華映肖,潘繼征,杜勁松,李 楊,楊 齊,徐 雙,黃育紅

(1:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008) (2:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049) (3:滇池湖泊生態(tài)系統(tǒng)云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站,昆明 650228) (4:昆明市滇池高原湖泊研究院,昆明 650228) (5:蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,蘇州 215009)

滇池是我國(guó)著名的高原淺水湖泊,1950s-1960s,其生態(tài)環(huán)境處于相當(dāng)健康的狀態(tài)[1]。然而1970s開始,隨著沿岸人類生活廢水排放的增加,廢水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素逐漸超過(guò)了湖泊的自凈容量,使滇池初步展現(xiàn)出富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì)[2]。到了1990s,富營(yíng)養(yǎng)化程度達(dá)到頂點(diǎn),沉水植物幾乎消亡,藍(lán)藻水華大面積暴發(fā),生態(tài)系統(tǒng)健康狀況不容樂(lè)觀[3]。2010年左右,滇池外源污染得到控制,水質(zhì)有所改善,但仍然無(wú)法全年穩(wěn)定維持在Ⅳ類水,湖泊生態(tài)系統(tǒng)亟需得到修復(fù)。從“七五”“八五”開始,政府注意到了滇池所面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,制定了相關(guān)的保護(hù)政策、開展了大量的治理工程措施,2018-2020年水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅳ類,但是由于缺少科學(xué)系統(tǒng)的認(rèn)知,滇池生態(tài)用水量不足、流域面源污染負(fù)荷重、水生態(tài)受損等問(wèn)題仍然突出[4]。

“十二五”國(guó)家重大水污染防治科技專項(xiàng)示范項(xiàng)目中,大泊口作為滇池草海典型的重度富營(yíng)養(yǎng)化水域,被設(shè)為生態(tài)修復(fù)工程的示范區(qū),在此開展了兩期的生態(tài)修復(fù)工程[5]。至2019年,大泊口東部及南部水域水質(zhì)出現(xiàn)明顯改善,具有大面積穩(wěn)定的沉水植物分布,形成穩(wěn)定的草型湖區(qū),湖泊生態(tài)環(huán)境得到了良好的恢復(fù)[6]。因此,以大泊口水域作為研究對(duì)象,通過(guò)分析和對(duì)比各個(gè)湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)的變化,探究修復(fù)成功湖區(qū)的水質(zhì)改善、生態(tài)系統(tǒng)企穩(wěn)向好的原因,對(duì)于后續(xù)滇池全湖生態(tài)修復(fù)乃至其他類型富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊的生態(tài)修復(fù)都具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

大泊口水域(24.96°～24.97°N,102.64°～102.65°E)位于滇池草海南部,水域面積0.52 km2,約占草海面積的4.8%,平均水深約2 m,全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),平均風(fēng)速2.2～3.0 m/s,其北部有透水堤岸與草海相通,南部與外海僅有海埂相隔,屬于半封閉水域[6]。根據(jù)昆明市滇池高原湖泊研究院的記載和調(diào)查,1980s末以來(lái),大泊口因作為養(yǎng)殖魚塘,水體開始出現(xiàn)不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化,水質(zhì)甚至達(dá)到劣V類,逢夏秋季節(jié),以藍(lán)藻門和綠藻門為主的浮游植物迅速增殖,水體呈現(xiàn)綠色,透明度較低,轉(zhuǎn)化為重度富營(yíng)養(yǎng)化的藻型水體。因此,將大泊口作為滇池治理的“縮影”,在大泊口開展生態(tài)修復(fù)具有現(xiàn)實(shí)意義和必要性。

經(jīng)過(guò)工程前期調(diào)查發(fā)現(xiàn),大泊口的主要污染來(lái)源有3個(gè):草海補(bǔ)給水、內(nèi)源底泥污染釋放以及大泊口西側(cè)生活污水和面源污染排放。草海是大泊口唯一的補(bǔ)給水源,大泊口水質(zhì)受草海影響很大,重富營(yíng)養(yǎng)化的草海給大泊口帶來(lái)了大量的污染負(fù)荷,草海每給大泊口補(bǔ)水100萬(wàn)m3,將帶來(lái)COD負(fù)荷55.6 t,總氮負(fù)荷6.03 t,總磷負(fù)荷0.20 t。大泊口東部底泥淤積厚度約0～50 cm,西部厚度約50～100 cm,氨氮為釋放的主要污染物。西側(cè)的生活污水和地表面源污染雖然水量較小,但是污染負(fù)荷高,COD負(fù)荷約2.63 t/a,TN負(fù)荷約0.3 t/a,并且在雨季(5-10月)會(huì)對(duì)大泊口水質(zhì)產(chǎn)生較明顯的沖擊。

大泊口生態(tài)修復(fù)的主要難點(diǎn)包括生境破壞嚴(yán)重、依靠沉水植物種子庫(kù)自然恢復(fù)困難、水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過(guò)高、水華現(xiàn)象嚴(yán)重和受外草海水質(zhì)影響大等,同時(shí)藻類易進(jìn)難出,帶來(lái)了大量污染負(fù)荷,主要污染物為總氮、總磷和COD。針對(duì)上述生態(tài)修復(fù)的難點(diǎn),在大泊口開展了生態(tài)修復(fù)示范工程的一期和二期工程,具體工程內(nèi)容詳見表1。在兩期工程規(guī)劃以外,根據(jù)水生態(tài)狀況陸續(xù)設(shè)置了圍隔(包括二期工程的圍隔),即一期工程開展之后,在大泊口東南部分沉水植物大量生長(zhǎng)的水域增設(shè)圍隔(圖1紅色圍隔)并逐步擴(kuò)大(至圖1藍(lán)色和紫色圍隔),二期工程增設(shè)圍隔(圖1綠色圍隔),同時(shí)將紫色段圍隔沉入水中。

表1 大泊口生態(tài)修復(fù)工程主要措施及時(shí)間節(jié)點(diǎn)Tab.1 Main measures and timeline of Dabokou ecological restoration project

圖1 大泊口采樣點(diǎn)分布及工程實(shí)施示意圖Fig.1 Distribution of samplingsites and schematic diagram of restoration projects in Dabokou

1.2 點(diǎn)位設(shè)置

大泊口水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于昆明市滇池高原湖泊研究院。大泊口自2015年實(shí)施專項(xiàng)治理工程開始至2021年期間,水質(zhì)和水生態(tài)監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)雖發(fā)生4次變化,但點(diǎn)位分布均能夠反映大泊口水域的總體水質(zhì)狀況。本研究通過(guò)大泊口夏季沉水植物分布情況判斷是藻型或草型湖區(qū)[7],進(jìn)而以沉水植物現(xiàn)狀及演替情況為標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合工程布局(圖1)劃分了4個(gè)水域:分別為A1(藻型湖區(qū))、A2(草藻過(guò)度湖區(qū))、A3(草藻過(guò)度湖區(qū))和A4(草型湖區(qū))。由于2015年的點(diǎn)位并未覆蓋到A2水域,且工程開展前期大泊口水質(zhì)空間變化較小,因此以A1水域中靠近A2的南部點(diǎn)位代表A2的水質(zhì)情況。

從2015年2月-2021年12月,持續(xù)對(duì)大泊口水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括pH值、透明度(SD)、懸浮物(SS)、生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(CODCr)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、葉綠素a(Chl.a)、溶解氧(DO)及水文指標(biāo)等。由于監(jiān)測(cè)計(jì)劃變動(dòng),在2015-2021年時(shí)間尺度上連續(xù)完整監(jiān)測(cè)的指標(biāo)為SS、CODCr、TP、TN和Chl.a,其中,SS濃度采用重量法測(cè)定,CODCr濃度采用重鉻酸鹽法測(cè)定,TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定,TN濃度采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定,Chl.a濃度采用丙酮-分光光度法測(cè)定。

1.3 分析方法

突變分析采用Rodionov等開發(fā)出一套自動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)間序列中多個(gè)變化點(diǎn)的工具[8],該方法不需要對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行原假設(shè),待檢測(cè)的時(shí)間尺度主要由截止長(zhǎng)度l控制,該工具以Excel宏的形式面向使用者。使用Excel 2016、Origin 2022和ArcMap 10.8對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 懸浮物濃度變化及均值突變

大泊口A1、A2和A3水域的SS濃度在研究期間有明顯季節(jié)性波動(dòng),表現(xiàn)出春冬低、夏秋高的特征;A4水域沒(méi)有明顯的季節(jié)性變化,總體表現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)(圖2)。大泊口一期工程的實(shí)施完畢后,其生態(tài)效益逐漸體現(xiàn),A1～A4水域的SS濃度發(fā)生的第一次均值突變均在2017年,均值突變前SS濃度均沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的空間差異((28.0±1.0)mg/L),突變后SS濃度均值分別為19.3、18.9、21.0、13.8 mg/L。由于A1水域水位最深,無(wú)沉水植物分布,懸浮物不易沉降,水下光照環(huán)境惡劣;A2水域有引水工程的入水口,水力沖擊會(huì)引起一定程度的擾動(dòng);A3水域有較多魚類活動(dòng),因此A1～A3水域SS濃度均值第一次突變后未能維持低濃度,其中A1水域SS濃度均值在2020年3月升高至31.9 mg/L,2021年8月再一次升高至44.5 mg/L;A2和A3水域的SS濃度均值分別在2021年8和9月升高至26.2和34.8 mg/L。A4水域的SS濃度均值第一次突變后總體維持在較低濃度。

圖2 大泊口懸浮物濃度變化及均值突變Fig.2 Concentration change and mean change of suspended solids in Dabokou

2.2 化學(xué)需氧量變化及均值突變

大泊口A1～A4水域的CODCr濃度在2015和2016年有明顯的季節(jié)變化,而2017年6月后較為平穩(wěn)(圖3)。2015年以前,有大量高污染負(fù)荷的生活廢水經(jīng)溝渠從大泊口西岸排入水體。一期工程中最先實(shí)施的西岸截污工程,有效減少了高CODCr濃度廢水的排入,外源污染得到控制。隨后4片水域在2016年底發(fā)生第1次CODCr濃度均值突變,分別從68.9、68.4、69.2和66.8 mg/L降低至42.3、43.4、46.1和37.2 mg/L,且均在較低濃度保持了4年以上。長(zhǎng)久高污染負(fù)荷的外源廢水使得大泊口水域CODCr不斷累積,因此即使在第1次CODCr均值突變發(fā)生后,A1～A3水域的CODCr濃度依舊不滿足V類水標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)源CODCr的釋放,使后續(xù)CODCr削減效果不明顯,A1水域的CODCr濃度均值在2021年3月小幅惡化,升高至50.3 mg/L;A2和A3水域的CODCr濃度在2018-2019年發(fā)生第2次均值突變,CODCr濃度進(jìn)一步降低至31.4和35.0 mg/L,雖然在2021年小幅回彈,但CODCr濃度(分別為40.5和43.9 mg/L)并未高于第一次均值突變后的CODCr濃度。A4水域由于其具備穩(wěn)定沉水植物群落,有機(jī)物削減能力遠(yuǎn)超其余3個(gè)水域,其CODCr濃度均值于2018年11月再次突變降低至25.9 mg/L。

圖3 大泊口化學(xué)需氧量變化及均值突變Fig.3 Concentration change and mean change of CODCr in Dabokou

2.3 總氮濃度變化及均值突變

大泊口4片水域的TN濃度沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì),2015年2月的TN濃度均為最大值,且均在2016年6月、2017年4月和2018年秋季出現(xiàn)峰值,其他時(shí)間段內(nèi)波動(dòng)幅度較小(圖4)。4片水域的TN濃度在2016年10月發(fā)生第一次均值突變,分別從2.35、2.33、2.39和2.32 mg/L降低至1.66、1.69、1.70和1.36 mg/L。一期工程的實(shí)施使大泊口水域逐漸從氮匯轉(zhuǎn)變成為氮源,且沉水植物是影響TN濃度均值突變的重要因素。A1和A2水域維持較低TN濃度均值不足兩年,在2018年7月分別升高至2.10和2.21 mg/L,此后A1水域TN濃度繼續(xù)升高,而A2水域有好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。A3和A4水域維持了第一次均值突變后的TN濃度。在沉水植物生長(zhǎng)情況最好的A4水域,水體中的TN濃度削減程度最大,且在高TN濃度的2018年,A4表現(xiàn)出較高的調(diào)節(jié)能力。在2019年實(shí)施的二期工程中,沉水植物加強(qiáng)了A2和A3水域的自凈能力,不適宜沉水植物生長(zhǎng)的A1水域TN仍然有較大幅度的波動(dòng)升高。而在2021年8-12月,A1～A3水域的TN濃度均出現(xiàn)惡化,可能與同期草海TN濃度升高有關(guān)。

圖4 大泊口總氮變化及均值突變Fig.4 Concentration change and mean change of total nitrogen in Dabokou

2.4 總磷濃度變化及均值突變

大泊口4個(gè)水域的TP濃度總體呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì),并且最大值都出現(xiàn)在2016年7月(圖5)。外源污染的控制以及人工引種水生植物能夠降低水域的TP濃度,2016年下半年4片水域TP濃度發(fā)生第一次均值突變,分別從0.180、0.176、0.182和0.177 mg/L降低至0.096、0.107、0.109和0.117 mg/L。二期工程開展之前,A1、A2和A3水域的TP濃度有上升的趨勢(shì),原因可能是重污染底泥中釋放的磷以及水生植物殘?bào)w釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),二期工程的開展及時(shí)維持并強(qiáng)化了一期工程的成果,圍隔工程和人工引種水生植物加強(qiáng)和鞏固了大泊口水域的凈化能力,TP濃度得以進(jìn)一步降低。最終各水域的TP濃度均值分別為0.071、0.077、0.075和0.038 mg/L。

圖5 大泊口總磷變化及均值突變Fig.5 Concentration change and mean change of total phosphorus in Dabokou

2.5 葉綠素a濃度變化及均值突變

大泊口A1～A4水域的Chl.a濃度變化趨勢(shì)有明顯的區(qū)別,其中A1的Chl.a濃度波動(dòng)幅度較大,在2016年9月和2020年3月出現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰值;A2和A3的Chl.a濃度總體呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì);A4水域總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖6)。研究期間,A1水域Chl.a濃度均值僅發(fā)生一次突變,從0.112 mg/L降低至0.075 mg/L,Chl.a濃度沒(méi)有明顯的改善;A2和A3水域在2015-2020年連續(xù)發(fā)生3次均值降低突變,均從0.128 mg/L分別降低至0.028和0.038 mg/L,但在2021年7和8月出現(xiàn)均值升高突變,分別升高至0.060和0.061 mg/L。A4水域的Chl.a濃度發(fā)生了4次均值降低突變,從0.113 mg/L降低至0.006 mg/L,且Chl.a濃度波動(dòng)幅度逐年減小。與環(huán)境指標(biāo)不同,各水域的Chl.a濃度均值突變沒(méi)有表現(xiàn)出同步性,原因可能是Chl.a濃度與浮游藻類生物量相關(guān),而藻類生物量本身就是各個(gè)因素共同作用的結(jié)果。濾藻工程的開展及水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的下降對(duì)于浮游植物生物量的影響很大。因此,對(duì)于水環(huán)境條件改善程度最不明顯的A1水域,其Chl.a濃度沒(méi)有顯著的降低,而與之對(duì)比明顯的A4水域,在工程開始前初始濃度相似的情況下,由于較好的水環(huán)境本底條件,各個(gè)環(huán)境因子企穩(wěn)向好,Chl.a濃度也穩(wěn)步降低。

圖6 大泊口葉綠素a變化及均值突變Fig.6 Concentration change and mean change of chlorophyll-a in Dabokou

3 討論

3.1 環(huán)境因子間的相關(guān)性

對(duì)大泊口的各個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析(表2),SS、CODCr、TN和TP與Chl.a濃度呈顯著正相關(guān),且4個(gè)區(qū)域之間SS、CODCr、TP和TN與Chl.a的相關(guān)性差異與水質(zhì)狀況有一定關(guān)系,水質(zhì)越好相關(guān)性越強(qiáng)。水質(zhì)較差的藻型湖區(qū)A1水域,其各個(gè)因子與Chl.a之間的相關(guān)性不強(qiáng),表明藻類的增殖不受單一環(huán)境要素的影響,更多的是綜合作用,故不能通過(guò)單一的控磷或控氮實(shí)現(xiàn)Chl.a濃度的大幅降低。水質(zhì)稍好的A2和A3水域,各個(gè)環(huán)境因子與Chl.a的相關(guān)性較強(qiáng),尤其是CODCr、TP與Chl.a的相關(guān)性,這與先前的研究結(jié)論一致[5],即在水質(zhì)得到一定程度改善時(shí),繼續(xù)降低水體的CODCr和TP濃度可以較好地控制湖泊中的藻類密度。有穩(wěn)定沉水植物生長(zhǎng)的A4水域則表現(xiàn)出CODCr、TP和Chl.a之間顯著的強(qiáng)正相關(guān),此時(shí)藻類濃度隨營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化而變化,如TP異常升高會(huì)直接導(dǎo)致藻類生物量增加。但是由于在水質(zhì)較好的湖泊中,藻類生物量的初始值較低,所以異常高營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷的來(lái)水不易導(dǎo)致草型生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。

表2 各水域環(huán)境指標(biāo)間的相關(guān)性Tab.2 Correlation between environmental indicators in four water areas

在4個(gè)水域中,CODCr、TP與Chl.a的相關(guān)性系數(shù)均高于SS、TN與Chl.a的相關(guān)性系數(shù),表明CODCr和TP是影響藻類最主要的因素,同時(shí)各個(gè)水域的CODCr與TP之間也表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。大泊口CODCr、TP和TN濃度第一次均值突變均發(fā)生在2016年下半年(圖3～5),在此之后僅CODCr和TP持續(xù)波動(dòng)下降,Chl.a濃度發(fā)生均值突變的時(shí)間點(diǎn)雖然與其不相同(圖6),但總體也表現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì),這可能與藻類生長(zhǎng)規(guī)律及其對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化的響應(yīng)速度有關(guān)[9]。

大泊口TN與Chl.a的相關(guān)性不強(qiáng),主要原因是大泊口TN濃度雖較高,但TP是限制浮游植物生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)鹽因子,且研究表明在富營(yíng)養(yǎng)條件下TP對(duì)浮游植物生產(chǎn)力的影響更大[10]。SS與Chl.a的相關(guān)性最低,這是由于大泊口SS濃度主要受降水影響表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,Chl.a主要受營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及溫度影響[11],SS濃度的變化不會(huì)直接影響Chl.a濃度,控制SS濃度對(duì)于降低浮游植物生物量的作用較小。

3.2 大泊口生態(tài)修復(fù)工程效果

富營(yíng)養(yǎng)化湖泊生態(tài)修復(fù)的流程為先減少污染源,后改善生境,再恢復(fù)良好的沉水植物群落,最終建立健康的水生生態(tài)系統(tǒng)。大泊口水域采用的核心生態(tài)修復(fù)工程措施包括引水換水工程和微濾凈化(除藻)工程,這兩項(xiàng)工程顯著提高了水體透明度,促進(jìn)沉水植物的生長(zhǎng),并且沉水植物對(duì)于水質(zhì)改善具有重要作用。同時(shí),各個(gè)水域水質(zhì)凈化效果的差異與圍隔工程也有關(guān),圍隔工程減少了水體交換、降低擾動(dòng),能夠保護(hù)沉水植物的生長(zhǎng),鞏固強(qiáng)化有沉水植物分布區(qū)域的生態(tài)修復(fù)成果。開展前后,整個(gè)水域的CODCr、TP和Chl.a均有改善,而SS和TN在A1和A2水域的西部改善效果不理想(圖7)。由于A2水域西部與A1水域并未完全被圍隔分開(圖1),有直接水體交換,因此水質(zhì)改善效果不佳。

3.2.1 引水換水工程對(duì)水質(zhì)改善的影響 引水換水工程一方面能夠降低水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和增加水體交換能力,另一方面可以加速水體交換,但會(huì)干擾水-沉積物界面,引起沉積物再懸浮,增加底泥的氮、磷釋放通量。此外,引水換水會(huì)受到地形、邊界和風(fēng)力條件的影響[12]。王洪鑄通過(guò)建立引水換水的水生態(tài)模型發(fā)現(xiàn),若以稀釋污染物為目的,需要大量的清潔水源,若以沖走藻類為目的,換水率須大于優(yōu)勢(shì)藻類的特定生長(zhǎng)率,每日的換水率高達(dá)10%～20%,均適用于較小水體[13]。對(duì)于大多數(shù)湖泊,引水換水的目的應(yīng)為修復(fù)自由水文聯(lián)通和自然水位波動(dòng),以增強(qiáng)湖泊自凈能力。大泊口引水換水工程采用的補(bǔ)給水源為龍門村藻水分離站的出水,每年春季至晚秋運(yùn)行約9個(gè)月,水量及水質(zhì)穩(wěn)定,平均CODCr濃度為10.6 mg/L,平均TP濃度約為0.05 mg/L,明顯優(yōu)于大泊口平均水質(zhì),而平均TN濃度為3.71 mg/L,與大泊口原本水質(zhì)相差較小。由于大泊口面積較小,清潔水源的稀釋凈化效果明顯,且能夠顯著減少水力停留時(shí)間,因此大泊口水域的CODCr、TP和Chl.a濃度得到了全面持續(xù)降低,且在工程開展一年后營(yíng)養(yǎng)鹽因子近乎同時(shí)發(fā)生均值突變(圖3～5)。然而引水換水出水口所在的A2水域因?yàn)檩^強(qiáng)的水力擾動(dòng)以及受A1水域水質(zhì)影響較大,盡管在A2水域西部進(jìn)行了配套的水生植物種植,但SS凈化效果依舊不理想。

3.2.2 微濾凈化(除藻)工程對(duì)水質(zhì)改善的影響 藍(lán)藻水華是我國(guó)多數(shù)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊面臨的問(wèn)題。水華發(fā)生期間,受盛行風(fēng)向的影響,藍(lán)藻會(huì)向湖岸帶聚積,導(dǎo)致水體溶解氧迅速消耗、水下光強(qiáng)大幅降低,藻體死亡造成藻源性污染物的釋放[14]。微濾凈化(除藻)工程能夠直接降低水體中藻類的生物量,見效快、無(wú)二次污染。一期工程配備的固定式微濾設(shè)備日處理水量為3萬(wàn)m3,大泊口實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期的水體循環(huán)只需33天,加上引水工程的水量,理論上僅需25天即可完成一次大泊口水域的水體循環(huán)。同時(shí)借助凈化裝置的出水系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水體循環(huán),將清水?dāng)U散至全湖的同時(shí),推動(dòng)富藻水向固定方向匯聚,提高凈化效率。二期工程新增一臺(tái)除藻船和一臺(tái)推流設(shè)備,有效改善西北死角的水力條件,促進(jìn)了水質(zhì)的進(jìn)一步改善。藻類的生長(zhǎng)過(guò)程聚集了水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽,因此藍(lán)藻捕撈減少藻類生物量的同時(shí)也將營(yíng)養(yǎng)鹽帶出了水體[15],從而降低了Chl.a、TP濃度,也間接消除季節(jié)性、藻源性CODCr釋放的途徑。并且富藻水經(jīng)過(guò)凈化也更有利于沉水植物的生長(zhǎng),由此形成了良性水質(zhì)改善循環(huán)。分離出的藻類也可以用于生產(chǎn)肥料、生物質(zhì)能源和微生物培養(yǎng)原料等,進(jìn)行資源化利用[16]。

3.2.3 沉水植物群落分布對(duì)水質(zhì)改善的影響 大泊口作為滇池草海的典型修復(fù)區(qū),在小范圍水域內(nèi)表現(xiàn)出了不同的生態(tài)修復(fù)效果差異,其主要原因可能與沉水植物的分布有關(guān),沉水植物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中能直接降低SS[17]、COD[18]、TN[19]和TP[20]濃度。

大泊口整體呈現(xiàn)西北深東南淺的趨勢(shì),即A1水域水深最深,研究表明水深對(duì)于沉水植物分布具有決定性作用[21],因此A1水域相較于A4水域更不利于沉水植物生長(zhǎng)。2012年大泊口僅有篦齒眼子菜一種沉水植物在南部淺水區(qū)分布,并于冬季開始人工引種第一批海菜花(圖8)。隨后沉水植物快速生長(zhǎng),除篦齒眼子菜和海菜花外開始出現(xiàn)穗狀狐尾藻、黑藻、菹草等,其分布面積在2013年達(dá)到最大,為0.26 km2。2014年夏季,大量外海富藻水通過(guò)船閘流入草海,大泊口明顯受到影響,沉水植物適宜生長(zhǎng)的區(qū)域向岸邊退縮,海菜花生長(zhǎng)狀況也不佳。然而一期工程的實(shí)施并沒(méi)有顯著提高沉水植物的分布面積,2015年后由于透明度等原因,大部分海菜花死亡或者被水蘊(yùn)草掩蓋后消失,在2016-2018年甚至出現(xiàn)了面積下降的情況。這可能是由于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊存在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的延遲效應(yīng),在長(zhǎng)期的TP累積的情況下,即使水體外部磷負(fù)荷降低,其恢復(fù)時(shí)間仍需10～20年[22],而大泊口并沒(méi)有開展過(guò)清淤工程,因此這種延遲效應(yīng)在大泊口是具有存在的可能性的。二期工程的開展使得沉水植物分布面積逐年穩(wěn)步提高,直至2020年,沉水植物分布面積達(dá)0.22 km2,占大泊口總面積的42%,多樣性大大提升,出現(xiàn)了水蘊(yùn)草、菹草、穗狀狐尾藻、伊樂(lè)藻、苦草、黑藻等沉水植物。

圖8 大泊口沉水植物分布變化Fig.8 Distribution changes of submerged macrophytes in Dabokou

A1水域由于光照不足、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過(guò)高等因素,沉水植物難以分布;A2～A4水域的沉水植物使根系周圍的微生物得到了良好的生存環(huán)境,增強(qiáng)了對(duì)有機(jī)物的降解[18],提高了反硝化和厭氧氨氧化的速率[19],并且通過(guò)同化作用,降低了水體的TN和TP濃度[20]。A2水域由于存在引水換水出水口,沉水植物的分布能夠通過(guò)葉片吸附、降低流速等減少沉積物再懸浮,提高水體透明度[17]。大泊口水域在沉水植物群落構(gòu)建后,進(jìn)一步削減了營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,Chl.a濃度顯著降低,各個(gè)環(huán)境要素與沉水植物之間的相互作用形成正反饋。研究表明有沉水植物分布的水域,其水-沉積物界面的DO濃度高,能有效抑制沉積物中的磷向上覆水釋放[23],且沉水植物生物量較高其沉積物中具有較高比例的好氧微生物和真菌,微生物的存在又有利于沉水植物本身的生長(zhǎng)[24]。Chl.a濃度可以表征水體浮游植物生物量,水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度尤其是TP濃度的下降,TP對(duì)于浮游植物生物量的影響很大,同時(shí)沉水植物對(duì)藻類存在化感作用,能抑制浮游植物的生長(zhǎng),降低藻類現(xiàn)存量及多樣性[25-26]。沉水植物蓋度的增加有利于水質(zhì)的改善[27],杜勁松等通過(guò)回歸分析,提出大泊口如要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換,沉水植物蓋度應(yīng)大于53%[28],目前這一目標(biāo)即將實(shí)現(xiàn)。

引水換水工程、微濾凈化(除藻)工程和沉水植物修復(fù)等工程,在大泊口水域生態(tài)修復(fù)中,其作用不盡相同。綜合考慮上述三項(xiàng)工程對(duì)大泊口生態(tài)修復(fù)效果的影響,認(rèn)為沉水植物修復(fù)工程是最為直接、經(jīng)濟(jì)和長(zhǎng)效的工程手段,但是具有一定局限性,即必須滿足一定的生境條件,選擇合適的物種才可以構(gòu)建穩(wěn)定的草型湖區(qū),然而目前還未明確適合種植沉水植物的生境邊界條件,這將是今后工作需要解決的問(wèn)題。微濾凈化(除藻)工程在大泊口水域具有良好的適用性,其原因在于大泊口水域面積較小、藍(lán)藻水華發(fā)生時(shí)間有規(guī)律可循,能夠及時(shí)、高效排除藍(lán)藻水華暴發(fā)帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),以濾藻的方式削減水體營(yíng)養(yǎng)鹽的同時(shí),保障了良好的水下光照條件。引水換水工程以稀釋污染物的形式降低大泊口營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,也是一種直接改善水體營(yíng)養(yǎng)條件的方式,在工程開展前期大泊口水質(zhì)較差的情況下效果較好,但是長(zhǎng)期來(lái)看經(jīng)濟(jì)成本較高,會(huì)帶來(lái)一定程度的水體擾動(dòng),且受到外海引水站水質(zhì)影響,后期并不能依賴引水換水工程來(lái)提升大泊口水質(zhì)狀況。

目前,在自然本底條件較好的A3和A4水域?qū)崿F(xiàn)了各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的改善以及沉水植物群落的恢復(fù),但A1水域整體和A2水域西部,僅CODCr、TP和Chl.a實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的改善,而SS和TN仍然維持較高濃度,原因是這部分水域自然本底條件較差,如水深較深、污染底泥厚度較大等,未來(lái)應(yīng)充分發(fā)揮微濾凈化(除藻)工程和沉水植物修復(fù)工程的工程效果,選擇合適的先鋒物種,對(duì)A1和A2水域采取進(jìn)一步的工程措施。

3.3 大泊口生態(tài)修復(fù)工程的環(huán)境效益

滇池自2016年以來(lái)進(jìn)入精準(zhǔn)治滇階段?！兜岢亓饔蛩h(huán)境保護(hù)治理“十三五”規(guī)劃(2016-2020年)》和滇池保護(hù)治理“三年攻堅(jiān)”行動(dòng)(2018-2020年)開展了眾多生態(tài)治理工程,對(duì)外海和草海的CODCr和TP治理效果明顯,這說(shuō)明早期滇池控磷的手段對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境的改善尤其是浮游植物生物量的控制起到了積極的作用。從滇池的總體分析來(lái)看(圖9),Chl.a濃度并沒(méi)有隨著TP濃度的降低而降低,反而隨著TN濃度的升高而升高,這表明下一階段,滇池生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Φ目刂啤?/p>

圖9 大泊口、草海和外海水質(zhì)變化對(duì)比Fig.9 Comparison of water quality changes among Dabokou, Caohai and Waihai

大泊口的CODCr濃度在2015年明顯高于草海和外海,主要是大泊口開展截污工程前,有大量高負(fù)荷生活污水排入大泊口。草海CODCr水平長(zhǎng)期保持較低原因是牛欄江-滇池補(bǔ)水工程有效改善了草海的內(nèi)源污染[29]。大泊口引水工程的源水來(lái)自外海,經(jīng)過(guò)兩期工程,有穩(wěn)定沉水植物群落分布的A4水域CODCr濃度持續(xù)下降,至2021年已經(jīng)滿足Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)(30 mg/L),且2019-2021年連續(xù)優(yōu)于外海。

大泊口和外海的TN濃度變化較小,草海的TN濃度常年較高,且在2018年后逐漸升高,這是因?yàn)椴莺ｉL(zhǎng)期接受昆明城區(qū)的高負(fù)荷污水,且后期的治理重點(diǎn)一直放在對(duì)TP的控制上。大泊口作為半封閉水域,其TN初始濃度與草海相差巨大的原因,可能與2011-2012年在大泊口開展的“滇池水葫蘆治理污染實(shí)驗(yàn)性工程”有關(guān),且大泊口北部的半透堤岸能夠凈化和攔截一部分草海水體中的氮。大泊口生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施后,各水域的TN濃度均低于草海的TN濃度,尤其是A4水域2019年后已經(jīng)能保持在Ⅳ類水(1.5 mg/L),明顯優(yōu)于A1水域。同時(shí)在引水換水工程開展前,草海是大泊口唯一的補(bǔ)給水源,草海水質(zhì)決定了大泊口水質(zhì)的好壞,而工程開展后,大泊口接受了來(lái)自外海的TN濃度相對(duì)較低的源水補(bǔ)給,直接緩解了高TN濃度壓力。

大泊口與草海的TP濃度有明顯的下降趨勢(shì),外海TP濃度在2018年后相對(duì)保持穩(wěn)定。相較于TN,草海與大泊口的TP濃度相差不大,由于牛欄江-滇池引水工程,草海的TP濃度得到控制,2018年后穩(wěn)定在Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)(0.10 mg/L),大泊口A1水域作為污染程度最嚴(yán)重的水域,其TP濃度也低于其他富營(yíng)養(yǎng)化湖泊,A4水域TP濃度甚至在2021年達(dá)到了Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)(0.05 mg/L)。

外海、草海和大泊口A1、A4水域的Chl.a濃度變化趨勢(shì)差異較大。A4水域的Chl.a表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定下降的趨勢(shì),這表明草型湖區(qū)A4生態(tài)治理效果穩(wěn)定可持續(xù);A1水域Chl.a濃度總體也表現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)。這表明,在大泊口開展的微濾凈化(除藻)工程效果顯著,加速了草型湖區(qū)藻類密度的降低。然而微濾凈化(除藻)工程在草海和外海這樣的大面積水域全面開展的可能性不大,不具有全湖推廣可行性。

4 結(jié)論與展望

1)大泊口自2015-2021年共開展了兩期生態(tài)修復(fù)工程,開展的工程措施包括了控源截污、引水換水、微濾凈化(除藻)、建立圍隔和沉水植物恢復(fù)等。水環(huán)境總體上得到改善,尤其是CODCr、TP和Chl.a濃度改善效果明顯,而SS和TN濃度的削減效果較小。截至2021年,除A1水域外,大泊口各個(gè)水域均有穩(wěn)定的沉水植物群落分布,生態(tài)修復(fù)工程在大泊口水域取得了初步的成功。

2)CODCr和TP是影響大泊口整體水域Chl.a濃度相關(guān)性最強(qiáng)的環(huán)境因子,其中不同水域的Chl.a濃度與環(huán)境因子相關(guān)性存在差異,水質(zhì)較好的A4水域CODCr、TP與Chl.a的相關(guān)性最大,水質(zhì)較差的A1水域CODCr、TP與Chl.a的相關(guān)性最小;SS和TN與Chl.a的相關(guān)性較弱。

3)大泊口水質(zhì)表現(xiàn)出明顯的空間差異,水環(huán)境治理效果由好至差依次為A4>A2≈A3>A1,治理效果產(chǎn)生差異的主要原因是其環(huán)境本底條件具有一定差異,包括了水深、底泥厚度、沉水植物初始分布等自然條件,沉水植物修復(fù)工程在大泊口總體生態(tài)修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮相對(duì)重要的作用,微濾凈化(除藻)工程次之,而引水換水工程在大泊口總體水質(zhì)條件較差時(shí)發(fā)揮過(guò)重要作用,但在后期,其重要性逐漸降低。

4)與草海和外海同期水質(zhì)進(jìn)行比較,A4水域?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換、形成穩(wěn)定的草型穩(wěn)態(tài)湖區(qū),其成功經(jīng)驗(yàn)具有推廣價(jià)值,而A1水域目前仍然保持藻型湖區(qū),其原因及后續(xù)將如何加強(qiáng)治理需要進(jìn)一步探討。

5)大泊口后續(xù)的生態(tài)修復(fù)工程應(yīng)當(dāng)將重點(diǎn)放在西北A1水域,通過(guò)微濾凈化(除藻)工程和引種耐高營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷及耐低光照環(huán)境的沉水植物,利用先鋒物種改善A1生境條件,逐步恢復(fù)到健康的湖泊生態(tài)系統(tǒng)。