大型枝角类引导的沉水植物生态修复对太湖围隔水质的净化效果

管卫兵，陆 锋，许维岸，何文辉

（1.上海海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.苏州大学基础医学与生物科学学院，江苏 苏州 215021；3.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306）

湖泊富营养化的治理已成为当前淡水生态学研究的中心问题之一[1]。以往通过生物操纵理论为核心的修复技术主要集中于利用滤食性鱼类[2-3]，依赖浮游动物，放养螺、蚌类等直接吸收营养盐，抑制藻类生长以净化富营养化水体[4]。太湖是一个典型的大型浅水湖泊，在浅水湖泊中，大型沉水植物的修复对生态系统动态变化起着重要影响[5]。当前富营养化湖泊类型中，以藻型富营养化为典型代表[6]，尤其以蓝藻爆发最为显著。正如秦伯强[7]所论述的，如何创造适合于沉水植物的生长所需的环境条件及维持一个草型生态系统所需的外部环境是湖泊生态修复工作的重点和前提。

本文通过运用围隔试验投放实验室内人工驯化浮游动物（大型枝角类），在试验围隔内以大型枝角类吃藻、控藻作为前导启动因子，可在短时期内提高水体透明度[8]，创造了沉水植物重建的发生条件，结合物理工程和生态工程，修复受损的生态系统，提高水体的自净能力。

1 材料和方法

1.1 围隔点的设置

在太湖的东部沿岸区域水体，建立生态修复区一个，围隔大小10 000 m2，抗风浪能力达8级。试验开始前，未见大型水生植被生长，围隔内鱼类被清除。围隔内外营养物完全隔离。在围隔内、外分别设置 A、B、C、D、E、F，6 个采样点。其中，A、B、C 为围隔内采样点，D、E、F为围隔外采样点。采样点具体位置见图1。

图1 采样点分布示意图

1.2 围隔内生态修复主要技术路线

以大型枝角类为主摄食水华藻类群体，使富营养化水体在短时间内透明度提高，继而通过生态修复技术移栽沉水植物，保持水体持续变清，形成良好的水质。具体过程如下：

（1）2007年9月选定位于太湖的东部沿岸区域水体，建立一个10 000 m2的生态修复围隔区，于同年10月份建大规模投放经人工驯化大型枝角类，对水华藻类的富营养化水体进行控藻作用。

（2）2008年1月至5月进行各种类型沉水植物成体植株的移栽，其中移栽亚洲苦草（Vallisneria natans）1.08万丛、金鱼藻（Ceratophyllum demersum L）1170 丛、菹草（Potamogeton crispus）1680 丛、轮叶黑藻（Hydrilla verticillata）2 120丛。

（3）2008年5月，为进一步控制水华藻类、增加透明度和建立稳定水生生态系统，在试验区分别逐步放养人工驯化的大型枝角类，各种规格的田螺，鳜鱼。随着生态系统的恢复，由于捕食鱼类的作用，最终大型枝角类退出生态系统。

1.3 采样与测定方法

于2007年12月至2008年9月，对水体水质进行逐月定点跟踪监测，每个站位采表层水样（深度小于0.5 m），采集后即用0.45 μm的Millipore滤膜进行现场减压过滤，保温箱内低温保存，运回实验室后立刻按照国标进行水化学分析。现场监测和记录溶解氧（DO）、透明度SD（cm）及pH值，采样后在实验室监测的水质指标有：总氮TN（mg/L）、总磷TP（mg/L）、高锰酸盐指数CODMn（mg/L）。

DO采用碘量法测定（GB 7489—87），SD采用塞氏盘法测定，pH值现场测定，总氮（TN）采用过硫酸钾消解紫外分光光度法测定（GB 11894—89），总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法测定（GB11893—89），高锰酸盐指数（CODMn）采用酸性法测定（GB 11892—89），叶绿素a参照乙醇萃取法进行测定。

1.4 数据处理

本试验各项指标均参照《湖泊富营养化调查研究》[9]和《水和废水监测分析方法 第四版》[10]的方法进行测定，采用SPSS 15软件中单因子方差（ANOVA）及Duncan多重比较对试验结果进行统计分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 生态修复期间水体主要水质指标的月变化

由图2可以看出，随着季节的变化，各监测点水体透明度变化范围为63~168 cm，围隔内透明度呈直线上升的趋势，同时夏季月份期间水体透明度也保持上升状态；而围隔外各月间水体透明度基本没有变化，但入夏的5、6月份水体透明度稍弱。对比分析显示，自2008年1月以后，围隔内水体的透明度极显著高于围隔外（p<0.01）。驯化的大型枝角类对水华藻类有抑制效应，同时以沉水植物为主的水下森林得以修复，水体自净能力得以增强，围隔内水体透明度较高。

2007年12月水体生态修复前期阶段，围隔内、外水体中的溶解氧浓度基本保持一致，初始浓度为5.7 mg/L，符合Ⅲ类地表水溶解氧标准限值。至2008年2月，围隔内溶解氧含量显著高于围隔外（p<0.01）；2008年9月，修复区内溶解氧含量显著上升，监测浓度已达13.2 mg/L，完全达到饱和状态。此时藻类亦得到有效控制，水下沉水植物大量覆盖，并释放氧气。

图2 围隔内外水体水质指标变化

太湖水体围隔内、外水体pH值变化处于7.3~8.6之间随时间都有所上升。2008年6～8月围隔内、外差异显著（p<0.01），符合Ⅲ类地表水pH限值。监测表明，尽管随着季节变换水温不断变化，当围隔内当水华藻类得以很好控制后，以沉水植物为主的生态系统生产力更高，水体二氧化碳固定量随之增高，导致水体pH相对围隔外更高。

在未进行生态修复之前，围隔内、外水体总氮浓度同属于Ⅴ类地表水质标准限值；修复期间围隔内水体中的总氮浓度由初始的1.5 mg/L下降至0.55 mg/L，修复区外源水体中总氮含量由1.55 mg/L升至1.62 mg/L。自2008年1月以后，围隔内极显著低于围隔外（p<0.01）；至2008年9月，围隔内水体总氮浓度比围隔外下降了66.0%。

沉水植物建立过程中，修复区内水体总磷浓度呈下降趋势。初期围隔内水体和围隔外水体总磷浓度分别为0.06和0.05 mg/L，均处于Ⅱ类地表水质标准。对比分析显示，围隔内水体总磷浓度在2008年1月至9月均显著低于围隔外（p<0.01）。截至2008年9月，围隔外总磷浓度为0.04 mg/L，围隔内总磷浓度为0.02 mg/L，总磷降低了50.0%。

围隔建立初期，位于围隔内和围隔外水体中CODMn的浓度分别为4.6和4.7 mg/L。通过放养人工驯化的大型枝角类，水体沉水植物的自净作用，2008年3月至9月，围隔内CODMn含量极显著低于围隔外水体（p<0.01）。至2008年9月，围隔外水体中CODMn的含量与初始阶段并无差异（p＞0.05），为4.8 mg/L，而围隔内水体的CODMn含量下降至1.4 mg/L，同比下降了70.8%。

2.2 围隔水体后期稳定性

工程后期，于2009年5月7日按照原设置监测点再次对生态修复区围隔内、外水体采样分析。结果如表1所示，围隔外水体平均透明度为71.67±2.89 cm，而同期围隔内透明度为156.67±5.77 cm，提高了1.2倍。围隔外，高锰酸盐指数平均为3.30±0.17 mg/L，而同期围隔内高锰酸盐指数为2.90±0.10 mg/L，降低了12.1%。修复区围隔外，总氮和总磷平均浓度为1.66±0.02和0.09±0.01 mg/L，而同期围隔内为0.58±0.02和0.08±0.01 mg/L，经修复，总氮和总磷分别降低了65.1%和11.1%。围隔外，平均叶绿素a为8.03±1.35 mg/L，而同期围隔内叶绿素a为 1.89±0.83 mg/L，降低了 86.46%。

表1 围隔水体后期稳定性

3 小结与讨论

3.1 围隔中虫—草共生的作用机理

近年来，国内有多种生物操纵的方法用于修复富营养化湖泊[11-13]。添加植食性浮游动物水蚤（Daphnia）也是一项建立大型浮游动物种群的成功技术，可以很好的抑制蓝藻水华的发生[14]。国内外的研究发现对富营养化水体的治理，单纯以营养盐控制难以凑效，为此有不少研究人员提出了物理工程相结合的方案。武汉东湖水生植被恢复试验[15]、五里湖生态重建[5]及北京什刹海生态修复试验工程[16]等生态修复工程，都实现了浅水湖泊浊水稳态转换成清水稳态[17]。太湖试验水体生态修复后期，水体终年无蓝藻污染，以少量较优的隐藻和金藻为主，项目实施完成后，水下森林的植物覆盖率为90%以上。太湖试验水体水质有了极大地改善。

总的来说，“大型枝角类与沉水植物共生”的作用大于“只用大型枝角类或者只种植沉水植物”的作用，这一观点与Peretyatko等人在池塘富营养化水体中利用浮游动物和沉水植物重建协同作用相符[18]。“只种植沉水植物”的作用也大于“只用白鲢食藻”的作用[19]。本技术的核心是由大型枝角类控藻形成“虫—草共生”，依靠大型枝角类抑制水华藻类生长，协助水草生长，最终靠优化水生植被群落来稳定水域生态环境，大型枝角类的作用起了先决条件。

3.2 虫—草共生对围隔水体主要水质指标的影响

运用围隔试验加以验证，以人工驯化大型枝角类控藻为先导，有效抑制水华藻类，同时恢复沉水植被群落改善水质状况。通过对比围隔内、外水质因子发现，围隔内水体的总氮、总磷、CODMn较工程实施期间围隔外水体各营养盐指标降低。经历近10个月的生态修复，至2008年9月围隔内水体和围隔外相比，总氮同比下降了67.3%，总磷同比降低了50.0%，而 CODMn的含量则同比下降了70.8%。水体透明度显著提高，pH值和溶解氧含量升高，这与修复区外水质因子形成鲜明对照。2009年5月7日水质分析再次证实，沉水植被群落的修复对维持内源水域生态系统长期稳定性具有高效的自净能力。

3.3 湖泊内源生态修复展望

内源控制一直以来作为湖泊富营养化控制的核心[20]，研究表明沉水植物的修复对水体富营养化的修复有明显的改善作用[1]，但水体透明度、光的有效利用和营养的负荷是沉水植物能否修复的瓶颈[21]，王海珍[22]研究指出鲢鱼放养后引入菹草会使水体透明度进一步增加。

湖泊生态系统在人类的活动下，由原本的草型湖泊演变为藻型湖泊。在人为生物操纵下，通过消除围隔内鱼类和阻止外源营养物供应，构建虫—草共生系统，创造了以沉水植物为主的植物再生条件，沉水植物稳固存活为主导的初级生产力代替了浮游植物为主的初级生产力。同时，调整鱼虾螺贝等水生动物生态平衡，进一步对沉水植被群落进行优化，为提高生态修复区生态系统稳定性提供很好的平台。最终取得有效的逆转，由藻型湖泊转化为最初的草型湖泊。

总之，采用大型枝角类引导的沉水植物生态修复技术对太湖围隔水质的净化取得较好的效果，该技术融合了经典食物链为基础的生物操纵的基本理论，创造湖泊生态修复中沉水植物需要的关键清水期，成功引导了沉水植物的存活条件，在此基础上再进行生物多样性的系统优化，可最终实现湖泊生态系统健康重建。

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