（自然地理学专业论文）富营养化水体的生态修复技术研究.pdf

南京师范大学硕士学位论文李振国藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 摘要 水体富营养化发生机理和修复原理及技术的研究是国内外环境学和生态学研究的前沿 和热点。在富营养化水体修复的各种手段中，植物修复( 生物修复的一种) 是一种耗能低、 效果好的新技术，已经引起国内外学术界的高度重视。 本研究在富营养化浅水水体中以软隔离技术，建立相互独立的试验区。根据水体富营 养化特征，首先有控制地引种漂浮植物风眼莲，抑制藻类生长，提高水体透明度，改善水 质：然后逐步引种冷季型和暖季型水生植物，构建时间和空间上镶嵌的植物群落，建立以 水生高等植物为优势的清水态生态系统。重点研究和总结了漂浮植物的引种和控制技术以 及适宜的控制规模；沉水植物恢复对浮游植物种群数量以及结构的影响；探讨了沉水植物 恢复对水质的改变，以及冷暖季植被交替期水质指标的变化。 结论如下： ( 1 ) 先锋种的引种及其生态作用。植物修复的早期，选择耐污性强的r - 对策漂浮植 物作为先锋物种，以快速控制藻类生长，提高水体透明度，为沉水植物的引种栽培和恢复 创造条件。漂浮植物凤眼莲的盖度越大，对透明度的改善效果越好，通过实验数据建立透 明度，水深与盖度的模型：y = i 1 6 6 9 x + 0 1 8 2 5 ；透明度提高倍所用时间与盖度的模型； y = 3 1 5 5 6 e 。32 6 ”。但如果任其发展会导致水体溶解氧的浓度将越降低，水生生物死亡等问 题。为了获得最佳的效果，建议漂浮植物风眼莲的初始引种盖度以2 0 左右为宜，并注意 及时打捞，控制其盖度不能超过5 0 。 ( 2 ) 漂浮植物风眼莲虽然有很强的抑制浮游植物的作用，但是对浮游植物种群结构 影响不大。漂浮植物对浮游植物抑制作用的发挥需要达到一定的盖度，当盖度为2 0 时， 抑制效果为3 0 ，当盖度为7 0 时，抑制效果达到了8 2 。但漂浮植物处理组和对照组的 水体中浮游植物主要门类组成的相似度很高。 ( 3 ) 冷暖季沉水植物恢复后，在其生长期能够有效地控制水体中的氮磷等营养盐。 水生高等植物恢复后与恢复前相比较，总氮指标平均降低了2 0 7 3 ，亚硝酸盐氮指标降 低了1 5 7 9 ，总磷指标平均降低了11 - - 6 1 ，水体透明度平均提高了5 0 2 0 0 ，而 且水体中各项水质指标波动趋缓，变幅很小，水生高等植物的恢复稳定了水体的清水态。 ( 4 ) 水生高等植物的恢复可以有效地控制浮游植物数量，并可以控制蓝藻、绿藻等 富营养化藻类的数量，改变浮游植物种群结构，彻底的解决富营养化的最主要表现“水花” 的发生基础。水生高等植物恢复后浮游植物数量平均降低了4 2 0 ”0 2 ，而且波动趋缓，消 除了藻华的爆发。水生高等植物恢复后，出现了甲藻门( p y r r o p h y t a ) 取l 金藻门( c h r y s o p h y t a ) 的一些清水指示种且占有一定的比例。蓝藻门( c y a n o p h y t a ) 、绿藻门( c h l o r o p h y t a ) 、硅 藻门( b a c i l l a r i o p h y t a ) 、隐藻门( c r y p t o p h y t a ) 、及裸藻门( e u g l e n o p h y t a ) 藻类所占 比例与水生高等植物恢复前相比有明显下降。 ( 5 ) 在冷暖季水生植物交替期有氮磷指标上升、透明度下降的趋势，不利于植被的 顺利演替。如何实现冷暖季水生植物的顺利交替仍然是一个值得深入研究的问题。 关键词：生态修复，藻型富营养化，漂浮植物，沉水植物，浮游植物 l i i 南京师范大学硕士学位论文李振国藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 e c o l o g i c a lr e m e d i a l i o nt e c h n o l o g yi ne u t r o p h i cl a k e s a b s t r a c t u n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i s m so fe u t r o p h i c a l i o no fw a t e rb o d ya n dd e v e l o p i n gf e a s i b l e r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yi st h ef r o n t i e ra n dh o tr e s e a r c hf i e l d i ne n v i r o n m e n ta n de c o l o g y a sa n e 、c h e a pa n de c o l o g i c a ls o u n dt e c h n o l o g y , e c o l o g i c a lr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yi ne u t r o p h i c l a k e sa t t r a c t sm a n ys c i e n t i s t sa l lo v e rt h ew o r l d 。t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yw a st os u m m a r i z et h et e c h n o l o g yo fp h y t o r e m e d i a t i o no f e u t r o p h i c a t e dw a t e rs y s t e m ，t h r o u g he x p e r i m e n t si n t h ef i e l df i r s t ，f l o a t i n gp l a n t ss h o u l db e i n t r o d u c e dt or e d u c ec o n c e n t r a t i o no fs u s p e n d e ds u b s t a n c ea n dp h y t o p l a n k t o nt oi m p r o v ew a t e r t r a n s p a r e n c y ；t h e nt h ec o l ds e a s o nm a c r o p h y t ea n dt h ew a r ms e a s o nm a c r o p h y t es h o u l db e i n t r o d u c e dt ob u i l dt h ee n c h a s i n gc o m m u n i t yo nt i m ea n ds p a c e ，t om a k et h ew a t e rb o d yc l e a r s t a b i l i z e d t h em a j o rr e s e a r c ha n ds u m m a r ym a d ew e r e ：t e c h n o l o g yo nc o n t r o lt h ef l o a t i n g m a c r o p h y t ea n di t sf e a s i b l ec o v e r a g e ；i m p a c to fs u b m e r s e dm a c r o 曲y t et ot h ea m o u n ta n d s t r u c t u r eo f p h y t o p l a n k t o n t h em a i nr e s u l t so b t a i n e da r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c t i o no fp i o n e e rs p e c i e sa n di t se c o l o g i c a le f f e c t a tt h eb e g i n n i n go f p h y l o r e m e d i a t i o n ，s o m er - s t r a t e g yf l o a t i n gp l a n t s ，a sp i o n e e r i n gs p e c i e s ，s h o u l db ei n t r o d u c e dt o i m p r o v ew a t e rt r a n s p a r e n c ya n dt or e d u c ec o n c e n t r a t i o no fn u t r i t i o nf o ras u i t a b l es i t u a t i o nf o r i n t r o d u c t i o no fs u b m e r s e dp l a n t s t h eh i g h e rc o v e r a g eo ff l o a t i n gp l a n t s ( e i c h h o r i ac r a s s i p e s ) i s ， t h ef a s t e ri m p r o v e m e n to fw a t e rt r a n s p a r e n c yi s b u ti ti sac o n t r a d i c t i o nt h a tw a t e rd oi s g r a d u a l l yr e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s i n gc o v e r a g e ，a n dt h el i v i n gb e i n g si nw a t e rw i l ld i e f o rt h e b e s te f f e c t ，t h ea p p r o p r i a t ec o v e r a g ed e g r e eo ff l o a t i n gp l a n t sw h i c ha r ef i r s tv e g e t a t e di sa b o u t 2 0 ：a n dt h ec o v e r a g ed e g r e es h o u l db ec o n t r o l l e db e l o w5 0 ( 2 ) f l o a t i n gp l a n t sc a ns t r o n g l yr e s t r a i nt h ea m o u n to fp h y t o p l a n k t o n ，b u tt h ei m p a c tt ot h e p o p u l a t i o ns t r u c t u r eo fp h y t o p l a n k t o ni ss m a l l ( 3 ) d u r i n gt h eu p g r o w t ho f s u b m e r s e dm a c r o p h y t e ，t h ec o n c e n t r a t i o no f n u t r i t i o ns u c ha sn ， pi nw a t e rc a nb ec o n t r o l l e da tl o w e r , t h ew a t e rb o d yi sc l e a r ( 4 ) s u b m e r s e dm a c r o p h y t ec a l lc o n t r o lt h ea m o u n to fp h y t o p l a n k t o ne f f i c i e n t l y , a n dc a n c h a n g et h ep o p u l a t i o ns t r u c t u r eo fp h y t o p l a n k t o nt h r o u g hr e d u c i n gt h en u m b e ro fe u t r o p h i c a t i o n p h y t o p l a n k t o ns u c ha sc y a n o p h y t a , c h l o r o p h y t a ( 5 ) b u t i nt h ea l t e r n a t ep e r i o do fc o l ds e a s o np l a n t sa n dw a r ms e a s o n p l a n t s ，t h e 9 0 n c e n t r a t i o no fn u t r i t i o ni si n c r e a s e d ，t h ew a t e rt r a n s p a r e n c yi sd e c r e a s e d t h o s ec h a n g e sa r c h a r dt ot h es h c c e s s i o no fc o l ds e a s o np l a n t sa n dw a r ms e a s o np l a n t sh o wt om a k et h i s s u c c e s s i o nb es m o o t hi saq u e s t i o nw o r t ht ob es t u d i e d k e yw o r d s ：p h y t o r e m e d i a t i o n ，e u t r o p h i c a t i o n ，f l o a t i n gm a c r o p h y t e ，s u b m e r s e d m a c r o p h y t e ，p h y t o p l a n k t o n i v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除弓l 文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 s 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：蓬幽 日 期：型! ：尘 ， 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数 据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学 位论文在解密后适用本规定。 作者签名：乏幽 日 期：芝! ：! 南京师范大学硕士学位论文李振国藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 l 前言 1 1 研究背景 1 1 1 我国水环境现状 据统计，我国人均占有的水资源量2 3 0 0 m 3 ，仅为世界人均水平的l 4 ，在 世界排序中居第1 2 1 位，是全球的贫水国家之。预计到2 l 世纪中叶，中国的 人口将达到1 6 亿，届时人均占有的水资源量还将迸一步下降到1 7 5 0 m 3 。加之 天然降水的时空分布严重不均，河川径流的年际年内变化很大，年降雨量不足 4 0 0 m m 的地区占国土总面积的4 5 ，与我国人口、耕地、矿产的分布以及生产 力布局也很不匹配，故干旱缺水一直是困扰我国工农业生产尤其是北方地区的 主要自然灾害( 金相灿，1 9 9 5 ) 。 更令人担忧的是，在水资源如此短缺的情况下，水污染却日趋严重。随着 中国工业化的进程和区位转移，水污染正从东部向西部发展，从支流向干流延 伸，从城市向农村蔓延，从地表向地下渗透，从区域向流域扩散。据水利部对 全国7 0 0 余条河流约1 0 万k m 河长开展的水资源质量评价结果：4 6 5 的河长 受到污染( 相当于、v 类) ：1 0 6 的河长严重污染( 已超v 类) ，水体己丧失使 用价值。9 0 以上的城市水域污染严重。在全国七大流域中，太湖、淮河、黄 河流域均有7 0 以上的河段受到污染；海河、松辽流域污染也相当严重，污染 河段占6 0 以上。全国有i 4 的人口饮用不符合卫生标准的水。水污染已成为 我国面临的最主要的水环境问题。 1 1 2 我国湖泊富营养化现状 富营养化是指由于人类的活动，水体中的营养物质增加，引起植物过量生 长和整个水体生态平衡的改变，因而造成危害的一种污染现象( 刘建康，1 9 9 9 ) 。 我国是一个多湖泊的国家，面积在l k m 2 以上的湖泊，全国共有2 3 0 5 个， 湖泊总面积约为7 1 7 8 7k m 2 约占全国总面积的0 8 ：湖泊贮水总量约 7 0 1 0 “m 3 ，其中淡水贮量2 2 6 1 1 0 “m 3 ；按湖泊地理分布的特点，全国可划分 为五个主要湖区，即青藏高原湖区、东部平原湖区、蒙新高原湖区、东北平原 及山地湖区、云贵高原湖区。 东部平原湖区是目前我国淡水湖泊最集中的区域，湖泊总面积为 南京师范大学硕士学位论文李振国藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 2 1 8 4 7 k m 2 ，约占全国湖泊总面积的2 9 4 ，是中国湖泊密度最大的湖区。我国 著名的五大淡水湖鄱阳湖、洞庭湖、太湖、洪泽湖和巢湖都分布在这里。2 0 世纪8 0 年代以前，这些地区山青水秀，是著名的鱼米之乡。近2 0 多年来，湖 泊水环境日趋恶化，不少湖泊富营养化形势严峻，水质性缺水在很多地区己经 严重制约了地方经济的可持续发展。目前富营养化主要表现为以下特点： 一是富营养化范围扩大、程度加剧、进程加快。2 0 世纪8 0 年代以前，长 江中下游地区的浅水湖泊的水质普遍较好，8 0 年代后期至今，大部分湖泊已经 呈现中营养或中富营养化以上水平( 舒金华等，1 9 9 6 ；金相灿等，1 9 9 0 ) ，有些 湖泊己达到超重富营养化，如巢湖、武汉东湖( 国家环保总局，2 0 0 0 ；刘建康， 1 9 9 0 ) ，一些原本处于中营养化水平的湖泊如固城湖，2 0 0 0 年监测表明己达到中 富营养化( 谷孝鸿等，2 0 0 2 ) 。 二是湖泊藻类种群演替、数量上升，水华蔓延。在富营养化较严重的湖泊 中，藻类完全替代高等植物成为优势种群。在太湖，近4 0 年来水质不断恶化。 伴随着富营养化，除东太湖外，水生植被严重破坏，藻类数量不断上升，而藻 类种群数减少( 范成新，1 9 9 6 ，1 9 9 8 ) 。伴随着富营养化程度的加剧，水华现象 频繁发生。在太湖( 阮仁良等，1 9 9 3 ) 、巢湖( 金相灿等，1 9 9 0 ) 、淀山湖( 阮仁良 等，1 9 9 3 ) 等地爆发的蓝藻水华已严重影响工农业生产和居民生活。到了9 0 年 代，太湖南部和东南部也开始出现明显的水华( 范成新，1 9 9 6 ；李旭文等，1 9 9 5 ) 。 表1 1 1 我国部分湖泊营养状态分类统计表 南京师范大学硕士学位论文李振国藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 表i - 1 2 我国部分湖泊富营养化发展趋势预测 1 i 3 湖泊富营养化的治理措施 水体富营养化的形成原因包括：无机营养盐和有机物大量输入，水交换能 力减弱，水滞留时间延长，摄食压力下降以及二氧化碳等温室气体排放等。其 根本原因是营养物质的增加。一般认为主要是磷，其次是氮，可能还有碳、微 量元素或维生素等。受控生态系统装置和试验湖区的研究结果表明磷是主要“限 制因子”。v o l l e n w e i d e r 等关于磷负荷和初级生产关系的研究也表明磷的重要性。 在氮磷比低于1 0 ：1 时，或在某个季节，氮也可能成为限制因子。 人们在对富营养化的治理上采取了很多措施，明确了这些措施对改善水质 的作用，但对其作用的程度以及对湖泊利用的影响等方面差异较大。主要有废 水处理、排水改道、土地利用、工业产品改进、疏浚、凝聚沉淀处理、深层排 水、底泥曝晒与干燥、湖底覆盖、曝气循环、物理方法( 水位升降、土壤改良) 、 化学方法( 杀藻剂、除草剂) 、生物学方法( 生态系统控制、生物利用) 等( 刘建康 等，2 0 0 0 ) 。这些技术措施，可归纳为以下几大类： i 1 3 1 控制水体中的营养盐 控制水体营养盐浓度是传统的富营养化防治措施。对于外源性污染物采取 截污、污水改道、污水除磷等措施，而对于内源性污染物可采取清淤挖泥、营 养盐钝化、底层暴气、稀释冲刷、调节湖水氮磷比、覆盖底部沉积物及絮凝沉 降等措施。 ( i ) 外源污染的控制措施及其效果 美国m o s e s 湖自1 9 7 7 年起每年4 - 9 月引入低营养盐的水冲刷，引水速率为 8 2 m 3 s ，每年冲刷1 8 3 d ，全湖的平均冲刷率为0 4 6 ，个别湖区达5 8 ，此外 南京师范大学硕士学位论文李振国 藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 还采取了截污、覆盖底泥等措施。结果显示，自1 9 7 8 年起，除1 9 8 5 年出现“水 华”，叶绿素a ( c h l a ) 急剧上升外，其余年份湖水总磷( t p ) 和c h l a 一直在 较低水平波动，湖水透明度由o 8 m 提高到1 0 - 1 8 m 但是，与引水前相比，藻 类组成却没有变化( w e l c h ，e ta l ，1 9 9 2 ) 。这就为在适宜条件下藻类再次暴发埋 下了隐患，导致了1 9 8 5 年“水华”暴发。 南京玄武湖是一个严重的富营养化小型浅水湖泊。从1 9 9 0 年开始截污。但 截污后湖区水质改善进程十分缓慢，死鱼事故依旧频频发生。富营养化藻类生 物量和种类组成亦未见明显变化，1 9 9 1 1 9 9 7 年湖水c h l a 年均值仍呈上升趋势。 一些国家和地区还采取了“禁用或限用”含磷洗涤用品的措施。美国、加拿大、 日本及西欧的一些国家根据各国水体富营养化程度，分别提出了地区性的“禁用 或限用”含磷洗涤用品的政策、法规，在一些地区已经有效地控制了地表水中的 磷浓度( 舒金华等，1 9 9 8 ) 。但从我国太湖流域全面禁用含磷洗涤剂的效果来看， 禁磷不是影响湖体水域磷浓度和富营养化程度的主要因子( 刘鸿志等，2 0 0 1 ) 。 有研究认为，对营养盐浓度较低的湖泊( t p 0 2 m g l ) ，藻类生长与营养盐 浓度己不存在正相关( s e i p ，1 9 9 4 ) 。s a s 等( 1 9 8 9 ) 指出，只要水体可溶性活性磷 高于o 0 1 m g l ，磷浓度的降低就不可能导致藻类生物量降低。 ( 2 ) 内源污染的控制措施及其效果 用塑料薄膜或颗粒材料( 如粉煤灰) 覆盖湖底的淤泥，可防止沉积物一水界面 的营养盐释放。但是覆盖底泥对生态系统的破坏效应可能要高于它对营养盐释 放的抑制作用，也不能解决湖底表层新富营养层释放源的迅速形成。在太湖 2 0 0 m 2 的围隔区内的试验证明，覆盖底泥不能控制浮游植物的生长繁殖，不能 降低浮游植物生物量( 王国祥等，1 9 9 9 ) 。 至于清淤，不仅费用高、技术难度大，而且影响清淤结果的因素较多，有 时不能得到预期的结果( d o e s ，e ta l ，1 9 9 2 ；p u ，e ta l ，1 9 9 9 ) 。此外，大规模 的全湖清淤将会破坏湖泊生态系统原有的生物种群结构及其生境，削弱湖泊的 自净功能。 为了控制水体营养盐，在湖泊入水口直接添加化学药品或向湖水中直接投 洒化学药品以钝化、沉淀湖水中的营养盐，主要是磷( j a c o b y ，e ta l ，1 9 9 4 ) ，但 南京师范大学硕士学位论文李振国 藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 从生态毒理学角度看，长期使用化学药品对生态系统是不安全的。 截污等其他措施减少了外部营养物的负荷，但富营养型湖泊中的底部沉积 物常是一个营养库，在一定条件下可不断释放磷。这些称为内部负荷。当外部 负荷减少后，内部负荷可补偿，使富营养化现象继续存在。如瑞典的t r u l n m e n 湖，因生活污水严重污染而出现蓝藻水华，采取截污措施候1 0 年仍未得到恢复。 其主要原因是底泥释放营养物。采取疏浚挖底泥的方法，挖去的底泥相当于5 0 吨磷和4 5 0 吨氮，随后该湖恢复到了接近贫营养湖的水平。我国的杭州西湖每 年要挖泥3 - 6 万吨，耗资高于引水，但去除的氮、磷也比引水效果好。底泥就 地处理也是减少内部负荷的一种方法，如加入凝聚剂、用塑料薄膜覆盖。但这 种方法只适用于小水体，而且费用也不低，目前在发展中国家使用还不现实。 业已证明，在营养盐负荷超过某一水平时，其他因子而不是营养盐可能成 为制约藻类的重要因子( 王国祥等，1 9 9 9 ) 。c o o k e ( 1 9 8 6 ) 指出营养盐控制忽略了 湖泊内部营养盐循环及生物之间的相互作用，而且由于内循环及外源污染难以 彻底控制。因此，单纯控制营养盐对富营养化防治往往难以见效( m o s s ，e t a l ， 1 9 9 1 ) 。尽管不少通过控制氮和磷来防治富营养化的实践并没有取得理想的成功 结果，但是这只能说明不能仅仅靠控制营养盐来防治湖泊富营养化，而并不意 味着不需要控制营养盐。控制包括含营养盐、有毒有害化学品等污染物的各类 废水进入水体，是水体富营养化防治和管理的重要措施，尤其是有毒有害化学 品。因此，根据湖泊水体的功能以及湖泊生态系统的生态学特征，制订切实可 行的污染控制方案是富营养化防治的重要措施。 1 1 3 2 直接除藻 用化学药品( 如硫酸铜) 控制藻类可能是最古老原始的方法。化学药品可快 速杀死藻类，但死亡藻类所产生二次污染及化学药品的生物富集和生物放大对 整个生态系统的负面影响较大，而且长期使用还会产生抗药性。这种方法只有 局部治标作用，而且还要考虑残毒问题。因此，除非应急和健康安全许可，化 学杀藻一般不宜采用。 1 9 9 9 年昆明世博会期间，采用了生化、微生物和化学的“综合抑藻法”，在 滇池试验取得较好效果。用机械方法收获湖中大量的藻类，可在短时期内快速 有效地去除湖水中的藻类及藻华，但需要消耗大量的劳动力和能量，并需要经 南京师范大学硕士学位论文李振国藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 常不断地收获。 在有条件的地方，利用自然动力收获藻类可有效减轻富营养化的危害。濮 培民等( 1 9 9 8 ) 提出的太湖大风浪区富集藻类的仿生“水母工程”，利用风力、湖流 收集藻类，以避免“水华”阻塞取水口并引起水质恶化。 2 0 0 5 年7 月，十运会期间，南京玄武湖爆发蓝藻水华，严重区域微囊藻个 体数量达到了4 5 1 0 9 i n d l ，厚厚的藻浆覆盖了火部分湖面，严重影响了水体 景观和使用价值。通过使用改性粘土絮凝沉淀，投放滤食性鱼类( 共投放鲢鱼 3 0 0 0 k g ，其他鱼类3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 k g ) 等措施，在短时间内消除了蓝藻水华，改善 了水体景观。 出现“水华”常被看作为水体富营养化的表征之。但水华消失，并不意味 着富营养化减轻。实验证明，可利用滤食性鱼类直接控制蓝藻引起的水华，可 以作为一种生物操纵方法( 谢平，1 9 9 6 ) 。但有资料认为养鱼反而促进了富营养 化，甚至提出了“鱼营养化”的概念。他们认为鱼类虽然吞食了浮游植物，但还 有许多促进富营养化的因素，如鱼粪、鱼的运动、代谢释放，改变浮游动物种 群等。关于浮游动物与藻类水华关系近年来也有许多报道，而鱼类的作用更多 地可能是通过对浮游动物的选择性吞食而体现出来。7 0 年代在东湖大规模放养 鲢鳙以后，通过滤食作用吃掉了不少大型的浮游甲壳动物，人为促进了浮游动 物的小型化( 黄祥飞，1 9 9 5 ) 。 1 13 3 生物调控 由于过去对富营养化的防治措施都集中在理化方法和工程措施，对利用生 态学方法，即从生态系统结构和功能的调整来进行治理很少注意。2 0 世纪7 0 年代以来不少学者强调了生物的作用，还提出了生物调控( b i o m a n i p u l a t i o n ) 这一 名词，或称生物操纵( 李维等，1 9 9 6 ) ，并举出了不少实际观察和试验的事例来 说明这是一个有潜力和生命力的措施。这种观点强调的是整个生态系统的管理 从营养物质循环环节来控制富营养化。 生物调控是通过重建生物群落以得到一个有利的响应，常用于减少藻类生 物量，保持水质清澈并提高生物多样性( p e r r o w ，e la l ，1 9 9 7 ) 。主要是采用鱼类 种群的下行调控，如增加食鱼性鱼类或减少食浮游动物或食底牺动物鱼类，以 保证有充分的浮游动物等来控制藻类，也有直接利用食藻鱼控制蓝藻水华。 南京师范大学硕士学位论文李振国藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 生物调控最早是由s h a p i r o 等( 1 9 7 5 ) 提出的。生物调控在营养盐管理已经失 败的富营养化湖泊中己显示出明显的治理效果，且其费用低。但许多成功的实 例往往是短期的，有必要强化生物调控稳定性的研究。生物调控在欧洲得到深 入研究和广泛应用，但是由于研究区域、研究对象以及研究范围的不同，往往 难得到一致的结论与结果。因此生物调控作为管理工具的有效性仍存在很大的 争议( s h a p i r o ，1 9 9 0 ：c a r p e n t e r ，1 9 9 2 ；m e l o ，e ta l ，1 9 9 2 ) 。而且就技术本身 也存在一些问题，例如难以保证有足够数量的食鱼性鱼控制食植物性鱼类种群 ( p e r r o w ，e ta l ，1 9 9 7 ；h o r p p i l a ，e ta l ，1 9 9 8 ) 。此外对浮游动物能否摄食和利 用蓝藻尚存争议。因此，生物调控技术也有待发展和完善。 藻型浅水湖泊富营养化防治走过了从控制营养盐、直接除藻、到生物调控 的艰难历程，研究多集中于营养盐对浮游植物限制作用的“上行效应”和鱼类、 浮游动物对浮游植物控制作用的“下行效应”。但对于治理藻型富营养化的最大 问题一如何抑制富营养化藻类的大量生长，避免水华爆发方面一直不太理想。单 纯的控制水体营养盐浓度对于水华的爆发并没有发挥多大的作用；直接除藻技 术的应用虽然可以在短时间内控制藻类数量，消除水华，但化学药剂的使用存 在对环境的毒害作用，物理机械方法要花费巨大的人力物力；生物调控技术在 使用中显示明显的效果，且费用低，但重建的生物群落稳定性较差。 大型水生植物做为湖泊生态系统中的另一重要初级生产者，与藻类存在着 生存资源上的竞争，在高等水生植物占优势的水体( 草型湖泊) 中，藻类种类 丰富多样，数量较少，很难发生单一藻类大量繁殖，甚至形成水华的现象。 我国的浅水湖泊特别是长江中下游湖泊多数己处于富营养化状态，这些湖 泊过去因水生高等植物茂盛，湖水清澈，水质优良；但当水生高等植物消失后， 藻类在水体中成为了优势种类，草型湖泊变为藻型湖泊，富营养化加剧，水质 迅速恶化。为此，重新审视水生高等植物在湖泊生态系统中的功能和作用，恢 复水生高等植物成了富营养化防治研究的一个重要方向。 1 2 富营养化水体的植物修复 很早以前，人们就注意到水生高等植物在湖泊生态系统中的作用，但是， 不合理的开发利用、污染物大量排入湖泊，水生高等植物从湖泊中消失，湖泊 富营养化不断加剧。众所周知，水生高等植物不仅能够快速吸收水体和沉积物 南京师范大学硕士学位论文李振国藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 中的营养盐，分泌产生他感物质抑制浮游植物生长，而且对湖泊生态系统的物 理、化学及生物学特性亦有重要影响。 1 2 i 水生高等植物在湖泊生态系统中的作用 1 2 i i 水生高等植物对营养盐的吸收 1 9 7 5 年b o y d 用水生高等植物去除污水和天然水体中的营养物，取得了理 想的效果。美国f l o r i d a 州中部a p o p k a 湖富营养化十分严重，f l o r i d a 大学的野 外实验站曾进行了为期1 9 个月的试验，利用风眼莲净化富营养化湖水，结果表 明：湖水以9 5 l m i n 的流速流经风眼莲生长的渠道，水力滞留时间1 5 d ，水力 负荷4 5 m 3 d ，在收获风眼莲的情况下，对氮磷的去除率分别为5 4 和6 3 ；不 收获时，则分别为4 5 和5 7 ，收获与否差异并不显著( 丁树荣，1 9 8 9 ) 。 许多研究均揭示水生高等植物能够快速吸收富营养水体及污水中的营养 盐、抑制藻类生长繁殖，控制水体富营养化( 金送笛，1 9 9 4 ，m i e l d e ，e t a l ，1 9 9 7 ) 。 宋祥甫等( 1 9 9 8 ) 用浮床水稻去除富营养化水体中的氮磷营养盐，不仅有效地 削减了富营养化水体的氮磷负荷，而且取得了直接经济效益。用水培法在富营 养化水体中栽培经济植物( 水生蔬菜、水上花卉等) ，在去除水体营养盐的同时， 获得一定的经济效益( 戴全裕等，p 9 5 ) 。 i 1 2 1 2 水生高等植物对浮游植物的他感作用 早在1 9 2 8 年s c h r e i t e r 首次记录了加拿大伊乐藻( e l o d e ac a n a d e n s i s ) 对浮 游蓝藻的拮抗作用，h a s l e r ( 1 9 4 9 ) 也揭示了水生高等植物对藻类的抑制作用。 c r a w f o r d ( 1 9 7 9 ) 报道了轮藻属( c h a r a ) 植物能控制浮游植物“藻华”。 s t e e m a n n - n i e l s e n ( 1 9 7 3 ) 观测到在轮藻植物丰富的半咸水湖泊中浮游植物初级 生产力特别低，他认为他感作用( a l l e l o p a t h y ) 是一个重要因素，p h i l i p s ( 1 9 7 8 ) 研究认为水生高等植物通过他感作用和营养竞争控制浮游植物，w e t z e l ( 1 9 8 3 ) 指出水生高等植物分泌一些蓝藻可利用的有机化合物而影响蓝藻与其他藻类的 竞争。e l a k o v i c h 和w o v t e n ( 1 9 8 7 ) 发现浮叶植物的他感物质可控制真核藻类 ( 如蛋白核小球藻c h l o r e l l a p y r e n o i d o s a ) 和原核蓝藻( 如水华鱼腥藻a n a b a e n a f l o s a q u e ) 生长，有些水生植物还产生植物毒性使得自身在水环境中占居优势。 孙文浩等( 1 9 8 9 ) 用风眼莲治理城市富营养化水体，取得显著效果，他们 发现风眼莲抑制藻类生长的机制除了对光和矿质营养竞争外，风眼莲根系分泌 南京师范大学硕士学位论文李振国藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 的有机化合物能伤害和清除水中的藻类，根际上的一种软体动物还可以摄食藻 类。 1 2 1 3 水生高等植物的生态作用 在浅水湖泊中，沉水植物分布广泛、生物量较高时，浮游植物生物量就比 较低( 章宗涉，1 9 9 8 ) ，透明度往往也较高；水生高等植物，尤其是沉水植物对 藻型富营养化的控制作用已经得到广泛肯定。近年来，欧洲学者总结了营养盐 控制和生物调控对富营养化控制的局限性，纷纷将研究重点集中到水生高等植 物的作用上，就沉水植物对浮游植物( m o s s ，1 9 9 6 ，s c h r i v e r ，1 9 9 5 ，k u f e l ，1 9 9 4 ， s o n d e r g a a r d ，1 9 9 7 ) 、浮游动物( b e k l i o g l u ，1 9 9 6 ，l a u r i d s e n ，1 9 9 7 ，j e p p e s e n ， 1 9 9 7 ) 、底栖动物( s c h r a m m ，1 9 8 9 ) 、微生物( w e t z e l ，1 9 9 7 ，s o n d e r g a a r d ，1 9 9 7 ) 影响，以及鱼类、螺类、着生生物与沉水植物的相互影响( s c h r i v e r ，1 9 9 5 ，p e r s s o n ， 1 9 9 5 ，d i e h l ，1 9 9 5 ) 作了比较深入的研究。 大量研究表明，水生高等植物不仅能够有效地控制浮游植物生长繁殖，而 且还能为着生生物、微生物及一些浮游动物提供充分的碳源，而成为这些生物 的理想栖息地，一些研究根据生物调控理论，认为水生高等植物为浮游动物提 供了栖息地和庇护效应( r e f u g ee f f e c t ) ，这对控制浮游植物有非常积极的意义。 关于水生高等植物及其上的着生生物之间的相互关系一直存在争议，一方 面水生高等植物为着生生物提供着生基质及养分源，另一方面他们均可能产生 一些次生代谢产物而影响对方的生存。很明显，着生生物的大量生长制约了水 生高等植物对光的利用，切断了其营养物、气体交换。另一些研究表明水生高 等植物上的着生动物可以摄食掉水生植物上的着生生物及碎屑，对水生植物生 长有积极意义( b u l t h u i s ，1 9 8 3 ) 。 研究表明水生高等植物可维持水体长期稳定于清澈状态( c a r p e n t e r ，e la 1 ， 1 9 9 6 ，j a s s e r ，1 9 9 5 ，章宗涉，1 9 9 8 ) 。章宗涉等( 1 9 9 6 ) 在深入研究分析草型 湖泊生态系统结构与功能的基础上，提出了湖泊生物资源利用和富营养化控制 的生态模型，强调水生高等植物在渔业和湖泊水质保护中的重要性。h o s p e r 和 m e i j e r ( 1 9 9 3 ) 研究分析了以调整和控制鱼类为主要手段的食物链调控对富营养 化的影响，提出生物调控之后，要保持长期稳定性，总磷浓度应小于0 1 0m e i ， 而且沉水植物对稳定清水态有重要作用；m e i j e r 等( 1 9 9 7 ) 也指出生物调控后 南京师范大学硕士学位论文李振国藻型富营养化水体的生态修复技术研究2 0 0 6 年5 月 需要水生植物尤其是沉水的轮藻植物来维持和稳定清水态水生生态系统。同时 国内外许多研究者注意到水生高等植物在浅水湖泊藻型富营养化控制中的重要 作用( 濮培民，1 9 9 3 ，章宗涉，1 9 9 8 ，梁彦龄，1 9 9 5 ，b e k l i o g l u ，e t a l ，1 9 9 6 ， b l i n d o w ，e ta 1 ，1 9 9 3 ) ，h o s p e r ( 1 9 9 8 ) 指出水生高等植物是湖泊浊水态一清 水态之间的转换开关及维持清水态的缓冲器。因此，对水生高等植物尤其是沉 水植物在浅水湖泊生态系统中的功能、作用的研究十分活跃，恢复水生高等植 物已成为浅水湖泊富营养化治理和生态恢复的关键。 1 2 2 水生高等植物在富营养化湖泊中的生存压力 ” 应该指出的是，尽管水生高等植物对湖泊生态系统有重要的调节作用，但 是其自身也受到多方面的压力。富营养化湖泊水体混浊，透明度低是水生高等 植物生存的主要压力之一，由于水体透明度低，水下光照不足，水生高等植物 尤其是沉水植物无法获得足够的光能生长。此外，也有研究指出藻类亦可抑制 水生高等植物生长( j o n e s ，e ta l ，1 9 8 3 ) ，特别是富营养化水体中的蓝藻水华 对水生高等植物往往致命伤害作用。j u p p 和s p e n c e ( 1 9 7 7 ) 观察到l e v e n 湖 水生植物衰亡主要是由于夏季高浓度的浮游植物。铜绿微囊藻( m i c r o c y s t i s a e r u g i n o s a ) 的毒素即使在很低浓度时对伊乐藻和浮萍也有毒害作用( k i r p e n k o ， 1 9 8 6 ) 。 2 0 0 6 年春季玄武湖中的沉水植物一菹草没有人工引种就大量萌发生长，可 能与2 0 0 5 年7 月份玄武湖蓝藻水华在改性粘土治理下得到了消除，环境压力得 到了解除有关。 除了水体中浮游植物大量繁殖、水体透明度下降、着生藻类大量滋生会严 重制约水生高等植物生存外：有毒物质排入水体、草鱼过度牧食等因素，均可 能导致水生高等植物消失。沉积物淤积并形成流状的“稀泥”或人工清淤，对 于沉水植物等往往会有毁灭性的伤害。 水生高等植物种群的稳定性也是相对的，当遇到突然发生的灾害如洪涝引 起湖泊水位升高，沉水植物往往因得不到充足的光照，会大面积烂死在湖底， 同时引起与沉水植物共栖起的鱼虾蟹类大量死亡，造成大规模的环境灾害。 这就需要加强生态系统的防御能力，尤其是在水生高等植物恢复的初期，新建 立的生态系统相当脆弱，往往难以抵御环境的变化，许多研究试验遇到这样的 南京师_ ；苴太学硕士学位论文李叛国藻型宦营养化承体的生志修复拉术研究2 0 。6 年5 月 问题，导致试验失败。因此，如何恢复水生高等植物、如何使新建的种群适应 环境变化并逐步趋于稳定足水生高等植物恢复的关键。 123 水生高等植物的修复技术研究现状 在透明度低、浊度大的浅水型富营养化藻型湖泊中全面恢复湖泊原有的水 生植被是一项艰巨的工作，必须辅以其他措施，才能逐步恢复水生植被，以长 期维持湖泊的清水态。在欧洲的些小型湖泊用生物调控改善水体透明度后， 再恢复水生高等植物( p e r r o w ，“a l ，1 9 9 7 ) 。 我国许多学者直接在透明度低的富营养化湖泊中恢复水生高等植物，取得 了不少研究成果，李文朝( 1 9 9 7 ) 在太湖组建了由喜温型沉水植物与耐寒型伊 乐藻组成的常绿水生植被：邱东茹等( 1 9 9 7 ) 在东湖围隔了4 个8 0 0 m 的水生 植物恢复示范区，恢复了挺水植物莲( n e l u m b o w 瓣r 日) 、芦苇