淺水湖泊湖沼學與太湖富營養(yǎng)化控制研究

秦伯強

(中國科學院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)

應《湖泊科學》編輯部之約，我于2009年撰寫了綜述性文章《太湖生態(tài)與環(huán)境若干問題的研究進展及其展望》[1]，發(fā)表在《湖泊科學》第21卷第4期. 至今已經(jīng)過去10個年頭了，這也是太湖富營養(yǎng)化治理不尋常的10年. 2007年無錫暴發(fā)飲用水危機事件之后[2]，從流域到湖泊啟動了大規(guī)模的治理行動. 基于在太湖梅梁灣飲用水水源地開展的系列生態(tài)恢復試驗[3-4]，我們發(fā)現(xiàn)湖泊生態(tài)修復(特別是沉水植物恢復)必須以降低藻類生物量、減少懸浮物和提高水體透明度等生境條件的改善為前提[5-6]，進而提出了太湖水環(huán)境治理“控源截污、環(huán)境改善、生態(tài)修復”的戰(zhàn)略路線[5-7]，扭轉(zhuǎn)了當時較為盛行的以湖體生態(tài)恢復為核心的富營養(yǎng)化治理策略[3]，形成了控源截污是湖泊治理初期必經(jīng)之路的共識. 因此，2007年以來太湖富營養(yǎng)化治理加強了控源截污工作，包括大規(guī)模新建城鎮(zhèn)污水處理廠，大量鋪設城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)、關閉高污低效企業(yè)、治理大中型規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場、拆除太湖所有的圍網(wǎng)養(yǎng)殖、從長江引水改善水流條件[8]，以及實施底泥清淤和藍藻打撈等內(nèi)源控制工程，累計投資逾千億元. 如果沒有上述大規(guī)模、高強度的投入與治理，在近10年太湖地區(qū)國民生產(chǎn)總值增加近2倍、用水量增加50%～80%的情況下，無法想象如今太湖的水環(huán)境狀況，富營養(yǎng)化與藍藻水華災害將如何泛濫.

中國科學院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(下文簡稱“太湖站”)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2007-2013年期間，全湖的總氮、總磷濃度均趨于下降[9-10]，富營養(yǎng)化與藍藻水華的發(fā)展勢頭得到了初步遏制. 但是，2014年以后，特別是2016年以來，太湖總磷濃度開始波動反彈，藍藻水華呈現(xiàn)擴大趨勢[11]. 富營養(yǎng)化波動發(fā)展與高強度治理逆勢互動的態(tài)勢彰顯了太湖生態(tài)環(huán)境治理的復雜性與艱巨性，也成為國際湖沼學研究的熱點與難題. 本文嘗試在分析和反思近年太湖治理經(jīng)驗的基礎上，分析淺水湖泊富營養(yǎng)化久治難愈的關鍵因素，闡明大型淺水湖泊湖沼學基礎理論的研究進展，厘清存在的問題與不足，梳理我國淺水湖泊湖沼學的發(fā)展方向，并提出以太湖為代表的大型富營養(yǎng)化淺水湖泊綜合治理的未來之路.

1 藍藻水華成因機制與太湖10年治理實踐反思

1.1 流域外源營養(yǎng)鹽負荷居高不下

太湖流域自2007年以來經(jīng)過了10余年高強度治理，特別是大規(guī)?？卦唇匚鄞胧嵤┖?，進入太湖的外源營養(yǎng)鹽負荷理應減少. 然而，水利部太湖流域管理局的數(shù)據(jù)表明，2008-2018年多年平均太湖外源輸入的總氮約為4萬～5萬t，總磷約為2000 t，與2007年水危機發(fā)生前相比并沒有明顯減少. 是什么原因?qū)е绿庠次廴矩摵删痈卟幌拢?/p>

其一，流域整體用水量增加造成營養(yǎng)鹽入湖量增加. 根據(jù)水利部門的監(jiān)測[12]，2007年前后每年進入太湖的水量約為70億m3，太湖換水周期大約為260天，現(xiàn)在的年來水量約為100億～150億m3，平均增量超過60%，換水周期則縮短至不足150天. 這個增量中的很大一部分并非天然降雨，而是通過長江引水進入城鎮(zhèn)給排水循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)城鎮(zhèn)使用后再通過污水處理廠排放進入河流及湖泊. 因此，盡管排放的廢水中污染物濃度有所下降，但流域內(nèi)總水量增加、水循環(huán)加快的效應卻使總污染負荷下降有限. 而且，由于我國一級A排放標準的總氮濃度為10～15 mg/L，總磷濃度為0.3～0.5 mg/L，排放出來的水中氮、磷濃度仍然遠高于太湖水體的氮、磷濃度.

其二，太湖流域分散而復雜的面源污染，包括農(nóng)村居民生活污水、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水、養(yǎng)殖廢水等，仍未能得到有效的收集和處理. 對于這些數(shù)量分散、濃度較低的污染源，因收集和集中處理成本較大，國內(nèi)外通用的辦法是用濕地或者水塘等進行攔截和滯留. 按照濕地滯納磷能力為1 g/(m2·a)[13]進行計算，假設一半左右的磷是來自面源污染，太湖流域大約需要1000 km2的濕地或者水塘. 目前僅僅恢復了環(huán)湖濕地約100 km2，顯然遠遠不能滿足需求. 正是面源污染治理的滯后，使得太湖流域一旦遇到降水豐沛的年份，入湖負荷即會顯著增加. 如2016年太湖流域水量偏豐，入湖水量超過150億m3，總氮外源負荷輸入量達到了5.35萬t，總磷達到了2500 t(來自水利部太湖流域管理局的數(shù)據(jù))，較多年平均值分別高20%和25%. 而迄今為止，受太湖流域高速城市化和經(jīng)濟社會結(jié)構調(diào)整等影響，這類面源污染的來源、負荷和貢獻都不甚清楚，這對于后面的控源截污、精準施策無疑是一個極大的挑戰(zhàn).

1.2 淺水湖泊內(nèi)源營養(yǎng)鹽負荷的影響日趨顯著

湖泊內(nèi)源污染根本上都是外源輸入帶來的. 外源營養(yǎng)鹽入湖后很大比例沉淀、蓄積到底泥中，轉(zhuǎn)化成巨大的內(nèi)源潛力. 太湖是一個大型淺水湖泊，其內(nèi)源污染機制、釋放條件、貢獻大小等與傳統(tǒng)湖沼學中的深水湖泊有很大不同(圖1). 早期研究發(fā)現(xiàn)風浪可以導致沉積物大規(guī)模懸浮并釋放大量營養(yǎng)鹽，其“動態(tài)釋放”的強度遠高于“靜態(tài)釋放”[14-15]. 利用泥水柱狀樣在沒有擾動的條件下測定的磷年釋放量為899 t，氮為10000 t[16]；DGT原位監(jiān)測技術測定的太湖底泥年釋放磷約為700 t[17]. 基于這些觀測結(jié)果，可以確定太湖底泥在靜態(tài)條件下，釋放的磷每年約為700～900 t，接近外源輸入的三分之一. 不過，這些方法都沒有考慮底泥再懸浮帶來的大通量動態(tài)釋放[18]. 而且，風浪導致的底泥懸浮與營養(yǎng)鹽釋放以顆粒態(tài)為主，許多難以被藻類吸收利用；這些顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽在風浪過后又沉淀至湖底，因而其生態(tài)系統(tǒng)貢獻一直不清楚，重要性在過往也常常被忽略. 近年的藍藻生長泥柱模擬實驗及全湖調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上層3 cm沉積物中生物可利用磷的總賦存量高達5000 t以上[19]. 野外1周年的原位底泥再懸浮觀測表明，沒有水生植物覆蓋的區(qū)域，再懸浮可以導致水體總氮濃度增加0.34 mg/L，總磷濃度增加約0.05 mg/L[20]. 野外臺風過程的觀測證實，風浪導致的沉積物大量懸浮和營養(yǎng)鹽釋放，有效促進了藻類生長并導致藍藻水華暴發(fā)[21-22]. 顯然，動力擾動導致的內(nèi)源釋放遠比我們想象的貢獻大. 而頻繁暴發(fā)的藍藻水華還會通過提高水柱中pH值和活性有機物豐度、加強水-土界面的還原環(huán)境、促進沉水植物消退等途徑加劇內(nèi)源污染. 因此，淺水湖泊底泥內(nèi)源釋放的影響和重要性會隨著富營養(yǎng)化與藍藻水華的加重逐漸凸顯. 這在第2節(jié)還將專門予以論述.

圖1 淺水湖泊與深水湖泊不同的營養(yǎng)鹽循環(huán)模式(位于溫帶或寒溫帶地區(qū)的深水湖泊夏季存在溫躍層，上部混合層(epilimnion)與下部滯水層(hypolimnion)很難發(fā)生交換，許多顆粒態(tài)的有機物及營養(yǎng)鹽通過沉淀到達湖底之后，很難再回到上層水體；而淺水湖泊中，由于水深較小，風浪湍流混合可以直接到達湖底，水柱中的理化性質(zhì)上下均勻一致，沉積至湖底的有機物和營養(yǎng)鹽在風浪擾動情況下，通過再懸浮進入上覆水中，形成跨水-土界面的營養(yǎng)鹽循環(huán))Fig.1 Different nutrient cycle patterns in shallow and deep lakes

1.3 氣象水文條件變化對藍藻水華的促進作用明顯加強

1.3.1 氣候變化疊加富營養(yǎng)化對藍藻水華的“雙驅(qū)動”機制 全球變暖已經(jīng)是不爭的事實[23]. 平均溫度上升、風速下降、暴雨強度增加等氣候變化對太湖富營養(yǎng)化與藍藻水華的影響越來越突出[24]. 溫度上升會顯著加強藍藻的優(yōu)勢地位、加重藍藻水華[25-27]，氣候變化的影響還存在短期“記憶效應”，即冬季的氣候狀況會顯著影響來年春季的浮游植物生物量及群落組成[28]，因而氣候變暖在富營養(yǎng)化湖泊中的影響大于貧營養(yǎng)湖泊，特別是對冬、春季生物活性極低甚至休眠的藍藻而言[29]. 長期監(jiān)測結(jié)果顯示，長波散射輻射的顯著增加導致中國東部地區(qū)過去50年氣溫明顯上升，并且在藍藻開始生長形成優(yōu)勢的春季上升最顯著[30-31]. 太湖地區(qū)冬季溫度接近藻類細胞分裂增殖的下限(5～6℃)[32]，近年不斷走高的冬、春季溫度耦合高營養(yǎng)鹽濃度，導致藍藻水華發(fā)生的物候提前、頻率增加和面積擴大[33-35]. 據(jù)此，我們提出了氣候變暖與營養(yǎng)鹽富集對藍藻水華的“雙驅(qū)動”機制. 2007年無錫水危機事件發(fā)生在5月，與2006-2007年冬、春季節(jié)溫度偏高誘發(fā)藍藻水華暴發(fā)加重進而污染取水口關系密切[36]. 同樣，2016-2017年和2019-2020年發(fā)生較早、強度極高的藍藻水華也是冬、春季溫度異常增高所致. 2016-2017年的暖冬不僅使2016年12月底出現(xiàn)了面積超過700 km2的藍藻水華，2017年5月更出現(xiàn)了太湖自有遙感監(jiān)測以來最大面積的藍藻水華，且影響一直延伸到2017年的秋季. 2019年測得的太湖水溫日均值(19.6℃)是2005-2019年15年來的第2高值，僅略低于2007年(20.2℃). 另外，近年來的持續(xù)增溫強化了湖泊熱力和溶解氧分層[30]，有利于水柱的穩(wěn)定性結(jié)構和加強底部的厭氧環(huán)境，有利于喜歡穩(wěn)定環(huán)境的藍藻生長與水華暴發(fā)，同時加劇了氮、磷的內(nèi)源釋放，加大了內(nèi)源污染和藍藻水華控制的難度.

伴隨著全球變暖，太湖流域的風速也在下降. 氣象觀測資料顯示：太湖地區(qū)近年來全年風速呈現(xiàn)下降趨勢，主要表現(xiàn)為中高風速(>3 m/s)出現(xiàn)頻次顯著下降，每月日平均風速<3 m/s的最大持續(xù)天數(shù)顯著增加[37]. 由于太湖污染嚴重的北部湖區(qū)底泥受風浪擾動的臨界風速約為3～4 m/s，因此太湖地區(qū)中高風速的下降將有利于增加太湖水柱的穩(wěn)定性[37]；同時，風速下降使得風浪對湖底的侵蝕減弱，低風速持續(xù)時間延長會強化湖底間歇性缺氧和厭氧[38]，更有利于底泥營養(yǎng)鹽釋放，加重水體富營養(yǎng)化.

暴雨對陸地的沖刷會帶來大量的懸浮物并隨著地表徑流流入湖水中，造成大面積水體渾濁. 相較于正常降雨，暴雨徑流更大的沖刷強度可能會使得蓄積在地表的營養(yǎng)鹽更多地隨徑流進入湖泊，甚至在一些貧營養(yǎng)水體也會誘發(fā)短時間的藻類水華. 太湖的觀測表明，極端暴雨將大大增加水體顆粒物濃度，影響范圍可達上百平方千米，影響時間超過一周[39]. 近5年來環(huán)境一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，強降水事件導致千島湖懸浮物濃度上升了2倍之多，而由此引發(fā)的高渾濁區(qū)面積為41.3～148.1 km2，均值為76.5 km2[40]. 長江中下游地區(qū)受季風氣候影響表現(xiàn)為典型的雨熱同季，而夏季藍藻生長和水華暴發(fā)會消耗大量營養(yǎng)鹽，使得暴雨徑流帶來的營養(yǎng)鹽對藍藻水華暴發(fā)強度的影響越來越重要[41]. 隨著全球氣候變化，未來極端暴雨事件頻次和強度呈增加的趨勢，給面源污染和藍藻水華控制都將帶來更大的挑戰(zhàn)[42].

1.3.2 大型淺水湖泊藍藻水華暴發(fā)的物理機制 太湖藍藻水華的時空動態(tài)變化較大，在進行湖面觀測時會感覺到藍藻水華有些“來無影、去無蹤”. 傳統(tǒng)監(jiān)測和研究方法很難捕捉其發(fā)生發(fā)展的全過程，影響了太湖藍藻水華暴發(fā)機制的研究. 最近的研究發(fā)現(xiàn)，水動力條件對太湖藍藻水華“暴發(fā)”(水面聚集)的影響是決定性的，其物理機制主要體現(xiàn)在兩方面：一是垂直方向的上浮作用，二是水平方向的輸移和聚集[43-44].

野外肉眼可見的藍藻水華主要以大群體藻類細胞團形態(tài)出現(xiàn)[45]，其細胞群體越大，獲得的浮力就越大，更容易在風浪消失后快速上浮[43]. 長期觀測與實驗研究發(fā)現(xiàn)，藍藻水華暴發(fā)的早期階段主要受溫度、光照和營養(yǎng)鹽的影響，細胞不斷分裂增殖使生物量逐步累積，同時受環(huán)境中某些因子的脅迫而產(chǎn)生胞外多糖(extracellular polysaccharide，EPS)[46]，具有黏性的胞外多糖會把細胞分裂增殖時產(chǎn)生的藍藻細胞黏合成小細胞團[47]；當水柱中藻類細胞團聚集到一定的程度，在湍流混合等作用下通過碰撞、黏合形成更多更大的細胞團以獲得更大的浮力[43]，上浮速度更快，在動力擾動作用趨弱時快速上浮形成表面可見水華——即水華“暴發(fā)”. 這一過程中，不僅藍藻細胞群體快速上浮受制于水動力條件的強弱變化，其漂浮到水面后的細胞聚集程度、擴散范圍、空間分布、遷移走向以及最后的堆積均受制于水動力決定的水流輻合輻散狀態(tài)[43-44,48]. 在大型富營養(yǎng)化淺水湖泊中，風場作用下的風生流與散度場空間分布不均勻是導致藍藻水華空間異質(zhì)性較大的主要因素. 正是太湖多變的風場，使得輻合區(qū)和輻散區(qū)的時空分布不斷變化，造成太湖藍藻水華在短時間尺度內(nèi)的高度時空分異.

通過野外多點布設湖流和波浪監(jiān)測設備，開展同步原位高頻觀測結(jié)合頻譜分析等，揭示了太湖風生流復雜多變的機制[49]. 雖然太湖的平均湖流不大(平均約為10 cm/s)，但流場受到多種風場及外力作用的影響，包括地球自轉(zhuǎn)力(科氏力)、湖陸溫差導致的湖陸風、季節(jié)性的夏季風與冬季風以及風涌水引起的震蕩內(nèi)波和湖底的摩擦阻力等. 在小風速條件下，這些強度相近的驅(qū)動力作用于湖體，導致湖流雜亂多變；當風速較大(如臺風過境)時，風的驅(qū)動力占主導，整個水柱受風的拖曳作用向下風口輸移而呈現(xiàn)一致的變化. 而夏季盛行的東南風，使得表層流場呈現(xiàn)東南至西北的流場特征，導致藍藻水華易于在太湖西北部堆積[49]. 湖流對營養(yǎng)鹽的水平輸送主要影響氮，對磷的影響較小. 從太湖表層沉積物中氮、磷含量沿著河口到湖心的變化梯度可以發(fā)現(xiàn)，外源輸入磷的輸送距離距河口僅數(shù)千米，對氮的輸送距離可以達到數(shù)十千米，甚至到湖心地區(qū)[48,50]. 同時，垂直方向上的動力輸送主要來自波浪作用而非湖流影響. 波浪引起的剪切力貢獻了70%的沉積物再懸浮，當風速大于6.5 m/s時，沉積物將發(fā)生大規(guī)模懸浮[15,51]. 當波長水深比>3時，沉積物發(fā)生快速侵蝕和底泥大規(guī)模懸浮，濁度升高[38]，誘發(fā)內(nèi)源污染的脈沖式釋放，促進藻類生長和藍藻水華暴發(fā).

2 大型淺水湖泊富營養(yǎng)化的生態(tài)效應與反饋作用

大型淺水湖泊富營養(yǎng)化的長期持續(xù)會帶來湖泊環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的一系列變化，包括藍藻水華(或者其他藻類水華)頻繁暴發(fā)[52-53]、透明度下降[54]、水柱中活性有機物豐度增加[55]、湖泊厭氧的范圍和頻率增加[56]、沉水植物消退[57]以及生物多樣性下降[58]等.

2.1 富營養(yǎng)化水體的高效營養(yǎng)鹽循環(huán)效應

湖泊生態(tài)系統(tǒng)響應與富營養(yǎng)化的直接表征之一就是藍藻水華的暴發(fā). 前文已經(jīng)說明，太湖藍藻面積及葉綠素a濃度在最近均呈現(xiàn)增加的態(tài)勢，而且水華的反彈幅度超過了營養(yǎng)鹽，如2017年總磷濃度較多年平均值只增加了31%，而葉綠素a濃度卻增加了79%，這中間顯然有其他機制放大了藍藻水華強度. 富營養(yǎng)水體藍藻水華頻繁暴發(fā)導致的營養(yǎng)鹽高效循環(huán)反饋機制是十分關鍵的.

前文1.2節(jié)談及淺水湖泊內(nèi)源污染時已經(jīng)強調(diào)了藍藻水華頻繁暴發(fā)會使水柱中有機物豐度持續(xù)偏高[55, 59]，造成水體中異養(yǎng)細菌數(shù)量增加1～2個數(shù)量級、活性增強3～8倍[60], 而微生物的降解礦化會促進死亡藻體及其伴生的其他活性有機物迅速降解，成為水體中營養(yǎng)鹽礦化再生“熱點”[55,59,61-62]. “熱點”效應使營養(yǎng)鹽從有機態(tài)向無機態(tài)轉(zhuǎn)化的周期由1～2周縮減至4～10 h(水溫25℃條件下)[60]，快速高效地補充和供給水體中藍藻水華生長. 同時，微生物參與藻類顆粒物的降解與礦化，又使得水-沉積物體系里的溶解氧濃度迅速下降[56]，加重水底厭氧情況[37]，誘發(fā)底泥中原先處于固化或鈍化狀態(tài)的磷活化釋放進入上覆水，促進藻類生長和藍藻水華暴發(fā)，形成厭氧驅(qū)動的營養(yǎng)鹽循環(huán)[63].

藍藻水華暴發(fā)還會導致水體理化特性的改變. 太湖站最新觀測數(shù)據(jù)顯示，太湖梅梁灣pH值有逐漸升高的趨勢，原因在于藍藻水華的頻繁暴發(fā)及其范圍的擴大，使得水柱中光合作用增強、pH值升高(圖2)，導致底泥中蓄積的磷活化析出，并隨底泥的頻繁再懸浮而大量釋放進入上覆水體. 而淺水湖泊水深較淺的特點容易使水柱中的pH值變化影響到湖底，加重底泥內(nèi)源污染問題. 由此，形成了富營養(yǎng)化水體“藻類水華暴發(fā)-活性有機物增加-溶解氧濃度降低-厭氧環(huán)境下營養(yǎng)鹽釋放-藻類水華再次暴發(fā)”的惡性循環(huán)[64]，以及“藻類水華暴發(fā)-pH值升高-無機磷活化釋放-藻類水華加重”的循環(huán)模式. 兩種模式都會加劇沉積物中磷的釋放，強化淺水湖泊內(nèi)源污染的貢獻，形成營養(yǎng)鹽的高效循環(huán)反饋機制.

圖2 太湖梅梁灣逐月監(jiān)測的水體pH值與葉綠素a濃度的關系Fig.2 Relationships between monthly pH and chlorophyll-a concentration in water of Meiliang Bay in Lake Taihu

2.2 淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構與功能對藍藻水華的響應與反饋

研究發(fā)現(xiàn)，隨著藍藻水華的持續(xù)發(fā)生與發(fā)展，湖泊中浮游動物日漸小型化，對藍藻的控制能力下降，下行效應減弱，有利于藍藻水華的維持[65]. 當溫度持續(xù)偏高、風浪偏弱時，這些聚集的藍藻水華很快就會腐爛分解，造成異味、惡臭，甚至形成“湖泛”[66]，再釋放出大量的營養(yǎng)鹽參與循環(huán)[67-68]，導致藍藻水華暴發(fā)的頻率增加，形成與正常營養(yǎng)狀態(tài)湖泊中明顯不同的高效營養(yǎng)鹽循環(huán)過程. 如圖3所示，正常湖泊中營養(yǎng)鹽循環(huán)過程是從初級生產(chǎn)者(藻類、水生植物等)到消費者(浮游動物、游泳生物等)，連同其排泄物等都需經(jīng)過分解者微生物的降解礦化，再轉(zhuǎn)化為無機的氮、磷等營養(yǎng)鹽，被初級生產(chǎn)者吸收利用；而富營養(yǎng)化湖泊中藻類成為主要的初級生產(chǎn)者，大量的藻類無法被浮游動物等捕食，而是直接經(jīng)過分解者微生物降解礦化快速轉(zhuǎn)化為無機的營養(yǎng)鹽，被藻類等初級生產(chǎn)者吸收利用. 富營養(yǎng)水體中營養(yǎng)鹽在食物鏈中傳遞的過程縮短，促進了水柱中營養(yǎng)鹽在藻類-水體間以及有機和無機態(tài)之間快速高效地轉(zhuǎn)化循環(huán).

圖3 正常湖泊(a)與富營養(yǎng)化湖泊(b)營養(yǎng)鹽循環(huán)途徑的差異Fig.3 Difference of nutrient cycle between normal (a) and eutrophic (b) lakes

另一方面，模擬實驗和DGT技術原位監(jiān)測發(fā)現(xiàn)藍藻水華堆積腐爛會造成沉積物表層極度缺氧，促進沉積物向水體釋放大量營養(yǎng)鹽[17,67-68]；同時，藍藻水華的持續(xù)頻繁暴發(fā)會不斷加強水體營養(yǎng)鹽的高效循環(huán)利用[59, 61-62,67-68]. 此外，光照強度是隨著深度增加而減小的，淺水湖泊中光照條件的影響就會更顯著，但藍藻由于具有偽空胞，能夠利用自身浮力到達水面從而獲得更多光照，更容易獲得生存競爭優(yōu)勢，形成水華，聚集于表層遮蔽光線；而且，藍藻水華較為嚴重的水體會更加混濁，造成水體透明度顯著下降，湖泊下層和底部光照不足，影響水生植物正常的光合作用和生長條件. 它們的共同作用不斷地強化著湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化，加劇富營養(yǎng)化和藍藻水華的正反饋效應.

2.3 草型生態(tài)系統(tǒng)退化與藻型生態(tài)系統(tǒng)擴張

湖泊富營養(yǎng)化的另外一個顯著效應是沉水植物消退和草型生態(tài)系統(tǒng)退化[57, 69]. 藍藻水華的暴發(fā)及淺水湖泊頻繁風浪擾動誘導的沉積物再懸浮造成水柱中顆粒物豐度顯著增加，是水下光輻射衰減的決定性因素[70-71]；而富營養(yǎng)化導致的水柱浮游植物、附著生物和有機顆粒物增加，會進一步惡化水下光環(huán)境并遏制水生植物生長，最終導致淺水湖泊沉水植被退化[72]. 對太湖的研究表明，營養(yǎng)鹽濃度和透明度與水深的比值對水生植被覆蓋的決定作用超過60%，成為草型、藻型生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的關鍵指標，由此提出了營養(yǎng)鹽富集和水下光環(huán)境惡化共同驅(qū)動草型生態(tài)系統(tǒng)退化的作用機理[57, 73]. 據(jù)調(diào)查，1960 年太湖的水生植物種類有66 種，隸屬48 屬29 科，沉水植物面積約530 km2，除東太湖和西太湖沿岸帶，五里湖等其他湖區(qū)亦有大面積分布，優(yōu)勢種為馬來眼子菜(Potamogetonmalaianus)[74]；至1990s中晚期，太湖水生植物銳減到17 種，沉水植物面積縮減至約400 km2且優(yōu)勢種演變?yōu)榭嗖?Vallisnerianatans)[75]. 太湖近10 年水生植物多樣性和分布面積均有顯著下降，富營養(yǎng)化是重要的原因之一. 最近利用遙感監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，不僅是太湖，長江中下游及世界各地都存在著不同程度的沉水植物消退趨勢[76-77]，而沉水植物的消退又會加重沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放，加劇湖泊富營養(yǎng)化. 沒有水生植物覆蓋的區(qū)域底泥釋放較有水生植物覆蓋的區(qū)域高10倍以上[20]. 氣候變化和富營養(yǎng)化交織在一起，使得湖泊生態(tài)系統(tǒng)響應更為復雜. 過去25年間，氣候變暖疊加富營養(yǎng)化已經(jīng)使太湖的湖泊物理環(huán)境發(fā)生了顯著變化，表現(xiàn)為氣溫、水溫和水位顯著上升，而風速和透明度則顯著下降，形成和強化了有利于藍藻生長、漂浮和聚集的藻型生境，水生植物生長發(fā)育受到極大限制，湖泊生境逐步由草型生境向藻型生境轉(zhuǎn)化[69].

3 淺水湖泊湖沼學理論的發(fā)展與太湖治理的未來之路

3.1 淺水湖泊湖沼學對經(jīng)典湖沼學的理論突破

國際湖沼學于20世紀初發(fā)源于歐洲，絕大部分的經(jīng)典理論都是基于對溫帶(北半球中高緯度地區(qū))深水湖泊的研究. 特別是生物的種類鑒定、組成結(jié)構的描述及其與理化環(huán)境(溫度、光照、營養(yǎng)鹽等)的關系分析. 深水湖泊最顯著的特點是在夏季存在熱力分層，上部混合層與下部滯水層之間的溫度、溶解氧、浮游植物和浮游動物等都有差異，但環(huán)境條件相對穩(wěn)定，非常適合早期湖沼學對生物組成及其與環(huán)境因子關系以描述性為主的研究. 淺水湖泊不同于深水湖泊，其風驅(qū)動和水動力的混合作用常常多變而且不穩(wěn)定，夏季沒有明顯的熱力分層. 動力擾動導致的底泥懸浮、營養(yǎng)鹽釋放、溶解氧和熱量均向下傳輸，直接影響水下光照、透明度、生物可利用的營養(yǎng)鹽，水柱乃至沉積物表層的氧化還原電位，碳、氮和磷等的降解礦化，更進一步影響浮游植物的光合作用與初級生產(chǎn)率，并且通過食物鏈的上行效應影響著整個生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構與功能. 而且淺水湖泊中這些要素與過程不僅隨著湖泊自身面積與水深變化，也隨著風場的時空變化而變化，環(huán)境要素空間分布格局的高度分異塑造了生態(tài)系統(tǒng)類型的多樣，其水體生物地球化學過程遠較深水湖泊復雜并影響深遠(圖1). 在太湖中，水動力的時空分異特征結(jié)合水深、湖泊形態(tài)等地理環(huán)境特性，導致其生態(tài)系統(tǒng)空間上的異質(zhì)性，表現(xiàn)為東南部湖灣草型生態(tài)系統(tǒng)和西北部藻型生態(tài)系統(tǒng)兩種截然不同的空間格局. 由于風浪、溫度、光照等都是地球科學領域的要素，需要基于時間過程與空間格局來描述與研究，而生態(tài)系統(tǒng)研究的是結(jié)構與功能，實現(xiàn)環(huán)境要素過程、格局研究與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構和功能研究的耦合，正是淺水湖泊湖沼學研究的特色所在，也是突破經(jīng)典湖沼學的關鍵環(huán)節(jié).

以太湖為代表的大型淺水湖泊研究是經(jīng)典湖沼學研究匱乏的領域. 大型淺水湖泊對于富營養(yǎng)化與藍藻水華特別敏感，全球湖泊的調(diào)查分析證實了藍藻水華主要出現(xiàn)在淺水湖泊或者深水湖泊的淺灣[78]；全球范圍的大型湖泊也都呈現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)退化和生態(tài)服務功能下降的問題[79]. 這一問題在我國尤其嚴重，特別是長江中下游地區(qū)及東部沿海地區(qū)的湖泊，大都面臨著與太湖類似的富營養(yǎng)化和藍藻水華的威脅[64]. 一方面絕大部分湖泊都是淺水湖泊[80]，另一方面過去數(shù)十年各類型閘壩建設阻礙了湖泊與江河的自然聯(lián)系，導致湖泊滯留的營養(yǎng)鹽，特別是磷的賦存量增加. 更為嚴峻的現(xiàn)實是，快速發(fā)展經(jīng)濟、開發(fā)利用資源還是大多數(shù)地方管理部門的主導思想，因此迫切需要發(fā)展淺水湖泊湖沼學，為我國湖泊生態(tài)環(huán)境治理與保護和資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供科學依據(jù).

淺水湖泊湖沼學是多學科交叉融合的科學. 西方傳統(tǒng)湖沼學研究起步于生物學，逐步與生物地球化學結(jié)合，形成了今日的湖沼學體系. 但是，與湖泊物理環(huán)境和過程的結(jié)合卻遠遠不夠. 我們從連接地學環(huán)境要素與生態(tài)系統(tǒng)關系的營養(yǎng)鹽循環(huán)入手，以湖泊物理要素與過程為驅(qū)動，通過“抓過程、釋機理”的湖泊系統(tǒng)研究思想[81]，綜合運用水文水動力學、生物地球化學、沉積學、地理學和遙感GIS等研究方法與技術，在大型淺水湖泊水動力特征、內(nèi)源釋放機制、富營養(yǎng)化與藍藻水華暴發(fā)機理及其生態(tài)效應、湖泊生態(tài)恢復等方面取得了一系列新的認識，實現(xiàn)了跨學科的交叉融合. 未來淺水湖泊湖沼學的發(fā)展，必須堅持多學科深度交叉融合，探索淺水湖泊環(huán)境要素與過程對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響與塑造，進而為太湖等大型淺水湖泊富營養(yǎng)化控制提供科技支撐.

3.2 淺水湖泊營養(yǎng)鹽的生物地球化學特征及營養(yǎng)鹽削減策略

前文已述及，深水湖泊與淺水湖泊水動力的影響差別非常顯著. 湖泊中水動力導致的湍流混合決定了向下輸移熱量與溶解氧等要素的深度和范圍；而水深、面積等地理要素決定了沉積物與湍流混合相互接觸及交換的范圍與強度，這種接觸與混合對湖泊生物地球化學過程有著復雜深遠的影響，也決定了深水湖泊與淺水湖泊的差異(圖1). 深水湖庫因相對靜止的環(huán)境，顆粒態(tài)的營養(yǎng)鹽通過沉降作用沉至湖底，很難再回到上層混合層，因此脫磷效率較高；與之相反，水體越淺，風浪導致的兼氧條件越好，富營養(yǎng)化帶來的豐富的硝態(tài)氮以及藻類水華暴發(fā)形成的較高活性、較大豐度的有機物都使得淺水湖泊反硝化程度越高，氮的去除能力越強[46]. 根據(jù)2018年夏季江淮中下游湖庫的調(diào)查結(jié)果，大型淺水湖泊的總磷濃度明顯高于深水湖庫，均值相差將近20倍，充分表明深水、淺水湖庫中磷沉降效率的差異；同時，葉綠素a與水體總氮濃度在深水湖庫中沒有明顯關系，在淺水湖泊中則表現(xiàn)出顯著相關性[48]. 深水、淺水湖泊中營養(yǎng)鹽生物地球化學過程的不同特性，使得其浮游植物生長受到的營養(yǎng)鹽限制不同，而進一步影響水體營養(yǎng)狀態(tài)，因此，富營養(yǎng)化與藍藻水華控制必須根據(jù)深水、淺水湖泊特點開展有針對性的研究和實施科學適用的策略.

圖4 太湖梅梁灣水體多年平均逐月總氮、總磷和氮磷質(zhì)量比Fig.4 The average monthly total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and TN∶TP (mass ratio) in water of Meiliang Bay in Lake Taihu

20世紀在著名的加拿大227號實驗湖泊中進行的營養(yǎng)鹽添加試驗，解決了經(jīng)典湖沼學爭論不休的湖泊富營養(yǎng)化取決于元素碳、氮還是磷的問題[82-84]，形成了以控磷為主的湖泊富營養(yǎng)化控制理論基礎，在國際湖泊治理實踐中也有許多成功的案例[85]. 但是，這些湖泊以深水富營養(yǎng)化湖泊為主，許多大型富營養(yǎng)化淺水湖泊或淺水湖灣治理成效并不明顯，特別是近年來藍藻水華問題出現(xiàn)反復的水體，如美國五大湖之一的Erie湖西部水域[86]、美國的Okechobee湖[87]、美國的Winnebago湖[88]、加拿大的Winnipeg湖[89]、美國/加拿大交界的Champlain湖[90]、歐洲的Peipsi湖[91]和非洲的Victoria湖[92]等，說明大型淺水湖泊或淺水湖灣富營養(yǎng)化的治理并非想象的那樣簡單. 時至今日，什么才是科學合理的營養(yǎng)鹽削減政策，控制富營養(yǎng)化與藍藻水華究竟是控磷為主還是氮磷雙控，這些問題仍是國際湖沼學爭議的熱點[85,93]. 由于控氮的成本是控磷成本的10倍左右[94]，氮、磷控制策略的選擇關系到各國控制富營養(yǎng)化藍藻水華的資金投入和治理效益，必須審慎進行.

太湖梅梁灣開展的系列營養(yǎng)鹽添加試驗發(fā)現(xiàn)，浮游植物生長在夏、秋季出現(xiàn)明顯的氮限制，而磷限制則一直存在[95]；隨著藻類水華暴發(fā)，脫氮效率提高，太湖氮磷比可從春季的40～50下降到夏秋季的10～20(圖4)，出現(xiàn)氮、磷雙限現(xiàn)象. 因此，太湖富營養(yǎng)化控制需要氮、磷同時控制. 根據(jù)收集的全球文獻及美國與歐盟的湖泊調(diào)查數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，世界范圍內(nèi)磷限制湖泊廣泛存在，特別是深水湖泊；而氮、磷雙限現(xiàn)象主要存在于富營養(yǎng)化的淺水湖泊或者大型水體的淺水湖灣. 為了更有效地遏制藍藻生長和水華暴發(fā)，需要區(qū)別淺水與深水湖泊，采取氮、磷雙控或單獨控磷的不同控制策略[78]. 類似太湖這樣的淺水富營養(yǎng)化湖泊需要在控磷基礎上協(xié)同控氮，加速湖泊的恢復與水質(zhì)改善.

3.3 自然和人文科學相結(jié)合的湖泊-流域綜合治理與保護

湖泊富營養(yǎng)化治理，“管理是關鍵，技術是支撐”. 太湖、巢湖和滇池治理中遇到的許多問題并非技術上無法解決，而是由于管理中的困難和矛盾. 包括廢水排放標準與水環(huán)境保護的水質(zhì)標準不匹配；由于缺乏準確的污染物負荷通量及經(jīng)濟價值的確定而導致生態(tài)補償難以推廣；污染源責任不清導致的利益分配與協(xié)調(diào)機制缺失使得治理缺乏持久動力；許多研發(fā)的治理技術因未考慮實施的成本與經(jīng)濟效益而難以落地和推廣. 特別是我國大部分富營養(yǎng)化湖泊都處于人口稠密、經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)，而對社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模與環(huán)境承載力之間關系研究的長期匱乏，使得現(xiàn)有以自然科學研究為主體的科研團隊，難以為湖泊-流域綜合治理與生態(tài)環(huán)境保護提供更有針對性的理論指導. 這些內(nèi)容都需要人文科學領域的科研人員和管理專家參與，共同研究尋求答案.

從太湖的富營養(yǎng)化治理實踐來看，湖泊治理不能只局限于湖體. 湖泊富營養(yǎng)化“病癥在湖里，病根在岸上”，流域上自然變化和人類活動產(chǎn)生的各種物質(zhì)，最終都會進入湖泊，影響湖泊的水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)[96]. 因此，對湖泊生態(tài)環(huán)境的研究必須延伸到流域，發(fā)展湖泊流域系統(tǒng)科學. 如對太湖氮、磷污染的認知長期存在面源污染來源貢獻不清的問題，且至今尚未找到合適的方法，湖泊流域系統(tǒng)科學的發(fā)展有望突破這一瓶頸. 通過降水徑流過程與下墊面特征變化的結(jié)合，解決污染物遷移轉(zhuǎn)化與下墊面空間上分化特征在不同尺度上的耦合問題，厘清氮、磷等元素輸移(物理輸移、滯留、沉淀、入滲等過程)及其轉(zhuǎn)化(吸收、吸附、解析、反硝化等)的影響，逐步解決不同來源污染物的貢獻、通量等問題[97-98].

太湖的內(nèi)源污染控制尚未引起高度重視. 雖然前期已經(jīng)對太湖西北部重點污染區(qū)域進行了表層沉積物的生態(tài)清淤，但相應也出現(xiàn)了底泥堆場占地、水分難以瀝干和次生污染等問題，亟需針對不同區(qū)域內(nèi)源污染貢獻、疏浚底泥后續(xù)處置與資源化利用等難題實施科研攻關. 同時，在部分底泥淤積區(qū)域、入湖河口區(qū)域等水域采取挖深的辦法，布設若干深槽或者深溝，通過捕獲流動的、富含有機物(包括藻類殘體等)的顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽，特別是顆粒態(tài)磷，減輕內(nèi)源污染負荷.

湖體生態(tài)修復是湖泊富營養(yǎng)化治理的高級階段，特別是以沉水植物為主體的草型生態(tài)系統(tǒng)培育，必須在控源截污和生境改善的前提下進行才能取得良好效果. 基于以往在太湖開展的草型生態(tài)系統(tǒng)退化機制研究和梅梁灣生態(tài)恢復工程試驗等結(jié)果，綜合國內(nèi)外文獻報道的研究成果，淺水湖泊沉水植物恢復的核心條件有4點：① 氮、磷濃度需要控制在一定的閾值之下；② 水下光環(huán)境閾值為真光層深度與水深比值接近或者大于1；③ 沒有藍藻水華的入侵；④ 魚類群落組成以食肉性為主，以部分濾食性魚類為輔. 相應地提出了控制營養(yǎng)鹽、降低水深、消除風浪、降低懸浮物濃度進而提高真光層深度與水深比值，改善水下光環(huán)境和恢復水生植物的湖泊生態(tài)恢復原理[32,61]. 以此原理為指導，要實現(xiàn)太湖草型生態(tài)系統(tǒng)的恢復，需要快速改善和優(yōu)化太湖草型生境. 例如，在沉水植物恢復的光環(huán)境調(diào)控方面，可以在春季水生植被生長發(fā)育的關鍵時期，通過降低水位(保持水位3.1 m左右)滿足水生植被萌發(fā)所需的水下光照條件；同時，在條件適宜的湖灣內(nèi)，通過消浪措施減少風浪擾動，降低懸浮物濃度和提高水體透明度. 再者，在生態(tài)恢復區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控方面，通過放養(yǎng)食肉性魚類，減少草食性、底棲和雜食性魚類，增加食物鏈的下行效應，控制藻類生物量，提高水體透明度，保障沉水植物正常生長及草型生態(tài)系統(tǒng)的恢復. 從歷史上看，太湖具備恢復沉水植被條件的水域不多，主要位于東太湖、胥口灣等水域. 對于其他水域，建議在濱岸帶恢復以挺水植物為主的湖濱濕地，攔截來自陸地的污染物，捕獲來自湖區(qū)漂移的藍藻水華，維持現(xiàn)在環(huán)境狀態(tài)為上.

不過，正如本文闡明的研究結(jié)果，無論削減外源還是內(nèi)源污染負荷都是艱巨復雜的工程，近年氣象水文條件的變化又加重了湖泊富營養(yǎng)化，而淺水湖泊水深淺、擾動強的自有特性強化了內(nèi)源污染的效應，加劇了藻類水華的暴發(fā). 因此，在可以預見的較長時期內(nèi)，富營養(yǎng)化引發(fā)的藍藻水華災害對水生態(tài)系統(tǒng)和供水安全的威脅仍將呈高發(fā)態(tài)勢，精準監(jiān)測和預測預警是提升湖庫藍藻水華主動防控能力和保障飲用水安全的優(yōu)選方案. 這方面，無論是技術原理還是技術本身，都處于快速發(fā)展中. 在對太湖的研究中，早期就在淺水湖泊水動力研究基礎上，構建和發(fā)展了以水動力為核心的太湖水環(huán)境和藍藻水華模擬模型[99-100]. 近年來，遙感反演、高頻自動在線監(jiān)測等多介質(zhì)、全過程監(jiān)控技術方法的運用，進一步提升了模型的預測預警精度[101-102]，并基于模型的運行構建了淺水湖泊生態(tài)環(huán)境模擬模型和藍藻水華預測預警系統(tǒng). 在模型的移植過程中，同樣面臨一系列理論與技術瓶頸，可喜的是相關研究方興未艾，在洱海、千島湖和三峽水庫等重要水體開始探索[11]，成為湖泊流域生態(tài)環(huán)境管理的有力工具，具有廣泛的發(fā)展前景.

4 結(jié)語

我國湖泊類型多樣、地理區(qū)域特色鮮明，從湖泊資源開發(fā)利用到湖泊生態(tài)環(huán)境保護和湖泊流域可持續(xù)發(fā)展，強烈的國家需求一直引導著我國湖泊學的發(fā)展方向，也奠定了我國淺水湖泊研究在國際湖沼學研究領域的前沿地位. 面向未來，湖泊環(huán)境健康穩(wěn)定是“山水林田湖草”生態(tài)文明建設國家需求的重要內(nèi)容，保護湖泊、治理富營養(yǎng)化任重而道遠. 這需要自然科學與人文科學研究相結(jié)合形成的科學氛圍！需要相關管理部門與科研工作者的密切合作! 湖泊科研工作者應當走出象牙塔，立足于國家社會經(jīng)濟現(xiàn)狀，積極拓展水動力變化、湖體營養(yǎng)鹽生物地球化學循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)效應與反饋以及湖泊水質(zhì)水環(huán)境模擬預測等淺水湖泊特色研究，真正服務于湖泊富營養(yǎng)化綜合治理與生態(tài)恢復，為保護綠水青山做出貢獻.

致謝：感謝中國科學院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站提供太湖水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)；感謝鄧建明、丁侃設計繪制圖件.