水质变好了，还是有藻华？
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镜朗生态将以“城市湿地”为主题
为大家呈现3次线上分享讲座，作为
“珠江三角洲水生态系统恢复和社会参与试点项目”
的线上志愿者参与活动。
以下是第三次讲座的视频及图文回顾。
讲座完整视频看这里
讲座视频时长33分钟53秒，消耗流量约770M，请在WiFi条件下观看。图文模式请往下滑动。
本讲的主题是：“水质变好了，为什么还有藻华？”，主要内容有3个，分别是：
（1）什么是藻华？水体富营养化是什么？
（2）讲解北京和苏州的案例，如何通过调节水生生物群落的结构治理藻华。
（3）水质化学指标、藻华和水生生物群落之间的关系。
什么是藻华和水体富营养化
在大众的认知里，会有这么一个链条“水体富营养化——藻华——水体水质不好”。
那么我们反过来想一下，水质变好了，还会有藻华吗？
图1 蓝藻水华 图片来源：维基百科
图2 绿藻水华 图片来源：维基百科
藻华是什么呢？大家可以看上面两张图片，蓝藻水华（图1）和绿藻水华（图2）是淡水生态系统最常见的水华，在黑臭河治理政策施行之前，图片所示的场景经常在我们的生活环境中出现。
图3 赤潮（硅藻和甲藻为主） 图片来源：维基百科
图4 血红裸藻水华（裸藻、蓝藻和绿藻） 摄影：黄越
图3是海洋洋面上出现的赤潮，赤潮的形成主要是海洋中的硅藻和甲藻大量繁殖。
图4是一种叫做血红裸藻的水华，浮在水面上这一层红色的物质就是血红裸藻，水面以下部分蓝藻和绿藻的密度也不低。血红裸藻水华也主要在淡水生态系统中出现。
以上4种现象，我们可以统称为藻浊型的水体——水体充满藻类，比较浑浊。
在我们的认知里，人们会更加喜爱草清型的水体，水质清澈透明、水草生长丰茂、小鱼在水里游来游去，水鸟飞来飞去。
清澈、水草丰茂的水体 摄影/黄越
藻华是水体中藻类大量爆发导致的现象。藻华可能导致一系列问题。
比如藻华会导致水体溶解氧——就是水体里的氧气含量过低，引起鱼类等水生动物死亡；
比如蓝藻水华的次生代谢物——微囊藻毒素在水体内大量累积，可能会污染地下水；
如果我们不小心喝了被微囊藻毒素污染的水，很有可能健康就会受到负面影响。再有就是藻华确实不太好看，会影响水体的视觉美感。
那引起藻华的藻类是什么呢？
藻类可以进行光合作用；藻类从十分微小的原核生物到肉眼可见的大型绿色植物都有；藻类在水体中十分常见，陆地也有，总之就是在地球上非常广泛的分布着。
下面我们就简单介绍一下各类藻类。
蓝藻，也可以叫做蓝菌，它在地球上已经存在约21亿年了，是目前发现的最早出现的可以进行光合作用并且产生氧气的生物。对改变地球的大气环境起到了巨大的作用。
大家可能听说过一种保健品的名字——螺旋藻。螺旋藻就是一类蓝藻，因其富含蛋白质、亚麻酸和各种抗氧化剂而备受推崇。
极大螺旋藻Arthrospira maxima（来源见水印）
螺旋藻含有神经毒素，可能会导致动物脑神经退化、四肢肌肉萎缩等问题，所以也备受争议。大家如果计划食用，需要倍加小心。
螺旋藻片剂（来源：维基百科）
硅藻，刚才我们提到了，导致赤潮的主要类群之一。从图5可见，刻度上每个数字之间为10微米。我们可以清晰的看到一个硅藻细胞的尺寸，真是非常非常小。
图5 硅藻细胞 图片来源：维基百科
跟我们的头发丝做对比，它的长度就是头发丝的直径那么长，而宽度则是头发丝直径的五分之一，单个细胞肉眼是很难看见啦。
还有金藻（图6），因富含叶绿素、胡萝卜素、叶黄素等色素而呈现金黄褐色。
图6 金藻 来源：维基百科
图7的裸藻，具有“眼斑“，属眼虫门，十分有趣。
图7 裸藻 来源：维基百科
绿藻，可以说是我们最熟悉的藻类，因为大型绿藻就跟植物一样肉眼可见。比如，最近几年常常出现在我们身边的水绵（图8），就是一种大型绿藻。
图8 水绵 图片来源：
http://www.ycy.com.cn/2010/Item.aspx?id=5931
水绵在温度较低（低于10摄氏度）、透明度较高的水体时常出现，我们在学校的实验课使用显微镜看过水绵的叶绿体，呈现螺旋状（图9），水绵的生殖方式为接合生殖。
图9 水绵螺旋状的叶绿体（来源：维基百科）
图10中的这个水体，以小叶眼子菜为优势沉水植物，而那些缠绕在小叶眼子菜上的绿色丝状物体就是水绵，水绵在进行接合生殖时或者成熟后期，会漂浮在水面上，形成水面漂浮绿色物体的景象。
图10 以小叶眼子菜为优势的沉水植物上缠缚的水绵 摄影/黄越
水绵的大量爆发也是一种绿藻水华，一般人们都不太喜欢这种景象，感觉是水面上飘着脏东西，大多数管理者都会把漂浮的水绵打捞起来。
但实际上，这个水体看上去是非常清澈的，水质也确实很好。所以水质变好了，也会有藻华。
图11 漂满水绵的水面 摄影/黄越
轮藻是一大类长得很像高等植物的藻类，它有类似高等植物根、茎、叶的分化。
图12 轮藻植株 摄影/黄越
图13拍摄于圆明园，显示了轮藻在淡水水体底部形成的水草床。这个水草床里藏着各种鱼虾和底栖生物。
图13 轮藻形成的水草床 摄影/黄越
还有一些长在海里的大型藻类，比如我们常吃的海带和裙带菜，就是褐藻。它们是体型很大的藻类，有的甚至需要两个人才可以抬上岸。
还有一类叫做红藻，富含藻红素，长得像一颗小草一样。褐藻和红藻是长在海里的。
实际上藻类在整个地球的发展史上发挥着十分重要的作用。
我们回到第一讲（从城市公园看珠江三角洲自然历史）里闻老师给大家分享的珠江三角洲地区的自然历史。
从大概30亿年前到大概2亿年前。藻类作为一大类光合自养生物，在原始海洋里逐渐繁殖、蔓延，消耗二氧化碳（CO₂)，产生分子氧（O₂）。
图14 图片参考：李博 主编《生态学》
这一过程几乎进行了28亿年，把富含硫化氢、甲烷、氨气等有害气体的原始大气，改造为现在我们呼吸的富含氧气的大气。
氧气在空气中富集，臭氧形成，紫外线被拦截，大约在4亿年前，绿色植物从海洋登陆成功。由此，适合人类生存的环境，才逐渐开始形成。
这个过程实际上无所不在，每时每刻都在进行。大家忽视的一个事实是：“目前适于生命生存的地球环境，是由生物与地球一起协同演化而来”。
所以，生物多样性，是我们赖以生存的自然环境发挥基本功能的基础。保护生物多样性，促进以生物多样性为基础的生态系统正常发挥生态功能也是我们系列项目的宗旨。
保护生物多样性，就是保护我们人类自己，真不是一句空话。
地球上生物的数量级巨大，生物转移的物质总量是地球质量的1000倍，生物圈全部活物质更新周期平均为8年，海洋中的水平均每半年就会被藻类等浮游生物过滤一次，地球表层几乎没有未经过生物作用的物质。
人类的250万年历史和藻类的20亿年历史比起来，微乎其微。所以，水体中存在藻类是再正常不过的事情，藻类是消除不了的。
我们要做的是通过丰富水体中其他生物的种类和数量，从藻类的嘴里抢夺营养，避免藻类的大量生长。
接下来，我们来看藻华的诱因是什么。
大家养过植物的话，都知道植物生长需要水和土壤，土壤里含有各种有机物和无机物，给植物供给养料，植物吸收空气中的二氧化碳，合成有机物，产出氧气。
光合自养的水生生物也是一样的。别忘了，陆地上的植物来自水里。有研究指出，湖泊水生生物合成1g有机物，需要碳C、氢H、氧O、氮N、磷P以及其他微量元素。
水中C、H和O的来源较为丰富，所以磷P和氮N成为水生生物生长的限制因子。如果水体中氮和磷的含量增加，那么可以想象，水生生物的生长就会被大大促进。
在人口密集的城市区域，水体里的氮和磷可一点都不少。
图15 制图、摄影/黄越
我们把地表水的水质按总磷和总氮浓度分为5类，使用罗马数字Ⅰ~Ⅴ来标记，数字越小，水质越好。
水源地的水质要求是必须要达到Ⅱ类；我们可直接用手接触的水体，推荐水质是需要达到Ⅲ类；城市水环境治理普遍要求水质达到Ⅳ类。所以我们把Ⅲ类水作为水质好的标准。
富营养化的水体，就是水体中总磷和总氮的浓度比Ⅲ类水标准更差的水体。
实验室研究表明，蓝藻水华的主要藻种之一——铜绿微囊藻繁殖增长较快的条件是水体中磷P的浓度在0.14-0.62mg/L，氮N的浓度在1.8-4.1mg/L时（陈明曦《蓝藻水华生消机制室内模拟试验研究》），这时磷和氮的浓度均高于Ⅲ类水标准。水体富营养化是导致藻华的原因。
我们来看这张图，这是模拟珠三角平原地区水生生物群落做的一个示意图，里面有前两讲我们提到的各种水生生物，比如叉尾斗鱼、月鳢、水獭，这些水生生物实际上组成一个食物网。
图16 珠江三角洲平原地区水生生物食物网结构示意图 制图：黄越
我们刚才提到的有机物、人类排放的氮和磷都被这个食物网吸收和利用了。
这些营养物质，从藻类和水生植物开始，到浮游动物和底栖动物，再到鱼类、两栖类、鸟类和哺乳类，通过食物链一级一级向上传递。
因此水体里的各种营养物质浓度降低，水质变好。
我们想象一下，如果这个传递的过程被阻断，会发生什么？
比如，水獭没了。如果水獭没了，那么水獭控制的草鱼数量就会增加，草鱼吃水生植物，就会导致水生植物数量下降，水生植物竞争不过藻类，那么藻类就能获得更多营养，大量生长，导致藻华。
如果食肉鱼月鳢没了，那么月鳢控制的小型鱼类数量就会增加，就会大量摄食浮游动物，浮游动物数量下降，对藻类的摄食效率也降低，藻类大量生长，藻华爆发。
如果水体中的生物进一步减少，营养级较高的生物都没了，那么这些有机物和无机物就被积累在生产者——藻类或者水生植物，或者较低营养级的生物体内。
由于生产者和较低营养级生物的生命周期普遍较短，累积的营养就会随着生物体的死亡重新回到水体中，周而复始。
北京和苏州的案例
我们在汇丰银行（中国）有限公司支持下，在北京和苏州做过两个水体生态系统恢复的案例。在开展试点项目的过程中，我们发现了一些有意思的现象。
这是2017年，北京的一个湿地，它有血红裸藻爆发的情况。
图17 2017年治理前项目点水域 摄影/黄越
血红裸藻是一种很有意思的藻类，它有一个红色的眼斑，具有趋光性，藻细胞有鞭毛，可以小范围游动。
藻细胞比之前我们讲过的硅藻要大一些，血红裸藻细胞内富含多种色素，各种色素的比例会随着外部条件而变化。
图18 血红裸藻细胞
图片来源来源：见水印，以及http://www.leadingtec.cn/euglena-2.html
在弱光条件下，呈现绿色的色素比例高，所以整体呈现绿色；在强烈光照条件下，呈现红褐色的色素比例就会增多，整体藻细胞就呈现红褐色。
当然，整体藻华的颜色，也跟藻细胞的密度有关，藻细胞密度越大，显色效果就越明显。所以我们可以看到如图17所示的血红裸藻水华。
它就像画水彩画时，在水面铺了一层锈红色的颜料。我们在治理的水域围合了一块治理区，并且对围合区内、外进行水体水质和水生生物的调查。
我们首先检测水质化学指标，发现总氮浓度和有机物浓度在8、9月份是优于Ⅲ类水的，总磷浓度在5月份及之前优于Ⅲ类水，之后的月份有所增加，但总体也在Ⅳ类水左右。
但是水体的溶解氧则比较低的，说明有可能血红裸藻在水面上铺满一层，阻挡了阳光射向水体内部，影响了其他光合释氧生物的光合作用，导致水体溶解氧比较低。
总体而言，这里的水质介于Ⅲ类和Ⅳ类之间，甚至有时候优于Ⅲ类水，肯定不是我们认为的水质很差的水体，但是，它依然有藻华爆发。
我们做了什么事呢？我们采用了一个“基于自然的解决方案”——恢复水体中欠缺的其他生物类群。
我们主要做了3事：
第一是在水里种植水草；
第二是在水体重引回底栖动物和鱼类；
第三是进行水质监测和生物监测。
北京冬天的水体是要结冰的，经过一个冬天以后，2018年，这个水体水面的血红裸藻就肉眼可见地消失了。
图19 2018年项目点治理后水域 摄影/黄越
2019年，依然如此，虽然荷花长满了湖面，但是我们从图中围起来的这片水域可以看出，血红裸藻消失了。
图20 2019年北京项目点试点水域 摄影/彭涛
到了今年，同样如此。经过3年，我们可以初步下结论，这个通过丰富水生生物群落治理藻华的方法，是有效的。
也是在今年，在我们项目地周边的水域，记录了极度濒危的水鸟——青头潜鸭和极度濒危的蜻蜓——低斑蜻。
图21 项目地记录到的青头潜鸭（左2和3）
罗纹鸭（左1）和白眼潜鸭（右1） 摄影/彭涛
图22 项目地记录到的濒危物种低斑蜻 摄影/彭涛
能够为极度濒危的物种恢复美好的生活环境，我们内心也是十分激动的。
第二个是苏州的案例。
我们在苏州黎里古镇做了同样的工作，在古镇的一个城市公园里，重引回水体中欠缺的生物类群，并持续监测。
在这个过程中，我们发现一个很有意思的现象。
在我们开展项目的公园旁边，有一个养殖鱼塘（图23），水面微微呈现蓝绿色，在近岸处，水面上积累了一层蓝藻或者绿藻。
图23 项目水域旁边的养殖鱼塘 摄影/黄越
我们可以判断，这鱼塘有轻微的藻华现象，同样我们先检测了水质。
有趣的是，8月份，这个鱼塘的水质（按总磷和总氮判断）是优于Ⅲ类水的。而同期，我们城市公园项目点的水质比鱼塘还差一点，但也在Ⅲ类水左右。
我们在项目点做了3件事情：
第一件是重引回部分水生植物；
第二件也是重引回项目点水域较为欠缺的底栖动物和小型功能性鱼类；
第三是持续的水质和水生生物恢复监测。
同样水质的水体，因生物种类丰富度的不同，而呈现出完整不同的视觉效果。水面之上是我们肉眼可见的更丰富的水生植物群落。那么水下有什么呢？
图24 苏州项目点水域 摄影/黄越
在项目点水域水面以下，有大量而多种的底栖动物——螺和虾，还有多种小鱼。
图25 2019年3月生物监测 摄影/黄越
亚克力盒里的各种生物，是我们用捞网打捞起来的，而且只捞了3下。背鳍上有黑点的小鱼叫做鳑鲏，鳑鲏鱼很有意思，它把卵产在河蚌体内，与河蚌互利共生，这就是新近繁殖的的鳑鲏鱼苗，看到它，可以说，水底的河蚌正常生活着。
放大一点看，我们可以看到3种虾，通体深色的是黑壳虾，通体透明，但是鼻子有点尖的是细足米虾，而几乎全透明的是秀丽白虾。
除此之外，还有蟌（豆娘，蜻蜓的一类）的稚虫（水虿）。这是3月份的场景。
到了6月份，我们连续2天做了监测，第一天没有打捞到鳑鲏，但可以看到螺、虾的量依然很大；我们还捞到了食蚊鱼——上一讲的主角之一，一种外来物种（喧宾夺主？城市湿地的外来客）。
第二天阳光普照，我们再次监测到鳑鲏鱼的鱼苗，而且比3月份的体型更小，说明我们的试点水域，鳑鲏鱼在持续地繁殖。
图26 新一批鳑鲏幼苗，细足米虾抱籽 摄影/黄越
这时，细足米虾也怀孕了，透明的身体可以让我们清晰地看见它肚里的虾籽。
由此可见，我们重引回的底栖动物和鱼类都在项目点正常生长繁殖了，这也说明经过水生生物群落的调控，水体的生物多样性增加。相同水质的水域，呈现出完全不同的景象。
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水质、藻华和生物群落的关系
最后，让我们来总结一下水质、藻华和生物群落的关系。
来自陆地和空气，以及人类排放的有机物和无机物进入水体，水质化学指标可以测量它们的浓度，浓度越高，水质越差，我们用Ⅲ类水作为水质好的标准。
各种水生生物构成的食物网吸收有机物和无机营养素，把人类废弃的不需要的物质，变成自己身体的组成部分，从而降低水体中有机物和无机营养素的浓度，帮助水质化学指标下降，水质变好。
如果水生生物群落结构不完整，缺乏其中的几种关键生物，特别是捕食性的顶级物种，那么像草鱼等初级消费者的数量就会失去控制，导致其他营养级生物量的变化，从而导致营养物质在藻类/水生植物等生产者，或者初级消费者的生物体内积累，这就是藻华爆发的原因。
水獭、月鳢、白鹭等捕食性物种，像引擎一样，下行调控整个食物网各营养级的生物量，保证食物网正常运转，将来自陆地和空气以及人类排放的营养物质通过物质循环和能量流动带出水体。
这也是我们开展生物多样性保护时，选择食物链顶端的物种作为指标物种或者旗舰物种的原因。
恢复湿地的生物多样性，恢复湿地生态系统的食物网结构，这种“基于自然的解决方案”是我们在未来的生态文明建设中尤其需要探索和实施的方法。
讲座回顾：
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