1蓝藻的运动
1．1垂直运动
   大多数淡水蓝藻水华的物种为微囊藻(Microcys—tis)，鱼腥藻(Anabaena)，束丝藻(Aphanizomenon)，胶刺藻(Gloeotrichia)，鞘丝藻(Lyngbya)和颤藻(Oscil—latoria)，虽然湖泊中的这些蓝藻全年都可能出现，但一般只在夏末秋初时达到水华的程度。许多形成水华的蓝藻具有气囊，可以在水体垂直方向移动。
图1给出了蓝藻细胞及其气囊在水体中受压的示意图。
图2是水花束丝藻和盐生舟形藻气囊的电子显微镜照片(150 000×)。
    蓝藻在水体中的位置受两种机理控制。第一种是与蓝藻增长率相比较，气囊产量的稳定状态。当蓝藻沉入水中，光强随下沉深度减弱时，蓝藻气囊的生产速率大于蓝藻增长速率；每个蓝藻细胞的气囊数量增加，使其上浮。相反，当藻类上浮光强度增加，蓝藻细胞生物量增长速率大于气囊产生的速率，气囊减少使藻类细胞下沉。第二种机理是随着光合作用的增加，激发光合产物(photosynthate)分子的渗透活性，导致细胞膨压(t)(turgor pressure)增加，较弱的气囊破裂，蓝藻细胞失去上浮能力。藻类下沉直到光合作用和分子渗透活性减弱，渗透压降低，藻类气囊产量增加，向上浮动。蓝藻能够在低光强下增加细胞气囊的特点，使藻类群落能够占据湖泊的富光区域(例如水面)；而在高光强下减少细胞气囊，避免了蓝藻本身在水面聚积和紫外线的杀伤。在静风时，由于上升水流(upwelling currents)或过度上浮，蓝藻有时也会在水面聚积。其实，近水面的环境十分不利于藻类生存；水华形成之后，蓝藻很快光氧化死亡(undergo photooxidative death)。
1．2水平运动
    藻类水平方向的移动与风引起的水流运动有关。大约3 m／s的风速可以使小湖泊表面水层水平漂移，驱使藻类向湖泊下风向区域聚积。在较大的浅水湖泊，风引起湖水水平循环，藻类最高浓度可出现在水平循环的中央。富营养化或污染湖泊的水层随风漂移能够迅速聚积藻类、飘浮垃圾或死鱼，造成水体污染。
jiulia - 2009-9-7 11:15:00
太湖北部蓝藻水华暴发时，在夏季盛行风推动下，漂浮的席状水华由大太湖漂移进入位于太湖北部的梅梁湾，使湾内的水华加剧。白晓华等人对2004年夏季太湖北部发生席状水华的6天分别计算了水华风力漂移入湾量，其中5天水华由大太湖向梅梁湾漂移，面积占整个梅梁湾面积的3．7％ ～13．3％ ，达4．8～17．4 km2。朱永春等人研究了太湖梅梁湾在不同风场作用下藻类在湖泊中的迁移过程。模拟结果表明，不同风场对于藻类在湖泊中的水平及垂直分布影响很大，并存在着一临界风速，其范围在2～3 m／s之间；当风速小于临界风速时，水面可以拟看作水动力学光滑，没有波浪产生，在水表面藻类顺着风向迅速的向迎风岸边漂移，形成藻类大量堆积。
1．3小结
    蓝藻是可以运动的。相当一部分蓝藻具有气囊，这个特殊结构使其可主动的进行垂直运动；也有的垂直分布与上升水流有关。藻类的水平分布则主要与水流、风力和风向、表面水层漂移有关。
假设湖泊面积为100 km2，水体蓝藻的平均浓度为10ug／L(a)。在静风条件下，分布在水深4 m的蓝藻向表面移动，聚集在0．04 m厚的水面，形成可漂移的水华水层(b)。在有风的条件下，100 km2生成的蓝藻向10km2 堆积(C、d、e)，形成了蓝藻水华灾害。此时，在10km2上堆积的蓝藻浓度被提高了1000倍，藻毒素的含量也可能成百倍的提高。
这个例子告诉我们，湖泊一旦暴发大规模全湖性的蓝藻水华，在下风向某处水面堆积就会发生蓝藻水华灾害，该区域几十亿甚至上百亿的投资也奈何蓝藻不得。

2藻类增长
2．1在实验室条件下的增长
    一般说来，在实验室条件下藻类增长分五个阶段：
(1)缓慢增长(1ag)
在实验室条件下，当被培养的水体移人试验容器时，都会出现这个阶段；
(2)指数增长(exponentia1)
如果实验环境、营养物和空间尺度都不受限制，藻类会进人指数增长阶段。这个阶段藻类增长速率最高，几乎是一直线。我们要特别注意这个阶段(直线)的两个极端点：N1和N2，其增长率为：

K′= Ln(N2／N1)／(t2一t1)
其中 N1和N2是在时间t1和t2的生物量。
当藻类的增长速率已知时，可以计算每天藻类分离的次数(Div)和成倍增长的时间(Gen′t)：
Div／day= K′/Ln2
Gen"t=1|(Div／day)
(3)增长率下降(declining growth rate)
由于藻类大量增长，营养盐和二氧化碳成为限制因子使藻类增长率下降。由于藻类过度增长，藻类细胞相互遮盖(self．shading)，光强也会成为限制因子。
(4)停滞增长(stationary)
在此阶段藻类增长率为零，数小时之内藻类会发生剧烈的生物化学变化。
(5)死亡(death)
当藻类的代谢不能维持，群落就进入死亡阶段；由于死亡阶段非常迅速，通常称为“崩溃”。死亡的藻类失去色素淀积(pigmentation)，或是被冲走，或是堆积覆盖在水面，引起水体缺氧和更多的藻类死亡。
2．2在自然条件下蓝藻的增长
    束丝藻(Aphanizomenon)在4月末5月初进入指数级增长阶段，一个月的时间内细胞数量达到顶峰；而鱼腥藻(Anabaena)和微囊藻(Microcystis)则在9月份进入指数级增长。Clear湖蓝藻的这种增长和演替，很大程度上改变了湖泊的营养状态；因为束丝藻(Apha—nizomenon)和鱼腥藻(Anabaena)都是具有固氮作用的蓝藻，而夏季由于湖底缺氧造成氨氮的释放，抑制了蓝藻的固氮作用。
2．3藻类水华的控制时机
   了解藻类在水体中的增长规律对控制藻类水华有重大意义；发达国家在运用藻类增长规律，制定藻类水华安全预警值方面有许多经验。澳大利亚对城市水体的研究结果表明，在水温20℃ 的理想条件下(实验室培养)，蓝藻密度在14～ 46 d内可以达到“暴发”水平(27 000个／mL)。为了安全起见，藻类“水华”安全预警值(N1)一般不高于15 000个／mL。对于娱乐水体，当微囊藻(Microcystis aeruginosa)> 50 000细胞／mL(NHMRc，2005)或所有蓝藻>30 000细胞／mL时，则应采取第一级行动(Action Level 1)。
图9给出了蓝藻在两个不同生长速率( u= 0．1／d和 u=0．3／d)和两个不同起始细胞数量(1O0个／ml和1 000个／m1)时，蓝藻群落增长的预测和相应的警报级别。在自然水体中，尤其是天气较热时，蓝藻群落往往会在不到两天的时间内增长一倍(u= 0．35／d时)；监测频率和预防措施需要将藻类这种快速增长的特点考虑在内。图9还告诉我们，在蓝藻起始浓度不高的时候进行早期预防，即便蓝藻生长速率较高，我们仍然有相当的时间实施控制。
jiulia - 2009-9-7 11:28:00
2．4小结
    从理论上讲，藻类是水生生态系统中的初级生产力，其第一阶段的增长过程是正常，也是生态系统中必不可少的组成部分。假设藻类增长至N2点暴发水华，那么N1点就是藻类水华早期预防的预警点，即藻类增长早期控制措施应该在N1点附近实施。N2点则是藻类水华的预警点，应当启动应急处理措施，减少藻类水华带来的不利影响。实际上，藻类增长的过程给了我们早期预防和控制的实施时间和浓度范围；只要抓住N1至N2的时机，就有可能控制藻类的过度增长。目前采取的多为藻类水华形成之后的技术措施，例如捞藻。有人宁可花1000万人民币去购买打捞船，却不愿意花100万人民币去研究蓝藻早期预防的方法，这种做法不可取。
3早期预防和控制蓝藻水华的若干技术
     大规模控制蓝藻水华的技术很多。由于篇幅限制，这里主要介绍与蓝藻水华早期预防和控制的两类技术，不能盖全，但却可以从中得到启示。
3．1用于蓝藻水华早期预防和控制的水力调控技术
   (1)调水稀释(Flushing)技术
   调水稀释是一个大家熟悉的技术。早在20世纪60年代美国华盛顿州西雅图的绿湖(Green Lake)就采用调水稀释的方法，将14个月的水力停留时间减少到3个月，使水体表层硝酸盐氮和叶绿素大幅下降，透明度上升了近3m，消除了蓝藻(Aphanizomenon)水华现象 。Marten Scheffe和Hosper等人认为，(a)调水稀释对控制蓝藻水华特别有效(图11上)；(b)即便是高营养物含量的来水，只要强度足够，也可以有效控制水华；(c)冬季藻类浓度较低时，调水稀释起的作用更大。

最近几年的研究成果表明，控制水体的水力停留时间仍然是有效控制藻类过度增长的有效方法。一般水体每天更换10％～15％的总体积水量，中型水库每3O天更换一次水，就能够有效控制水体的藻类水华。
   (2)水库分层控制技术
   水库一般都有温度分层(thermocline)现象，高浓度的营养物质在缺氧的底层(anoxic layer)累积。夏季从B泄水可以减少水库的营养负荷，有效防止由于上下水层交换引起的蓝藻水华。从A泄水则类似调水稀释，减少蓝藻在单位水体中的数量。水库分层控制的方法很容易改变水库的营养状态和热容状态，也可能对下游水体造成不利影响(例如从水库底层排放高营养物的水，通常含有有毒的硫化氢)，使用时要经过较为精确的计算和模拟。
我国东部平原湖泊大部分属河碛湖和海碛湖，多是与大河相通的浅水湖泊；新建的大中型水库一般都有多个不同高度的泄水闸口。外国成功的经验告诉我们，利用其水动力条件改变湖泊水库的营养状态和生物地球化学过程，从而大面积控制湖库的富营养化和蓝藻水华是完全可行的。需要指出的是，用于藻类水华早期预防和控制的调水或调度技术和与水利运行是不同的，其成功与否的关键在于掌握藻类增长和营养物变化的规律。单单按照水利要求进行水力调控，往往难以奏效；但在许多时候两者可以很好地结合起来。
   3．2用于蓝藻水华早期预防和控制的化学技术
   (1)络合铜除藻剂的生态安全性
与其他除藻剂相比，铜的杀藻作用有效、稳定、价格低廉、且对人体健康的毒性作用低，这些特点使铜类化合物成为美国控制藻类生长的首选除藻剂。尤其是在那些作为饮用水源的水库或蓄水区，可以不考虑铜对鱼类的毒性作用，铜类化合物则成为几乎唯一的除藻剂。但硫酸铜对水生生物乃至对水生生态的影响，不容忽视；这使得络合铜杀藻剂的试验研究有了长足的进展。      Murray—Gulde等人对三种铜除藻剂的有效性和安全性做了系统的试验研究。表1和表2给出了他们的实验结果。以Clearigate为例，它对绿藻(Raphido—celis subcapitata)的临界负担是7．9 ugCu／mg；如果施放浓度为1 mgCu／L，可以有效控制藻类增长的最大细胞密度估计为3．7×10 cells／ml。在他们的研究中，最短的铜类杀藻剂半衰期为2．6 d，表明铜类杀藻剂对非目标物种的长期累计影响可以不考虑，而最初暴露24 h的毒性作用则应当重视。
Mastin和Rodgers的研究证实了，与硫酸铜比较，络合铜杀藻剂对非目标物种具有高的安全性，其中以Cu—trine—Plus为最高。试验结果还表明，大型蚤(D．magna)是四种试验动物中最敏感的物种。无论是哪一种动物，其安全边际都是足够的。
   (2)络合铜的除藻效果
   美国密苏里州Greene郡McDaniel湖于2000～2002年暴发蓝藻水华，2003年起采用络合铜Cutrine—Plus控制蓝藻增长，蓝藻密度箱内(box．plot)数据(P=25％ ～75％ 的数据)连续三年(2003～2005年)低于10 000个／升(图13上图)，基本消灭蓝藻水华；居民投诉电话也大幅下降。
事实上，2000年以后美国在采用络合铜控制饮用水库蓝藻水华方面的研究和应用颇多。特别是Clemson大学的John Rodgers教授，在阿里桑拿州Water Ranch湖和德州Whitney湖的研究证明，低浓度的络合铜完全可以控制藻类的增长。
   (3)铜在环境中归宿
   铜在环境中的归宿是生态学家格外关心的问题。硫酸铜制作的除藻剂，进入水体后形成的铜离子会很快转化为溶解度很低的碳酸铜或氢氧化铜而沉淀，降低除藻剂的效率。Liu等人的研究指出，投入到一个养鱼塘的二价铜，百分之九十以上在约两分钟时就与养鱼塘中悬浮颗粒结合起来，几乎所有的铜在两天内都会被转移到底泥当中。与此相反，铜络合物在水环境中相当稳定，不易与水中其它粒子结合，投入水体后的作用时间可以比硫酸铜延长5倍以上。2006年6月18日在密苏里州McDaniel湖测量水体残留铜的结果表明，在施放络合铜一周后，铜在水体中的浓度就达到密苏里州自然资源管理部门的要求；10～12 d之后，水体中的铜低于检测限。
美国使用铜类化合物作为除藻剂已经有好几十年了，不少湖泊特别是饮用水库常年施加铜制剂。各种资料表明，除藻剂中的铜基本上都进入到水体的底部淤泥中，不会再返回到水体，也不对鱼类或者藻类继续发生毒性作用。美国威斯康星州的曼兜涟湖(Mendota Lake)在26年的期间，为控制藻类生长承受了771 t的铜。华盛顿州的斯帝娄克末湖(Steilacoom Lake)在1990年的底泥铜测试值为1 025 mg／kg，然而水体中的铜浓度并不很高，现在仍然需要用除藻剂压制藻类生长。美国目前没有全面的底泥污染物基准，华盛顿州自己的底泥铜基准值为390 mg／kg，与我国农田土壤中铜的三级标准(400 mg／kg)相当。
    实际上，络合铜除藻剂对底泥的影响极其有限。根据一些专家的粗略计算，采用浓度为50 ppb的络合铜溶液控制蓝藻，每平方公里的水面的施加量为100 kg铜，在底泥中铜的增加量约为0．2 ppm。上海淀山湖底泥中的铜为1O．89 ppm和24．39～26．33 ppm，如果连续五年按50 ppb络合铜的水平控制蓝藻增长，底泥中铜的含量最多增加1 ppm。而连续五年不暴发蓝藻水华，不仅极大地减少了藻毒素对饮用水可能产生的影响，也为湖泊的生态恢复和休养生息争取到了宝贵的时问。
3．3小结
   用于控制蓝藻过度增长的技术其实不复杂，调水稀释和化学技术都是蓝藻水华早期预防的有效手段。过去，凋水稀释仅仅是作为应急手段，我们忽视了它降低藻类数量、改变藻类运动方式和水体营养物状态的作用。化学技术几乎是一个谈虎变色的禁区，我们抹杀了用ppb级水平的铜换来饮用水源安全的巨大效益。国外成功的经验告诉我们，只要我们掌握了蓝藻的增长规律、运动方式和成灾过程，采取早期预防技术路线和大面积控制手段，消除蓝藻水华对饮用水源的威胁，降低蓝藻水华带来的其他负面影响，是完全可能的。
jiulia - 2009-9-7 11:28:00