武汉东湖的生态环境变迁与恢复问题

武汉东湖的生态环境变迁与恢复问题摘要：武汉东湖的治理问题受到了各方面关注。本文根据东湖多年的环境监测、科学调查的数据、成果，概述东湖水生态环境从70年代来的演变、恶化和富营养化情况，分析了东湖近十多年来的治理成效和存在的问题。文章的重点在湖泊的恢复，就东湖的特点在内、外源治理、恢复响应时间、生物控制等介绍了国外的经验，并提出了建议。关键词：富营养化；生态系统；湖泊；恢复；污染治理1自然概况东湖汇水面积119km2；平常水位17.7m（吴凇高程）时，湖面积30.75km2，湖容积72.5X106m3。地属亚热带季风区，年降雨量：1150-1190mm，蒸发量1148mm，日照：1950-2050h/a,kJ/cm2,年均气温16.4ºC。东湖常年水深：2.21m，属长江中游的中型浅水型湖泊；湖水不存在温跃层，上下温差小，年均水温：18.6ºC。冬季湖面无冰。湖底质主要为重粘土和腐质泥，平均厚度0.5m。东湖原为开放性水系，50年代起逐渐成为受人为控制的半封闭、封闭型湖泊，由10个子湖组成。2社会经济概况东湖位于武汉市武昌地区，跨三个市（行政）区，周边集中了省政府机关、大专院校、科研院所、风景疗养；有东湖高新技术开发区，因东湖为国家风景名胜区而成立了东湖风景管理区。东湖汇水面积范围内，人口约80万；西部（水果湖地区）和西南部湖岸居民密集，企事业、文教单位云集，集中了70～80%的人口，人口密度8000人/km2以上。东湖南部也正开发为高新技术区。至上世纪80年代，周围农田面积还有22km2，以蔬菜、林果、养殖为主，近年已被大量开发、占用。3水生生物状况变迁由于水质污染逐年加剧，东湖水生态环境及水生生物状况在近30年里发生了相应的变化[1],[4],[5]。变化情况归纳如下：3.1浮游植物藻类：有的门类属数如金藻、黄藻大量减少，而蓝藻、绿藻增加，60年代东湖浮游植物以甲藻、硅藻为主，到80年代已被蓝藻、绿藻替代（见表1），蓝藻尤其突出，生物量占优势，浮游植物多样性指数逐年也明显降低。叶绿素a（Chla）：湖水中叶绿素a的含量代表湖中浮游植物的生物量，也是评价湖泊富营养化程度的一个指标。监测数据反映东湖6月-11月（夏、秋）的叶绿素a浓度较高，70年代以来呈增长趋势；从湖区分布来说，水果湖>郭郑湖>汤菱湖。3.2水生维管束植物群落60年代初的调查表明水生植物计有83种，分别隶属于53属29科。1963年全湖的植被占总面积的83%，黄丝草（Potamogetonmaakianus）遍布所有植物群丛中，后逐年减少，1975年调查发现已基本绝迹。维管束沉水植物—水生大型植物的消失导致浮游藻类的大量孳生，进一步压制了维管束植物的恢复。水生植物状况表明了东湖的水生态环境的总体恶化。表1东湖（郭郑湖）各门浮游植物组成（%）年代蓝藻硅藻绿藻甲藻裸藻金藻黄藻1956-5711.817.8513.6544.450.8510.90.71962-6334.555.526.321.20.511.80.11973-7939.58.1325.3524.130.92.3-1980-8634.217.029.7415.60.82.66-3.3浮游动物与底栖动物60年代初共发现浮游动物203种，其中原生动物84种，轮虫82种，枝角类23种，挠足类14种。70年代后的调查发现，原生动物、轮虫的多样性指数呈下降趋势。底栖动物的种类60年代初记录了寡毛类18种，水生昆虫54种，软体动物41种。70年代末期的调查已发现各类种群数均显著下降。3.4鱼类资源据1970年以前的调查，东湖鱼类计有18科67种之多，有养殖鱼类：鲢、鳙、草、鳊鲂等，还有长江补水带来的天然鱼类：鲤、鲫、翘嘴红鮊、蒙古红鮊、鳜鱼等。目前，由于水体污染、自然生态环境恶化，大型水草的消失等因素，以较为耐污染的鲢、鳙等人工放养鱼类为主体；东湖水产养殖遍及全湖，面积达30km2，但年产鲜鱼1000t左右。4富营养化与生态恶化始于70年代后期的东湖多次营养化水平调查研究均表明东湖总体处于富营养化，但各子湖有程度不同。湖北省与武汉市环境监测站从70年代末开始水质监测，透明度、TP、高锰酸盐指数、BOD5、KN、Chla（叶绿素a）为常规测定与评价指标。以Vollenweider与Dillon以及其它方法评价均表明人口密集西南部的水果湖、庙湖处于重富营养化水平，整个郭郑湖的营养化水平也很高。从水质分析评价，水果湖、庙湖均为V类，郭郑湖为IV类[1],[5]说明了营养化水平与水质污染程度密切相关。综上所述，东湖生态恶化的主要特征是：水生生物种群在70年代后急剧变化，群落结构趋向简单、小型浮游生物增加，造成生物多样性指数下降。东湖生态状况总体恶化。水华：东湖在60－70年代蓝藻门中的微囊藻（Microcystis）、鱼腥藻(Anabaena)等大型种类占优势,70年代后每年夏季蓝藻（主要是铜锈微囊藻（Microcystisaeruginosa）水华爆发。1984年后蓝藻水华却消失了，但并非说明富营养化程度有所降低[3]。5武汉东湖的治理5.1污染概况武汉市环境监测、科研单位对东湖污染源的系统调查[5]，截至2001年的数据表明，东湖点源污染以城市生活为主，污水量：316X103m3/d，其中已截污的仅占16.8％；TP、BOD为主要污染物。东湖非点源污染的调查包括（汇水区范围内）地表径流、降雨、旅游、养鱼（饵料投放）的污染负荷.TP、BOD。点源的TP、BOD负荷（2001年的数据）仍占主导地位。5.2治理内容富营养湖泊的治理包括污染源削减（点源截污、面源控制）和后期的湖泊恢复（又称修复）包括内负荷治理。工业化国家的城市基础设施（下水道、污水处理厂等）较健全，北欧、西欧污染湖泊的点源截污较早（60-70年代）就基本完成，从70-80年代开始在基本完成点源治理后着手恢复工作。点源、面源又统称外负荷，相对而言，外负荷的点源治理难度较小。5.3点源治理–东湖治理的启动武汉市城市环境基础设施建设历史欠帐多。以东湖地区为例，始于80年代的东湖周边城市污水治理历经了艰难（建设及运行资金不足、管网配套不全等），1994年后省、市政府启动世界银行贷款治污项目[1]，但东湖水质恶化还在加剧，其重要原因是截污能力远未满足要求，管网不健全，尤其是配套的二、三级支管多数未建；其二，污水处理能力不足。近来世行贷款武汉市城市污水综合治理项目调整了内容。根据初步设计，到2002年底，东湖14个排污口被截流，新建成两个一级污水处理厂、原沙湖5万t/d(二级)再扩5万t/d(一级)，沙湖污水处理系统的管网将得到完善。东湖的截污率将有较大的提高（从16.8％增至87.9％），外负荷会得到大幅度削减。6东湖生态环境恢复问题由于市政基础设施建设长期滞后于城市发展，作为典型的城市湖泊，东湖大量接纳城市生活污水、工业废水，经历了三十多年富营养化过程，水环境恶化。东湖治理势在必行，武汉市在东湖周边的污水治理力度逐年加大，特别是‘九五’期间国家发布一系列有利与城市污水处理设施建设的规定、技术政策以及湖北省的世行贷款项目的建设，给东湖的水质改善带来了希望。如果外源的治理比较彻底，东湖有可能进入（发达国家在70-80年代的）湖泊生态恢复阶段。当前，公众普遍关注的问题是，一系列投入巨资的截污、污水处理工程上马建设后，还要等多久才能还一湖清水于东湖。笔者借鉴欧洲和北美湖泊治理、生态恢复研究与取得的进展，对东湖治理与恢复提出以下看法。6.1富营养化控制与生态恢复由于大部分湖泊的富营养化限制因子（但也又例外）是磷–东湖亦然（多数研究报道）[4]。迄今研究多涉及Chla与TP（总磷）或OP（正磷酸盐）的关系，即反映外负荷削减与富营养化程度的关系。又，通常以叶绿素a为控制指标，说明湖泊为‘藻型’还是‘草型’（macrophytes-dominated），后者视为生态恢复的标志。大量研究表明：1）营养物的输入值与浮游植物量为非线性关系：呈抛物线关系上升，然后趋于平缓，即磷浓度升高而Chla浓度会几乎不变。研究这种关系证明：外负荷磷只有削减到足够（达某一临界值）时，水质才会有改善（Chla浓度下降），否则变化极小,这种非线性关系见图1；2)营养物削减改变水体营养状态，而只有导致食物网结构变化时才能使湖泊水体生态系统有所变化，因此有恢复响应的滞后。有关富营养化湖泊的生态恢复研究结果，可以归纳为以下几点：1）截污、削减外负荷是前提，也是第一步；2）通过削减外负荷来恢复生态、改善水质存在着不确定因素；3）影响湖泊恢复的一些因素如下：a)湖泊遭受污染时间的长短：污染时间愈长，对外负荷削减的反应愈慢，恢复慢。有研究表明[8]：长期的（几十年）湖泊富营养化会使底泥中的营养物趋向饱和，而一旦底泥磷饱和在湖泊外负荷去除后其释放又极缓慢，可能与其富营养化的时间相当，这意味着恢复时间会很长。b)底泥（沉积物）的作用–内负荷，在外部污染切断后持久的内源起主要作用，延迟、制约湖泊的恢复。瑞典湖泊专家[7]测定过一系列湖泊的内源–磷负荷的强度范围可以相当高，是外负荷/年的22-400%，去除外源后在内源影响之下，湖水的磷浓度会很高。c)摄取营养物的浮游植物在营养物减少的情况下会自行调节而提高其营养物吸收利用率，从而维持其生物量稳定、不变。因此叶绿素a浓度会长期较为稳定[9],[11]。湖泊食物网情况；浮游动物、鱼类。浮游动物生物量对浮游植物量的抑制，有助于湖泊恢复[10],此外还须减少专以浮游动物为食的鱼类，这就是国外通常称的bio-manipulation（生物控制），具体操作很复杂。某些鱼以浮游植物为食，而经常引发水华的蓝藻颗粒太小，可食性差。但近年中科院水生所发现鲢、鳙鱼对微囊藻的食性，认为对东湖蓝藻门的铜锈微囊藻水华的抑制与鲢、鳙鱼的普遍放养有关[3]。大型水生植物的生长：从东湖生态环境的演变可见：富营养化–藻类过度生长、浮游植物多样性锐减--黄丝草等大型维管束植物消退的过程。恢复浮游植物多样性和大型水草是生态恢复的特征。水体透明度增加有利于大型水生植物的生长。湖泊的水力停留时间的影响：湖水的停留时间、与其它水体的交换率。g)外源负荷中难度较大的面源污染控制。国内外湖泊生态恢复实践说明，须充分考虑各湖泊内部营养循环的复杂性，其利用营养物的独特规律，以及以不同方式作出对外源减少后的恢复响应效果。在研究湖泊的恢复方面，国际上研制了很多模型，但多数学者认为存在着不易预测的‘不确定’自然因素，这种不确定性难以避免。总之，湖泊恢复滞后的情况客观存在，很难拿出时间表来。著名湖泊富营养化研究学者R.A.Vollenweider（1985）指出：“许多实际情况表明，负荷要削减到所需要的程度（达到水质根本好转）很难，即使能做到，这类湖泊恢复的时间也很长。”[6]6.2几点建议外源污染的充分削减是湖泊恢复的前提。对东湖而言，部分处于市区，部分在城郊，点源和面源均不易控制。市区部分目前人口密度太大，房地产、商业、餐饮发展过度。因此首先应严格城市规划，制止盲目发展，以确保东湖作为风景区的功能；处于城郊的地区，加强面源污染控制。由城市规划部门划定一定距离的湖边防护带，包括湿地、绿化带，无论在郊区或城区都是积极、有效的措施。根据国外成功的经验加大治理力度，应特别重视综合治理。这包括除外源治理的其它措施：内源治理：针对东湖的情况（浅水类型）可考虑采用a）底泥疏浚，国内个别城市湖泊也搞过（如杭州西湖、九江甘棠湖等，湖面积都较小），耗资大而效果并不理想。国外采用专业设备，吸泥时能使底泥搅动减少；b)国外如瑞典的一些大湖使用特殊机械和化学、物理手段就地稳定湖底沉积物中的磷，抑制磷的释放。生物控制：一般以浮游植物和大型水草的竞争态势判断湖泊生态状况，对浮游植物的控制有助于湖泊的恢复。蓝藻、蓝绿藻可食性差，而大型滤食性浮游动物索饵可制约藻类。国外经验证明从‘藻型’湖向原来的大型水草转化是一个复杂的生态过程，生物控制还须考虑鱼类的影响，东湖同样如此。近年中科院水生所研究发现某些鱼种（鲢鱼、鳙鱼）的食蓝藻（微囊藻）习性，证明了其抑制东湖的蓝藻水华的作用，并提出了有效放养密度（刘健康，2002）。目前东湖诸多的渔场以经济效益为主导的集约化养殖，不少人认为是过度的，不利于富营养化的治理，要求关停“转向”。水生所研究成果表明了生物控制（包括鱼类的参与）在湖泊综合治理中不可忽视的作用，但如何控制、如何适度养鱼，不仅是科研更是管理上的重要课题。参考资料[1]湖北省环境保护研究所，环境影响报告书--世界银行贷款湖北城市环境项目武汉市城市污水综合治理工程，1994.4[2]刘健康等，东湖生态学研究，科学出版社，1990[3]刘健康，东湖富营养化的成因分析和治理对策，武汉东湖环境管理和富营养化控制研讨会论文汇编，2002.5[4]湖北省环境保护研究所，武汉东湖水体富营养化研究，[5]武汉市环科院，东湖水环境现状及截污后氮磷总量控制和水体恢复研究，2003.11[6]Vollenweider,R.A.,Thescientificknowledgeoflakepollution,ProceedingsofInter.CongressofEWPCA,Rome,15-18April,1985[7]Ryding,S.O.,Forsberg,C.,1977,Sedimentsasanutrientsourceinshallowpollutedlakes.InH.Golterman(ed.),Interactionsbetweensedimentsandfreshwater.Dr.JunkPubl.,TheHague.[8]Schindler,D.W.,etal.,InteractionsbetweensedimentsandoverlyingwatersinanexperimentallyeutrophiedPrecambrianShieldlake.InH.Golterman(ed.),Interactionsbetweensedimentsandfreshwater.Dr.JunkPubl.,TheHague.[9]VanDijik,G.M.andJanse,J.H.,1993,ModellingresourceallocationinPotamogentonpectinatusL.J.Aquat.PlantMagmt,31:128-134[10]Lampert,W.,Theroleofzooplankton:anattempttoquantifygrazing,ProceedingsofInter.CongressofEWPCA,Rome,15-18April,1985[11]Janse,J.H.,1997,Amodelofnutrientdynamicsinshallowlakesinrelationtomultiplestablestates.Hydrobiologia342/343:1-8,1997EcologicalEnvironmentofEastLake:VicissitudeandRecove