程海冬季水华特征、成因与控制对策

董云仙,金 玉,胡锦乾,关兆国,和熊祥(.云南省环境科学研究院,云南昆明65004;.云南省环境监测中心站,云南昆明65004;.永胜县程海管理局,云南永胜67400)

程海冬季水华特征、成因与控制对策

董云仙1,金 玉2,胡锦乾3,关兆国3,和熊祥3(1.云南省环境科学研究院,云南昆明650034;2.云南省环境监测中心站,云南昆明650034;3.永胜县程海管理局,云南永胜674200)

报道了程海冬季水华发生时间、分布、聚集状况、优势种和现存量。认为:营养物质积累、特殊的水动力、适宜的水温和光照是刺激铜绿微囊藻水华暴发的原因,近期应采取流域生态系统管理、削减污染物入湖量、增强生态系统功能三方面的控制对策减轻水华危害。

水华特征;成因;控制;冬季;程海

程海地处青藏高原与云贵高原的衔接部位,东经100°33′～100°45′,北纬26°25′～24°40′,行政区划上属于丽江市永胜县。程海流域面积318.3km2,东、西、北三面环山,南面地势相对平坦。湖面海拔高程1501.0 m,湖体呈南北向椭圆形展布,南北长19km,东西宽4.3km,面积约74.6km2,最大水深35m,平均水深26.5m,蓄水量19.8×108m3,在云南省九大高原湖泊中位列第四。

程海湖区位于金沙江干热河谷地区,年平均气温18.7℃,水温20℃,多年平均日照时数2403.6h,≥10℃的积温6616℃。程海湖区充足的光照、热量以及特殊的水质条件极有利于蓝藻生长。

程海大约形成于新生代第三纪中期(距今1200万a以前),是喜马拉雅期造山运动形成断裂地堑,中陷低凹之处聚水成湖,原来曾经是一个外流湖,湖水通过程河(又名期纳河)向南30余km流入金沙江。大约1690年前后,程海湖水位突然快速下降,形成封闭湖后,湖泊水体交换周期加长,营养物质积累,湖泊富营养化进程加快。1911年～1942年,程海初级生产力明显变化,生物结构明显转变[1～3]。1980年后,湖周农业生产方式转变和湖滨区螺旋藻养殖业发展的背景下,程海富营养化发展加速,据王若南[4～5]报道,1984年～1985年,程海藻类数量的年变化呈“单峰”型,每年藻类数量4～5月达到高峰,此时,以阿氏项圈藻(Anabaenopsis arnoldiiAptek.)为单优势种的水华暴发,平均数量可达164万个/ml,优势种优势度可达99.7%,水华覆盖大半湖面。但在本次《程海湖生态系统的调查研究》中,发现程海藻类优势种类群已经发生较大变化,水华在冬季就有发生。

1 程海冬季水华基本特征

1.1 水华发生时间

2009年11月16 日夜晚,程海一夜大北风,持续时间4～5h,浪高达2～3m,风动引起湖水对流,水草(基本是红线草群落单优势群落)消亡;20d后,风平浪静之时,在阳光照射下肉眼可见藻团悬浮于水柱中;23日蓝藻上浮,聚集形成水华,漂浮于湖南部水面,日出前后比较明显,持续时间2～3h;此后1个月,程海水华现象越来越明显,厚度逐渐增加,分布范围由湖南部扩展到湖中部直至整个湖区。至2009年12月28日～2010年1月3日,程海水华达到高峰,整个湖泊都有水华出现,水华堆积于湖东部和湖北部等下风向区域。此后半月余,程海水华逐渐减少,水体异味,2010年2月20日前后水华消失,水华持续时间总计约60d。

1.2 分布与聚集状况

程海冬季水华,最早出现于湖南部程海管理局—程海管理局东站一线,随后,扩展到湖南部—湖中部半海子以南—湖北部,7d内即遍布整个湖区。风平浪静时,水华覆盖整个湖面,厚度约5～10cm,遮蔽进入水层的光照;风浪较大时,水华多聚集于湖北部和东部,厚度可达10～30cm。

1.3 优势种群

程海冬季水华优势种是铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa Kutz.),伴生种:水华微囊藻(M.flosaquae(Wittr.)Kerch)、假丝微囊藻(M.pseudofila2 mentosa Crpw.)、史密斯微囊藻(M.s mithii Koma.),而鞘藻(Oedogonium spp.)、实球藻(Pancorina mo2 rum(Muell)Bory)、星型冠盘藻小型变种(Stephano2 discus astraea var.minutula(Kutz.)Grun.)、对对栅裂藻(Scenedes mus bijuga(Turp.)Lag.)、四尾栅裂藻(S.quadricauda(Turp.)Breb.)、单生卵囊藻(Oecystis solitaria Wittr.)、湖生卵囊藻(O.lacustis Chod.)、鼓藻(Cos marium spp.)等数量也较多。

1.4 现存量

2009年冬季,程海水华现存量为567.5～3264.2万个细胞/L,平均1374.5万个细胞/L;优势种数量为517.2～2754.7万个细胞/L,平均1150.1万个细胞/L,优势度76.9～92.25%,平均优势度83.7%,水华期间15个采样点平均现存量见图1。

图1中显示:水华现存量在北部湖心最低,而在欧阳村最高;大体分布规律是:湖南部高于湖中部和湖北部,湖东部高于湖西部,有时在湖东部和湖北部一些湖湾藻细胞数量较高,是由于风浪的缘故。

2 程海冬季水华暴发成因

2.1 营养物质的积累奠定了物质基础

20世纪80年代末期,程海流域森林覆盖率曾经一度降低至5.73%,经过天然林保护、退耕还林、小流域治理、长防工程、绿色扶贫、环湖生态防护林建设等工程项目的实施,流域森林覆盖率虽然回升至11.5%,森林植被逆向演替的趋势并未得到根本缓解,森林生态系统涵养水源、保持水土等生态功能薄弱,流域区水土流失严重,土壤侵蚀面积达流域总面积的61.59%,年侵蚀量78.4万t。每年雨季,大量污染物集中入湖,加之湖周农田废水、村镇污水、螺旋藻养殖业废水长期未经处理直接排放,极快地增加了营养物质的积累。

本次水体营养物质同步调查和分析结果显示,水华发生期间,水体总磷浓度0.019～0.091mg/L,平均0.055mg/L;可溶性总磷0.003～0.049mg/L,平均0.031mg/L;生物活性磷浓度0.011～0.034mg/L,平均0.022mg/L。总氮浓度0.558～1.274mg/L,平均0.759mg/L;可溶性总氮0.360～0.623mg/L,平均0.519g/L;硝酸盐氮浓度0.009～0.045mg/L,平均0.024mg/L;氨氮0.017～0.0173mg/L,平均0.075mg/L;生物活性氮平均含量0.035mg/L。程海水体TP、TN含量水平分别超过国际上公认的湖泊富营养化发生浓度(TN 0.30 mg/L,TP 0.03 mg/L)1.8倍和2.5倍,也就是说:程海水体营养物质含量水平和存在形态都不再成为藻类暴发生长的限制性条件[6]。

2.2 特殊水动力利于藻类最适营养条件的形成

程海湖盆基底构造复杂,湖盆发育数条南北向大断层和数十条不同方向的断裂,周围地区的地下水以向心状向湖盆区汇流,形成了6种浅层地下水类型和2种深层地下热水类型[7]。对各类型地下水、汛期地表水的联动作用,造成程海湖水运动显著,环流明显,垂直运动也明显,常出现“翻白水”、“翻黑水”现象。特别是秋末冬初以及春季,湖区盛行大风,湖水运动更加突出。湖水运动引起沉积于湖底的有机物再悬浮、再分配,加之进入冬季,恰逢大型水生植物衰退、分解、营养盐释放,持续的水体运动和营养物质流动,致使营养物质形态、分布、数量等条件形成为藻类最适营养条件。

2.3 适宜的水温和光照强度刺激藻类大量繁殖

程海地处金沙江干热河谷地带,其气候特点是四季不明显而干湿季分明。冬季在热带大陆性气团控制下,北方冷空气不易入侵,因而,天气晴朗,空气干燥,雨云量少,日照充足,较高的积温和水表温度(14～20℃),刺激铜绿微囊藻暴发性生长。

2.4 蓝藻上浮机制使其占领最佳生态空间

微囊藻生长期间,其多个个体形成不定型群体,以胶被相连,较大的群体有利于藻体上浮,占领最佳生态空间。程海冬季水华优势种还能形成伪空泡,使藻体自主沉浮,选择最佳物理、化学条件。这些竞争策略,都有利于其占据绝对优势。

3 水华控制对策建议

水华的暴发是湖泊富营养化的表征,是生态系统对富营养化的响应。以铜绿微囊藻为主的冬季水华暴发是程海湖生态失稳、生态功能退化、水环境进一步恶化、富营养化程度加重的结果。因此,程海水华控制需要一个长期的认识和实施过程。借鉴洱海“体制保证、机制健全、依法治湖、科学决策、综合防治、协调发展”的治湖经验,课题组建议,近期程海水华控制对策为:在建立和完善流域生态系统管理的基础上,全面推进削减污染物入湖量,增强湖泊生态系统功能。

3.1 建立和完善流域生态系统管理

3.1.1 开展宣传教育,提高全民的环境意识

要坚持不懈地宣传和贯彻执行国家和地方环境保护法律法规,增强全民对水体富营养化生态后果,特别是对螺旋藻养殖业危害性的认识。要建立相应机制,督促有关部门制定符合可持续发展的人口、资源、经济与环境政策,促使各级领导干部带头确保相关的政策和措施顺利实施,以带动湖区人民保护家园的自觉行动。

3.1.2 修改完善地方法规体系,加强执行力度

2006年修改通过的《云南程海保护条例》是程海管理法制化的依据,但其中并未解决程海保护与管理条块分割的现状。执行过程中,监督、管理不能与计划、实施实体分开,不能有效监督执行成效,有关富营养化的论述也很少,缺乏相应的行政法规和配套政策。目前为止,条例执行力度也明显不足,对保护程海起重要作用的“在一级保护区的界线上设置界桩”、“搬迁一级保护区内的永久性建筑和住户”、“污水达标排放”、“村镇截污”等措施还未全面付诸实践。建议近期应重点加强条例执行力度,时机成熟时修改完善条例。

3.1.3 建立程海信息系统,为科学管理程海服务

由于程海的地理位置和地质背景,水体中pH、F-、总硬度、矿化度等含量较高。程海水化学基本类型为重碳酸纳组第Ⅰ型水,而云南高原湖泊多为重碳酸钙组第Ⅱ型水,程海在云南省九大高原湖泊中个性特征突出。因而,在其他湖泊适应的管理方式和治理技术,在程海实施并不一定能取得预期成果。有必要通过持续深入的基础科学研究,掌握程海气候、水文、水质以及生态系统的动态变化资料,了解其生态系统的现状、发育阶段和发展变化趋势,建立集基础数据库、图形库、模型库、治理技术库和效果评估等为一体的信息系统,适应新时期湖泊科学管理的需要。

3.2 削减污染物入湖量

3.2.1 点源污染削减

程海湖区工业污染源类型相对单一,都为螺旋藻养殖废水。目前生产企业5家,皆分布于湖泊东南部,养殖面积约46hm2。由于螺旋藻养殖过程中使用NaCO3、NaNO3、NH4HCO3、KH2PO4等营养盐类,因此,螺旋藻养殖废水具有污染成分复杂、浓度高、废水排放量大而且不稳定等特点[8]。虽然历经多次攻关,但要做到水质达标排放或零排放,确实存在实际困难。建议加快推进云南永胜县螺旋藻养殖厂整体搬迁的工作进度,从根本上保障程海的永续利用和螺旋藻产品的质量安全。

3.2.2 面源污染削减

程海湖面源污染来源主要有:水土流失、村镇径流、农田径流、农田废弃物、畜禽粪便、垃圾等。水土流失治理方面,针对程海东侧刘家河到团山大河的山体中下部剧烈和极强度侵蚀区,东北面的马鬃山梁子至鸡冠山一带强度侵蚀区,湖周山麓和山体上部中度侵蚀区,应因其各自的特点采用适宜的工程治理与生物治理结合措施,在控制水土流失的基础上,继续想办法提高流域内荒山植被覆盖率和林地生产率。对于其他面源污染,建议加紧推进已完成的《程海流域水污染实施方案》工作进度,通过系统设计的村落污水收集处理系统、生态公厕、沼气池工程、村落垃圾收运系统、农田固废治理、太阳能推广等项目实施,达到年削减60%～65%面源污染入湖量的工程目标,尽可能避免重蹈污染物一旦进入湖泊,事后治理事倍功半的被动局面。另一方面,太阳能、生物新能源、生物肥料、废弃物循环利用以及农业产业结构的调整等措施都是控制农业面源污染的重要手段,应积极向纵深推进。

3.3 增强湖泊生态系统功能

湖泊生态系统是一个复杂的综合体系,它是盆地、面山、水体中的沉积物、各种有机物、无机物迁移、转化与生物体和生物群落相互作用的综合反映。程海湖生态系统的演变特征,既有自然环境和历史原因,又深深印下了近现代人口、社会、经济、管理、政策、法规乃至科学技术等烙印。因此,增强湖泊生态系统的功能,不仅仅只针对湖泊水体本身,更重要的是整个流域区的社会经济活动。课题组认为,增强程海湖泊生态系统功能,按程海自然地理条件,可大体上划分出盆地、面山、水体三个区域,各个区域应采取不同的生态对策。

程海南北盆地区是人口集中区域,该区域应着重于统筹协调人口、资源、环境与社会经济发展的关系,转变发展观念,创新发展模式,提高发展质量,防止环境污染;面山区以生态建设为重点,退耕还林、植树造林,封山固土,防治水土流失;水体内则以土著鱼类种群增殖为核心,建立复杂的食物网结构,通过全流域稳定有序的生态空间结构修复,实现湖泊生态系统整体功能的增强,以使得程海继续造福于人类。

[1]吴敬禄,蒋雪中.云南程海近500年来湖泊初始生产力的演化[J].海洋地质与第四纪地质,2002,22(2).

[2]吴敬禄,王苏民.云南程海富营养化过程的碳氮稳定同位素示踪[J].第四纪研究,2003,23(5).

[3]万国江,陈敬安.210Pbex沉积通量突然增大对湖泊生产力的指示——以程海为例[J].中国科学D辑地球科学,2004,34(2).

[4]王若南,钱澄宇.程海的蓝藻[J].云南大学学报(自然科学版),1987,9(1).

[5]王若南,钱澄宇.程海藻类植物调查研究[J].云南大学学报(自然科学版),1988,10(3).

[6]郑朔方.铜绿微囊藻生长的营养动力学[J].环境科学,2005,26(2).

[7]周钦.螺旋藻开发对程海水质的影响及对策[J].云南环境科学,1997,16(2).

Characteristics and Origin and Countermeasures of Water Bloom of Chengha iLake in theW inter

DONG Yun-xian1,J IN Yu2,HU Jin-qian3,GUAN Zhao-guo3,HE Xiong-xiang3
(1.Yunnan Institute of Environmental Science,Kunming Yunnan 650034 China)

The occurrence time and distribution and aggregation and dominant species and standing crop of water bloom of Chenghai lake in the winter is revealed.The accumulation of nutrient materials and special hydrodynamic and suitable water temperature and illumination are the main reasons resulting to bloom of Microcystis aeruginosa.There are three controlling measures put forward to decrease the harm of water bloom involving in streng the ningwa-tershed ecological system management and cutting down the discharging amount of the pollutants into the lake and promoting the ecological system function.

characteristics ofwater bloom;origin;control;winter;Chenghai

X52

A

1673-9655(2010)03-0028-04

2010-03-08