太湖湖泛形成研究進(jìn)展與展望*

范成新

(中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210008)

太湖湖泛形成研究進(jìn)展與展望*

范成新

(中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210008)

摘要：回顧近些年對(duì)太湖湖泛形成的研究進(jìn)展，參考國外關(guān)于黑斑和缺氧現(xiàn)象的相關(guān)研究成果，重點(diǎn)從湖泛的感官特征與描述、缺氧與污染效應(yīng)、湖泛形成的物質(zhì)和氣象條件，以及微生物和底泥作用等方面，進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，總結(jié)出湖泛發(fā)生條件與生消過程.從基本屬性方面，歸納出湖泛是指在適當(dāng)?shù)臍庀蠛偷匦蔚葪l件下，富營養(yǎng)湖泊局部水域因長時(shí)間聚積大量藻體或水草等生物質(zhì)，在微生物和底泥參與下，形成邊界可辨、散發(fā)惡臭的可移動(dòng)黑色水團(tuán)，并導(dǎo)致水質(zhì)惡化和一些生物死亡的極端污染現(xiàn)象的定義.文章最后從湖泛研究的新技術(shù)、新手段，沉積物有效成分提供機(jī)制，湖泛發(fā)生的關(guān)鍵參數(shù)閾值確定，以及致黑致臭物穩(wěn)定性機(jī)制等方面，對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行了展望.

關(guān)鍵詞：湖泛；湖泊缺氧；形成條件；生物質(zhì)；沉積物作用；生消過程；太湖

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50979102)和江蘇省太湖水污染治理專項(xiàng)(TH2013214)聯(lián)合資助.2015-03-31收稿.范成新(1954~)，男，研究員；Email：cxfan@niglas.ac.cn.

2007年5月底，發(fā)生于太湖梅梁灣和貢湖交界區(qū)水體的黑臭事件[1-3]，造成無錫市數(shù)日無飲用水供應(yīng)的社會(huì)群體性恐慌.該起事件雖主要由藻類引發(fā)，但事發(fā)水域湖水泛黑發(fā)臭，魚類(包括泥鰍)漂浮，與魚池“泛塘”極為相似，使得一個(gè)最先用于媒體[4]的新詞匯——“湖泛”出現(xiàn)，并由俗稱逐步認(rèn)同為科技術(shù)語[5-10].由于色度上與周圍水體具有肉眼可辯的輪廓，湖泛也被稱為“污水團(tuán)”[1，11]、“黑水團(tuán)”[12-13]；此外考慮水體普遍有刺激性惡臭，故還稱為“黑臭”[14]等.實(shí)際上，類似湖泛的現(xiàn)象2007年前就曾零星發(fā)生*中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所、太湖流域水資源保護(hù)局，太湖黑水團(tuán)易發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)研究報(bào)告.2009-05-30..據(jù)歷史記載，1990年6月(黿頭渚)、1994年6-7月(梅園水廠南)、1996年7月(大渲口)、1998年8月(大渲口)、2000年7月(漁港鄉(xiāng))、2002年7月(大渲口)、2003年8月(月亮灣)、2005年6月(竺山湖)都曾發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象.自2007年以來太湖幾乎每年都會(huì)在局部水域發(fā)生湖泛，其中2008年發(fā)生的最大面積約為17 km2[5]， 2009年發(fā)生了11次[15].為防治湖泛災(zāi)害，近些年來國家和地方投入巨資對(duì)湖泛的形成、預(yù)測(cè)和控制等進(jìn)行了大量研究，這也使得湖泛黑臭成為湖泊研究的熱點(diǎn)之一[16-17].為推進(jìn)對(duì)湖泛問題的深入研究，本文擬重點(diǎn)對(duì)湖泛形成研究進(jìn)展進(jìn)行回顧性系統(tǒng)總結(jié).

1 湖泛的感官特征與描述

水體的視覺變化給人們的感受最為直接，因此對(duì)于湖泛現(xiàn)象也主要來自人們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)基于視覺感官的文字描述[5]或影像記錄[18].在湖泛發(fā)生區(qū)，水體渾濁呈黑色或漿褐色，表層有氣泡冒出，與非湖泛區(qū)水體有較清晰的邊界，有團(tuán)狀形態(tài)，具移動(dòng)性；水體普遍伴有似硫化氫等惡臭[1-2，5，19-21].通過感官獲得的信息一般難以獲得對(duì)黑和臭的程度進(jìn)行定量甚至定性結(jié)果.劉國鋒等[22-23]用X射線能譜法分析太湖湖泛水體不同形狀結(jié)晶物，對(duì)純粹為黑色物質(zhì)、結(jié)晶體顆粒、絮狀結(jié)晶等測(cè)定，均發(fā)現(xiàn)有一定量的Fe，其中絮狀結(jié)晶中的含鐵量高達(dá)29.91%，而結(jié)晶體的顏色、厚度和S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān).結(jié)合致黑金屬硫化物溶度積Ksp分析，初步推斷硫化亞鐵(FeS)是太湖湖泛的主要致黑物質(zhì).申秋實(shí)等[24]采用掃描電鏡-X射線能譜與X射線熒光光譜，分析出Fe和S元素主要以還原態(tài)Fe(Ⅱ)和S2-形式賦存，致黑物FeS沉淀物主要附著在藻類殘?bào)w和懸浮無機(jī)或膠體顆粒上，從而使得整個(gè)水柱呈現(xiàn)黑色.這與丁琦等[25]對(duì)某人工湖水體發(fā)黑分析，推斷為膠體懸浮顆粒對(duì)FeS的吸附是主要原因的結(jié)論相一致.

除了視覺感受外，嗅覺也是人們?cè)u(píng)判水體性質(zhì)的主要現(xiàn)場(chǎng)感官.于建偉等[2]最早開展太湖湖泛水體中致臭物成分的分析，利用感官氣相色譜法定性和GC-MS定量，分析出污染水團(tuán)(湖泛)、取水口以及管網(wǎng)水中的致臭物主要是硫醚類物質(zhì)，其中二甲基三硫醚(DMTS)濃度最高達(dá)11399 ng/L，2-甲基異莰醇(MIB)等常見藻類分泌物為非主要致臭物.盧信等[26]應(yīng)用頂空固相微萃取技術(shù)，確認(rèn)含硫氨基酸是太湖湖泛致臭揮發(fā)性有機(jī)硫化物(VSCs)的主要前驅(qū)物(precursor)，依據(jù)藻體中存在蛋氨酸和胱氨酸等含硫氨基酸，進(jìn)一步用藻體中主要含硫氨基酸(蛋氨酸)作為前驅(qū)物，研究厭氧光照和生物變化條件下，伴隨蛋氨酸脫氨基作用生成VSCs的脫甲硫基過程，證明了藻體是硫醚類致臭產(chǎn)物的主要來源[27].水體逸出無機(jī)類致臭物硫化氫(H2S)的現(xiàn)象，由現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)模擬多次測(cè)獲.同屬單細(xì)胞低等生物的大型水生植物(俗稱水草)的大量聚集，同樣可能發(fā)生湖泛，稱“草源性”湖泛[27-29]，也會(huì)使水體發(fā)黑、發(fā)臭，其主要致黑、致臭物與藻源性湖泛極為相似[29]，但使水體發(fā)黑的程度和產(chǎn)生的致臭物濃度明顯較低[27].

與湖泛特征描述相似的詞語主要有black water(黑水)和black spot(黑斑)等，其研究起自于1980s前后.1979年Stahl報(bào)道了美國伊利諾斯州一個(gè)湖泊因夏季溫度分層造成3~5 m水層處的黑水現(xiàn)象，推測(cè)受FeS影響[30]；巴西境內(nèi)亞馬遜地區(qū)的Lago Tupé湖因大量有機(jī)負(fù)荷的生物耗氧，結(jié)果造成水體發(fā)黑[31]，但發(fā)黑的原因是腐殖類物質(zhì). Duval & Ludlam[32]則報(bào)道了美國馬薩諸塞州的Lower Mystic湖水體黑臭問題，認(rèn)為金屬硫化物是黑水的原因，H2S則是主要致臭物.有關(guān)黑斑的成果主要來自于對(duì)德國的瓦登海(Wadden Sea)和意大利Garda湖的研究.1987年被德國科學(xué)家稱作black spot的分散性黑斑在近岸沉積物或潮灘上被發(fā)現(xiàn)[33]，長期觀察和原位實(shí)驗(yàn)得知，潮灘沉積物上的黑斑與藻類被掩埋有關(guān).風(fēng)暴和潮汐將死亡藻類掩埋于沙礫后厭氧形成，模擬絲狀綠藻或淀粉的原位掩埋5~15 d后變黑的結(jié)果，證實(shí)對(duì)大型藻類的掩埋是產(chǎn)生黑斑的主因[34].黑斑現(xiàn)象并非為富營養(yǎng)化水體所獨(dú)有，在貧中營養(yǎng)的意大利Garda湖濱岸，因紫晶喇叭蟲屬原生動(dòng)物與小球藻(Chlorellasp.)的共生，磷含量較高的岸邊小球藻暴發(fā)性生長繁殖，在該湖岸邊形成點(diǎn)狀黑斑[35].2011年9月3日在云南撫仙湖陽光海岸至澄江一線的岸邊湖面，發(fā)現(xiàn)非油污性黑色漂浮物，初步認(rèn)為是來自水底物質(zhì)的上翻[36].

直接用black water[30]作為黑臭用詞往往會(huì)產(chǎn)生歧義，black spot則相對(duì)使用較廣，且已成為廣泛接受的術(shù)語[9，12，33-35，37]，但black spot所描述的現(xiàn)象卻與太湖湖泛現(xiàn)象有較大差別.如瓦登海淺灘上的黑斑都是在沉積物表層發(fā)黑，涉及水體面積為幾dm2到幾m2不等[38]；而太湖湖泛主要發(fā)生于水中，發(fā)生面積一般較大(以km2面積計(jì))，且成片(或成團(tuán))分布于水域，無分層；有機(jī)致臭物主要為硫醚類和硫化氫，這與以dm2和m2面積計(jì)的black spot(s)在規(guī)模上差異明顯，與僅為有機(jī)質(zhì)顯黑、主要為H2S發(fā)臭的black water[30]在黑臭組成上也有很大不同.隨著我國湖泛研究投入的加強(qiáng)，已迅速出現(xiàn)一大批圍繞湖泛監(jiān)測(cè)的科研成果.在關(guān)于“湖泛”的英文表達(dá)方面，先后出現(xiàn)foul bloom[3]、black water agglomerate[39-40]、black spot(s)[9，12，37]、black water cluster[5，10]、anaerobic water aggregation[7]、black water aggregation[41]、black-odor[42]、black bloom[6，18，43-44]、black-odor water[14]、black color water blooms[45]、black water bloom[46]等10多種命名或借用.雖然agglomerate(團(tuán)塊)、cluster(群聚)、aggregation(聚集)已有與spot(s)在規(guī)模上的區(qū)別，但與致黑物相對(duì)均勻分散于體系且后者為水團(tuán)(water masses)比較，在意義上仍存在本質(zhì)上差異.

隨著對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和模擬結(jié)果的多次觀察，調(diào)查者們發(fā)現(xiàn)湖泛水體中懸浮大量極細(xì)微褐黑色顆粒物，典型湖泛區(qū)會(huì)出現(xiàn)硫化氫、甲烷等氣體逸出水面，大面積黑水、底泥上泛[4]，出現(xiàn)如藻華(algal bloom)相似開放(bloom)的狀態(tài)，這也使得人們?cè)诮诎l(fā)表成果的術(shù)語選擇中，更偏向采用“black bloom”的用詞[6，18，40，43-44，46-48].2014年美國New Scientist專欄作家Aviva Rutkin博士也將black bloom作為對(duì)因藻或沉積物造成巴西圣保羅海岸大范圍黑水的科學(xué)用語[49].

2 湖泛區(qū)缺氧與污染影響效應(yīng)

不依賴于人的視覺和嗅覺感官，湖泛的最典型特征就是水體缺氧.2007年5月28日貢湖水廠湖泛發(fā)生時(shí)水體溶解氧(DO)濃度趨于零，處于厭氧狀態(tài)[19]；5月31日DO濃度為0.33 mg/L，也即處于嚴(yán)重缺氧狀態(tài).2008年5月26至6月9日期間發(fā)生在竺山湖的大面積湖泛，表層水體DO濃度平均也僅為1.4 mg/L，處于0.1 mg/L(厭氧)～4.0 mg/L(富氧)之間[5].許多喜底層生活的魚類(如泥鰍)在DO濃度小于2 mg/L仍可正常生存[50]，因此太湖水面出現(xiàn)死亡泥鰍等魚類漂浮[5]，表明湖泛發(fā)生區(qū)底層甚至上層水體已處于缺氧或厭氧狀態(tài).

水體缺氧(hypoxia，oxygen depletion)現(xiàn)象廣泛存在于海洋的近岸帶[51-53]、海灣[54-55]和河口[56]，以及內(nèi)陸水體的湖泊[30-31，35，57]、水庫[58]、沼澤[59]、河流[60]等開放性水域中，它是指水體中的DO濃度已降低到對(duì)系統(tǒng)中大多數(shù)生物體存活不利的狀態(tài)[61].根據(jù)DO濃度的大小，人們一般將缺氧性水體分為缺氧(hypoxia， DO≤2 mg/L)、嚴(yán)重缺氧(severe hypoxia， DO≤1 mg/L)和厭氧(anoxic， DO≤0.2 mg/L)3類[55].地表水體的大范圍缺氧主要發(fā)生于海洋(如黑海)，主要由于不完全混合(meromictic)，90%的水都是缺氧水(anoxic waters)，但真正有環(huán)境意義的缺氧是發(fā)生在海洋中的“死區(qū)”(dead zone)[54].自1960s以來，全球海洋中死區(qū)的面積正以每10年近1倍的速度增加[61].全球墨西哥灣、波羅的海、日本東西海岸和中國的珠江口等海域約出現(xiàn)400多個(gè)死區(qū)，總面積約為24.6×104km2.最大的死區(qū)位于美國密西西比河入海口區(qū)沿岸，面積最大時(shí)約2.2×104km2.

缺氧水體對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞作用巨大.以古氧相(paleo-oxygenation facies)劃分[62]，水體DO含量大于1ml/L為富氧(aerobic)，鈣質(zhì)殼生物勉強(qiáng)生長；DO含量小于0.1ml/L為厭氧(anaerobic)，后生動(dòng)物消失；DO含量在0.1～1ml/L之間為貧氧(dysaerobic)，僅可發(fā)育以軟體為主的生物群.一般認(rèn)為危害魚類生存的DO濃度下限為2 mg/L.太湖湖泛水域絕大多數(shù)情況處于厭氧狀態(tài)(DO≤2 mg/L)，使得魚類要么逃離要么死亡；在湖泛嚴(yán)重水域DO濃度多低于0.1 mg/L的厭氧水平，此時(shí)殼類和軟體生物已難以存活，這也就說明人們?yōu)楹卧诤含F(xiàn)場(chǎng)觀察到大量死亡的泥鰍.缺氧環(huán)境甚至對(duì)微小生物的組成和時(shí)空分布都可能產(chǎn)生影響. Li等[63]于太湖藻源性缺氧區(qū)不同點(diǎn)位取樣，用16S rRNA的末端限制性片段長度多態(tài)性和所選樣品的克隆文庫分析，發(fā)現(xiàn)缺氧區(qū)自由態(tài)和顆粒吸附態(tài)細(xì)菌的組成在時(shí)間和空間上都有不同變化，反映與水體DO濃度有關(guān).

無論藻體聚積區(qū)或是發(fā)生藻源或草源性湖泛水域，湖泛形成的缺氧都會(huì)造成水質(zhì)的嚴(yán)重惡化[15，23，64-65]，其中COD、總磷、總氮和氨氮等參數(shù)往往可達(dá)到歷史異常水平范圍.如2007年5月底受湖泛影響的貢湖水廠取水口氨氮濃度為5.0～6.5 mg/L[19]，CODMn、總磷、總氮平均濃度分別達(dá)到16.2、0.436、15.9 mg/L[5]，檢測(cè)到的污染物CODMn、總磷、總氮最高濃度分別為53.6、1.05、23.4 mg/L[66]，每項(xiàng)參數(shù)均超出我國GB/T 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量的V類水標(biāo)準(zhǔn)，分別是地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的8.9、21和23.4倍.2008年5月26日發(fā)生于太湖西部竺山湖的湖泛區(qū)，CODMn、總磷、總氮和氨氮平均濃度分別為16.5、0.693、10.2和6.75 mg/L[5]，每項(xiàng)指標(biāo)同樣遠(yuǎn)超過劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

單純的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查還難以對(duì)湖泛現(xiàn)象進(jìn)行再現(xiàn)，需借助裝備或設(shè)施[37，67]進(jìn)行湖泛模擬，以便開展深入研究.2008年6月中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所在室內(nèi)采用大型再懸浮發(fā)生裝置，首次模擬出梅梁灣水深1.8 m泥-水系統(tǒng)藻源性湖泛現(xiàn)象[23]，發(fā)現(xiàn)在鮮藻1.05g/cm2聚積程度、中等風(fēng)速(3~4m/s)和25℃水溫下，下層水體不到2 d即進(jìn)入缺氧(DO<2 mg/L)狀態(tài)，第4 d表層有臭味逸出，第5 d水柱下部有灰褐色(湖泛)出現(xiàn)；總有機(jī)碳(TOC)濃度由第2 d的9.5mg/L增加到第6 d(全水柱變黑)的約32 mg/L，水體的總磷和總氮平均濃度是無藻對(duì)照的3倍，氨氮濃度則從第3 d的0.3 mg/L急劇上升至第6 d的8～11mg/L.申秋實(shí)等[6]對(duì)太湖月亮灣藻源性湖泛過程模擬發(fā)現(xiàn)，經(jīng)4 d培養(yǎng)(溫度為29±1℃)湖泛發(fā)生，水體中總磷、總氮和氨氮濃度分別約為1.2、8.5和6.5 mg/L，遠(yuǎn)高于空白水樣濃度，與2008年5月底對(duì)竺山湖湖泛分析結(jié)果相吻合[5].

水體的發(fā)黑、發(fā)臭是湖泛發(fā)生最為引人關(guān)注的災(zāi)害現(xiàn)象.主要致黑物(FeS)組分的變化與水體的氧化還原環(huán)境條件相關(guān).湖泛尚未發(fā)生前當(dāng)藻體聚積到一定規(guī)模，將逐步產(chǎn)生因藻體呼吸、微生物降解驅(qū)動(dòng)而造成的DO減少和缺氧，使得水體氧化還原電位(Eh)快速下降，達(dá)強(qiáng)還原環(huán)境[23].初期水體中硫化物急劇上升，后期Fe(Ⅱ)濃度快速增加[37].研究表明，F(xiàn)eS組分Fe(Ⅱ)和∑S2-在湖泛發(fā)生前就在水底沉積物-水界面產(chǎn)生急增性變化[22].藻細(xì)胞在靜態(tài)下向沉積物表層的沉降會(huì)大大加快DO的消耗.藻沉降后僅2 d，水體處于厭氧強(qiáng)還原狀態(tài)，S2-濃度達(dá)到最高(0.63 mg/L)，而沉積物-水界面處Fe2+濃度達(dá)到峰值(4.40 mg/L)則需到第4 d，而此時(shí)已經(jīng)發(fā)生湖泛.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定的0~1cm處沉積物表觀Eh為-150 mV，表明沉積物仍處于強(qiáng)還原狀態(tài).為定量研究藻源性湖泛發(fā)生對(duì)水體致黑的影響程度，馮紫艷[68]用新生成的FeS在550 nm波長下確定了吸光度與黑度(blackness)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)藻體的腐敗時(shí)間越短或程度越低，水體Fe(Ⅱ)和S2-濃度越低，發(fā)生湖泛的黑度值也越小.

由于并非所有散發(fā)臭味的水體都會(huì)發(fā)生黑臭，因此通常還是以水體變?yōu)楹谏鳛楹盒纬傻呐袚?jù)，但從現(xiàn)有實(shí)際發(fā)生湖泛的模擬研究反映，湖泛過程中致臭物的形成卻要早于致黑物的出現(xiàn).劉國鋒等[22]通過嗅覺將湖泛臭味分為無味、輕微、中度和重度4類，模擬發(fā)現(xiàn)在高藻量(1.05g鮮藻/cm2)處理組，第4 d就嗅出水體表層輕微臭味，而水體1 d后才出現(xiàn)具有湖泛前兆的灰色，同樣的結(jié)果也出現(xiàn)在中藻量(0.79g鮮藻/cm2)處理組，這一現(xiàn)象在致臭物分析結(jié)果中被證實(shí).盧信采用再懸浮模擬系統(tǒng)研究了在太湖月亮灣底泥存在下藻源性湖泛的形成，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)刺激性致臭物甲硫醇(MeSH)的時(shí)間要較水體發(fā)黑早1 d[69].此外還發(fā)現(xiàn)，在脫硫弧菌(Desulfovibrio)生物催化降解下，藻體常見含硫氨基酸(蛋氨酸)會(huì)分解形成大量揮發(fā)性硫化物(VSCs)，在有低分子碳源(葡萄糖)時(shí)，體系釋放VSCs的時(shí)間(2 d)要明顯早于未加碳源時(shí)(14 d)，而且Eh要求也低得多，大致在-50～50 mV之間；在仍處于缺氧時(shí)間段的第2 d，二甲基二硫醚(DMDS)和DMTS濃度就已經(jīng)分別達(dá)到30和10 μg/L，遠(yuǎn)超過人體的嗅覺水平(分別為0.1ng/L和10ng/L).

3 湖泛形成的物質(zhì)和氣象條件

發(fā)生“死區(qū)”缺氧主要是陸源工農(nóng)業(yè)污染排放等對(duì)海洋水體造成的富營養(yǎng)化所導(dǎo)致[61].工業(yè)污染物和土壤中的肥料流失到海洋中后，造成海藻大量繁殖，這些新近產(chǎn)生的藻類等生物質(zhì)死亡并沉入海底是海水缺氧的主要原因[53]，此外還有全球變暖等問題的直接和間接影響.相對(duì)于海洋的缺氧問題，湖泛的發(fā)生雖也主要源于富營養(yǎng)化問題，但形成的具體原因則與海洋的死區(qū)有很大差別.

3.1 湖泛形成的物質(zhì)條件

目前現(xiàn)場(chǎng)觀察的大多數(shù)湖泛或與其相似的黑臭現(xiàn)象都與藻體有關(guān). Pucciarelli[35]對(duì)意大利Garda湖岸邊點(diǎn)狀黑斑分析發(fā)現(xiàn)，藻體(小球藻)參與了致黑過程. Neira[72]曾通過原位實(shí)驗(yàn)，證實(shí)在德國瓦登海潮灘形成black spots的主要物質(zhì)就是淺埋于砂質(zhì)沉積物中的絲狀綠藻.2007年發(fā)生于太湖的污水團(tuán)前，梅梁灣所有樣點(diǎn)的藻體葉綠素a濃度就全部超過40 μg/L，其中三山-黿頭渚水域更是達(dá)到179 μg/L水平[1].2008年5月，太湖西部的宜興沙塘港口附近的藻密度最高值超過6×108cells/L，結(jié)果5月底6月初于宜興近岸發(fā)生了大規(guī)模湖泛.死亡水草的大量出現(xiàn)或堆積，也會(huì)形成湖水發(fā)黑發(fā)臭的類似藻源性湖泛現(xiàn)象[28].2012年5月16日在貢湖沙渚港和許仙港口2個(gè)大型水生植物生長區(qū)，由于水草大量死亡，發(fā)生草源性湖泛[29].室內(nèi)模擬反映，菹草(Potamogetoncrispus)形成的發(fā)黑時(shí)間略遲于以微囊藻(Microcystis)為主的藻源性湖泛，形成的主要致臭物(DMS、DMDS和DMTS)濃度也達(dá)到5μg/L較高水平[27]，遠(yuǎn)超過人的ng/L級(jí)嗅覺閾值.雖然室內(nèi)模擬研究反映，足夠量的死亡底棲生物、浮游動(dòng)物和魚類聚積也會(huì)形成湖泛[27]，但在湖體內(nèi)很難自然形成，因此實(shí)際真正能參與湖泛形成的生物都為同屬低等植物的藻類和大型水生植物，它們是湖泛形成的基本物質(zhì)條件.

為半定量或定量確定藻類聚積與湖泛形成的關(guān)系，平行模擬發(fā)現(xiàn)，在0.526g/m2鮮藻聚積量下，培養(yǎng)10 d湖泛未發(fā)生，而0.790g/m2和1.053g/m2聚積量則分別在第6 d和第5 d水體就變黑[23]，表明在指定的太湖條件下，發(fā)生湖泛的鮮藻聚積程度約在0.526～0.790g/m2之間.已有研究表明，太湖幾乎所有缺氧導(dǎo)致的湖泛都發(fā)生于湖岸邊，特別是吹程小的避風(fēng)湖灣[73]或是有挺水植物大量生長的靜水區(qū)[1，29]，植物林立的靜水區(qū)易使藻體進(jìn)入而不易散去，有利于漂浮藻類的堆積和足夠長時(shí)間的滯留.而藻體聚積量越大，湖泛形成所需的聚積時(shí)間越短[74].這些現(xiàn)象也從另一個(gè)側(cè)面反映，對(duì)于湖泛的形成，生物質(zhì)所需堆積時(shí)間與生物質(zhì)數(shù)量呈反比，堆積時(shí)間越長，所需生物質(zhì)的量就越少.隨時(shí)間的延續(xù)堆積表象體系的內(nèi)部，實(shí)際還同時(shí)發(fā)生著藻體的沉降和耗氧過程[75]，為湖泛的形成蓄積著物質(zhì)和能量條件.

在實(shí)際聚藻水域，往往在一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)大量死亡和沉降藻體[75].尹桂平[74]采用死亡藻體作實(shí)驗(yàn)材料，模擬了自0.010～1.000g/cm2間9個(gè)聚藻程度，發(fā)現(xiàn)死藻聚積可降低湖泛發(fā)生對(duì)聚藻量的要求，可發(fā)生湖泛的死藻聚積量僅需0.250g/cm2.如用死藻0.790g/m2進(jìn)行模擬，僅需3 d水柱就完全變黑(湖泛)，較文獻(xiàn)[12]提早2 d.這也反映，死藻比例越大，所需的湖泛發(fā)生時(shí)間越短，湖泛發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)也越大.由于藻體會(huì)隨光照或死亡等因素發(fā)生垂向的上浮或沉降現(xiàn)象，因此以單位面積水柱內(nèi)的死活藻體(包括水草)量，較之單純考慮水體某層(特別是表層)含藻量來判斷湖泛發(fā)生的物質(zhì)(藻量)條件更為科學(xué).從分子角度，死亡藻體和水草都可分解成蛋白質(zhì)(氨基酸)、淀粉、纖維素等有機(jī)質(zhì)，與人的嗅度有較高的相關(guān)性[25].馮紫艷[68]模擬在底泥參與下的厭氧微生物作用，反映這些有機(jī)質(zhì)均能誘發(fā)水體發(fā)黑，其易發(fā)順序?yàn)椋旱鞍踪|(zhì)>淀粉>纖維素.

3.2 湖泛形成的氣象條件

藍(lán)藻水華單純地在湖灣或岸邊淺水區(qū)大量堆積并不一定就會(huì)引發(fā)湖泛[20]，還需要除生物質(zhì)數(shù)量和聚積時(shí)間外的條件.王成林等[7]分析2007年5月底和2008年5月兩次藻源性“湖泛”形成過程中氣象要素的變化，并結(jié)合水動(dòng)力模型研究認(rèn)為，適宜的氣象條件可提供必要的熱量與動(dòng)力環(huán)境，也是“湖泛”形成的必要因素.受湖區(qū)營養(yǎng)鹽供應(yīng)量及生物體空間競爭等限制和影響，完全依賴水域內(nèi)的藻類自發(fā)生長到足夠發(fā)生湖泛所需的單位聚積量實(shí)際難以發(fā)生，往往需要適當(dāng)?shù)娘L(fēng)情(如風(fēng)速和風(fēng)向)作為其規(guī)模性聚積的驅(qū)動(dòng)力[76-77].孔繁翔等[78]研究表明，當(dāng)風(fēng)速為2.0m/s、波高為0.04m時(shí)，微囊藻在湖面上形成水華，此時(shí)大約有37%的總生物量聚積在表層5cm的湖面；當(dāng)風(fēng)速2.5m/s時(shí)這一比例降為34%；當(dāng)加強(qiáng)到風(fēng)速為3.1m/s、波高為0.062m時(shí)，表面水華消失.白曉華等[76]通過室內(nèi)風(fēng)箱水槽實(shí)驗(yàn)和野外觀測(cè)的定量研究結(jié)果反映，適當(dāng)?shù)牡惋L(fēng)速(<3m/s)下，漂浮的藻體會(huì)隨風(fēng)朝下風(fēng)向移動(dòng).在平均風(fēng)速為2.8m/s時(shí)，藻體在水槽和現(xiàn)場(chǎng)水面的平均移動(dòng)速度分別為8.6和11.4cm/s.

在藻華多發(fā)的夏季太湖地區(qū)風(fēng)向多盛行東南或南風(fēng)，在適當(dāng)風(fēng)速和相對(duì)穩(wěn)定的風(fēng)向條件下，太湖藻類生物量分布自東南向西北或由南向北逐漸增加[79]，當(dāng)風(fēng)場(chǎng)與流場(chǎng)不一致時(shí)，風(fēng)向?qū)υ孱愃A的分布影響更大，極易在下風(fēng)向沿岸區(qū)形成聚積狀態(tài).2007年1、2、3月太湖偏南風(fēng)所占比列(72%、49%、46%)明顯大于往年(31%、31%、40%)，使得太湖南部藻類在風(fēng)的作用下較正常年份更易向北部富集[1]，而3-4月小于4m/s風(fēng)速的發(fā)生頻率又較多年平均高10%～15%，有利于藻體上浮，結(jié)果造成在迎風(fēng)區(qū)梅梁灣出現(xiàn)藻體大量聚積.5月6日在梅梁灣小灣里葉綠素a濃度達(dá)到259 μg/L，為5月底在貢湖灣口發(fā)生藻源性湖泛奠定關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)[1，19].

但過大的風(fēng)速對(duì)于聚積狀藻體形成湖泛卻是不利的.現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，能出現(xiàn)湖泛的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速大多為小于4m/s的微風(fēng)[20]，實(shí)驗(yàn)室模擬反映，風(fēng)速3.2m/s的水動(dòng)力擾動(dòng)環(huán)境可使水體發(fā)黑時(shí)間較靜風(fēng)(對(duì)照)推遲[23，74].風(fēng)對(duì)湖泛形成后的持續(xù)時(shí)間影響也很大.申秋實(shí)等[47]應(yīng)用氧化還原條件結(jié)合視覺比較等方法，研究不同風(fēng)浪作用下藻源性湖泛的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示靜風(fēng)對(duì)照下，已發(fā)湖泛水體的黑色在實(shí)驗(yàn)過程中始終未見消失，水體DO濃度仍能維持在1.5 mg/L以下；小風(fēng)(約2m/s)和中風(fēng)(約4m/s)情況下，湖泛約可持續(xù)2 d左右，但消失時(shí)的DO濃度約為6 mg/L；大風(fēng)(約8m/s)下黑臭完全消失僅需14 h.由于“湖泛”發(fā)生階段造成的低氧(DO<2 mg/L)時(shí)間(1~3 d)一般較發(fā)生后的持續(xù)時(shí)間短，而湖泛的穩(wěn)定和持續(xù)又是決定其生態(tài)環(huán)境致災(zāi)程度的主要因素，因此掌握風(fēng)情狀態(tài)和趨勢(shì)對(duì)于推斷聚藻區(qū)湖泛是否發(fā)生，以及預(yù)測(cè)湖泛災(zāi)害程度非常關(guān)鍵.

一切與生物和化學(xué)有關(guān)的反應(yīng)都與溫度有關(guān)，因此湖泊水溫也是湖泛發(fā)生的重要條件.王成林等[7]對(duì)太湖湖泛發(fā)生前后溫度分析，認(rèn)為湖泛發(fā)生前大約會(huì)出現(xiàn)3 d以上的高溫(>25℃)天氣，并以同時(shí)滿足14：00時(shí)氣溫>25℃、風(fēng)速≤4m/s的累積天數(shù)為太湖藍(lán)藻水華氣象指數(shù)，分析出2007年6月前滿足其氣象指數(shù)的天數(shù)(15 d)大約是2006年(8 d)的2倍，而且湖泛開始出現(xiàn)時(shí)間(3月28日)較2006年(4月18日)也提前了約20 d，這也就為湖泛的形成提供了極好的氣象條件.據(jù)對(duì)2008年5月29-31日、2009年5月11-13日和2009年7月20-24日發(fā)生在太湖西沿岸和貢湖的3次湖泛的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查[15]，水溫分別為23.3～26.0、24.4～25.8和28.4～33.8℃.經(jīng)計(jì)算，發(fā)生湖泛的溫度范圍(ΔT)為26.7±3.3℃.

歸納對(duì)湖泛的觀察和模擬分析結(jié)果，可以總結(jié)出如圖1所示意湖泛發(fā)生與生物質(zhì)和氣象條件的關(guān)系，即對(duì)一指定湖泊，湖泛的發(fā)生需滿足如下條件：1) 水體中須有足夠單位體積的生物質(zhì)量(M≥M0)；2) 這些滿足M>M0含量的生物質(zhì)能等效聚積于一有限范圍水域達(dá)足夠時(shí)間(t≥t0)；3) 生物質(zhì)含量M和聚積時(shí)間t呈漸近線關(guān)系，在靜風(fēng)(V=0)時(shí)，M=M0，t→∞.隨水面風(fēng)速的增加，M和t也相應(yīng)增加；4) 在V=0、M=M0和t=t0時(shí)，理論上存在一發(fā)生湖泛的所需水溫(T)，隨著風(fēng)速加大或M和t的變化，發(fā)生湖泛所需的水溫也將增加或發(fā)生變化(T+ΔT)，但變化范圍應(yīng)介于發(fā)生湖泛的最低所需水溫至微生物生長的最高適宜水溫之間.

圖1 湖泛發(fā)生的生物量聚積與氣象條件關(guān)系示意Fig.1 Schematic drawing of the relationships of biomass accumulation and meteorological conditions on black bloom occurence

4 湖泛形成中的微生物作用

大量研究顯示微生物在藻、草有機(jī)質(zhì)的快速分解、異味物質(zhì)發(fā)生、碳硫元素轉(zhuǎn)化，甚至湖泛后期的系統(tǒng)恢復(fù)方面都具有關(guān)鍵作用[80].參與黑臭發(fā)生過程的有機(jī)物主要來自于藻、草死亡殘?bào)w和沉積物中的有機(jī)質(zhì)，其在微生物作用下將會(huì)從好氧分解轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖鹾蛥捬醴纸鈁81]. Freitag等[38]分析了瓦登海的自然黑斑(black spots)區(qū)和對(duì)照區(qū)的微生物群落結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)黑斑區(qū)與對(duì)照區(qū)表層沉積物的總細(xì)菌(total bacterial numbers，TBN)、好氧有機(jī)化能營養(yǎng)菌(aerobic chemoorganotrophic bacteria，AB)、發(fā)酵菌(fermenting bacteria，F(xiàn)B)和硫酸鹽還原菌(sulfate reducing bacteria，SRB)的密度均存在差異(P<0.05).除發(fā)酵菌(FB)外，其他計(jì)數(shù)項(xiàng)(TBN、AN和SRB)在黑斑區(qū)表層(10cm分層)沉積物中均高于自然發(fā)生區(qū)，而且AN密度與FB密度間存在很好的相關(guān)性(R2=0.9).Freitag等[38]認(rèn)為在砂質(zhì)潮間帶沙灘出現(xiàn)的水體發(fā)黑現(xiàn)象，主要是因?yàn)槲⑸锓纸庥袡C(jī)質(zhì)營造了厭氧環(huán)境，促使硫化物表現(xiàn)出還原行為.

在缺氧和厭氧狀態(tài)的湖泊中，微生物會(huì)對(duì)被分解的有機(jī)底物(包括草、藻殘?bào)w和其它有機(jī)碎屑)進(jìn)行生化反應(yīng)[38]，并可產(chǎn)生中間產(chǎn)物和還原性氣體(如甲烷(CH4)和硫化氫(H2S)等).厭氧條件下能快速對(duì)有機(jī)質(zhì)分解的梭菌屬(Clostridium)、SRB、產(chǎn)甲烷古菌(Methanogens)以及甲烷氧化菌(anaerobic methanotrophic archaea)等是參與湖泛發(fā)生的主要功能微生物種類[80]. Li 等[63]分析了太湖藻華造成的低氧區(qū)水柱中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，顯示梭菌、脫硫弧菌(Desulfovibrio)等是優(yōu)勢(shì)種群[82]. Wu等[83]對(duì)采用多種培養(yǎng)基從太湖低氧區(qū)獲得的4株歸為放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Batceroidetes)的細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)它們都可以利用有機(jī)硫化物產(chǎn)生H2S.已有的觀察研究反映，水體的FeS致黑物形成普遍滯后于包括有機(jī)硫在內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)硫化物(VSCS)等主要致臭物[69]，這些細(xì)菌可能還會(huì)為水體主要致黑組分(S2-)的生成起重要作用.在較深程度的缺氧及厭氧條件下，多種微生物之間的互營共生驅(qū)動(dòng)著缺氧系統(tǒng)中C、S和Fe等具有相互關(guān)聯(lián)的元素生物地球化學(xué)過程[80].

雖然微生物作用貫穿于湖泛發(fā)生過程，但自然水體中，廣泛存在著可在缺氧或厭氧環(huán)境下生長的各類微生物[42，80，84].若經(jīng)歷缺氧過程則自由態(tài)和附著態(tài)的細(xì)菌組成在時(shí)間和空間上還會(huì)有很大變化[63]，因此湖泛形成過程中發(fā)揮重要作用的梭菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌等微生物在實(shí)際湖體中是很充足的，或是說無處不在.在草型湖區(qū)的沉積物中細(xì)菌的多樣性還明顯大于藻型湖區(qū)[85]，因此對(duì)于湖泛形成而言，廣泛存在于水體和底泥等介質(zhì)的微生物并不構(gòu)成湖泛形成的限制條件.

5 底泥在湖泛形成中的作用

已有的觀察表明，即使氣象條件適合，藻體在一些岸邊的大量和長時(shí)間的堆積卻并非一定會(huì)形成湖泛[20]，這可能反映藻體和氣象因素是發(fā)生湖泛的必要但非充分條件.在意大利Garda湖、德國Wadden海發(fā)生的black spots，以及發(fā)生于太湖北部和西部的湖泛，其發(fā)生地點(diǎn)絕大多數(shù)位于有沉積物的分布區(qū)[1，5，15，35，72]，其中黑色斑點(diǎn)甚至還浸入沉積物內(nèi)部數(shù)10 cm[33，38].本課題組對(duì)太湖藻源性湖泛過程模擬也多次觀察到[6，23，43，86]，水體的最先變黑均從底泥表層水體開始，并從水體發(fā)黑前起，模擬系統(tǒng)的管壁下部還附著許多細(xì)小氣泡，隱喻底泥強(qiáng)烈參與了湖泛的發(fā)生，引發(fā)出人們對(duì)底泥在湖泛形成中的物源作用，以及可能治理途徑的極大關(guān)注[12，15，41，87].為尋找太湖湖泛形成過程中對(duì)致黑物形成的介質(zhì)來源，蔡萍等[88]模擬了太湖八房港、焦山水體中有底泥+藍(lán)藻、僅有底泥和僅有藍(lán)藻3種處理組的湖泛特征物質(zhì)(黑度、鐵及硫形態(tài))變化，發(fā)現(xiàn)誘發(fā)太湖湖泛發(fā)生的難易順序?yàn)椋旱啄?藍(lán)藻>底泥>藍(lán)藻.底泥+藍(lán)藻處理組中Fe(Ⅱ)濃度為藍(lán)藻處理組的11~94倍，其平均濃度為后者的33倍，而底泥+藍(lán)藻處理組中還原性硫(∑S2-=H2S+HS-+S2-)濃度為其他處理組的2~56倍，證實(shí)底泥不僅可作為體系Fe2+的物質(zhì)供給源之一，而且也是∑S2-的主要來源.

最易受沉降藻(草)有機(jī)質(zhì)還原體系影響的水底介質(zhì)，就是與其直接接觸的沉積物和間隙水.在沉積物中，一般會(huì)存在非晶質(zhì)FeS，以及馬基諾礦(FeS1-x)、硫復(fù)鐵礦(Fe3S4)及黃鐵礦(FeS2)等鐵硫化合物.在太湖沉積物表層，與硫結(jié)合的鐵僅占總鐵的0.12%～2.35%，活性鐵濃度可達(dá)0.110～0.208mmol/g[91]，顯示沉積物鐵有較充足的潛在提供量.在最有可能與上覆水形成跨界面遷移的沉積物間隙水中，即使沒有有機(jī)質(zhì)分解的電子提供影響也會(huì)含有一定量的Fe(Ⅱ)和∑S2-. Yin等[92]對(duì)太湖北部柱狀沉積物及間隙水中鐵、硫濃度分析表明，間隙水中Fe(Ⅱ)濃度在0.010～0.270mmol/L之間，∑S2-濃度大致在0.005～0.025mmol/L之間[93].然而在淺水湖泊，因復(fù)氧顯著沉積物上覆水氧濃度較高，上覆水甚至近表層沉積物的氧化還原體系都為氧體系所控制，上覆水中的電位高于沉積物中還原態(tài)元素的電位.雖然沉積物仍可能向上覆水釋放Fe(Ⅱ)和/或S2-等還原態(tài)物質(zhì)[71]，但沉積物-水界面兩邊的表觀Eh值差異太大，使得Fe(Ⅱ)或S2-的遷移還未穿過界面就因在氧化或弱還原條件下的不穩(wěn)定性而復(fù)氧，從而改變價(jià)態(tài)，形成對(duì)Fe(Ⅱ)和S2-的實(shí)質(zhì)性釋放.然而當(dāng)湖底由有機(jī)質(zhì)厭氧降解下的強(qiáng)還原體系控制后，經(jīng)間隙水-上覆水通道而穿過沉積物-水界面的Fe(Ⅱ)和/或S2-，將進(jìn)入深度還原的穩(wěn)定環(huán)境.當(dāng)上覆水[Fe2+]和[S2-]達(dá)到Ksp限制下的活度積時(shí)，必將于沉積物-水界面率先形成FeS↓致黑物(湖泛).另據(jù)申秋實(shí)室內(nèi)模擬研究(成果未發(fā)表)，藻源性湖泛發(fā)生后，水體中的Fe(Ⅱ)和S2-濃度甚至可以分別達(dá)到55mmol/L和45mmol/L，在瓦登海海灘沉積物中的黑斑中硫濃度也達(dá)到20mmol/L[38]，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過視覺黑度(0.078mmol/L)的濃度水平.

6 湖泛的生消過程與定義

6.1 湖泛的生消過程

湖泛的生消過程大致可分為4個(gè)階段，即(藻類或水草)生物聚積階段、(水體)耗氧缺氧階段、(湖泛)爆發(fā)成災(zāi)階段，以及(水體)復(fù)氧消退階段.與藍(lán)藻水華形成的4個(gè)階段[78]在一個(gè)水文年僅有一次不同，湖泛一年中可發(fā)生數(shù)次(主要于春夏季)，每個(gè)生消過程的時(shí)長一般不超過1個(gè)月(圖2).湖泛生消過程的各階段特征可總結(jié)如下：

圖2 湖泛生消四階段條件和相關(guān)氧化還原反應(yīng)示意Fig.2 Conditions and relative redox reactions in four phases of black bloom formation-disappearing in a lake

(1)生物聚積階段.對(duì)于藻類而言，水華形成后，藻體主要在風(fēng)力的推動(dòng)下，向某一地形條件適宜的水域遷移和聚積；對(duì)大型水生植物而言，是指水草生長后在局部水域形成生物質(zhì)的大量死亡和堆積.此階段一般需要10 d左右，長則20 d短則數(shù)d.以藻源性湖泛為例，鮮藻聚積量約需>0.526 g /m2；在風(fēng)速風(fēng)向上，在此期間需具有相對(duì)穩(wěn)定的風(fēng)向和較高頻率的中小風(fēng)速(<4m/s).接受生物質(zhì)聚積的區(qū)域一般為具一定封閉程度的灣區(qū)或迎風(fēng)岸區(qū)，有對(duì)風(fēng)和水流起阻礙作用的人為構(gòu)筑物或自然水生植物群(如蘆葦蕩)[11]，這將有利于藻體的聚積和沉降.因藻體和底泥的呼吸以及浮藻對(duì)水-氣界面復(fù)氧的影響等，水體表觀Eh中后期將會(huì)下降，但一般在150 mV以上.

4) 復(fù)氧消退階段.是指水體在風(fēng)浪和湖流等水文氣象條件下，已發(fā)湖泛區(qū)水體因快速復(fù)氧、黑臭水團(tuán)的遷移擴(kuò)散等，水域內(nèi)黑臭出現(xiàn)消退，并最終使水體水質(zhì)得到恢復(fù).這一過程通常需要數(shù)h至2~3 d，主要條件為風(fēng)浪和湖流.隨著生物質(zhì)趨向耗竭，厭氧和兼性厭氧微生物在內(nèi)部逐步失去活力，低Eh越來越難以維系，Eh逐步上升；另外從外部分析，一方面湖泛所形成的黑水團(tuán)，在水-氣界面以及在外圍邊界上一直與外部(氣、水)發(fā)生著氧的侵入和反侵入；另一方面，隨湖流的動(dòng)力牽引，部分或整體以擴(kuò)散方式逐步跟隨湖流離開原發(fā)水域.隨著內(nèi)部Eh的上升和風(fēng)浪、湖流促進(jìn)下氧的快速輸入，水體有機(jī)質(zhì)含量大幅下降、底泥氮磷營養(yǎng)物釋放減弱，使得依賴缺氧環(huán)境的致黑致臭物快速氧化直至散去消失.

6.2 湖泛的定義

定義(definition)是透過列出一個(gè)事件或者一個(gè)物件的基本屬性來描述或規(guī)范一個(gè)詞或一個(gè)概念的意義，它是對(duì)概念的內(nèi)涵或詞語的意義所做出的簡要而準(zhǔn)確的描述.湖泛(black bloom)作為一個(gè)概念或詞語，其基本屬性是湖泊黑臭水體，其內(nèi)涵是藻類和水草等生物質(zhì)聚積、降解所引發(fā)，因此可簡要描述為：湖泛是一種因藻類和水草等大量聚積、死亡所引發(fā)的湖泊水體突發(fā)性黑臭現(xiàn)象.進(jìn)一步描述則為，湖泛是指在適當(dāng)?shù)臍庀蠛偷匦蔚葪l件下，富營養(yǎng)湖泊局部水域因長時(shí)間聚積大量藻體或水草等生物質(zhì)，在微生物和底泥參與下，形成邊界可辨、散發(fā)惡臭的可移動(dòng)黑色水團(tuán)，并導(dǎo)致水質(zhì)惡化和一些生物死亡的極端污染現(xiàn)象.湖泛的實(shí)質(zhì)就是以功能微生物降解有機(jī)質(zhì)驅(qū)動(dòng)的C、S和Fe的生物地球化學(xué)過程.生物質(zhì)在穩(wěn)定風(fēng)向或靜水岸邊的有效聚積和高溫缺氧是營造湖泛形成和暴發(fā)的前提，水體主要致黑、致臭物分別為以FeS為主的金屬硫化物和以二甲基硫醚或硫醇為主的揮發(fā)性有機(jī)硫化物，藻(草)生物質(zhì)和底泥(包括其中有機(jī)質(zhì))是促進(jìn)和維持湖泛形成的主要物質(zhì)來源.

7 研究展望

作為水體極端污染現(xiàn)象的湖泛問題，20多年前就已在太湖出現(xiàn)，類似湖泛的現(xiàn)象實(shí)際也經(jīng)常小范圍發(fā)生在滇池東北部以及巢湖西部的河口區(qū)，然而這一問題真正被人們重視實(shí)際也僅7、8年時(shí)間.現(xiàn)有對(duì)湖泛現(xiàn)象的描述、形成條件和機(jī)制等方面業(yè)已開展了較廣泛和深入的研究，但仍有一些重要結(jié)論還屬于定性甚至是推測(cè)的，很多過程和機(jī)理問題仍需要深入研究和探討.

首先，湖泛研究中亟需新技術(shù)和新手段的支持.現(xiàn)有的商業(yè)儀器給予湖泊研究人員以極大的技術(shù)支撐，但是這些商業(yè)性設(shè)備多是為滿足人們對(duì)水體、沉積物和生物中物質(zhì)進(jìn)行不同要求的分析和監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的，著重于分析和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性、高頻性和便捷性等.湖泛現(xiàn)象的發(fā)生具有時(shí)間和空間的不確定性，重度缺氧和嚴(yán)格厭氧是湖泛形成災(zāi)害的最典型環(huán)境，對(duì)這樣的特殊體系的模擬和物質(zhì)形態(tài)、組成結(jié)構(gòu)的分析等進(jìn)行更專業(yè)的研究，亟需開發(fā)具有控溫、控光、水動(dòng)力和氣體收集等一體的更加先進(jìn)的模擬裝置，以及需要能在無氧氛圍下高精度和高頻次獲取泥、水、生樣品的被動(dòng)取樣裝備，如DGT技術(shù)測(cè)定硫和鐵[99-100]，對(duì)致黑、致臭物向著形態(tài)、價(jià)態(tài)、結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)構(gòu)分析[24，101]，甚至引入同位素示蹤技術(shù)、平面光電極技術(shù)來研究硫的歸趨和精細(xì)表征湖泛發(fā)生中的pH變化[102]，以達(dá)到和滿足對(duì)湖泛形成機(jī)制解釋中對(duì)各類介質(zhì)的信息和狀態(tài)精細(xì)和實(shí)時(shí)掌握的要求.

第二，沉積物對(duì)湖泛形成的有效成分提供機(jī)制仍需深入探討.淡水沉積物中普遍含有與鐵和硫有關(guān)的無機(jī)礦物和可繼續(xù)被微生物氧化的有機(jī)物.以無機(jī)礦物為例[103]，如含鐵黏土中的綠脫石[X0.5Fe2Al0.5Si3.5O10(OH)4H2O]、碳酸鹽中的菱鐵礦(FeCO3)、所有含鐵氧化物(如磁鐵礦(Fe3O4)、針鐵礦[Fe(OOH)]、赤鐵礦(Fe2O3)、鈦鐵礦(FeTiO3))以及磷酸鹽中的藍(lán)鐵礦[Fe3(PO4)2·8H2O]、板磷鐵礦[(Fe，Mn，Mg)3(PO4)2·4H2O]；含硫的礦物則幾乎全為與鐵和鋅有關(guān)的硫化物，如黑煙硫鐵礦(FeS0.9)、黃鐵礦(FeS2)、硫復(fù)鐵礦(Fe3S4)和閃鋅礦(ZnS).在缺氧特別是強(qiáng)還原環(huán)境下，到底哪些礦物對(duì)上覆水中的Fe(Ⅱ)和S2-提供了實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)？貢獻(xiàn)的大小如何？以及形成有效供給的順序是怎樣的仍不甚清楚.目前太湖底泥疏浚面積和深度的確定主要針對(duì)以氮、磷為主的內(nèi)源控制[104]，但為何疏浚對(duì)太湖易發(fā)區(qū)湖泛的預(yù)控效果也較為顯著[15，18，43，105]？如果掌握湖泛形成中底泥致黑致臭物和有機(jī)質(zhì)有效成分的主要來源和提供機(jī)制，不僅能更有針對(duì)性地確定底泥疏浚量，而且也為采用其他技術(shù)控制湖泛提供科學(xué)依據(jù).

最后，致黑致臭物穩(wěn)定性機(jī)制有待探討.湖泛的災(zāi)害程度最主要是與形成湖泛后的缺氧體系的穩(wěn)定性和持續(xù)時(shí)間有關(guān).首先從物質(zhì)方面看，穩(wěn)定下的黑水團(tuán)水體實(shí)際是一個(gè)非常復(fù)雜的多介質(zhì)體系.在該體系中，不僅存在影響程度幾乎同等重要的固、液和氣狀態(tài)，特別是對(duì)淺水湖泊，底部沉積物再懸浮進(jìn)入上層水體，形成以黏土礦物、藻類、有機(jī)碎屑、膠體物質(zhì)甚至大分子溶解性有機(jī)質(zhì)為主體的多介質(zhì)體系[107]，再加上以底泥為主強(qiáng)大的物源供給，支撐著以FeS為主附著于懸浮質(zhì)使得整個(gè)系統(tǒng)處于黑色氛圍.從能量方面看，所有微生物好氧、兼性厭氧和專性厭氧反應(yīng)，都是自由能ΔG0<0 kJ/mol[71]，湖泛發(fā)生區(qū)水柱和湖底的生物質(zhì)量都很大，產(chǎn)生能量釋放必然發(fā)生.這種主要發(fā)生于界面的生化放熱反應(yīng)對(duì)湖泛的穩(wěn)定性支持是不言而喻的，湖底能量的釋放必將造成局部溫度的升高[108-109]，而關(guān)于湖泛中的能量及其效應(yīng)問題至今尚未有實(shí)質(zhì)性研究涉及.另外，作為邊界清晰的水團(tuán)(water masses)，湖泛具有空間可移動(dòng)性，因此還有必要根據(jù)湖流、風(fēng)情等模擬黑水團(tuán)移動(dòng)軌跡，借用在海洋上已較成熟的熱水團(tuán)的成果[110]，開展黑水團(tuán)與非水團(tuán)間的水平物質(zhì)能量交換、垂向水-氣界面復(fù)氧和沉積物-水界面的沉積物好氧等研究，從多角度、多手段對(duì)湖泛致黑水團(tuán)的穩(wěn)定性機(jī)制開展研究，為預(yù)測(cè)湖泛的持續(xù)時(shí)間、影響范圍和程度提供更多的信息.

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?2015 byJournalofLakeSciences

Progress and prospect in formation of black bloom in Lake Taihu： A review

FAN Chengxin

(StateKeyLaboratoryofLakeSciencesandEnvironment，NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China)

Abstract：This paper reviews studies on formation of the black bloom in Lake Taihu in recent years, with reference to abroad relevant research results about the phenomenon of black spots and hypoxia. A comprehensive summarization focuses on the sensory characteristics and description of the black bloom, the hypoxia and pollution effect, the material and meteorological factors, the microbial and sediment role, the genetic conditions and formation-disappearing processes and so on. We can conclude that the black bloom and its definition are induced from the basic properties, under appropriate weather and terrain conditions, with large amounts of algae or aquatic macrophyte accumulated in local waters for a long time. With interactions of microorganisms and sediments, the accumulated mass can form border distinguishable, removable black stinky, and can led to phenomena of extreme pollution, which result in water quality deterioration and some biological death. Finally, potential future development is proposed in terms of new technologies and new means, e.g. supplying mechanism of active ingredients from sediment,threshold determination of key parameters, stability mechanism of blackening and odor-causing substances.

Keywords：Black bloom； lake hypoxia；formation conditions；biomass material； sediment role；formation-disappearing processes；Lake Taihu

DOI10.18307/2015.0401