謝 平，陳 雋，劉佳睿

(1：中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所東湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站，武漢 430072) (2：云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院高原湖泊生態(tài)與治理研究院，昆明 650500)

藍(lán)藻(也稱為藍(lán)細(xì)菌)是地球上最早出現(xiàn)的光合自養(yǎng)生物，利用水作為電子供體，利用太陽(yáng)光能將CO2還原成有機(jī)碳化合物，并釋放出自由氧，它們是唯一一類可以進(jìn)行生物固氮的藻類[1]。藍(lán)藻對(duì)人類的有益和有害作用都很顯著，固氮藍(lán)藻在維持全球土壤和水體肥力方面，起著十分重要的作用，但是，當(dāng)湖泊、河流或水庫(kù)中藍(lán)藻大量繁殖而形成水華時(shí)，就會(huì)降低湖泊生態(tài)系統(tǒng)的多樣性與服務(wù)功能，導(dǎo)致生態(tài)災(zāi)害，如藍(lán)藻通過(guò)產(chǎn)生生物毒素(如微囊藻毒素)和異味物質(zhì)(硫醇、硫醚、硫化氫等)危及飲水安全和人類健康，在水面堆積腐爛還會(huì)嚴(yán)重影響水體的景觀功能[2-3]。因此，有無(wú)藍(lán)藻水華通常被視為一個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)是否良好或健康的分水嶺。但這也不是絕對(duì)的，有時(shí)V類或劣V類水中不一定有藍(lán)藻水華，而II類或III類水反而會(huì)有水華。

1 藍(lán)藻水華的成因與影響因素

許多復(fù)雜系統(tǒng)有臨界閾值——即所謂的轉(zhuǎn)換點(diǎn)——在此處，系統(tǒng)突然從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)。為何在一些水生態(tài)系統(tǒng)，藻類群落從多優(yōu)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到單優(yōu)狀態(tài)(少數(shù)藍(lán)藻一統(tǒng)天下而形成表面水華)？這并不是一個(gè)容易給出確切回答的問(wèn)題，因?yàn)樗{(lán)藻的生長(zhǎng)繁殖及水華的形成受到物理因素(溫度、光照、水動(dòng)力學(xué)等)、化學(xué)因素(N、P、C、微量元素等)和生物因素(包括與其它藻類或水生維管束植物的競(jìng)爭(zhēng)、牧食、微生物作用)等錯(cuò)綜復(fù)雜的影響(圖1)。藍(lán)藻形成水華是其內(nèi)在的生理學(xué)特性與適宜的環(huán)境條件疊加的生態(tài)學(xué)結(jié)果，雖具有一定的可預(yù)測(cè)性，但由于諸多影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜地交織在一起，加之生命周期短、繁殖速度快，使藍(lán)藻水華的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)十分困難。

圖1 影響藍(lán)藻形成水華的主要因素(雙向箭頭表示存在相互作用)Fig.1 Factors related to the formation of cyanobacterial blooms (The double-headed arrows indicate mutual effects)

但我們也有一些趨勢(shì)性的認(rèn)識(shí)。經(jīng)驗(yàn)表明，氮、磷過(guò)量輸入對(duì)藍(lán)藻水華的發(fā)生起到了根本性的作用，藍(lán)藻在富營(yíng)養(yǎng)化條件下具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，稱之為“上行效應(yīng)”，藍(lán)藻水華和磷之間甚至還存在正反饋?zhàn)饔茫橐蚬?，在一定程度上?huì)加重水華的危害。藍(lán)藻水華對(duì)沉積物磷的泵吸作用[4-5]如圖2所示。

圖2 富營(yíng)養(yǎng)水體(Fe-P、Al-P含量較高)中水華藍(lán)藻對(duì)沉積物P的泵吸機(jī)制模式圖(黑色箭頭向上表示升高，黑色箭頭向下表示下降)Fig.2 A diagram showing the pumping up of sediment phosphorus by bloom-forming cyanobacteria in eutrophic waters (with abundant Fe-P and Al-P) (The upward black arrows indicate increase, and the downward black arrows indicate decrease)

氣候?qū)λ{(lán)藻水華的發(fā)生也能產(chǎn)生顯著影響，如高溫常常有利于藍(lán)藻的增殖，因?yàn)樗{(lán)藻是從地球早期的高溫環(huán)境中發(fā)育出來(lái)的古老生物類群。大部分藍(lán)藻的最適溫度在25～35oC之間，高于綠藻和硅藻，這使大部分藍(lán)藻水華在夏季更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。水體的交換速率和泥沙含量也能影響藍(lán)藻的豐度，如流速快、泥沙含量高的河流環(huán)境一般不容易出現(xiàn)藍(lán)藻水華。

一般而言，生物因子的作用機(jī)制比較復(fù)雜，主要是抑制性質(zhì)的(捕食或競(jìng)爭(zhēng))。有一些動(dòng)物能以藍(lán)藻為食，從而減輕藍(lán)藻水華的發(fā)生，稱之為“下行效應(yīng)”或“營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)”。與其它藻類的競(jìng)爭(zhēng)(對(duì)光、營(yíng)養(yǎng))亦能對(duì)藍(lán)藻水華的發(fā)生產(chǎn)生影響，這還可能受到營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)的影響[6]。水草和藍(lán)藻之間亦存在競(jìng)爭(zhēng)或化感作用，還存在以藍(lán)藻為食的噬菌體(病毒)。

2 藍(lán)藻水華的防控

不難理解，一些影響藍(lán)藻生存與繁衍的因子可被用于藍(lán)藻的防控，形成所謂物理的、化學(xué)的或生物的手段。引水常被認(rèn)為可以稀釋或沖走藍(lán)藻，但由于這有可能會(huì)導(dǎo)致藍(lán)藻向下游水體轉(zhuǎn)移，在水體中的氮、磷濃度普遍較高的情況下，引水水源、下游受水區(qū)域影響等，使本方法常難以奏效。

雖然降低營(yíng)養(yǎng)鹽是根治藍(lán)藻水華的有效途徑，但這對(duì)大中型湖泊來(lái)說(shuō)，往往是一個(gè)耗資巨大且緩慢的過(guò)程，對(duì)有一定規(guī)模的城市湖泊來(lái)說(shuō)亦十分困難。水體的溫度和光照難以人為改變。水生植物可用于抑制藍(lán)藻的發(fā)生，但大中型湖泊中沉水植物一旦退化，恢復(fù)起來(lái)往往十分困難，且代價(jià)巨大。有時(shí)即使恢復(fù)成功，也不意味就能穩(wěn)定維持。一些圍隔中(切斷了外源負(fù)荷、改變了水動(dòng)力條件等)的恢復(fù)結(jié)果并不能簡(jiǎn)單的推演到開(kāi)敞的湖泊中，因?yàn)樽匀缓?特別是城市湖泊)必須接納巨大的季節(jié)性沖擊負(fù)荷。而在較大的水體中利用噬菌體來(lái)殺滅藍(lán)藻受其技術(shù)成熟度和成本的影響，尚難大規(guī)模開(kāi)展。

還有各種各樣的藻水分離裝置，有些固定在岸上(如分離站)，或在水中移動(dòng)(如收藻船)，但都需要昂貴的硬件投資和較高的運(yùn)行成本，多用于處理較小范圍內(nèi)藍(lán)藻的局部堆積，只能是一種應(yīng)急手段，治標(biāo)不治本。對(duì)數(shù)百甚至數(shù)千平方公里大小的湖泊來(lái)說(shuō)，藍(lán)藻一旦暴發(fā)，很難進(jìn)行應(yīng)急處理，一般就是在水華容易堆積的地方進(jìn)行人工或機(jī)械打撈，但難以對(duì)水華的狀態(tài)產(chǎn)生根本性影響。

在短期內(nèi)無(wú)法對(duì)氮、磷進(jìn)行有效削減而又無(wú)其它有效措施的情況下，對(duì)藍(lán)藻的生態(tài)控制(主要是利用下行效應(yīng)原理)被寄予厚望。1970s，西方學(xué)者提出了通過(guò)控制食浮游生物魚(yú)類(顆粒捕食魚(yú)類particulate-feeding fish)促進(jìn)大型浮游動(dòng)物——枝角類以達(dá)到控制藻類水華的目的，稱之為 “經(jīng)典生物操縱”理論[7]，食浮游生物魚(yú)類的控制可以通過(guò)移去或投放兇猛魚(yú)類的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但面臨的最大問(wèn)題就是枝角類無(wú)法有效控制形成水華的藍(lán)藻(一是其濾食的顆粒大小有限，二是其壽命短、季節(jié)更替太快)，因此，在藍(lán)藻水華的控制上難以派上用場(chǎng)。枝角類等的濾食甚至還會(huì)有利于難以被其攝食的絲狀藍(lán)藻或微囊藻群體的發(fā)展[8-9]，因此可能反而增加生物操縱后有毒水華形成的風(fēng)險(xiǎn)[10]。廣義的生物操縱還包括對(duì)生物群落其它關(guān)鍵組分的調(diào)控。生物操縱的主要目的就是降低藍(lán)藻水華的風(fēng)險(xiǎn)，但幾乎沒(méi)什么研究報(bào)道僅通過(guò)兇猛性魚(yú)類的投放成功降低了藍(lán)藻的案例[10]。

1990s，劉建康院士和謝平研究員提出了利用東亞特有的濾食性魚(yú)類(filter-feeding fish)——鰱、鳙控制藍(lán)藻水華的“非經(jīng)典生物操縱”理論，這是在對(duì)武漢東湖半個(gè)世紀(jì)藍(lán)藻水華消長(zhǎng)過(guò)程及驅(qū)動(dòng)機(jī)制、多年的受控實(shí)驗(yàn)研究、攝食生態(tài)學(xué)等綜合研究的基礎(chǔ)上提出的[11-19]，而且這種濾食性魚(yú)類能抵抗微囊藻毒素，能以有毒藍(lán)藻為食實(shí)現(xiàn)快速生長(zhǎng)[20-21]。當(dāng)然，鰱、鳙的食性有所差別——鰱的鰓耙較密，而鳙的鰓耙較稀，在同樣的條件下，鰱攝食的藻類比鳙多，但鳙攝食的浮游動(dòng)物比鰱多。鰱、鳙是雜食性浮游生物食性魚(yú)類，被認(rèn)為采用機(jī)會(huì)主義的攝食模式，缺乏穩(wěn)定的生態(tài)位。鰱、鳙的食性與其自身的密度也有關(guān)，如果鰱、鳙密度較低，浮游動(dòng)物在其食物中的比重就會(huì)增加，因此會(huì)降低對(duì)藍(lán)藻的控制效果[22]。在東亞之外，鮮有利用濾食性魚(yú)類成功控制藍(lán)藻的案例[10]。其實(shí)全世界范圍內(nèi)能用來(lái)控制藍(lán)藻的濾食性魚(yú)類寥寥無(wú)幾，生活在熱帶的羅非魚(yú)雖然有一定的濾食特性，但它難以度過(guò)溫帶或亞熱帶地區(qū)的冬季。

經(jīng)典與非經(jīng)典生物操縱原理的比較如圖3所示，經(jīng)典生物操縱遏制顆粒捕食性質(zhì)的食浮游生物魚(yú)類，促進(jìn)大型浮游動(dòng)物(攝食范圍一般小于10～20 μm)的繁榮，但只能控制小型藻類而無(wú)法攝食形成群體的藍(lán)藻；非經(jīng)典生物操縱依賴濾食性的食浮游生物魚(yú)類(攝食范圍一般大于10～20 μm)，可有效控制形成群體的藍(lán)藻。兩類浮游生物食性魚(yú)類對(duì)小型浮游動(dòng)物的影響均較弱(綠色箭頭)，但對(duì)大型浮游動(dòng)物的影響均較強(qiáng)。

圖3 生物操縱原理示意圖(紫色實(shí)線箭頭表示經(jīng)典生物操縱路徑，紅色實(shí)線箭頭表示非經(jīng)典生物操縱路徑)Fig.3 A schematic diagram of biomanipulations (The purple solid arrows indicate traditional biomanipulation, and the red solid ones indicate non-traditional biomanipulation)

非經(jīng)典生物操縱理論是基于回顧性研究(圖4，5)以及中宇宙實(shí)驗(yàn)[11-14,18]提出的，尚需通過(guò)全湖實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。首先，中宇宙或圍隔實(shí)驗(yàn)通常缺乏外源負(fù)荷沖擊，但天然湖泊均需接納一定的外源負(fù)荷，特別是城市湖泊在雨季往往需要承受雨污混流的強(qiáng)烈沖擊。其次，天然湖泊的湖盆、風(fēng)場(chǎng)和水動(dòng)力過(guò)程多樣復(fù)雜，既能對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的動(dòng)態(tài)也能對(duì)水華的輸移與堆積產(chǎn)生顯著影響，這些最終可能會(huì)影響對(duì)藍(lán)藻的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)。再次，天然的湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有更為復(fù)雜的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及所支撐的多樣性、穩(wěn)定性、種間互作和多功能性。因此，非經(jīng)典生物操縱理論的有效性需要在有一定規(guī)模的自然水體中進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 濾食性魚(yú)類對(duì)東湖藍(lán)藻水華影響的回顧性分析Fig.4 A retrospective analysis on the effects of filter-feeding fishes on cyanobacterial blooms in Lake Donghu

圖5 浮游動(dòng)物對(duì)東湖藍(lán)藻水華影響的回顧性分析(Ⅰ站為湖灣區(qū)，Ⅱ站為湖心區(qū))Fig.5 A retrospective analysis on the effects of zooplankton on cyanobacterial blooms in Lake Donghu (Station Ⅰ is located in the bay, and Station Ⅱ is located in the center of the lake)

生物操縱的本質(zhì)是對(duì)食物網(wǎng)進(jìn)行調(diào)控。在水生態(tài)系統(tǒng)中，藍(lán)藻等浮游植物是初級(jí)生產(chǎn)者，以藻類為食的浮游動(dòng)物為初級(jí)消費(fèi)者，以浮游動(dòng)物為食的魚(yú)類為次級(jí)消費(fèi)者，以魚(yú)為食的魚(yú)類為頂級(jí)消費(fèi)者……種類繁多的生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者通過(guò)營(yíng)養(yǎng)關(guān)系構(gòu)成食物鏈，不同的食物鏈相互交織成為一個(gè)復(fù)雜的食物網(wǎng)。而藍(lán)藻正是鑲嵌在這種極為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)絡(luò)中，受到一系列生物和非生物因素錯(cuò)綜復(fù)雜的制約，種群調(diào)控機(jī)制極為復(fù)雜。

經(jīng)典生物操縱依賴的對(duì)象為初級(jí)消費(fèi)者——浮游動(dòng)物，而非經(jīng)典生物操縱依賴的對(duì)象是同時(shí)具有初級(jí)消費(fèi)與次級(jí)消費(fèi)特征的魚(yú)類，因?yàn)檫@些魚(yú)類用致密的鰓耙過(guò)濾食物，同時(shí)攝取了大型藻類和浮游動(dòng)物。食物鏈不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)間物種的相生相克是生態(tài)系統(tǒng)保持平衡的重要力量，如可避免低營(yíng)養(yǎng)級(jí)物種失去天敵制約后泛濫成災(zāi)，而生物操縱正是要利用這種制約關(guān)系。當(dāng)然，通過(guò)食物網(wǎng)的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)藻水華的生態(tài)控制絕非易事，涉及復(fù)雜的種間互作，亦是世界性難題，通常需要對(duì)這種調(diào)控過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，特別是對(duì)水華早期發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，這也是對(duì)生物操縱關(guān)鍵參數(shù)及時(shí)優(yōu)化調(diào)整的關(guān)鍵之一。

3 2021年?yáng)|湖藍(lán)藻水華及響應(yīng)

武漢東湖是一個(gè)較大的城中湖，水域面積約32 km2，湖水來(lái)自流域降雨，最終匯入長(zhǎng)江。東湖曾經(jīng)是一個(gè)整體，隨后逐漸被道路分隔成9個(gè)子湖，但后來(lái)這些子湖又通過(guò)橋涵建立起了聯(lián)系。東湖最大的子湖——郭鄭湖面積約為12.8 km2，雖然處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，但已經(jīng)有三十余年未發(fā)生藍(lán)藻水華。坐落于東湖之濱的東湖賓館，毛澤東主席生前下榻了44次；2018年，國(guó)家主席習(xí)近平在東湖賓館同印度總理莫迪舉行非正式會(huì)晤，并在東湖邊一同散步。維持東湖水色秀麗的重要性不言而喻。

然而，2021年，郭鄭湖(以下簡(jiǎn)稱東湖)在時(shí)隔30多年后突然暴發(fā)了嚴(yán)重的藍(lán)藻水華：6月底開(kāi)始在局部湖灣/湖岸出現(xiàn)，7月快速擴(kuò)散，8-9月全面暴發(fā)，嚴(yán)重時(shí)幾乎覆蓋了整個(gè)湖面，最大水華面積一度接近87%(圖6)。以生物量來(lái)看，微囊藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，雖然也有一些絲狀藍(lán)藻(圖7)。東湖藍(lán)藻水華的暴發(fā)突如其來(lái)，2020年還毫無(wú)蹤影，2021年一出現(xiàn)就以排山倒海之勢(shì)覆蓋了全湖，且持續(xù)了數(shù)月之久。這也從另一個(gè)側(cè)面說(shuō)明，目前東湖暴發(fā)全湖性藍(lán)藻水華的物質(zhì)基礎(chǔ)依然存在。2021年?yáng)|湖藍(lán)藻水華暴發(fā)后，相關(guān)部門(mén)采取了各種應(yīng)急措施(抽藻、無(wú)人機(jī)/人工噴灑殺藻劑)，最后隨著氣溫的降低，大面積藍(lán)藻才自然消退(圖8，附圖Ⅰ～Ⅱ)。

圖6 通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍估算的東湖藍(lán)藻水華面積(由王藍(lán)天等提供)Fig.6 Estimation of coverage area of cyanobacterial blooms in Lake Donghu using UAV aerial photography (Provided by Mr. Lantian Wang et al)

圖7 東湖藍(lán)藻水華的優(yōu)勢(shì)種——微囊藻和長(zhǎng)孢藻(2021年8月6日)Fig.7 Dominant species of cyanobacteria, Microcystis and Dolichospermum, in Lake Donghu (Aug. 6, 2021)

圖8 晚秋依然殘留的東湖藍(lán)藻水華(2021年11月24日)Fig.8 Cyanobacterial blooms of Lake Donghu in late autumn (Nov. 24, 2021)

中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，尤其是對(duì)東湖進(jìn)行了半個(gè)多世紀(jì)生態(tài)監(jiān)測(cè)的東湖生態(tài)站，目睹了2021年?yáng)|湖藍(lán)藻暴發(fā)的全過(guò)程。在相關(guān)管理部門(mén)的支持下，積極行動(dòng)，組建了以東湖生態(tài)站為主的藻華防控研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)2021年?yáng)|湖藍(lán)藻暴發(fā)成因進(jìn)行了解析。通過(guò)對(duì)東湖半個(gè)世紀(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(水體富營(yíng)養(yǎng)化情況、浮游動(dòng)植物的群落結(jié)構(gòu)和生物量、漁產(chǎn)量等)進(jìn)行系統(tǒng)的梳理與分析，初步判斷東湖的氮、磷水平依然適合藍(lán)藻的發(fā)生，多種因素導(dǎo)致的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)失衡可能是2021年藍(lán)藻突然暴發(fā)的主要誘因，同時(shí)，其他因素，如雨季雨污混流污水的過(guò)量排放可能導(dǎo)致的外源負(fù)荷增大、水文狀態(tài)的變化可能促進(jìn)了夏季內(nèi)源氮磷負(fù)荷的釋放、子湖之間生源要素或藍(lán)藻的擴(kuò)散等其它多因素的疊加，亦可能促進(jìn)了中心湖區(qū)藍(lán)藻的繁衍。

基于上述分析判斷，2022年水華防控工作的重點(diǎn)應(yīng)是如何使生態(tài)系統(tǒng)重回平衡狀態(tài)，為此，我們多次到東湖漁場(chǎng)開(kāi)展調(diào)研，與相關(guān)人員進(jìn)行了深入交流，了解了近年漁業(yè)管理及范圍變化方面的情況，包括魚(yú)類投放量、品種、規(guī)格、投放地點(diǎn)、捕撈時(shí)間與產(chǎn)量等信息。進(jìn)一步對(duì)東湖幾十年的漁業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)性分析，并在2021年底至2022年初對(duì)東湖魚(yú)群進(jìn)行多次評(píng)估、探測(cè)，重點(diǎn)對(duì)東湖近10年生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)的變化進(jìn)行科學(xué)分析。最后，結(jié)合東湖目前的主要水質(zhì)狀況，基于非經(jīng)典生物操縱理論，制定了2022年?yáng)|湖藍(lán)藻的定量化生態(tài)調(diào)控方案，并在相關(guān)方面的共同配合下，于年初實(shí)施并完成了以控制藍(lán)藻為目的的魚(yú)類生物群落的配置。

4 2022年?yáng)|湖藍(lán)藻水華防控

2022年確實(shí)是極不平凡的一年。首先是武漢遭遇了自1961年有完整氣象觀測(cè)記錄以來(lái)最炎熱的夏天。6月正是藍(lán)藻水華啟動(dòng)的月份，卻經(jīng)歷了60年來(lái)最熱的6月，比常年偏高1.8℃。根據(jù)東湖生態(tài)站的氣象數(shù)據(jù)，6月18日-6月30日期間，東湖湖面平均氣溫為2022年(30.04℃)> 2021年(27.83℃)> 2020年(25.57℃)。7-8月武漢更是持續(xù)極端高溫天氣。眾所周知，高溫有利于藍(lán)藻的增殖。

第2個(gè)挑戰(zhàn)是磷水平高居不下。底泥中囤積了大量的磷，而極端高溫干旱起到了助推的作用——高溫促進(jìn)磷釋放，干旱引起湖泊水位下降，從而使環(huán)境容量降低、再懸浮增加。根據(jù)東湖生態(tài)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，8月中旬，東湖湖心的總磷濃度高達(dá)0.195 mg/L，離劣Ⅴ類僅一步之遙，相較而言，總氮水平略低，濃度為0.853 mg/L，為III類水。因此，東湖依然具備藍(lán)藻水華大規(guī)模暴發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

第3個(gè)挑戰(zhàn)是魚(yú)類種群調(diào)控出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。2022年初東湖魚(yú)類出現(xiàn)不明死亡，1-3月打撈的死魚(yú)超過(guò)125 t。由于在調(diào)控方案中預(yù)先為一些關(guān)鍵參數(shù)留足了冗余，確保了生態(tài)系統(tǒng)即使遭遇強(qiáng)烈的外力沖擊也不至于落入藍(lán)藻水華易發(fā)區(qū)間。

另一方面，也考慮到了方案可能的不確定性，因藍(lán)藻水華的發(fā)生涉及諸多因素，如多樣性與穩(wěn)定性的聯(lián)動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)級(jí)內(nèi)/間復(fù)雜的互作關(guān)系，還可能會(huì)疊加氣候變暖和外源污染負(fù)荷變動(dòng)的聯(lián)合效應(yīng)等。因此，方案中也包含了實(shí)施過(guò)程可能的適應(yīng)性調(diào)整，這需要依賴對(duì)生物調(diào)控全過(guò)程的高頻監(jiān)測(cè)以及精準(zhǔn)的早期預(yù)警。

為了做好水華的早期預(yù)警，東湖生態(tài)站投入了大量的人力物力，在藍(lán)藻易發(fā)的高溫季節(jié)(經(jīng)常是40℃或以上的高溫)開(kāi)展了高頻次的人工監(jiān)測(cè)，即每周2次對(duì)東湖生態(tài)站附近水域、西部湖灣區(qū)(I站)和湖心區(qū)(II站)進(jìn)行藻類群落結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)每月3次對(duì)所有子湖的水質(zhì)和水生態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)；結(jié)合東湖生態(tài)站的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)藍(lán)藻水華的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析與連續(xù)性的精準(zhǔn)短期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

東湖生態(tài)站積累的半個(gè)多世紀(jì)的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(魚(yú)類、藻類、浮游動(dòng)物、氮磷等)為2022年?yáng)|湖藍(lán)藻水華的早期預(yù)警提供了很大幫助，這與中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)堅(jiān)持以長(zhǎng)期定位觀測(cè)、研究和示范作為野外科學(xué)觀測(cè)研究臺(tái)站(簡(jiǎn)稱野外臺(tái)站)核心任務(wù)的高瞻遠(yuǎn)矚的建設(shè)方針和長(zhǎng)期穩(wěn)定支持密不可分。事實(shí)證明，我們?cè)?-9月期間多次為相關(guān)管理部門(mén)(東湖管理委員會(huì)、武漢市水務(wù)局、湖北省生態(tài)環(huán)境廳等)提供的東湖處于藍(lán)藻水華較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間的早期預(yù)警信息均是準(zhǔn)確的。

一般來(lái)說(shuō)，藍(lán)藻水華一旦大規(guī)模暴發(fā)就容易成為常態(tài)，在這樣的淡水湖泊，每到夏季，藍(lán)藻水華的到來(lái)似乎已是確定性事件，只是時(shí)間早晚或嚴(yán)重程度的問(wèn)題。尤其因?yàn)?021年?yáng)|湖的藍(lán)藻水華較為嚴(yán)重，覆蓋面大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可能留下了巨量的種源，也都讓人不免為翌年藻華的再次發(fā)生而擔(dān)憂。但2022年，借助于非經(jīng)典生物操縱理論的指導(dǎo)與堅(jiān)定實(shí)施，經(jīng)過(guò)近一年各方協(xié)同努力，藍(lán)藻水華在東湖主湖區(qū)——郭鄭湖得到了成功遏制(圖9)。

圖9 東湖藍(lán)藻水華發(fā)生情況對(duì)比(左：2021年，右：2022年)Fig.9 A comparison of cyanobacterial blooms in Lake Donghu (left is 2021 and right is 2022)

需要說(shuō)明的是，在5-6月，有一些絲狀藍(lán)藻在微風(fēng)的氣象條件下在下風(fēng)口的岸邊或湖中障礙物(如圍隔)的下風(fēng)死角處偶爾出現(xiàn)小范圍(一般死角處<數(shù)平方米或岸邊狹長(zhǎng)條)的聚集而形成極其輕微的水華現(xiàn)象，通常出現(xiàn)在清晨，白天稍大一點(diǎn)的風(fēng)一吹就消散了。在經(jīng)歷了一個(gè)多月的持續(xù)高溫天氣之后，8月16日清晨，在極微風(fēng)的氣象條件下，郭鄭湖(海洋世界簾口、聽(tīng)濤瀕湖畫(huà)廊、行吟閣附近湖面)岸邊或圍隔阻擋處，出現(xiàn)少量藍(lán)藻漂浮。一年中的幾次偶發(fā)現(xiàn)象，其發(fā)生范圍很小，時(shí)間短暫，基本可以忽略不計(jì)。

5 小結(jié)與展望

2022年在武漢東湖實(shí)施的以控制藍(lán)藻為目的的非經(jīng)典生物操縱成效顯著。生態(tài)調(diào)控方案確定并在冬季實(shí)施后，就未再進(jìn)行大的調(diào)整，對(duì)藍(lán)藻水華的控制效果非常明顯——東湖主湖區(qū)郭鄭湖的最大水華面積從2021年的接近87%驟降到了2022年遠(yuǎn)低于萬(wàn)分之一。通過(guò)對(duì)以歐美學(xué)者提出的經(jīng)典生物操縱為基礎(chǔ)的藍(lán)藻生物控制實(shí)踐進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論從規(guī)模還是從效果來(lái)看，從未有過(guò)如此成功的案例。東湖生態(tài)站的研究人員在過(guò)去30多年持之以恒地對(duì)東湖生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究，在藍(lán)藻的生態(tài)控制研究領(lǐng)域，不畏國(guó)際權(quán)威，另辟蹊徑，在危難之際，勇于擔(dān)當(dāng)，把論文寫(xiě)在了祖國(guó)的大地上。這一成功實(shí)踐不僅使非經(jīng)典生物操縱在全湖實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，而且表明，非經(jīng)典生物操縱理論指導(dǎo)下的生態(tài)調(diào)控是一項(xiàng)環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的生態(tài)技術(shù)，能有效地用于富營(yíng)養(yǎng)-中富營(yíng)養(yǎng)湖庫(kù)中藍(lán)藻水華的生態(tài)防控，將會(huì)得到更加廣泛的推廣與應(yīng)用。

生態(tài)系統(tǒng)在一定的區(qū)間內(nèi)可以在某種平衡狀態(tài)(穩(wěn)態(tài))內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)，但超過(guò)一定閾值將導(dǎo)致飛躍或崩潰(常常指稱災(zāi)變)。非經(jīng)典生物操縱理論本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種通過(guò)下行效應(yīng)(即利用藍(lán)藻的天敵)讓富營(yíng)養(yǎng)湖泊從水華穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到非水華穩(wěn)態(tài)的調(diào)控理論，是在對(duì)長(zhǎng)期生態(tài)學(xué)過(guò)程的回溯性分析、受控原位實(shí)驗(yàn)以及全湖生態(tài)調(diào)控實(shí)踐的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，其技術(shù)方案的確定依賴于對(duì)營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)及藻類的響應(yīng)分異與群落演替等的綜合分析。東湖目前的氮、磷濃度依然處于富營(yíng)養(yǎng)水平，特別是磷污染嚴(yán)重。由于水體初級(jí)生產(chǎn)力受到營(yíng)養(yǎng)鹽的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)，如果東湖失去足夠的下行控制力，很容易再次暴發(fā)大規(guī)模甚至全湖性的藍(lán)藻水華，因此需繼續(xù)進(jìn)行以藍(lán)藻控制為目標(biāo)的食物網(wǎng)調(diào)控(非經(jīng)典生物操縱)，通過(guò)遏制水華藍(lán)藻的優(yōu)勢(shì)度來(lái)提升藻類群落的多樣性與穩(wěn)定性，維持生態(tài)系統(tǒng)的多功能性。

在武漢東湖，通過(guò)非經(jīng)典生物操縱成功實(shí)現(xiàn)了從藍(lán)藻(濁水)穩(wěn)態(tài)到非藍(lán)藻穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換。但是，如何在大中型淺水湖泊中從通過(guò)下行效應(yīng)維持的非水華穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到沉水植物清水穩(wěn)態(tài)是未來(lái)需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題(圖10)，也是系統(tǒng)治理的重要目標(biāo)之一，為此，未來(lái)還需要在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能深入研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解決好非經(jīng)典生物操縱與氮磷沖擊負(fù)荷、生態(tài)水文過(guò)程和水生維管束植物生長(zhǎng)等的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，以及在此基礎(chǔ)上如何駕馭好清水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)力、閾值和反饋等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

圖10 從濁水穩(wěn)態(tài)經(jīng)非水華穩(wěn)態(tài)向清水穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)化Fig.10 Regime shift from a turbid/bloom state, through a non-bloom intermediate state, to a clear water state

最后需要指出的是，雖然清水穩(wěn)態(tài)是大中型湖泊治理的終極目標(biāo)，但它也不是一勞永逸的(因?yàn)樽匀唤缰袥](méi)有哪一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)可以在一種穩(wěn)態(tài)永恒地進(jìn)行自我調(diào)節(jié)或自我維持)，其構(gòu)建、恢復(fù)或維持都是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，仍需要解決與之相關(guān)的理論、技術(shù)、成本與管理等一系列問(wèn)題。

6 附錄

附圖Ⅰ、Ⅱ見(jiàn)電子版(DOI: 10.18307/2023.0199)。