我國湖泊富營養化的發生機制
近些年來，因經濟的快速發展，資源利用強度加大，導致我國湖泊生源要素嚴重富集，生態系統退化，藍藻水華頻繁暴發，湖泊富營養化呈現迅猛發展的趨勢。研究湖泊富營養化的發生機制與控制對策，可為湖泊生態環境的整治提供理論基礎依據，也是我國基礎研究領域亟待解決的重大科學問題。
香山科學會議于2002年4月11～13日在浙江省湖州市召開了以“我國湖泊富營養化的發生機制與控制對策”為主題的第202次學術討論會。中國科學院武漢水生生物研究所謝平研究員、國家環保總局環境科學研究院金相燦研究員和中國科學院南京地理與湖泊研究所秦伯強研究員擔任本次會議執行主席。來自中國科學院、高等院校等單位的40多位專家出席了研討會。
富營養化（Eutrophication）一詞原用于描述植物營養物濃度增加對水生態系統的生物學效應，但富營養化很難嚴格定義，因為任何一個水體的營養性質的描述常常是相對于以前的情況，而且每個水體對營養鹽響應存在差異。
中國科學院陳宜瑜院士在“湖泊富營養化的定義和演化歷史重建”總評述報告中介紹了湖泊富營養化概念歷史沿革。形容詞 eutrophe、mestrophe和 oligotrophe最初被Weber (1907) 用于描述決定泥炭沼澤發展初期植物群落的營養狀態。Naumann（1919）則用這3個詞描述含有低、中或高濃度氮、磷和鈣的淡水湖泊類型。Lindeman (1942) 在其“The trophic-dynamic aspect of ecology” 經典之作中，認為富營養化是湖泊發展過程中的自然過程。此后，Vollenweider （1968）率先用磷和氮對湖泊的營養狀態作定量依據提出一個分類系統。OECD（1982）擴大了營養狀態劃分的指標，將葉綠素和透明度也包括進來，并用每個變量的組平均值和標準差，發展了一種邊界開放的系統。到20世紀中后期，當富營養化及其影響成為人們關注的問題時，其所指的是人為富營養化（artificial eutrophication），即由社會的城市化、植物營養物的工農業利用及其廢棄物的排放等所引起的。
談到發展湖泊富營養化治理技術時，他指出必須先弄清湖泊營養狀況的自然演化規律和趨勢是什么？目前該湖的富營養化程度是在加重還是在減輕？人類活動在哪些方面影響湖泊的生態系統？位于長江中下游地區在洪泛平原上發展起來的淺水湖泊，其營養本底在歷史上是否比較高，如果沒有人類活動的影響是否也會趨于富營養化等問題。他強調在推斷歷史上湖泊水體營養狀況的基礎上，要進行湖泊營養狀況演化歷史的重建。進行湖泊富營養化治理時，同時要考慮湖泊營養本底的情況，在重視湖泊外源性污染控制的同時，重視湖泊內源性的污染的控制。
會議就生態系統對于湖泊富營養化響應研究；淺水湖泊的營養本底與內源污染釋放機制；湖泊富營養化治理與流域管理；藍藻水華暴發機制研究等四個中心議題進行深入的學術交流和了熱烈的自由討論。
謝平研究員做了題為“富營養化對湖泊生態系統結構的影響與反饋”的中心議題報告。他指出，富營養化治理的巨大困難，使人們不得不重新認識水體富營養化與水生態系統的極為復雜的相互作用關系，特別是在淺水湖泊，這種相互作用機制對富營養化的表現形式和進程可能更為重要。他探討了水體富營養化與湖泊生態系統結構和功能可能的相互作用機制：
1）水體富營養化的成因及水體營養類型的劃分；
2）富營養化對湖泊生態系統結構的影響；
3）生態系統結構變化對湖泊富營養化的反饋；
4）水體富營養化與水環境安全，重點關注藍藻毒素特別是微囊藻毒素的產生、遷移及其對人類飲用水源安全的影響。
秦伯強研究員探討了“太湖沉積物懸浮動力機制與內源釋放的概念性模式”。他說，我國長江中下游地區的絕大多數湖泊是淺水湖泊，都面臨著富營養化。在淺水湖泊的富營養化治理方面，底泥內源負荷量、內源釋放問題一直是一個有爭議的問題，也導致對許多削減營養負荷的措施，如底泥疏浚等頗存爭議。他強調，湖泊沉積物的懸浮對湖泊的內源釋放、水體的透明度并進而對初級生產力產生嚴重影響。他以太湖為例闡述了淺水湖泊中動力作用與泥沙懸浮影響，并在此基礎上估算了太湖內源動態負荷的數量，提出了有關大型淺水湖泊內源釋放的概念性模式。
金相燦研究員在題為“我國湖泊富營養化發生機理與控制技術” 的中心議題報告中分析了我國湖泊富營養化的現狀和發展趨勢，指出中國多數城市湖泊水體已處于嚴重富營養化狀態；大部分中型湖泊也進入富營養化狀態，部分已達重富營養化；五大淡水湖也具備了富營養化發生條件，太湖和巢湖已進入富營養化狀態。湖泊水質惡化，生態系統遭到破壞。根據湖泊污染和富營養化控制的經驗，他提出以控源(控制污染源)和生態修復相結合的湖泊富營養化控制對策。
中科院水生生物所劉永定研究員以“淡水水體的藍藻水華”為題，介紹了藍藻水華的基本概念、分類和確定藍藻水華形成的指標、世界上和我國藍藻水華暴發的情況，討論了藍藻水華的暴發機制。按目前已有的研究結果，藍藻水華暴發一般有生物學機理和非生物學機制。生物學機制包括正常的和非正常功能的內在因素以及化學調節、生理需求、營養競爭、食物鏈的生態相關性和外部入侵的外在原因；而非生物學因素包括物理因素、化學因素的驅動作用以及抑制作用。
中科院海洋研究所周名江研究員以“海洋中赤潮的發生機制與原因分析”為題，對我國的有害赤潮的發展趨勢、相關研究進展及對策進行了綜合評述。華東師范大學陳吉余院士在發言時指出，湖泊污染會產生海洋污染。對于河口，流域是源，河口是匯，也有外源和內源。浙江大學理學院唐孝威院士在發言中認為，湖泊富營養化下底泥沉積物與人類活動密切相關，是個的多因子復雜的動態系統。
會議從我國實踐情況出發，剖析了我國淺水湖泊富營養化的特點、生物化學和生態演化過程與發生機制，以及湖泊富營養化產生的生態學原因和經濟的社會的原因，深入探討了在認識湖泊富營養化與生態系統退化的機理以及探索湖泊富營養化的有效控制技術和方法方面面臨的科學技術問題。
1 、水生生態系統對湖泊富營養化相應機制
富營養化是自然演變過程，但不能忽視人類活動對富營養的促進作用。湖泊富營養是一個狀態，而富營養化指的是一個過程。湖泊富營養化是人類社會活動對湖泊的影響導致的湖泊自然演變過程的濃縮。另有人認為，水華暴發是生態系統對富營養化的響應。
關于氮和磷導致湖泊富營養化和藍藻水華暴發問題。有不同見解：
1）湖泊磷含量較低時，有可能成為導致富營養化和藍藻水華暴發的限制因子。
2)磷的含量急劇增加時，pH，水深、溫度、光照、波浪、風和生物因素等其他因子中的一種有可能成為新的限制因子。
3）我國農業和生活發展水平，決定了向水體輸入的氮和磷的影響還將在很長一段時期內存在。需要建立適合我們國家的標準，并確定相關的概念。
我國的富營養化標準不能簡單地套用歐洲的標準，特別是淺水湖泊，不能簡單地用透明度等來劃分。目前富營養化的量化、定義尚不明了，沼澤化與富營養化的差異，以及用什么指標(N,P,C,Si,Ca)來指示湖泊富營養化的程度等問題也值得討論。需要加強對重點湖泊的長期觀察，獲得基本數據以準確定義。歐洲的湖泊都有非常完整的長期觀測資料，記錄了從開始富營養化演替為貧營養化的過程，值得借鑒。必須明確目前經濟條件下的控制策略。污染治理最重要的是削減污染源的排放。控源是第一位，生態系統的修復是第二位。重視水庫生態系統的穩定，保持水庫良好的水質與環境。
2、淺水湖泊的營養本底與內源污染釋放機制
水動力學條件與作用。藍藻水華爆發常常跟隨一次較大的風浪，可能是由于水動力作用引起沉積物懸浮，促使底泥中氮和磷的釋放，同時又可能使藍藻細胞從底泥中釋放。需要建立一個多因素的動態的模式，幫助確定湖泊底泥中磷的釋放機理。需要建立一個合適的模式，進一步研究湖泊營養鹽顆粒態的再懸浮和再沉降對富營養化的綜合效應。必須重視微生物和水生生物的影響。微生物和酶能分解環境中有機物，因此有機物濃度高也可能是引起藍藻暴發的因素之一。湖泊底泥中營養鹽是源還是匯？需要通過對不同的區域不同情況（有無底泥和高等植物等）進行長期的監測。關注有機態的碳、氮、磷在整個底泥循環過程中的作用機理。武漢東湖近年發生的甲藻水華，其引發因子就是有機碳。植物產生信息因子等有機物還需要進一步研究。底泥疏浚治理富營養化湖泊問題。是否需要疏浚，不能一概而論，疏浚的方法也應有所不同。迫切需要建立統一標準來衡量某個區域的底泥量以及釋放量，制定相應的政策，統籌規劃管理。
3、湖泊富營養化治理與流域管理
富營養化的研究重點和控制重點概念不能混淆。湖泊富營養化的研究要從整個湖泊的控制、管理、工程等總體考慮。必須首先對湖泊的外源和面源污染的控制，其次才是去除內源污染負荷、工程修復和生物修復等。重視點源和面源污染控制，進行生態系統的恢復和重建。內源污染不斷富集情況下，重點要控制內源性負荷問題，揭示內源釋放的機制；同時要加強對湖泊富營養化面源問題的研究，發展生態恢復相關的理論。藻型湖泊的改良。淺水湖泊可用生態結構改造的方式，以水草代替藻類，構建一個立體生態系統達到生態修復的目標。其中關鍵需要創造適宜的環境,采用環境改善技術，提高透明度和降低水深。注意湖泊生態修復可能引發的問題。生態濕地修復過程中，植物有機物積累過程可能產生病原菌污染，促使產生大量生物量積累腐敗進而加速湖泊沼澤化的進程。利用高等植物進行湖泊治理工程可能帶來生態健康問題。生態系統改良中如果利用外來種，應重視其生態安全性。另外，在利用水生蔬菜構建的人工濕地并作為蔬菜進入食物鏈時，需要考慮健康的敏感問題。目前的污水排放對湖泊的影響現狀令人擔憂。那種以為點源的問題已經基本解決的觀點是不切實際的。很多工業污染源并沒有徹底地進行治理，整個湖泊仍然受到大量點源的污染。
湖泊生態恢復是個漫長過程，不會一蹴而就，需要一個長期的認識和實施過程。一個湖泊富營養化緣于其生態系統已完全破壞，是個生態病。從自然規律看，生態恢復本身往往需要十分漫長的過程，不能指望在短期內能看到實際效果。對于這一自然規律要逐步讓管理層接受，不能僅僅關注短期效應。科學家要認識到富營養化治理的艱巨性，力爭在理論性認識上獲得重大突破。發達國家的湖泊同樣有過貧營養-富營養-貧營養的過程，因此我們要對湖泊富營養化治理有信心。
4、藍藻水華暴發機制
藍藻水華的暴發與其生理特性有關。藍藻水華暴發可能是個上行效應，外部環境的改變導致了水生生態系統的變化，在不同的營養等級條件下，藍藻水華的爆發機理有可能是不一樣的。關于水華藍藻暴發機理研究方法。目前對生物學誘發機理研究深度還不夠。暴發機理的核心問題應當是基因片斷。機理研究要由簡到繁，再由繁到簡。有不同層次，從宏觀到分子水平。需要從分子生物學、生理學、生態學、互動生物學等學科交叉上尋找突破點。藍藻水華暴發的預測。目前已有的生態模式太多，太復雜，可以建立簡單的數模。研究手段不能停留在監測上，水動力學實驗要加強示蹤實驗。湖泊的預警機制不能僅僅在于水體本身，而是要與流域的經濟活動相聯系起來。
應該借鑒海洋赤潮的相類似的研究方法，加強聯合研究與協作。赤潮發生的現象和機理與藍藻水華的暴發有很多相似性。各部門和有關單位業已開展的基礎研究或者應用技術和工程，應該聯合起來，數據要共享。要努力搞出自己的東西，滿足目前國家需求。
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