濮培民，李裕紅，張晉芳，馬永兵，李正魁，成小英

(1:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京210008)

(2:泉州師范學(xué)院濕地研究所，泉州362000)

(3:貴陽市農(nóng)業(yè)委員會(huì)，貴陽550081)

(4:南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210093)

(5:江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，無錫214122)

用生態(tài)修復(fù)調(diào)控浮游植物種群局部控制富營養(yǎng)化
——以貴州紅楓湖水質(zhì)生態(tài)修復(fù)工程為例*

濮培民1＊＊，李裕紅2，張晉芳3，馬永兵3，李正魁4，成小英5

(1:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京210008)

(2:泉州師范學(xué)院濕地研究所，泉州362000)

(3:貴陽市農(nóng)業(yè)委員會(huì)，貴陽550081)

(4:南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210093)

(5:江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，無錫214122)

利用物理生態(tài)工程在水深10 m左右，水位變幅7 m左右的貴陽紅楓湖/水庫(正常水位時(shí)57.2 km2)右二灣富營養(yǎng)水體進(jìn)行局部(圍隔水體面積1.33 hm2)生態(tài)修復(fù).對工程前后和內(nèi)外水體浮游植物的群落結(jié)構(gòu)、豐度、生物量等進(jìn)行比較，結(jié)果表明，當(dāng)植物浮島覆蓋率超過1/5～1/3時(shí)(可視為閾值)，物理生態(tài)工程可以調(diào)控浮游植物種群結(jié)構(gòu)和豐度，浮游植物優(yōu)勢種群由生態(tài)修復(fù)前的微囊藻屬、角甲藻屬及同期外環(huán)境的藍(lán)藻門藍(lán)纖維藻屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣柙彘T的直鏈藻屬.工程內(nèi)與工程外比較，種屬數(shù)減少了29.4%，特別是減少了藍(lán)藻中可能釋放藻毒素的微囊藻、魚腥藻等屬，藍(lán)藻豐度和生物量分別減少了55.5%和57.9%;而硅藻的種屬數(shù)則增多120.0%，且其豐度和生物量分別增加了56.4%和60.3%.從藻類總體統(tǒng)計(jì)資料看，工程內(nèi)與工程外比較，藻類豐度減少53.6%，生物量減少39.1%，透明度提高了數(shù)十厘米以上，穩(wěn)定在120～220 cm.當(dāng)工程區(qū)外浮游植物優(yōu)勢種群是藍(lán)藻，暴發(fā)藍(lán)藻水華，且可釋放藻毒素的種屬有多次檢出時(shí)，工程區(qū)內(nèi)仍然以硅藻為優(yōu)勢種，未曾檢測出可釋放藻毒素的種屬，從而在紅楓湖局部水體實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)改善和富營養(yǎng)化控制.在目前高污染負(fù)荷下恢復(fù)淺水湖泊沉水植被時(shí)，本項(xiàng)目發(fā)展的可全年鑲嵌式種植包括香根草、杞柳等高桿植物在內(nèi)的多種水面植物的浮島可作為防浪削浪、遏制藍(lán)藻、改善水質(zhì)、提高透明度的先鋒性措施，以保障局部水面植被覆蓋面積超過上述閾值，成為保護(hù)沉水植物生長、遏制暴發(fā)藍(lán)藻水華的可操作途徑.

生態(tài)修復(fù);富營養(yǎng)化控制;浮游植物種群調(diào)控;物理生態(tài)工程;紅楓湖

我國湖泊眾多，絕大多數(shù)是重要的飲用水源.然而我國有80%的湖泊已受到污染(水質(zhì)多處于Ⅳ～劣Ⅴ類)［1］.湖泊富營養(yǎng)化是當(dāng)今世界面臨的主要水污染問題之一.隨著湖泊富營養(yǎng)化程度的加劇，藻類水華暴發(fā)的頻率也越來越高，規(guī)模越來越大，已成為制約我國社會(huì)和國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問題.

紅楓湖是建庫50 a的水庫，為貴陽市200多萬人提供飲用水源.近二十年來，由于種種原因水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，水華暴發(fā)的面積、厚度和時(shí)間都日益增加，沿湖許多地區(qū)的居民已經(jīng)無法飲用傳統(tǒng)的紅楓湖水源.通過在流域上控制污染源以減輕紅楓湖富營養(yǎng)化，保障居民的安全飲用水源是遠(yuǎn)非短期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo).因?yàn)榱饔蛏衔廴驹吹南鳒p速度緩慢(甚至很多情況下尚在增加)，而且:1)各地營養(yǎng)水平的時(shí)空變異很大，有水團(tuán)特性差異，平均值、脈動(dòng)值、碳、氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽的配比差異等;此外控制因素的變異性也很大，很難制定出比較普遍適用能確切控制富營養(yǎng)化的營養(yǎng)鹽閾值;2)根據(jù)美國與太湖容積接近的Okeechobee湖資料，減少流域上某些地區(qū)的總磷輸入與該湖總磷輸入負(fù)荷，該湖水體中的年均總磷濃度與當(dāng)年輸入該湖的總磷負(fù)荷，以及當(dāng)年湖水平均總磷濃度與藻類水華發(fā)生頻率之間都沒有直接線性關(guān)系，它們的關(guān)系只是趨勢性的［2］;3)底泥吸附總磷能力的變異及存在不確定性;4)在減少污染負(fù)荷輸入、遏制藻類生長的過程中還存在藻類種群小型化等結(jié)構(gòu)性變化問題，使得通過降低葉綠素(藻類生物量)和提高透明度等實(shí)現(xiàn)控制富營養(yǎng)化的目標(biāo)非常困難［3］.因此，控制富營養(yǎng)化不僅是控制營養(yǎng)水平的問題.

實(shí)際上，在一定高營養(yǎng)水平時(shí)可以存在多種穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)［4-6］，特別是兩種有明顯差異的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng):“藻型濁水狀態(tài)”和“草型清水狀態(tài)”;即基本沒有高等植物的以藍(lán)藻為優(yōu)勢種的藻型水體和有相當(dāng)密度覆蓋率的高等植物加硅藻為優(yōu)勢種的草型水體.一些附生、附生浮游及浮游性硅藻與大型水生植物共生可以構(gòu)成水體的草型特征［7-9］.在高等植物比較豐富的洪湖，2008年的枯水期和豐水期硅藻均為絕對優(yōu)勢門類，其次為綠藻及藍(lán)藻，在枯水期硅藻的優(yōu)勢更為明顯，平均生物量在枯水期和豐水期分別占各門類總生物量的84.40% 及 94.33%［10］.

這兩種狀態(tài)在營養(yǎng)水平上的差異往往可以有相當(dāng)?shù)闹丿B空間.各水體中的碳、氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽本身及它們之間的比例關(guān)系常有巨大差異.例如，關(guān)于富營養(yǎng)定義的總磷濃度至少有0.020～0.110 mg/L的接近6倍的差異，TN/TP在滇池為10，太湖為37，與太湖容積、緯度相近的美國Okeechobee湖為30［2］.可見藍(lán)藻水華暴發(fā)的營養(yǎng)鹽水平有較寬的空間.關(guān)于暴發(fā)藍(lán)藻水華的營養(yǎng)鹽閾值各地研究結(jié)果有很大差異，不確定性比較大.但上述兩種富營養(yǎng)狀態(tài)中在藻類優(yōu)勢種群方面的表現(xiàn)卻是根本性的.在暴發(fā)藍(lán)藻水華前，藍(lán)藻首先應(yīng)該成為優(yōu)勢種群.

饒欽止等［11］根據(jù)1956-1957年、1962-1963年和1973-1975年在湖北省武漢市東湖進(jìn)行的三次調(diào)查資料，總結(jié)了期間二十年內(nèi)在東湖兩個(gè)代表性采樣站上浮游植物群落生態(tài)學(xué)的主要變化，結(jié)果表明該湖在大型高等植物退化的同時(shí)，浮游植物由甲藻和硅藻占優(yōu)勢逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃G藻和藍(lán)藻占優(yōu)勢.羅民波等［12］的研究結(jié)果表明，滇池藻類的種群優(yōu)勢度向著藍(lán)藻種群優(yōu)勢度不斷增加是與滇池草海和外海的物種多樣性指數(shù)下降、湖面水草面積縮小同步進(jìn)行的.滇池外海在1950s末，湖水面積90%以上為海菜花群落、馬來眼子菜群落等，1970s僅占20%，1990s末水生植物覆蓋率不及3%，目前除局部地區(qū)尚存在一定面積的土著水生植物群落外，大面積覆蓋漂浮植物鳳眼蓮，藻類則以藍(lán)藻為絕對優(yōu)勢種.

事實(shí)上，1960-1980年太湖浮游植物一直以硅藻和藍(lán)藻為主要優(yōu)勢種，而隨著富營養(yǎng)化的進(jìn)程，1987年后演替為以藍(lán)藻和隱藻為優(yōu)勢種，1992年以后優(yōu)勢種僅為藍(lán)藻，藍(lán)藻門中的微囊藻(主要是銅綠微囊藻和水華微囊藻)又成為藻類優(yōu)勢種［13-14］.草型水體特征比較明顯的東太湖、江蘇常州洮湖、蘇州昆山傀儡湖①中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，昆山市傀儡湖水源生態(tài)保護(hù)有限公司.傀儡湖本底調(diào)查報(bào)告，2007.等水質(zhì)比較好，符合飲用水源要求，其浮游植物均以硅藻為優(yōu)勢種.

在草型水體中沒有藍(lán)藻水華，但營養(yǎng)鹽高出通常認(rèn)為的可能發(fā)生藻類水華的閾值，例如蘇州昆山傀儡湖的資料表明，盡管其總磷已經(jīng)大大超過閾值(0.04 mg/L)［2］的若干倍.根據(jù)東太湖2006-2007年資料，TN、TP、葉綠素 a平均含量分別為1.38 ±0.52 mg/L、0.06 ±0.04 mg/L、6.42 ±4.85 μg/L;個(gè)別點(diǎn) TN、TP 平均為1.71 ±0.76、0.12 ±0.08 mg/L，分別比敞水區(qū)高 18.1%、53.9%，但仍能遏制藍(lán)藻水華［15］.對東太湖各月水生植物生物量和葉綠素a含量作相關(guān)性分析，結(jié)果表明兩者呈負(fù)相關(guān);水生植物由于個(gè)體大、生命周期長、吸附和儲(chǔ)存營養(yǎng)鹽能力強(qiáng)，能夠通過對光資源和營養(yǎng)鹽競爭，以及為食浮游植物的浮游動(dòng)物提供避難場所和分泌化感物質(zhì)來抑制藻類生長;由于水生植物對藻類的抑制作用使得東太湖水體葉綠素a含量較太湖其他湖區(qū)低.歷史和現(xiàn)實(shí)都說明大量水生植物的存在可以遏制藍(lán)藻水華的暴發(fā).

因此，采取直接在局部富營養(yǎng)化水體實(shí)施物理生態(tài)工程修復(fù)技術(shù)，通過全年種植一定數(shù)量的水面植物，使水體具有草型特征，配合運(yùn)用微生物技術(shù)，遏制藍(lán)藻水華，使水質(zhì)保持清澈的目標(biāo)是有可能在較短時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)的.物理生態(tài)工程可以先從入湖河口的局部水域做起.因?yàn)槿牒涌诩仁侨牒廴驹吹脑搭^，又是藻類水華的富集區(qū)(藻類是在廣闊湖面利用太陽能和營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化為生物資源的初級產(chǎn)物).如果在這些區(qū)域建設(shè)好能加強(qiáng)吸收入湖污染物并將藻類水華轉(zhuǎn)化為高等植物資源的健康水生態(tài)系統(tǒng)，那么從湖灣開始做起，整個(gè)湖泊富營養(yǎng)化就會(huì)容易被控制.經(jīng)過數(shù)次考察比較，選定了紅楓湖右二灣入湖河口作為試驗(yàn)區(qū).正常水位下試驗(yàn)區(qū)水深為10 m，變幅7 m，淤泥較少;這在紅楓湖湖灣具有代表性.

1 紅楓湖及物理生態(tài)工程概述

紅楓湖(26°26'～26°35'N，106°19'～106°28'E)位于貴州省貴陽市以西32 km，1960 年建成蓄水，是貴州高原第一大人工湖，主要功能包括飲用水源、發(fā)電、漁業(yè)、農(nóng)田灌溉及旅游.紅楓湖中有192個(gè)島嶼，以巖溶地貌和湖光山色為特點(diǎn).1981年被確定為風(fēng)景名勝區(qū)，1988年被國務(wù)院批準(zhǔn)為國家級風(fēng)景名勝區(qū)，2001年被國家旅游局評定為首批國家4A級旅游區(qū)，被譽(yù)為貴州腹地的一顆明珠.紅楓湖流域面積約1551 km2，正常水位時(shí)水庫總面積為57.2 km2，最大水深45 m，蓄水量約6×108m3，換水周期為0.26 a，補(bǔ)給系數(shù)26.1，湖面海拔高度1240 m.紅楓湖流域處于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候帶，年平均氣溫14.06℃，無霜期達(dá)287 d，年平均降水量為1176 mm，主要集中在5-10月，夏季(6-8月)平均降水量一般占全年的80%［16］，近20 a來由于紅楓湖周邊大量外源污染物的輸入，其水質(zhì)惡化和藻類水華頻發(fā)，飲用水源安全受到嚴(yán)重威脅，嚴(yán)重影響人們的生活健康.

物理生態(tài)工程(Physic-Ecological Engineering，PEEN)修復(fù)技術(shù)主要利用太陽能加速水質(zhì)循環(huán)凈化環(huán)節(jié)，將水中污染物變?yōu)榭蓪?shí)際利用資源，將我國受污染的湖泊、河流修復(fù)為健康水生態(tài)系統(tǒng)的措施［2，17-20］.污染是從局部到大范圍發(fā)展過來的，治理也應(yīng)該從局部開始，逐步擴(kuò)大到全湖全流域.首先在紅楓湖局部水體內(nèi)改善飲用水源，再進(jìn)一步治理入湖河口及藻類頻繁富集的湖灣，逐步使全湖達(dá)到安全健康水平.以此為目標(biāo)，貴陽市農(nóng)業(yè)委員會(huì)在市政府支持下從2008年9月起立項(xiàng)，在清鎮(zhèn)市紅楓鎮(zhèn)右二灣進(jìn)行了1.33 hm2紅楓湖水質(zhì)生態(tài)修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，從2009年7月起推廣到6.67 hm2.在試驗(yàn)水域，建立能適應(yīng)水位劇烈大幅度變化的二圈軟隔離帶.內(nèi)圈圍隔核心區(qū)(一期為0.2 hm2，二期為2.4 hm2)，外圈與內(nèi)圈之間稱為外圍區(qū)(圖1).采用具有高效防浪削浪、吸附藻類的種植高稈植物浮島載體①濮培民等發(fā)明專利申請?zhí)朜o.201110035542.9，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局2011年2月10日受理.;可防止魚類家禽攝食、浮力可調(diào)的種植矮稈植物多功能浮島載體②濮培民等實(shí)用新型專利申請?zhí)朜o.201120048592.6，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局2011年2月28日受理.;懸浮于表層水面可種植沉水植物、軟體動(dòng)物的懸浮網(wǎng)箱［21］;固定化氮循環(huán)細(xì)菌［22-24］(Immobilized Nitrogen Cycle Bacteria，INCB)等技術(shù).核心區(qū)植物浮島覆蓋率為1/3，采用INCB技術(shù)，具有草型湖區(qū)特征;外圍區(qū)植物覆蓋率最初為1/10，有遏制藻類功能，但與外環(huán)境相比只能延遲而很難遏制藍(lán)藻水華發(fā)生，逐漸加大植物覆蓋面積為外圍區(qū)總水面1/5時(shí)已基本能遏制藍(lán)藻水華的發(fā)生;從而實(shí)現(xiàn)在工程內(nèi)穩(wěn)定改善水質(zhì)，當(dāng)周圍環(huán)境經(jīng)常暴發(fā)藍(lán)藻水華時(shí)保持工程內(nèi)水質(zhì)清澈，成為藻類水華包圍下的“綠洲”(圖2).

2 試驗(yàn)方法與分析項(xiàng)目

2.1 試驗(yàn)區(qū)

試驗(yàn)區(qū)位于紅楓湖右二灣(26°29'39″～26°29'42″N，106°22'42″～ 106°22'48″E)，生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)施前采集該區(qū)水體進(jìn)行分析檢測(作為背景)，物理生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)施后對一期工程的核心區(qū)(草型區(qū))、外圍區(qū)(藻-草過渡區(qū))及工程外環(huán)境(藻型區(qū))的對照水域進(jìn)行取樣研究.

2.2 浮游植物采集與檢測方法

依照《內(nèi)陸水域漁業(yè)自然資源調(diào)查試行規(guī)范》中的方法［25］，進(jìn)行浮游植物樣品采集與檢測.2008年10月29日對紅楓湖右二灣即將實(shí)行生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)水域進(jìn)行浮游生物采集，共獲水生生物定性樣品2個(gè)，定量樣品1個(gè)，作為工程前的背景.2010年3月3日對紅楓湖右二灣生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)水域進(jìn)行浮游生物采集，共獲水生生物定性、定量樣品9個(gè)，其中核心區(qū)、外圍區(qū)及工程外環(huán)境對照水域樣品的定性樣品各2個(gè)總共6個(gè)，定量樣品各1個(gè)總共3個(gè).

定性樣品采集:用25#浮游生物網(wǎng)在水面下0.5 m深處水層中，以20～30 cm/s的速度，作“∞”字形循環(huán)緩慢拖網(wǎng)約10 min左右，樣品加入1.5%魯哥氏劑后，再加入4%甲醛溶液固定.

定量樣品采集:用定量采樣瓶采集1 L水樣加15 ml魯哥氏劑后用4%的甲醛固定.定量水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，在分析前先置入分液漏斗中靜置48 h，用虹吸法仔細(xì)吸出不含藻類的上清液，濃縮至30 ml，倒入定量瓶中以備計(jì)數(shù).

將定量的濃縮水樣充分搖勻后，用0.1 ml定量吸管吸出0.1 ml水樣，注入0.1 ml計(jì)數(shù)框內(nèi)(20 mm×20 mm)，在顯微鏡下觀察計(jì)數(shù).每瓶進(jìn)行2次有效計(jì)數(shù)，取其平均值.

每1 L水中浮游植物豐度的計(jì)算公式為:

式中，N為1 L水樣中浮游植物的豐度(cells/L);Cs為計(jì)數(shù)框面積(mm2);Fs為視野面積(mm2);Fn為每片計(jì)數(shù)過的視野數(shù);V為1 L水樣經(jīng)濃縮后的體積(ml);U為計(jì)數(shù)框容積(ml);Pn為計(jì)數(shù)所獲得的個(gè)數(shù)(個(gè)).

某j種藻類生物量(Bj)的計(jì)算公式為:

式中，vi，j、ρi，j、Nj分別代表 j種藻類每個(gè)鏡檢 i個(gè)體 ci，j的體積、密度和豐度.因浮游植物個(gè)體微小，其比重近于所在水體水的比重，即令ρi，j=ρ=1，因此將體積值(μm3)按109μm3=1 mg換算為重量值.

3 結(jié)果和討論

3.1 生態(tài)修復(fù)前紅楓湖浮游植物物種組成及豐度特征

2008年10月生態(tài)修復(fù)前紅楓湖右二灣水體浮游植物物種組成委托貴州省特種水產(chǎn)工程技術(shù)中心采樣檢測.通過室內(nèi)鏡檢，鑒定出浮游植物7門43種.其中藍(lán)藻門14種，占檢出總數(shù)的32.55%;綠藻門17種，占39.53%;硅藻門8種，占18.60%;甲藻門、隱藻門、金藻門、黃藻門各1種，各占2.33%.檢測點(diǎn)浮游植物以藍(lán)藻門和綠藻門為主，占總數(shù)的75.08%.浮游植物豐度為37.675×105cells/L，其中藍(lán)藻門18.472×105cells/L，綠藻門15.273 ×105cells/L，硅藻門1.320 ×105cells/L，甲藻門2.610 ×105cells/L;隱藻門、金藻門、黃藻門數(shù)量太少末統(tǒng)計(jì).浮游植物的生物量為16.454 mg/L，其中藍(lán)藻門5.605 mg/L，綠藻門2.889 mg/L，硅藻門 1.411 mg/L，甲藻門6.549 mg/L;隱藻門、金藻門、黃藻門數(shù)量太少，未換算生物量.浮游植物優(yōu)勢種屬有藍(lán)藻門的可釋放藻毒素的微囊藻屬(Microcystis)和甲藻門的角甲藻屬(Ceratium).微囊藻屬和角甲藻屬在紅楓湖的優(yōu)勢地位是水體富營養(yǎng)化的標(biāo)志之一.

3.2 生態(tài)修復(fù)對紅楓湖浮游植物種屬組成及豐度特征的調(diào)控

2010年3月在工程外環(huán)境對照區(qū)(藻型區(qū))、工程核心區(qū)(草型區(qū)，種植高等植物浮島面積占該湖區(qū)總面積1/3)和外圍區(qū)(藻-草過渡型區(qū)，種植高等植物浮島面積占該湖區(qū)總面積1/5)分別采樣，檢測分析計(jì)數(shù)，其浮游植物結(jié)構(gòu)、生物量等特征對比見表1、2.

表1 生態(tài)修復(fù)對紅楓湖右二灣水體浮游植物種類組成與分布的影響(2010年3月)*Tab.1 Influences of aqua-ecosystem remediation on the characters of composition and distribution of phytoplankton in Youer Bay of Lake Hongfeng，Mar.2010

續(xù)表1

表2 紅楓湖示范工程草型湖區(qū)、藻-草過渡區(qū)及外環(huán)境藻型湖區(qū)藻類分布特征比較Tab.2 Comparison of characteristics of phytoplankton distribution among the plant-type and algae-plant transit type waters in the demonstration engineering area and in its surrounding area(algae-type water)in Lake Hongfeng

對紅楓湖右二灣水體實(shí)施生態(tài)修復(fù)后，實(shí)驗(yàn)核心區(qū)(草型)和外圍區(qū)(藻-草過渡型)與外環(huán)境對照區(qū)(藻型)的浮游植物種類組成與分布情況見表1.紅楓湖右二灣水體經(jīng)過生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)后種群種類分布發(fā)生明顯變化，工程內(nèi)草型水體與外環(huán)境藻型水體相比，種屬數(shù)減少了29.4%，特別是減少了藍(lán)藻中可能釋放藻毒素的微囊藻、魚腥藻等屬，而硅藻種屬增多120.0%.在草型區(qū)，未檢測到在對照區(qū)外環(huán)境具有的水華微囊藻、不定微囊藻、多變魚腥藻、銅綠微囊藻①在貴州師范大學(xué)分析測試中心2009年11月27日報(bào)告中，這是紅楓湖工程外環(huán)境占絕對優(yōu)勢的種.、小顫藻等能釋放藻毒素的種屬［26］.

藻型湖區(qū)浮游植物總豐度為 33.17×105cells/L，其中藍(lán)藻門 21.90×105cells/L，硅藻門 2.98×105cells/L，綠藻門8.26 ×105cells/L，甲藻門0.03×105cells/L.藻-草過渡區(qū)浮游植物總豐度為18.43 ×105cells/L，其中藍(lán)藻門 11.77 ×105cells/L，硅藻門 3.21 ×105cells/L，綠藻門 3.43 ×105cells/L，甲藻門0.02 ×105cells/L.草型湖區(qū)浮游植物總豐度為 17.79 ×105cells/L，其中藍(lán)藻門 9.74 ×105cells/L，豐度比藻型區(qū)減少了55.52%，硅藻門4.66×105cells/L，豐度比藻型湖區(qū)增加了56.38%，綠藻門3.38×105cells/L，甲藻門0.01×105cells/L，分別比藻型湖區(qū)減少了59.08%和65.62%.浮游植物豐度由多到少依次為工程外藻型環(huán)境對照區(qū)＞藻-草過渡湖區(qū)＞草型湖區(qū)(表2).藻型湖區(qū)浮游植物優(yōu)勢屬為藍(lán)藻門的藍(lán)纖維藻屬.針狀藍(lán)纖維藻是富營養(yǎng)化水體的藍(lán)藻指示種［27］，實(shí)驗(yàn)工程藻-草過渡區(qū)和草型區(qū)的浮游植物優(yōu)勢屬為硅藻門的直鏈藻屬.

藻型湖區(qū)浮游植物生物量為11.67 mg/L，其中藍(lán)藻門4.16 mg/L，硅藻門1.89 mg/L，綠藻門4.95 mg/L，甲藻門0.67 mg/L.藻-草過渡區(qū)浮游植物生物量為6.83 mg/L，其中藍(lán)藻門2.12 mg/L，硅藻門2.16 mg/L，綠藻門2.06 mg/L，甲藻門0.49 mg/L.草型湖區(qū)浮游植物生物量為7.10 mg/L，其中藍(lán)藻門1.75 mg/L，生物量比藻型湖區(qū)減少了57.86%，硅藻門3.03 mg/L，生物量比藻型湖區(qū)增加了60.26%;綠藻門1.99 mg/L，甲藻門0.33 mg/L，生物量比藻型湖區(qū)分別減少了99.20%和50.75%.

與藻型湖區(qū)相比，草型湖區(qū)浮游植物豐度和生物量降低.其中硅藻豐度增加，生物量增加;而藍(lán)藻、綠藻豐度、生物量均減少;甲藻豐度減少.在一定程度上生物量與豐度之比可以反映平均個(gè)體大小，檢測中的藍(lán)藻種群細(xì)胞個(gè)體平均體積約為硅藻的1/3.74～1/3.34(表2).通常情況下小顆粒的沉降速率遠(yuǎn)小于大顆粒.加上微囊藻等有假空泡(Pseudovacuoles)的藍(lán)藻更具有上浮優(yōu)勢;所以在無高等植物的藻型水體中，硅藻的豐度和生物量與藍(lán)藻、綠藻相比均處于劣勢.在藍(lán)藻、綠藻競爭中有時(shí)綠藻利用個(gè)體小型化，在豐度上仍可能占較大份額.因此在富營養(yǎng)化水體中，長期競爭結(jié)果導(dǎo)致藍(lán)藻特別是有假空泡的微囊藻等逐漸成為優(yōu)勢—絕對優(yōu)勢種屬.在有高等植物的水生態(tài)系統(tǒng)中，高等植物在空間、光照、營養(yǎng)鹽和化感物質(zhì)等方面與藻類有相生相克作用.不同種植物對不同種藻類的相互作用可能是不同的.草型湖泊/區(qū)中在遏制藻類總體豐度和生物量的同時(shí)，硅藻豐度和生物量比藻型湖區(qū)有所增加，說明高等植物對藍(lán)、綠藻類的遏制綜合結(jié)果超過硅藻.在高等植物比較豐富的洪湖，硅藻為絕對優(yōu)勢門類［10］的事實(shí)表明，高等植物與若干硅藻附著浮游種屬可能有一定共生作用.水面高等植物在水中的根莖有利于浮游植物附著滯留水面，對個(gè)體較大的浮游植物的競爭相對有利.不同高等植物與不同浮游植物間在不同環(huán)境條件下的相互作用及其影響閾值值得進(jìn)一步研究.

將紅楓湖工程示范區(qū)的浮游植物分布特點(diǎn)與太湖等湖泊作對比.1960-1980年以來太湖浮游植物以硅藻和藍(lán)藻為主要優(yōu)勢種，隨著富營養(yǎng)化發(fā)展，1987年后演替為以藍(lán)藻和隱藻為優(yōu)勢種，1992年以后優(yōu)勢種僅為藍(lán)藻，且藍(lán)藻門中的微囊藻(主要是銅綠微囊藻和水華微囊藻)又成為藻類優(yōu)勢種［13］.根據(jù)2007年8月份蘇州市昆山草型傀儡湖的資料，浮游植物總生物量中硅藻所占的比重最高，平均值占總藻類生物量的37.9%.其次藍(lán)藻為26.0%，綠藻為23.5%①中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，昆山市傀儡湖水源生態(tài)保護(hù)有限公司.傀儡湖本底調(diào)查報(bào)告，2007..本研究表明紅楓湖右二灣生態(tài)修復(fù)工程的草型核心區(qū)與藻-草過渡外圍區(qū)的藻類以硅藻為優(yōu)勢種，其生物量占浮游植物生物總量的31.6%～41.6%，與草型傀儡湖及太湖1960s-1980s類似，并且未檢測到能釋放藻毒素的藍(lán)藻;外環(huán)境即對照區(qū)以藍(lán)藻為優(yōu)勢種則與目前太湖情況類似.從浮游植物種群演替的某種意義上說，生態(tài)修復(fù)工程在紅楓湖局部水體實(shí)現(xiàn)了藻類優(yōu)勢種群從目前的西太湖藻型特點(diǎn)演替為目前的東太湖和若干太湖流域草型湖泊的特點(diǎn)，回歸了1960s-1970s太湖浮游植物種群特點(diǎn);實(shí)現(xiàn)了局部水體回歸歷史自然景觀和對富營養(yǎng)化的控制.

4 結(jié)論

以種植高等植物為主(在淺水湖泊中包括修復(fù)沉水植物，在水庫主要用多種生態(tài)浮島)加上固定化氮循環(huán)細(xì)菌技術(shù)的物理生態(tài)修復(fù)技術(shù)，當(dāng)植物覆蓋率超過一定閾值(1/3～1/5;高等植物對藍(lán)藻遏制的覆蓋率約為1/10)后可以在紅楓湖這種近年來經(jīng)常發(fā)生藍(lán)藻水華的富營養(yǎng)化局部水體實(shí)現(xiàn)對浮游植物種群結(jié)構(gòu)和豐度的調(diào)控，使藻類種群以藍(lán)藻為優(yōu)勢轉(zhuǎn)換為以硅藻為優(yōu)勢，遏制有毒藍(lán)藻的出現(xiàn)，從而大大延長暴發(fā)藍(lán)藻水華的孕育時(shí)間，因?yàn)樵谛纬伤A前首先必需使藍(lán)藻成為優(yōu)勢種;這樣，可以實(shí)現(xiàn)對作為水體富營養(yǎng)化主要指標(biāo)的藍(lán)藻水華的暴發(fā)現(xiàn)象加以遏制，極大地降低其發(fā)生的頻次和規(guī)模.生態(tài)修復(fù)實(shí)驗(yàn)減少了紅楓湖草型區(qū)水體中的藍(lán)藻種類(特別是有藻毒素的種屬)、豐度、生物量，增加了硅藻種類、豐度、生物量.浮游植物優(yōu)勢種群由藍(lán)藻門微囊藻屬、藍(lán)纖維藻屬與甲藻門的角甲藻屬變?yōu)楣柙彘T的直鏈藻屬.因地制宜綜合運(yùn)用物理生態(tài)工程修復(fù)技術(shù)可以調(diào)控和改善富營養(yǎng)化水體生態(tài)結(jié)構(gòu)，改善水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)局部控制水體富營養(yǎng)化和藻類水華的發(fā)生.由于本項(xiàng)目中發(fā)展的可全年鑲嵌式種植包括香根草、杞柳等高稈植物在內(nèi)的多種水面植物(水生植物、濕生植物、陸生可水培植物)的浮島可作為防浪削浪、遏制藍(lán)藻、改善水質(zhì)、提高透明度的先鋒性措施，以保障局部水面植被覆蓋面積超過閾值，成為保護(hù)沉水植物生長(特別當(dāng)可能有長期高水位和低透明度時(shí))、遏制暴發(fā)藍(lán)藻水華的可操作途徑.

在目前高污染和高環(huán)境災(zāi)變壓力下，淺水湖泊修復(fù)沉水植被歷史景觀是必要的，但簡單恢復(fù)已經(jīng)不能持續(xù)穩(wěn)定，需要鑲嵌采用能防浪削浪(這對有大風(fēng)浪的開敞水域很重要)、遏制藍(lán)藻的種植高等植物浮島，改善水質(zhì)、遏制藍(lán)藻、提高透明度作為先鋒性子系統(tǒng)，加上物理生態(tài)工程其它綜合措施，以保障植被覆蓋面積超過閾值.這是極為重要的環(huán)節(jié).當(dāng)沉水植被有足夠面積和季節(jié)轉(zhuǎn)換調(diào)控能力后，系統(tǒng)才能穩(wěn)定持續(xù).水面植物浮島是防止健康水生態(tài)系統(tǒng)在高環(huán)境災(zāi)變下退化的有力支撐子系統(tǒng).

實(shí)踐表明，在類似的較高氮磷等營養(yǎng)鹽水平條件下，可以存在多種結(jié)構(gòu)的水生態(tài)系統(tǒng)，特別是有明顯差異的藻型濁水狀態(tài)和草型清水狀態(tài)兩種較穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng).各地碳、氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽的水平及其比例有很大差異.各地觀測結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)表明，控制富營養(yǎng)化的營養(yǎng)鹽閾值有較大的變化空間，難以有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).遏制藍(lán)藻成為浮游植物組成中的優(yōu)勢種，可以成為控制藻類水華的充分條件，因?yàn)樵谛纬伤{(lán)藻水華前，藍(lán)藻首先要成為優(yōu)勢種.將水體實(shí)現(xiàn)草型化，從局部到大范圍，從入湖河口、湖灣開始，將上游輸入的部分污染物及大湖面輸移來的藻類(可視為在大湖面上富集水中營養(yǎng)鹽，凈化水質(zhì)的初級生產(chǎn)產(chǎn)物)扼殺轉(zhuǎn)化為以高等植物為主的生物資源取出利用，形成不施化肥農(nóng)藥的綠色水體農(nóng)業(yè)，提高水體生產(chǎn)力［19-20］，是一種有較高性價(jià)比的治理湖泊水庫的途徑.紅楓湖水質(zhì)生態(tài)修復(fù)工程實(shí)踐表明，這是一種可操作實(shí)現(xiàn)的途徑.不同高等植物與不同浮游植物間以及浮游植物各種屬之間在不同環(huán)境條件下存在復(fù)雜的相生相克作用，其多種影響閾值值得進(jìn)一步研究.

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Eutrophication control in local area through phytoplankton population regulation by eco-remediation:a case study on aqua-eco-remediation engineering in Lake Hongfeng，Guizhou Province

PU Peimin1，LI Yuhong2，ZHANG Jinfang3，MA Yongbing3，LI Zhengkui4＆ CHENG Xiaoying5
(1:Nanjing Institute of Geography and Limnology，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，P.R.China)
(2:Institute of Wetland，Quanzhou Normal College，Quanzhou 362000，P.R.China)
(3:Guiyang City Agriculture Committee，Guiyang 550081，P.R.China)
(4:State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，School of Environment，Nanjing University，Nanjing 210093，P.R.China)
(5:School of Environment and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，P.R.China)

A physic-ecological engineering(PEEN)for aqua-eco-remediation was performed in a local area(enclosed water with surface area of 1.33 ha)with depth round 10 m and variation of water level of 7 m in Lake/Reservoir Hongfeng.Results showed that the construction，abundance and biomass of the phytoplankton may be regulated by PEEN，when the ratio of the sum area of floating islands with plant to the total enclosed area is above 1/5-1/3(as the threshold).The dominant phytoplankton population shifted from Cyanophyta(Microcystis)，Pyrrophyta(Ceratium hirundinella)and Cyanophyta(Dactylococcopsis acicularis)in surrounding algae-type water to Bacillariophyta(Melosira)after the construction of engineering.Species of Cyanophyta in plant-type water were less than that of surroundings at 17.6%-29.4%(especially the species with microcystin，such as Microcystis，Anabaena，Oscillatoria，Aphanizomenon，were detected in surroundings algae-type water did not been detected in plant-type water);while the species of Bacillariophyta increased to 120.0%in comparison with that in the surroundings.The abundance and biomass of Cyanophyta in the plant-type area of the PEEN decreased by 55.5%and 57.9%in comparison with those in surroundings，respectively.Meanwhile，the abundance and biomass of Bacillariophyta in the plant-type area of the PEEN increased by 56.4%and 60.3%in comparison with those in surroundings，respectively.The total phytoplankton abundance and biomass decreased by 53.6%and 39.1%，respectively in comparison with those of the surroundings.All these facts benefited the increase of transparency in plant-type water，where the water quality improved obviously and the secchi depth is stably observed at 120-220 cm and higher than that in surrounding algae-type water in dozen centimeters.The engineering area appears as the“green island”in the algae bloom occupied surroundings frequently.The eutrophication in local area of Lake Hongfeng with surface area of 57.2 km2at normal water level is controlled without algae bloom.The PEEN including floating eco-islands，which can be used for culturing various water surface plant，including aquatic plant，wetland plant，terrestrial plant(Vetiver Grass，salix integra linn.，etc)，for relieving high wind-driven wave，suppressing blue algae，improving water quality and transparency and other techniques is important for guaranteeing the remediation of submerged vegetation in shallow lakes and preventing algae bloom under severe environmental pressure at present.

Ecological remediation;eutrophication control;phytoplankton population regulation;physic-ecological engineering;Lake Hongfeng

http://www.jlakes.org.E-mail:jlakes@niglas.ac.cn

?2012 by Journal of Lake Sciences

* 貴陽市政府農(nóng)業(yè)委員會(huì)項(xiàng)目“紅楓湖水質(zhì)生態(tài)修復(fù)技術(shù)示范試驗(yàn)”和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30770391)聯(lián)合資助.2011-11-07收稿;2012-02-20收修改稿.濮培民，男，1936年生，研究員;E-mail:pupm1@yahoo.com.