份的渔获物组成变化太湖不同湖区的渔获物组成太湖主要年份的渔获物组成变化et 2012蓝藻水华促进水 沉积物界面蓝藻水华促进水 底栖动物结构变化1980195000420022006寡毛类主要分布在水华污染较重的西北部湖区 软体动寡毛类主要分布在水华污染较重的西北部湖区 ； 软体动物主要分布在太湖西南部湖区以及水草分布区物主要分布在太湖西南部湖区以及水草分布区太湖寡毛类密度空间分布格局图软体动物密度空间分布格局图et 2011蓝藻水华促进水不同底栖动物对沉积物磷释放影响4500050000空白 螺 河蚬 颤蚓3500040000200002500030000h 6h 12h 24h 48h 72射剂量： 10；注射深度： 组； 1只 /柱（约 河蚬组 ： 1只 /柱 （ 10g）； 颤蚓组 ： 1g/柱 ；： 只 柱 （ 柱 ；对照组：无底栖动物；以上各处理三次重复et 2012太湖 湖 104t)957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007太湖鱼产量变化太湖生态系统结构变化的关键点之一是在上个世纪 90年代初1994 200420022006期。et 2012正向反馈（牧食减弱+营养补给增强） 对蓝藻水华灾害性系统维持 至 关重要9101112水华暴发时间提前水华天数增加关重要45678123987 988 989 990 991 992 993 994 995 996 997 998 999200020012002200320042005200620071 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2太湖总磷变化持续时间增加面积有所增加2010正向反馈 对蓝藻水华灾害性系统维持至关重要微囊藻 其它影响 ： 水体透明度下降 、 破坏水体景观其它影响 水体透明度下降 、 破坏水体景观水体中散发的异味也影响水体的旅游功能其它影响 ： 破坏水体休闲功能其它影响 ： 破坏水体休闲功能其它影响 ： 破坏水体渔业功能其它影响 ： 破坏水体渔业功能藻毒素对鱼类的许多器官产生损伤；异味物质等可以在鱼体内累积 ，严重影响鱼的品质和经济价值 。水华严重时，可以导致水体缺氧，鱼类大批量死亡。其它影响：漂移影响下游地区水体环境蓝藻水华导致湖泊生物群落结构和功能变化 养盐输入少2、大型浮游动物牧食藻类43、鱼类主要捕食大型浮游动物4、藻类死亡形成碎屑少5、碎屑沉降到底泥少6 水草和底栖藻类可以利用沉碎屑，细菌、降的碎屑作为营养盐，滞留能力高 (et L&O; Li et 77、水草和底栖藻类使沉积物营养盐释放低 (et , , 情景2养盐输入多2,小型浮游动物，蓝藻多，难以牧食3 鱼类捕食小型浮游动N, 4,藻类死亡形成碎屑多5,碎屑沉降到底泥多没有水草 底栖藻类菌 原189106, 、，滞留能力低（ Li )7,沉积物营养盐释放高（没有水草等，蓝藻沉降叠加等 ） (朱广伟等 ）, ， 原生动物等） ）8,入微食物网 (et L&O)9 细菌 原生动物作为碎屑，细菌4, 、小型浮游动物食物10,碎屑及其附着细菌直接被小型浮游动物食物57N, 情景3养盐输入多2,藻类局部堆积形成缺氧环境 (Li et 2012 , 3, 藻类死亡形成碎屑多，只有细菌等微生物 (et 2010, 物 ,Li et 2011, ，没有植物和大型生物 只有细菌等微生碎屑，细菌2物 ，物 (Li et 2012, , 甲烷和硫化氢等厌氧代谢产物从沉积物35进入水体中 (et 2011, , 质好 生物多 蓝藻为主要初级生产者 生物多样， ，样性高，食物网复杂，抗污染能力强。，性低，食物网简单，抗污染能力弱。蓝藻水华灾害的防治对策1、控制水体富营养化是根本；2 建立有效的预测和预警体系、 ；3、灾害的应急处置技术和预案蓝藻水华灾害发生的监测、预测和预警卫星遥感监测 无线监测与人工采样补充总体路线蓝藻原位观测 水文气象监测水华形成关键因子阈值蓝藻水华多因子分析蓝藻水华发生模型蓝藻发生机理藻类生长、上浮与漂移、迁出与迁入模型 蓝藻水华堆积与湖泊水动力模型扩散模型蓝藻发生等级划分蓝藻预测预警水域分区与格网划分一、蓝藻空间分布的遥感监测卫星遥感影像 野外观测与室内试验光谱数据库反演模型影像处理蓝藻识别与定量提取蓝藻水华的识别与监测太湖蓝藻遥感监测系统太湖蓝藻遥感监测系统为预测预警提供两个参数 ：（1）水华空间分布和水华面积（ 2） 叶绿素和藻蓝素浓度（ ）通过模型监测蓝藻水华、反演蓝藻浓度通过模型监测蓝藻水华、反演蓝藻浓度建立蓝藻遥感监测信息系统，自动实现蓝藻水华空间分布和面积的提取 自动实现蓝藻浓度的反演， 。二、水质原位自动监测与无线传输自动监测点位的精确布设 人工采样站点布设为预测预警提供参数：自动监测站点各传感器的固定与连接（1 1）常规水质参数，包）常规水质参数，包括叶绿素、藻蓝素、溶氧 水温和浊度氧各自动监测站点数据采集器的协同数据采集器的数据无线传输氧 、 ；氧 、 ；（2 2）未来）未来1 1 包括风速 、 风， 、 风数据采集器的数据无线传输数据接收卡与接收系统之间的无缝连接， 、 风， 、 风向、降雨和气温；（3 3）调水的时间和调水）调水的时间和调水自动接收系统量量监测数据库例如：水质自动监测站与人工监测点布设（贡湖湾为例）例如：水质自动监测站与人工监测点布设（贡湖湾为例）三级水华浓度监测带，距离取水口的距离分别为 7公里、 照中风条件下，太湖平均湖流