粤港澳大湾区水库蓝藻水华特征与防治对策建议

赵孟绪，肖利娟

(1.广东省水文局，广州 510150；2.暨南大学 生态学系，广州 510632；3.广东省水库蓝藻水华防治中心，广州 510632)

1 概述

粤港澳大湾区(以下简称大湾区)位于珠江流域下游，包括香港特别行政区、澳门特别行政区和珠三角九市(广东省广州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、东莞市、中山市、江门市、肇庆市)，是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一，在国家发展大局中具有重要战略地位。水资源的可持续利用是大湾区经济社会可持续发展的基础，大湾区缺乏天然湖泊，水库供水是继河道供水之外的最主要水源，尤其是香港、澳门高度依赖内地水库输供水。受亚热带海洋季风气候影响，大湾区水资源时空分布极其不均，年际和季节间降水差异较大，水库蓄水是调节水资源时空分布最主要手段。目前，珠三角九市已建大中型水库共137座，其中大型水库11座。

蓝藻水华是指蓝藻大量繁殖并在水体表面形成明显的漂浮带或悬浮在水中形成高丰度(通常>107cells/L)的现象。蓝藻水华的发生可导致水体中生物多样性降低，威胁生态系统结构与功能；更为严重的是部分蓝藻可产生异味物质和藻毒素，增加水处理成本、威胁供水安全。改革开放以来，经济的快速发展给大湾区水资源带来较严重的污染问题。近年来随着最严格水资源管理制度、河湖长制等工作的推进，大湾区水环境状况得到持续改善[1]，但水库富营养化与蓝藻水华问题仍较为突出。2020年12月水利部和粤港澳大湾区建设领导小组办公室联合印发的《粤港澳大湾区水安全保障规划》指出，珠三角九市水库水体富营养化加剧，水库蓝藻水华时有发生。

对大湾区水库蓝藻水华特点和发生规律认识和理解的不足，较大程度上阻碍了水华防治工作的进一步开展。在已有资料和长期监测数据基础上，本研究分析总结了大湾区水库水华蓝藻的种类组成、水华发生特点以及气象因子与蓝藻水华发生风险间密切关系，提出针对性的区域水华防治对策，为保障大湾区水库供水安全提供支撑。

2 大湾区水库水华蓝藻组成及其水华表观特征

2.1 大湾区水库常见水华蓝藻组成

水华蓝藻是指能在水体中形成水华的蓝藻。全球已报道的水华蓝藻至少有26属[2]，我国已报道的水华蓝藻约13属[3]。各属水华蓝藻多具有自身特有生理生态特点，这些生理生态特点很大程度决定了其竞争优势与水华发生机制，也决定了其所形成水华的表观特征，而水华发生机制及其特征又密切关系到蓝藻水华防治对策尤其是应急处置措施的选择与制定。调查区域水库常见水华蓝藻的组成并分析掌握其形成水华的特征，是建立该区域蓝藻水华防治对策体系的重要前提。

2000年以来，暨南大学、广东省水文局等单位持续开展了大湾区珠三角九市超过70座重点水库的浮游植物监测与研究工作，对区域内水库的蓝藻种类组成进行了较全面的调查，珠三角九市水库共统计到常见蓝藻25属(见表1)，其中水华蓝藻6属，包括微囊藻(Mycrocystis)、长孢藻(Dolichospermum)、拟柱孢藻(Cylindrospermopsis)、假鱼腥藻(Pseudanabaena)、泽丝藻 (Limnothrix)、浮丝藻(Planktothrix)[4-5]。

表1 粤港澳大湾区水库常见蓝藻组成

上述6属中，微囊藻、长孢藻、拟柱孢藻、泽丝藻和假鱼腥藻5属在大湾区水库形成蓝藻水华的频次较高，且该5属常共存而形成多优势种伴生蓝藻水华。广东省水文局近期监测结果显示(见图1)，2023年5月份大湾区水库共监测到16座水库发生了蓝藻水华(水华蓝藻总丰度>107cells/L)，其中12座水库发生了多优势种形成的伴生水华，仅4座水库蓝藻水华由单一水华蓝藻形成，16座水库中10座水库(62.5%)的蓝藻水华是由拟柱孢藻、假鱼腥藻、泽丝藻中的3种或2种伴生形成。

图1 2023年5月份大湾区16座发生蓝藻水华水库的水华蓝藻伴生情况

2.2 大湾区水库常见水华蓝藻形态及其水华表观特征

支持蓝藻形成水华的生理生态机制主要包括3个方面：① 伪空泡的浮力调节机制：水华蓝藻细胞内通常具有丰富的伪空泡，通过伪空泡调节细胞浮力实现在水体中垂直迁移，既能利用深层水体的丰富营养盐又能利用上层水体的良好光照。② 营养盐的高效利用能力：水华蓝藻均具有“碳浓缩机制”适应高pH值环境，通过碱性磷酸酶利用有机磷适应磷限制环境，部分固氮蓝藻，如长孢藻和拟柱孢藻，具有异形胞能够固定氮气适应低氮环境。③ 形成大群体和丝体抵御浮游动物捕食：水华蓝藻常以大群体和长丝体形态出现，增大了浮游动物牧食难度，有效地减少生物量损失[2]。除了上述机制外，不同水华蓝藻在温度偏好、抗干扰能力等方面有明显的区别，进而导致水华时空特征的差异。

2.2.1微囊藻形态及其水华表观特征

微囊藻是全球分布最广的水华蓝藻，全球至少有108个国家记录了微囊藻水华[6]，我国南北方湖库中均常见微囊藻水华。微囊藻水华特点主要有以下几方面：① 细胞以胶群体方式出现在水体中(见图2a)，具有很强的漂浮能力，大量微囊藻胶群体上浮至水面能够堆积成肉眼可见的水面水华(Surface Bloom)(见图2b)，易引起社会公众关注并影响水体景观。需要注意的是，有些情况下，水体中的微囊藻丰度并不高，但因微囊藻群体向水面聚集而形成肉眼可见的局部泡沫或薄膜，这种局部水面水华现象对供水安全威胁实际并不大。② 微囊藻水华常呈现明显的空间异质性，受水库流场作用多发生在水库坝前、库湾等局部水域。③ 在时间上，微囊藻水华多发生在水力滞留时间长、水体稳定分层、降雨量较低、气温持续回升的时期。④ 微囊藻产生的微囊藻毒素(Microcystins)是一种肝毒素，微囊藻水华通常会导致水体微囊藻毒素浓度升高，威胁供水安全。

a

2.2.2长孢藻和拟柱孢藻形态及其水华特征

长孢藻和拟柱孢藻均属于蓝藻门念珠藻目种类，均为丝状群体(见图3a、c)，是全球广泛分布的水华蓝藻。长孢藻和拟柱孢藻水华特点主要有：① 虽然细胞内也有大量伪空泡，但其漂浮能力比微囊藻弱，通常不形成明显的泡沫或薄膜状藻华带，而是悬浮在水面下形成水华而明显改变水体颜色(见图3b、d)；② 与微囊藻相比，长孢藻和拟柱孢藻具有更丰富的碱性磷酸酶体系，对有机磷的利用能力更强，能适应更低的磷条件，是中营养水库水华的主要组成种类；③ 长孢藻和拟柱孢藻均为固氮蓝藻，适应低氮环境；④ 长孢藻能产生异味物质，其水华通常伴随水体异味，拟柱孢藻能产生柱孢藻毒素(Cylindrospermopsins)，其水华常导致水体中拟柱孢藻毒素超过WHO饮用水质量标准。

2.2.3泽丝藻和假鱼腥藻形态及其水华特征

泽丝藻和假鱼腥藻均属于蓝藻门颤藻目的种类，为丝状群体，均喜好高温环境，为典型热带水华蓝藻[2]。大湾区绝大部分区域位于北回归线以南，水库水温全年在15℃以上，适合泽丝藻和假鱼腥藻生长，两种水华蓝藻在大湾区水库中广泛分布。二者均能适应水体高度混合导致的低光照条件，在珠海、东莞的众多浑浊度较高的引水调蓄水库中成为优势种[3-4]。与微囊藻、长孢藻和拟柱孢藻不同，泽丝藻和假鱼腥藻不具有伪空泡，丝体较细，细胞长宽比大、比表面积(SA/V)较大。泽丝藻和假鱼腥藻水华特点主要有：① 二者形成的水华基本不会在水面形成肉眼可见的漂浮堆积；② 相比微囊藻和长孢藻，泽丝藻和假鱼腥藻在水体中垂直和水平方向分布更均匀，水华一旦形成，绝大多数情况下会涉及库区大部分水域，极少仅在局部区域发生；③ 泽丝藻和假鱼腥藻对水体扰动适应能力更强，二者形成的水华在水库中持续时间更长，通常会跨越丰枯水期；④ 泽丝藻和假鱼腥藻能产生异味，水华发生后可能导致供水出现异味超标；⑤ 泽丝藻和假鱼腥藻均为极细的丝状群体，形成水华后几乎无法通过过滤等方式进行收集和打捞。

3 大湾区水库蓝藻水华形成和分布特点

3.1 多种水华蓝藻形成伴生水华

受所处气候带影响，大湾区水库兼有热带和温带常见水华蓝藻种类。如前所述，大湾区常见水华蓝藻，不仅有微囊藻和长孢藻这类温带和亚热带湖库常见的水华蓝藻，也有拟柱孢藻、泽丝藻和假鱼腥藻这类热带湖库常见水华蓝藻。大湾区温暖的水环境为这些水华蓝藻提供了良好的生长条件，导致区域内水库蓝藻水华常为两种或更多种水华蓝藻伴生而形成。例如微囊藻和长孢藻常形成伴生水华，泽丝藻与假鱼腥藻常形成伴生水华，甚至微囊藻、拟柱孢藻和长孢藻3种水华蓝藻形成伴生水华(如开平大沙河水库)，在部分水库泽丝藻、伪鱼腥藻、拟柱孢藻和浮丝藻共存成为浮游植物优势种。

伴生水华的出现，对蓝藻水华防治工作提出了更高的要求和挑战。微囊藻和长孢藻水华，因其漂浮性强，一定程度上可打捞收集，在水处理过程中可过滤清除。而拟柱孢藻、泽丝藻、假鱼腥藻所形成的水华，因藻丝不形成水面漂浮堆积且藻丝较细而无法打捞收集，水处理过程中也较难过滤清除。大湾区水库常见水华蓝藻的多样化，决定了该区域水华预警与防治尤其应急处置工作更具复杂性和挑战性。

3.2 蓝藻水华时空分布广

大湾区水库全年具备发生蓝藻水华的水温条件，明显区别于我国北方温带地区的蓝藻水华主要发生在夏秋季节。在季节分布上，微囊藻和长孢藻水华主要发生在少雨的温暖时期，如少雨的夏秋季节，或气温持续数日回升的冬春季节。拟柱孢藻、泽丝藻、假鱼腥藻水华全年均可发生，在部分水库长年形成优势甚至长期处于水华高风险状态，即丰度持续>107cells/L(见图4、图5)。整体上，大湾区水库夏秋高温季节拟柱孢藻度、假鱼腥藻丰度明显高于冬春低温季节；低降水量时期微囊藻和长孢藻水华的风险明显高于高降水量时期。在大湾区一些富营养化水库，如开平市大沙河水库、镇海水库，季节性蓝藻水华反复出现。

图4 2020年开平镇海水库拟柱孢藻丰度季节动态示意

图5 2022年江门那咀水库水华蓝藻丰度季节动态示意

大湾区既有常在富营养水体形成水华的微囊藻和长孢藻，也有耐受低营养环境、常在中营养水体形成水华的拟柱孢藻、泽丝藻和假鱼腥藻。与温带和亚热带地区蓝藻水华主要发生在富营养水体不同，大湾区很多中营养水库出现季节性蓝藻水华，这些中营养水库蓝藻水华对水华防治提出更高的挑战。在空间分布上，与微囊藻群体主要分布在水体表层、漂浮性水面水华带多发生在局部水域不同，拟柱孢藻、泽丝藻和假鱼腥藻不形成表面漂浮，可在混合层均匀分布，分布深度甚至可超过30 m。绝大多数情况下，拟柱孢藻、泽丝藻和假鱼腥藻形成趋向全库范围的蓝藻水华。这类长时间处于优势、分布范围广的蓝藻水华，同样对水华应急处置与长期防治工作提出了更高的要求。

3.3 气象因子对水华生消调控作用明显

受亚热带海洋季风气候的影响，大湾区强降水、台风等气象现象发生频次高，对水库蓝藻水华时空动态有明显调控作用。例如，微囊藻水华通常受较强降水、明显降温及较强风力等因素影响而快速消落，因而“龙舟雨”季节(5—6月份)大湾区水库极少发生微囊藻水华。在年际上，大湾区水库枯水年发生蓝藻水华风险高于丰水年。广东省水文局监测数据显示，2020、2021年广东省连续出现特殊旱情，珠三角年累积降雨量分别为1 581 mm和1 505 mm，大湾区珠三角九市72座重点水库全年中发生过蓝藻水华的数目比例分别为33.3%和30.6%，2022年珠三角年累积降雨量升至2 066 mm，全年发生过蓝藻水华的水库数目比例降至20.8%。大湾区水库蓝藻水华发生风险与气象因子相关性高，因此降水、气温等气象因子是蓝藻水华预警与趋势研判过程的重要参数。

4 大湾区水库蓝藻水华防治对策建议

4.1 掌握不同类型水华的发生规律和提高水华预警预判能力

藻类水华的发生是受多因素调控的有规律的生态过程，具备可预测性[7-9]。影响蓝藻水华的因素涉及水动力学、水质、气象、水华蓝藻生理生态特点等多个方面。水库蓝藻水华预警预测过程，应对水库形态(包括库区周边地形)、流域污染状况、水力滞留时间、水体流速、水库调度方式、气象因子(气温、降水、风力)、水体氮磷等营养元素水平、水华蓝藻种类组成等诸多指标进行综合分析与判断。虽然影响因子众多，但不同水库蓝藻水华发生规律与影响因素具有明显个体差异性。例如，开平市大沙河水库的长孢藻水华季节动态主要受气象因子和水动力学影响，水华主要发生在枯水期1—4月和11—12月，丰水期水体冲刷增强是导致水华消失的主要原因[7]；开平市镇海水库的拟柱孢藻生物量季节变化主要受水体营养盐状况影响，总磷、总氮和氮磷比是影响拟柱孢藻生物量季节变化的主要因子[10]；东莞市松木山水库假鱼腥藻、拟柱孢藻水华动态主要受气象与水质因子影响，水温、pH、氨氮和总氮是影响松木山水库蓝藻时空分布的主要环境因子[11]；2005年期间珠海大镜山水库的假鱼腥藻种群季节动态主要受气象因子(水温、降雨)和水库调度方式的影响[12]。

因此，大湾区水库蓝藻水华的预警与防治对策均应具体到特定水库生态系统，形成“一库一策”。收集汇总水库流域状况、形态特征、水动力学特征、营养状态、往年蓝藻水华记录、水华蓝藻种类组成现状等水华预测所需的基础数据与信息，开发水库水华信息管理系统，建立水华风险档案，筛选水库蓝藻水华关键诱发因子，紧密结合区域气候特征制定针对性蓝藻水华预警方案与防治对策。

4.2 强化流域氮磷污染控制和富营养化治理

氮和磷是藻类生长的必需营养盐，蓝藻生长和种群发展需要大量营养盐的支持，国内外大量研究表明严格的氮磷营养盐输入管理是最根本的长期控制蓝藻水华的方法[8]。近年研究表明，富营养化和全球变暖可协同促进蓝藻水华的发生[8]，温度的升高能够显著促进蓝藻生长同时，还能降低蓝藻水华发生所需的营养盐阈值。在全球变暖的大背景下，基于营养盐控制的蓝藻水华防治面临更大的挑战。在新形势下，有效的水资源管理必须考虑全球变暖的作用，制订与温度条件相适宜的基于营养盐负荷控制的水资源管理和蓝藻水华防治策略。

2012—2022年，随着最严格水资源管理制度、河湖长制等工作的推进，广东省水库总氮、总磷浓度水平总体上呈下降趋势[1]，但截止到2022年底广东省近60%的大型水库面临季节性蓝藻水华尤其是拟柱孢藻水华的威胁。在全省水库氮磷浓度总体下降的背景下，水大湾区库蓝藻水华风险并未同步响应而降低，一些中营养水库频繁发生蓝藻水华，这表明大湾区水库蓝藻水华发生风险与水库营养状态的响应关系具有区域性特征。基于氮磷控制的水华防治策略，必需考虑与依据这些区域特征制订控制目标。

4.3 加强水库生态系统管理抑制水华蓝藻优势

蓝藻水华是水华蓝藻大量繁殖成为绝对优势种群的生态现象，是生态系统结构异常的表现。生态系统管理是基于对生态系统组成、结构和功能过程的最佳理解，在一定的时空尺度范围内将人类价值和社会经济条件整合到生态系统经营中，从系统性的角度分析和制定管理策略，以恢复或维持生态系统整体性和可持续性[13-15]。水库生态系统管理是富营养化防治和控制水华的重要手段。通过生态工程改变水库水动力条件、物理条件、浮游动物群落和鱼群结构等，以达到抑制水华蓝藻的生长和优势形成的目的，是针对水华控制的生态系统管理的主要内容[16]。生态系统管理涉及到调控生态系统内部结构和功能，提升生态系统服务功能[13]。因此，生态系统管理要求管理者对被管理的生态系统有深刻的理解，对生态过程及其尺度和层级结构、不确定性等有深入的分析和总结。

4.4 合理制定基于水华生态特征的应急处理措施

蓝藻水华是世界性水环境问题，国内外应用的蓝藻水华应急处理技术和方法多样，这些技术方法可概括为以下3类：① 物理控藻法：即通过物理手段降低水华蓝藻丰度或从水体中去除蓝藻，如打捞、超声波控藻、生态红土除藻等；② 化学控藻法：通过化学方法杀灭、抑制或清除水华蓝藻，如除藻剂、氯化铁絮凝、过氧化氢杀藻[17-18]等；③ 生物控藻法：通过生物之间的相互作用抑制水华蓝藻种群，如经典和非经典生物操纵、微生物降解、病毒侵染等[19]。

不同的应急处理方法在前提条件、处理效果以及生态效应上存在明显的差别。例如简单易操作的打捞法，针对小范围的漂浮性的水华有较好的处理效果，但对大面积的、处于快速发展阶段的水华效果不明显，甚至会促进水华发展[19]。超声控藻法对水面漂浮的水华蓝藻细胞有去除效果，但对悬浮于水柱中的拟柱孢藻水华、假鱼腥藻水华等控制作用有限。絮凝剂控藻技术应用在大湾区大沙河水库2006年长孢藻和微囊藻伴生水华的应急控制中取得了良好的效果[20]，但该方法对拟柱孢藻的去除效果不佳(未发表数据)。生态红土除藻在大湾区水库水华应急处理中得到较成功应用，但其效果在不同水库之间存在较大差异。鲢鳙鱼控藻技术被证明在我国温带浅水湖泊应用中有效，但在大湾区水库应用效果不明显。可见，在蓝藻水华应急处理过程中，必需基于水华生态特征来制订合理的应急处理方法[16]。大湾区水华类型的多样和伴生水华的出现，更要求需根据具体水库的水华生态特征制订针对性的水华防治对策。

5 结论与展望

受区域气候条件的影响，大湾区水库蓝藻水华具有以伴生水华为主、时空分布广、受气象因子调控明显等区域性特点。应重视大湾区水库生态监测数据的长期积累，深入研究总结大湾区水库蓝藻水华发生规律，尤其是气象因子对蓝藻水华生消的调控作用规律，不断提升水华预测和预警能力。大湾区水库蓝藻水华的防治，应在研究掌握蓝藻水华与营养盐的响应关系基础上，制定流域氮磷污染控制目标；应充分考虑区域气候与具体水库环境特征，结合具体水华蓝藻的生理生态学特点，制订针对性的长效防治与应急处置对策。近年拟柱孢藻水华在大湾区水库呈多发趋势，应加快大湾区水库常见蓝藻毒素尤其是柱孢藻毒素的拓展监测，并加快各类蓝藻毒素评价与监测方法标准的修订和制定，切实保障大湾区水库供水安全。