富營養化湖泊藍藻打撈減污降碳效果模擬研究

王家一，孫亭亭，沙潤鈺，諶婷紅，邢冉，秦伯強，施文卿,*

1. 南京信息工程大學環境科學與工程學院，江蘇 南京 210044；2. 中國科學院南京地理與湖泊研究所/湖泊科學與環境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008

環境污染物與溫室氣體排放具有高度同源、同過程及排放時空一致性特征，環境治理過程中減污和降碳方面具有協同推進的潛力。2022 年6 月生態環境部等多個部門聯合印發《減污降碳協同增效實施方案》，要求統籌環境要素治理和溫室氣體減排要求，優化治理目標、治理工藝和技術路線，強化多污染物與溫室氣體協同控制，通過減污和降碳兩個領域工作的深度耦合和同頻共振，實現協同提質增效。

目前，富營養化湖泊藍藻水華已成為全球水環境重大問題之一（Frumin et al.，2014）。藻類衰亡后分解不僅釋放氮磷（N、P）物質（Yan et al.，2017），而且產生大量有機碳，不僅直接為溫室氣體產生提供底物，而且通過促進了異養微生物繁殖間接促進了溫室氣體的產生與排放（Yan et al.，2019）。West等人研究發現大量藻源性生物質分解激發了沉積物微生物共代謝效應，促進了二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）產生（West et al.，2016；朱俊羽等，2022）。有研究認為藻源性生物質分解能夠改變水體N/P，促進氧化亞氮（N2O）的產生（Amit et al.，2017）。因此，若實現藻源性生物質移除，不僅可以避免N、P 污染物釋放實現減污，而且可以有效抑制溫室氣體排放實現降碳。藍藻打撈技術是一種簡單易行的藍藻水華治理技術，目前已廣泛應用于中國太湖、巢湖、滇池等富營養化水體（邵路路等，2013）。藍藻打撈對藻源性生物質的直接移除具有潛在的減污降碳效果，但具體效果尚不明晰。

本研究利用水-沉積物柱實驗體系，通過人為移除藻源性生物質方式模擬藍藻打撈不同強度，分析藍藻移除后水體N，P 濃度與溫室氣體排放通量之間的關系，核算氮磷水平與碳排削減量，評估藍藻移除的減污降碳協同效果。研究結果對于富營養化湖泊藍藻打撈的環境效益綜合評估具有重要參考意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗所使用的湖水和沉積物取自太湖梅梁灣（31°28'20.1″N，120°09'43.4″E）。湖水和沉積物分別由有機玻璃采水器和彼得森采泥器采集于水面下10 cm 處和沉積物表層0－10 cm 處，樣品采集后在黑暗條件下盡快運輸至實驗室。利用浮游植物網在采樣點同步采集藻漿，冷凍干燥后制備藻源性生物質。

1.2 實驗裝置

湖水和沉積物完全混勻后平均分裝至12 根直徑（內徑）為8.4 cm、高為50 cm 的有機玻璃柱中，每個模擬實驗柱中沉積物10 cm、上覆水30 cm。模擬實驗柱靜置2 周后開始實驗。

1.3 實驗方案

為對比不同藍藻打撈強度下藻源性生物質移除的減污降碳效果，本研究采用模擬實驗柱，通過調控實驗柱內藻源性生物質的量來開展。模擬實驗柱中藻生物量調控是通過定量添加藻源性生物質的方式進行。藻源性生物質投加量越少代表藍藻移除強度越強、藻源性生物質移除越多。實驗分為4 個處理組：未進行移除（C）、低強度藍藻移除（L）、中強度藍藻移除（M）和高強度藍藻移除（H）。未進行藍藻移除對照組的藻源性生物質投加量是基于太湖梅梁灣藻源性生物質的量而定，質量濃度為90 mg·L?1；低強度和中強度藍藻移除處理組中的藻源性生物質濃度為60、30 mg·L?1，分別代表33%、66%移除強度；高強度藍藻移除處理組中的藻源性生物質<1 mg·L?1，代表99%移除強度。每個處理組有3 個模擬實驗柱。模擬柱在室溫條件下 (20±1) ℃運行20 d。在第1、3、5、7、10、15 和20 天進行監測與采樣。水體溶解氧（DO）由便攜式DO 測定儀測定；抽取50 mL 水樣過0.45 μm 濾膜后，?4 ℃條件下保存，用于水質分析（1.4.1 節）；CO2、CH4和N2O 氣體釋放通量采用靜態箱法測定（見1.4.2 部分）。

1.4 分析方法

1.4.1 水質分析

總氮（TN）和總磷（TP）濃度分別用水和廢水監測分析方法（第四版）中的堿性-過硫酸鉀消解紫外分光光度法和過硫酸鉀消解-鉬酸鹽分光光度法測定（《水和廢水監測分析方法》編委會，2002）。為降低大量樣品采集對模擬實驗體系造成影響，磷酸鹽（SRP）、硝態氮（NO3?-N）、亞硝態氮（NO2?-N）和氨態氮（NH4+-N）的測定采用酶標儀微量比色法。酶標儀微量比色法對每個指標的測定所需樣品體積僅為200－250 μL，并且與傳統分光光度法在線性范圍、最低檢出限、靈敏度等方面沒有明顯差異（Ringuet et al.，2011）。

1.4.2 溫室氣體釋放通量測定

CO2、CH4和N2O 釋放通量測定采用靜態箱法進行，具體操作流程為：將帶有50 mL 鋁箔氣袋的橡膠塞塞緊于模擬實驗柱上端，并確保氣密性。鋁箔氣袋主要是起到緩沖作用，避免因箱體內外壓力差而被動漏氣，測定裝置具體設計如圖1 所示。用注射器通過取氣閥緩慢注入靜態箱40 mL 空氣，往復抽吸3 次混勻后，回收20 mL 氣體，作為初始氣體；關閉靜態箱取氣閥運行1 h 后，用注射器吸取20 mL 靜態箱內氣體作為運行結束后氣體。氣體樣品常溫常壓儲存于12 mL 頂空瓶（839W，labco Exetainer? Vial，UK）。利用氣相色譜（8890，Agilent Technologies，USA）完成測定。CO2、CH4和N2O釋放通量按下式計算：

圖1 靜態箱測定模擬實驗柱溫室氣體排放示意圖Figure 1 Static chamber for measuring greenhouse gas emissions from simulated columns

式中：

F——待測氣體釋放通量，mg·m?2·h?1；

b1和b2——靜態箱運行前后的待測氣體濃度，mg·m?3；

V——靜態箱頂空體積，m3；

S——靜態箱覆蓋水面的面積，m2；

t——靜態箱運行時間，h。

參照第六次氣候變化專門委員會政府間的評估報告（IPCC），核算各氣體二氧化碳當量（CO2-eq）：

式中：

FCH4、FN2O和FCO2——CH4、N2O 和CO2的CO2-eq，mg·m?2·h?1；

k1和k2值——100 年時間尺度下CH4和N2O 的CO2-eq，分別為27.2 和273（Lahn et al.，2021）；

Ftotal——CH4、N2O 和CO2的CO2-eq 之和，mg·m?2·h?1。

1.4.3 數據分析

本研究中結果均為3 組重復的平均值，誤差棒為標準方差。統計分析和繪圖均由Origin 2019 軟件完成，顯著差異水平均采用P<0.05。

2 結果與分析

2.1 藻源性生物質移除對水體DO 的影響

在實驗運行期間，各個處理組水體DO 出現顯著變化（P=0.03）。未進行藻源性生物質移除的水體DO 下降速率最快，在第3 天出現最小值，為1.3 mg·L?1，并且在實驗運行初期的1－5 d 內一直處于缺氧狀態（DO<2 mg·L?1），隨后逐漸恢復至起始水平。藻源性生物質的移除改善了水環境條件，且隨著移除強度增加，該效果更為明顯，具體表現為，水體DO 下降速度變緩，DO 最小值也逐步提升。低和中強度藍藻移除條件下，DO 最低值分別為1.8 mg·L?1和3.1 mg·L?1；高強度藍藻移除水體DO 并未明顯下降，實驗運行期間維持在4.4－6.1 mg·L?1（圖2）。

圖2 各處理組水體DO 變化情況Figure 2 Changes of water DO in the simulated column systems

2.2 藻源性生物質移除對水體N 組份的影響

藻源性生物質移除對水體N 水平，尤其是TN和NO3?-N，具有顯著削減作用（P=0.01；P=0.01），且移除強度增強，削減作用更加明顯。在整個實驗運行期間，處理組水體TN 和NO3?-N 濃度均低于對照組，且藻源性生物質移除強度越強的水體中TN 和NO3?-N 濃度越低。實驗運行結束時，對照組、低、中和高移除強度水體TN 濃度分別為4.84、3.57、3.12 和2.24 mg·L?1，NO3?-N 分別為1.57、1.11、1.01 和0.72 mg·L?1（圖3a、b）。與對照組相比，低、中、高移除強度下，TN 分別下降26.1%、35.4%、53.8%。實驗初期藻源性生物質移除對水體NH4+-N 和NO2?-N 削減作用明顯，未出現明顯升高，而對照組在前7 天出現明顯上升，濃度分別高達0.87 mg·L?1和0.86 mg·L?1（圖3c、d）。

圖3 各處理組中水體TN（a）、NO?3-N（b）、NH+4-N（c）、NO?2-N（d）變化情況Figure 3 Changes of water TN (a), NO－3-N (b), NH+4-N (c), NO－2 -N (d) in the simulated column systems

2.3 藻源性生物質移除對水體P 組份的影響

與N 類似，藍藻移除對水體P 濃度具有明顯削減作用，且強度越強，削減作用越明顯（P=0.01）（圖4）。未進行藍藻移除對照組TP 和SRP 在0－10 d 內逐步升高，隨后分別維持在0.76－0.51 和0.61－0.50 mg·L?1范圍內。低強度藍藻移除水體TP 和SRP 在實驗期間緩慢升高，在第20 天分別達到0.25 mg·L?1和0.19 mg·L?1。中強度藍藻移除水體TP 緩慢下降，在第20 天達到0.14 mg·L?1，SRP 略微上升，在第20天達到0.09 mg·L?1。高強度藍藻移除水體TP 出現略微下降，在第20 天達到0.11 mg·L?1，而SRP 未明顯變化，實驗期間維持在0－0.03 mg·L?1。對比未進行移除對照組，在低、中、高藍藻移除強度下，TP 分別下降50.9%、72.9%和78.2%。

圖4 各處理組水體TP（a）、SRP（b）變化情況Figure 4 Changes of water TP (a) and SRP (b) in the simulated column systems

2.4 藻源性生物質移除對CO2、CH4和N2O 排放通量的影響

藻源性生物質移除對水體CO2排放通量具有明顯的削減作用，且隨著強度增加，削減效果越明顯（P=0.04）（圖5a）。未進行移除的對照組中，CO2在第0－3 天內迅速上升至最大值56.60 mg·m?2·h?1，隨后逐步降低至初始水平。低、中、高移除強度下，水體CO2在第0－3 天內峰值分別為39.59、27.53和21.74 mg·m?2·h?1，隨后逐漸下降至初始水平（圖5a）。因此，藻源性生物質移除避免了CH4和N2O爆發式釋放。對照組中CH4和N2O 釋放通量在前5天出現明顯上升，分別達到1.15、0.08 mg·m?2·h?1，而低、中、高移除強度下，水體CH4釋放通量分別維持在<0.15 mg·m?2·h?1、<0.06 mg·m?2·h?1和<0.05 mg·m?2·h?1范圍內（圖5b）；N2O 釋放通量均維持在<0.01 mg·m?2·h?1范圍內（圖5c）。

圖5 各處理組中CO2（a）、CH4（b）、N2O（c）釋放通量變化情況Figure 5 Changes of CO2 (a), CH4 (b), and N2O (c) fluxes from the simulated column systems

2.5 藻源性生物質移除對CO2-eq 排放通量及其累積量的影響

藻源性生物質移除對水體CO2-eq 排放通量與累積排放量也具有削減效果，且隨著強度的增加而增加（P=0.03）。對照組中，CO2-eq 在前5 天內迅速上升至最大值86.80 mg·m?2·h?1，隨后逐漸恢復至初始水平。低、中、高移除強度下，CO2-eq 排放通量峰值在前5 天內分別為42.84、33.64 和23.29 mg·m?2·h?1，隨后逐漸恢復至初始水平（圖6a）。在實驗運行20 d 內，對照組CO2-eq 累積排放量最大，達到95.46 mg，其中CO2、CH4和N2O 分別為72.88、9.48 和13.09 mg。低移除強度中，CO2-eq 累積排放量為61.18 mg，其中CO2、CH4和N2O 分別為53.44、3.97 和3.75 mg；中移除強度中，CO2-eq 累積排放量為46.45 mg，其中CO2、CH4和N2O 分別為44.15、1.04 和1.25 mg；高移除強度中，CO2-eq 累積排放量為35.58 mg，其中CO2、CH4和N2O 分別占比33.13、0.81 和1.64 mg。對比處理組，低、中、高移除強度下，CO2釋放量分別下降26.7%、39.4%、54.5%。CH4釋放量分別下降58.1%、89.0%、91.5%，N2O 釋放量分別下降71.3%、90.4%、87.5%?？侰O2-eq 累積排放量分別下降35.9%、51.4%和62.7%（圖6b）。不僅如此，CH4和N2O 的CO2-eq 在CO2-eq總累積排放量中占比呈現下降趨勢。對照組中CH4和N2O 的CO2-eq 占比分別為9.9%和13.7%，而低、中、高移除強度下，CH4的CO2-eq 占比分別為6.4%、2.2%和2.2%，N2O 的CO2-eq 占比分別為6.1%、2.6%和4.6%（圖6c）。

圖6 各處理組中CO2-eq 排放通量（a）、累積排放量（b）和各氣體在累積排放量的占比（c）Figure 6 CO2-eq flux (a), cumulative emissions and (b) percentage of each GHG gas in cumulative CO2-eq emission (c)in the simulated column systems

3 討論

目前，隨著水體富營養化加劇，藍藻水華已成為了全球性水環境問題之一（Padisák et al.，1998；楊柳燕等，2019）。藍藻水華暴發后期，藻源性生物質的快速分解易造成水體中N、P 物質濃度劇烈上升。本研究中，藻源性生物質未移除對照組水體中N、P 濃度上升速率和峰值均最大（圖3）。藻源性生物質的移除有效削減了水體N、P 水平，尤其是NH+4-N，NO2?-N 和SRP，且隨著移除強度增加，削減效果更加明顯。藻源性生物質屬于內源有機物，比外源有機物更容易分解產生CO2、CH4和N2O 等溫室氣體（Li et al.，2021）。國內外大量研究證實，富營養化大幅增加了湖泊CO2、CH4和N2O 釋放通量，其中，藻源性生物質是湖泊持續排放 CO2的關鍵驅動力（Morales-Williams et al.，2021），CH4排放量也因此在下個世紀可能大幅增加30%－90%（Beaulieu et al.，2019）。本研究中，各個處理組CO2、CH4和N2O 釋放通量的峰值均出現在第3－5 天，但隨著藻源性生物質移除強度的增加，CO2、CH4和N2O 釋放通量在實驗初期上升速度和峰值逐步減小。相應地，CO2-eq排放通量（圖6a）與累積排放量（圖6b）也出現明顯削減效果。相較而言，藻源性生物質未移除情景下水體表現出較高的CO2、CH4和N2O 釋放通量（圖5）。

藻源性生物質快速分解常常耗竭DO，誘發水體缺氧。本研究中，藍藻未移除情景下水體DO 下降速率最快，在第3 天出現最小值，并且在實驗運行初期第1－5 天內持續處于缺氧狀態（DO<2 mg·L?1）（圖2）。隨著藻源性生物質移除強度增加，水體DO 下降速度變緩，DO 最小值也逐步提升，缺氧時間逐步縮短。低強度移除時，水體僅在第3－5 天內缺氧，而中和高強度移除實驗體系中并未出現缺氧情況。氧化還原條件調控了有機碳分解方式。相比于氧化條件，還原條件有利于有機碳向產CH4方向分解（Gelesh et al.，2016；Shi et al.，2018），同時抑制CH4氧化消耗，從而引起CH4大量釋放（Encinas et al.，2014）。有研究發現，富營養化湖泊藻類聚集區存在大量CH4的積累與釋放（Wang et al.，2006）。本研究中，CH4的CO2-eq 累積量及其在總CO2-eq 累積排放量中的占比均隨藻源性生物質移除量增加呈現下降趨勢（圖6b、c）。CH4的CO2-eq 累積量及其在總CO2-eq 累積排放量中的占比從對照組的9.9%和9.48 mg 下降至高強度移除處理組的2.2%和0.81 mg。湖泊N2O 釋放不僅與N 底物和碳源有關，而且也受氧化還原條件的影響（Nguyen et al.，2005；Chen et al.，2016；Lauerwald et al.，2019）。本研究中，氧化還原條件改變也可能調控N 轉化過程，影響N2O 的產生（Sasaki et al.，2011；Zhou et al.，2023）。隨著藻源性生物質移除強度的增加，N2O 釋放總累積量逐漸下降（圖5c），其在總CO2-eq 累積量中的占比也表現出類似規律（圖6c）。因此，藻源性生物質移除不僅直接減少了溫室氣體產生的底物，而且降低了CO2-eq 更高的CH4和N2O 的比例，進一步削減了碳排放水平（Lahn，2021）。

目前，為應對富營養化湖泊藍藻水華，國內外已研發了多項相關技術，例如，沉積物原位覆蓋、底泥疏浚、水生植物恢復和藍藻打撈等（Yin et al.，2011；吳鋒等，2012；陳超等，2013；張迎穎等，2017）。藍藻打撈是一種簡單易行、見效快、副作用小的物理移除技術，已廣泛應用于藍藻水華應急管理。以太湖為例，截至2020 年底，太湖藍藻日打撈量已超6×104t?；诒狙芯磕M實驗結果，藻源性生物質的直接移除不僅可以避免N、P 二次釋放，而且有效削減了溫室氣體排放，表現出減污和降碳協同的潛力。另外，本研究模擬結果可能與實際藍藻打撈因尺度效應存在不同，有待進一步研究。同時，藍藻打撈所收獲的藻源性生物質如何實現碳封存，也值得進一步探究。

4 結論

針對富營養化湖泊N、P 水平高和溫室氣體大量排放問題，本研究利用水-沉積物柱實驗體系，模擬了藻源性生物質移除對水體N、P 水平削減與碳排放控制效果。結果表明，藻源性生物質不僅直接削減了水體N、P 水平，降低了CO2、CH4和N2O排放通量，而且水環境條件改善間接降低了CH4和N2O 比例，進一步降低碳排放通量，實現了減污和降碳有效協同。研究結果對于富營養化湖泊藍藻打撈的環境效益綜合評估具有重要參考意義。