管衛(wèi)兵，陸 鋒，許維岸，何文輝

（1.上海海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.蘇州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；3.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海 201306）

湖泊富營養(yǎng)化的治理已成為當(dāng)前淡水生態(tài)學(xué)研究的中心問題之一[1]。以往通過生物操縱理論為核心的修復(fù)技術(shù)主要集中于利用濾食性魚類[2-3]，依賴浮游動物，放養(yǎng)螺、蚌類等直接吸收營養(yǎng)鹽，抑制藻類生長以凈化富營養(yǎng)化水體[4]。太湖是一個典型的大型淺水湖泊，在淺水湖泊中，大型沉水植物的修復(fù)對生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化起著重要影響[5]。當(dāng)前富營養(yǎng)化湖泊類型中，以藻型富營養(yǎng)化為典型代表[6]，尤其以藍(lán)藻爆發(fā)最為顯著。正如秦伯強(qiáng)[7]所論述的，如何創(chuàng)造適合于沉水植物的生長所需的環(huán)境條件及維持一個草型生態(tài)系統(tǒng)所需的外部環(huán)境是湖泊生態(tài)修復(fù)工作的重點(diǎn)和前提。

本文通過運(yùn)用圍隔試驗投放實驗室內(nèi)人工馴化浮游動物（大型枝角類），在試驗圍隔內(nèi)以大型枝角類吃藻、控藻作為前導(dǎo)啟動因子，可在短時期內(nèi)提高水體透明度[8]，創(chuàng)造了沉水植物重建的發(fā)生條件，結(jié)合物理工程和生態(tài)工程，修復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng)，提高水體的自凈能力。

1 材料和方法

1.1 圍隔點(diǎn)的設(shè)置

在太湖的東部沿岸區(qū)域水體，建立生態(tài)修復(fù)區(qū)一個，圍隔大小10 000 m2，抗風(fēng)浪能力達(dá)8級。試驗開始前，未見大型水生植被生長，圍隔內(nèi)魚類被清除。圍隔內(nèi)外營養(yǎng)物完全隔離。在圍隔內(nèi)、外分別設(shè)置 A、B、C、D、E、F，6 個采樣點(diǎn)。其中，A、B、C 為圍隔內(nèi)采樣點(diǎn)，D、E、F為圍隔外采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)具體位置見圖1。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖

1.2 圍隔內(nèi)生態(tài)修復(fù)主要技術(shù)路線

以大型枝角類為主攝食水華藻類群體，使富營養(yǎng)化水體在短時間內(nèi)透明度提高，繼而通過生態(tài)修復(fù)技術(shù)移栽沉水植物，保持水體持續(xù)變清，形成良好的水質(zhì)。具體過程如下：

（1）2007年9月選定位于太湖的東部沿岸區(qū)域水體，建立一個10 000 m2的生態(tài)修復(fù)圍隔區(qū)，于同年10月份建大規(guī)模投放經(jīng)人工馴化大型枝角類，對水華藻類的富營養(yǎng)化水體進(jìn)行控藻作用。

（2）2008年1月至5月進(jìn)行各種類型沉水植物成體植株的移栽，其中移栽亞洲苦草（Vallisneria natans）1.08萬叢、金魚藻（Ceratophyllum demersum L）1170 叢、菹草（Potamogeton crispus）1680 叢、輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）2 120叢。

（3）2008年5月，為進(jìn)一步控制水華藻類、增加透明度和建立穩(wěn)定水生生態(tài)系統(tǒng)，在試驗區(qū)分別逐步放養(yǎng)人工馴化的大型枝角類，各種規(guī)格的田螺，鱖魚。隨著生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，由于捕食魚類的作用，最終大型枝角類退出生態(tài)系統(tǒng)。

1.3 采樣與測定方法

于2007年12月至2008年9月，對水體水質(zhì)進(jìn)行逐月定點(diǎn)跟蹤監(jiān)測，每個站位采表層水樣（深度小于0.5 m），采集后即用0.45 μm的Millipore濾膜進(jìn)行現(xiàn)場減壓過濾，保溫箱內(nèi)低溫保存，運(yùn)回實驗室后立刻按照國標(biāo)進(jìn)行水化學(xué)分析?，F(xiàn)場監(jiān)測和記錄溶解氧（DO）、透明度SD（cm）及pH值，采樣后在實驗室監(jiān)測的水質(zhì)指標(biāo)有：總氮TN（mg/L）、總磷TP（mg/L）、高錳酸鹽指數(shù)CODMn（mg/L）。

DO采用碘量法測定（GB 7489—87），SD采用塞氏盤法測定，pH值現(xiàn)場測定，總氮（TN）采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定（GB 11894—89），總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法測定（GB11893—89），高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）采用酸性法測定（GB 11892—89），葉綠素a參照乙醇萃取法進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗各項指標(biāo)均參照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查研究》[9]和《水和廢水監(jiān)測分析方法 第四版》[10]的方法進(jìn)行測定，采用SPSS 15軟件中單因子方差（ANOVA）及Duncan多重比較對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)修復(fù)期間水體主要水質(zhì)指標(biāo)的月變化

由圖2可以看出，隨著季節(jié)的變化，各監(jiān)測點(diǎn)水體透明度變化范圍為63~168 cm，圍隔內(nèi)透明度呈直線上升的趨勢，同時夏季月份期間水體透明度也保持上升狀態(tài)；而圍隔外各月間水體透明度基本沒有變化，但入夏的5、6月份水體透明度稍弱。對比分析顯示，自2008年1月以后，圍隔內(nèi)水體的透明度極顯著高于圍隔外（p<0.01）。馴化的大型枝角類對水華藻類有抑制效應(yīng)，同時以沉水植物為主的水下森林得以修復(fù)，水體自凈能力得以增強(qiáng)，圍隔內(nèi)水體透明度較高。

2007年12月水體生態(tài)修復(fù)前期階段，圍隔內(nèi)、外水體中的溶解氧濃度基本保持一致，初始濃度為5.7 mg/L，符合Ⅲ類地表水溶解氧標(biāo)準(zhǔn)限值。至2008年2月，圍隔內(nèi)溶解氧含量顯著高于圍隔外（p<0.01）；2008年9月，修復(fù)區(qū)內(nèi)溶解氧含量顯著上升，監(jiān)測濃度已達(dá)13.2 mg/L，完全達(dá)到飽和狀態(tài)。此時藻類亦得到有效控制，水下沉水植物大量覆蓋，并釋放氧氣。

圖2 圍隔內(nèi)外水體水質(zhì)指標(biāo)變化

太湖水體圍隔內(nèi)、外水體pH值變化處于7.3~8.6之間隨時間都有所上升。2008年6～8月圍隔內(nèi)、外差異顯著（p<0.01），符合Ⅲ類地表水pH限值。監(jiān)測表明，盡管隨著季節(jié)變換水溫不斷變化，當(dāng)圍隔內(nèi)當(dāng)水華藻類得以很好控制后，以沉水植物為主的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力更高，水體二氧化碳固定量隨之增高，導(dǎo)致水體pH相對圍隔外更高。

在未進(jìn)行生態(tài)修復(fù)之前，圍隔內(nèi)、外水體總氮濃度同屬于Ⅴ類地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值；修復(fù)期間圍隔內(nèi)水體中的總氮濃度由初始的1.5 mg/L下降至0.55 mg/L，修復(fù)區(qū)外源水體中總氮含量由1.55 mg/L升至1.62 mg/L。自2008年1月以后，圍隔內(nèi)極顯著低于圍隔外（p<0.01）；至2008年9月，圍隔內(nèi)水體總氮濃度比圍隔外下降了66.0%。

沉水植物建立過程中，修復(fù)區(qū)內(nèi)水體總磷濃度呈下降趨勢。初期圍隔內(nèi)水體和圍隔外水體總磷濃度分別為0.06和0.05 mg/L，均處于Ⅱ類地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。對比分析顯示，圍隔內(nèi)水體總磷濃度在2008年1月至9月均顯著低于圍隔外（p<0.01）。截至2008年9月，圍隔外總磷濃度為0.04 mg/L，圍隔內(nèi)總磷濃度為0.02 mg/L，總磷降低了50.0%。

圍隔建立初期，位于圍隔內(nèi)和圍隔外水體中CODMn的濃度分別為4.6和4.7 mg/L。通過放養(yǎng)人工馴化的大型枝角類，水體沉水植物的自凈作用，2008年3月至9月，圍隔內(nèi)CODMn含量極顯著低于圍隔外水體（p<0.01）。至2008年9月，圍隔外水體中CODMn的含量與初始階段并無差異（p＞0.05），為4.8 mg/L，而圍隔內(nèi)水體的CODMn含量下降至1.4 mg/L，同比下降了70.8%。

2.2 圍隔水體后期穩(wěn)定性

工程后期，于2009年5月7日按照原設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)再次對生態(tài)修復(fù)區(qū)圍隔內(nèi)、外水體采樣分析。結(jié)果如表1所示，圍隔外水體平均透明度為71.67±2.89 cm，而同期圍隔內(nèi)透明度為156.67±5.77 cm，提高了1.2倍。圍隔外，高錳酸鹽指數(shù)平均為3.30±0.17 mg/L，而同期圍隔內(nèi)高錳酸鹽指數(shù)為2.90±0.10 mg/L，降低了12.1%。修復(fù)區(qū)圍隔外，總氮和總磷平均濃度為1.66±0.02和0.09±0.01 mg/L，而同期圍隔內(nèi)為0.58±0.02和0.08±0.01 mg/L，經(jīng)修復(fù)，總氮和總磷分別降低了65.1%和11.1%。圍隔外，平均葉綠素a為8.03±1.35 mg/L，而同期圍隔內(nèi)葉綠素a為 1.89±0.83 mg/L，降低了 86.46%。

表1 圍隔水體后期穩(wěn)定性

3 小結(jié)與討論

3.1 圍隔中蟲—草共生的作用機(jī)理

近年來，國內(nèi)有多種生物操縱的方法用于修復(fù)富營養(yǎng)化湖泊[11-13]。添加植食性浮游動物水蚤（Daphnia）也是一項建立大型浮游動物種群的成功技術(shù)，可以很好的抑制藍(lán)藻水華的發(fā)生[14]。國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)對富營養(yǎng)化水體的治理，單純以營養(yǎng)鹽控制難以湊效，為此有不少研究人員提出了物理工程相結(jié)合的方案。武漢東湖水生植被恢復(fù)試驗[15]、五里湖生態(tài)重建[5]及北京什剎海生態(tài)修復(fù)試驗工程[16]等生態(tài)修復(fù)工程，都實現(xiàn)了淺水湖泊濁水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換成清水穩(wěn)態(tài)[17]。太湖試驗水體生態(tài)修復(fù)后期，水體終年無藍(lán)藻污染，以少量較優(yōu)的隱藻和金藻為主，項目實施完成后，水下森林的植物覆蓋率為90%以上。太湖試驗水體水質(zhì)有了極大地改善。

總的來說，“大型枝角類與沉水植物共生”的作用大于“只用大型枝角類或者只種植沉水植物”的作用，這一觀點(diǎn)與Peretyatko等人在池塘富營養(yǎng)化水體中利用浮游動物和沉水植物重建協(xié)同作用相符[18]?！爸环N植沉水植物”的作用也大于“只用白鰱食藻”的作用[19]。本技術(shù)的核心是由大型枝角類控藻形成“蟲—草共生”，依靠大型枝角類抑制水華藻類生長，協(xié)助水草生長，最終靠優(yōu)化水生植被群落來穩(wěn)定水域生態(tài)環(huán)境，大型枝角類的作用起了先決條件。

3.2 蟲—草共生對圍隔水體主要水質(zhì)指標(biāo)的影響

運(yùn)用圍隔試驗加以驗證，以人工馴化大型枝角類控藻為先導(dǎo)，有效抑制水華藻類，同時恢復(fù)沉水植被群落改善水質(zhì)狀況。通過對比圍隔內(nèi)、外水質(zhì)因子發(fā)現(xiàn)，圍隔內(nèi)水體的總氮、總磷、CODMn較工程實施期間圍隔外水體各營養(yǎng)鹽指標(biāo)降低。經(jīng)歷近10個月的生態(tài)修復(fù)，至2008年9月圍隔內(nèi)水體和圍隔外相比，總氮同比下降了67.3%，總磷同比降低了50.0%，而 CODMn的含量則同比下降了70.8%。水體透明度顯著提高，pH值和溶解氧含量升高，這與修復(fù)區(qū)外水質(zhì)因子形成鮮明對照。2009年5月7日水質(zhì)分析再次證實，沉水植被群落的修復(fù)對維持內(nèi)源水域生態(tài)系統(tǒng)長期穩(wěn)定性具有高效的自凈能力。

3.3 湖泊內(nèi)源生態(tài)修復(fù)展望

內(nèi)源控制一直以來作為湖泊富營養(yǎng)化控制的核心[20]，研究表明沉水植物的修復(fù)對水體富營養(yǎng)化的修復(fù)有明顯的改善作用[1]，但水體透明度、光的有效利用和營養(yǎng)的負(fù)荷是沉水植物能否修復(fù)的瓶頸[21]，王海珍[22]研究指出鰱魚放養(yǎng)后引入菹草會使水體透明度進(jìn)一步增加。

湖泊生態(tài)系統(tǒng)在人類的活動下，由原本的草型湖泊演變?yōu)樵逍秃础Ｔ谌藶樯锊倏v下，通過消除圍隔內(nèi)魚類和阻止外源營養(yǎng)物供應(yīng)，構(gòu)建蟲—草共生系統(tǒng)，創(chuàng)造了以沉水植物為主的植物再生條件，沉水植物穩(wěn)固存活為主導(dǎo)的初級生產(chǎn)力代替了浮游植物為主的初級生產(chǎn)力。同時，調(diào)整魚蝦螺貝等水生動物生態(tài)平衡，進(jìn)一步對沉水植被群落進(jìn)行優(yōu)化，為提高生態(tài)修復(fù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供很好的平臺。最終取得有效的逆轉(zhuǎn)，由藻型湖泊轉(zhuǎn)化為最初的草型湖泊。

總之，采用大型枝角類引導(dǎo)的沉水植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)對太湖圍隔水質(zhì)的凈化取得較好的效果，該技術(shù)融合了經(jīng)典食物鏈為基礎(chǔ)的生物操縱的基本理論，創(chuàng)造湖泊生態(tài)修復(fù)中沉水植物需要的關(guān)鍵清水期，成功引導(dǎo)了沉水植物的存活條件，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行生物多樣性的系統(tǒng)優(yōu)化，可最終實現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康重建。

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