玄武湖菹草种群的发生原因及人工收割对水环境的影响

王锦旗 郑有飞 王国祥

(1. 南京信息工程大学环境科学与工程学院, 南京 210044; 2. 南京师范大学地理科学学院, 南京 210097)

南京玄武湖属城市小型浅水湖泊, 在 20世纪80年代末, 玄武湖水质就已达富营养化程度。1996—1998年依次实施了污水截流与污水整治工程、清淤疏浚工程、生态工程等手段治理玄武湖水环境, 这些措施虽取得了一定效果[1], 但并未从根本解决玄武湖水环境问题。

2005年7月, 南京玄武湖首次发生大面积以微囊藻(Microcystis)为主要优势种群的蓝藻水华[2]。2005年11月, 随着蓝藻被控制, 在玄武湖湖边浅水区零星出现菹草(Potamogeton crispus), 以解放门和樱洲西侧湖边浅水区较为集中, 2006年3月份以后,随气温回升, 菹草迅速生长并在较短时间内蔓延至全湖[3]。2006年 3月下旬由于菹草过度拓殖, 开始对玄武湖菹草进行人工收割, 4月开始对植株进行全面收割。

在南京玄武湖水环境治理过程中曾尝试在湖区恢复水生植被, 但每年冬季菹草种群都未能形成,为何在 2005—2006年期间菹草种群能形成并迅速蔓延？种群形成后人为对菹草种群进行收割对水体水质的影响如何？本文拟结合南京玄武湖监测资料,分析菹草种群发生的原因及人工收割对水体的影响,以期通过对这次事件的分析为湖泊富营养化治理提供一些理论依据。

1 材料与方法

1.1 问题背景

2005年7月, 南京玄武湖暴发了大面积蓝藻水华, 9月开始采用了以改性黏土法为主的治理方式对玄武湖进行应急治理, 9月20开始对北湖区进行了治理, 9月30日, 应用于东南湖的治理, 10月16日应用于西南湖, 10月31日结束。治理期间共使用改性黏土约300 t, 湖面喷洒黏土达106.0 g/m2[4]。据张哲海的研究, 应急治理有效抑制了蓝藻水华, 湖区景观明显改善, 各湖区微囊藻数量下降幅度大于95%, 综合污染指数由 83.5降至 72.8, 水体透明度平均提升17.1 cm, 较治理前升高66.8%, 化学耗氧量平均降低 51.6%, 高锰酸盐指数平均降低 67.1%,总磷浓度降低 61.8%, 总氮超标率有所上升, 浮游植物数量下降 93%, 浮游动物种群数量上升 47%,底栖动物种类数量无显著变化[4]。2006年4月由于菹草过度拓殖, 南京市从内蒙古包头市购置了两台水草收割机, 开始人工刈割, 割除离水面20—30 cm的植株顶部, 到4月中旬开始对植株进行全面收割。

2005年11月, 菹草主要零星分布在玄武湖湖边的浅水区自然萌发并生长, 菹草平均密度: 3—5株/m2,株高约3—10 cm。自2005年底至2006年2月, 仍以湖边浅水区为主; 密度: 达 30株(分枝)/m2左右,株高约30—70 cm, 到2月底, 局部地区的菹草高达100 cm多, 到达水面; 3月份后, 随着气温回升, 菹草迅速生长并在较短的时间内蔓延至全湖[3]。

1.2 水质监测

2005年8月至2006年6月之间, 在玄武湖的东南湖、西南湖、北湖区(按方位分为西北湖和东北湖)分别设代表性的点位, 记为1#、2#、3#、4#、5#(图1), 计算并分析其平均值, 平均每月采集 3次水样,现场测定 SD(透明度)、溶解氧(DO)、水温、pH 等指标, 并取表层水体5 cm的水样, 带回实验室经预处理后由 Skalar水质流动分析仪(荷兰)测定水体TN、TP等指标。

1.3 研究阶段划分

2005年8月至9月20日为治理前阶段; 2005年9月20日至10月底为玄武湖应急治理阶段; 2005年11月为治理后阶段。2005年11月至2006年 2月, 为菹草种群萌发并小面积阶段; 2006年 3月为菹草种群大规模拓展阶段; 3月下旬, 开始人工收割,其中4月为大面积收割阶段, 5—6月菹草保存面积较小。

2 结果

2.1 应急治理阶段水质

图1 玄武湖监测布点示意图Fig.1 The monitoring points in Xuanwu Lake

由图 2可见, 水体经应急治理, DO含量升高,治理前平均DO含量为7.67 mg/L, 其中8月25日最低, 仅6.14 mg/L, 治理中平均DO含量升至8.73mg/L,其中10月11日达最高, 为11.00 mg/L, 经应急治理后升至9.52 mg/L, 11月11日, 达10.54 mg/L, 治理中和治理后分别较治理前提高了13.8%、24.1%、但差异不显著(P>0.05)。

5个点平均SD得到改善, 治理前平均SD平均为20 cm, 其中9月2日最低, 仅10 cm, 治理中升至41 cm, 10月25日升至48 cm, 治理后为56 cm, 11月21日达最高, 为67 cm, 治理中、治理后分别较治理前提高了103.0%、179.5%, 治理中较治理前改善不显著(P>0.05), 治理后改善显著(P<0.05)。

5个点平均 TN含量呈下降趋势, 治理前平均TN含量为4.59 mg/L, 其中9月2日最高, 高达7.07 mg/L, 治理中降为1.59 mg/L, 10月5日降至所有监测日中最低, 仅 1.06 mg/L, 治理后略有回升, 平均为 1.66 mg/L, 治理中和治理后较治理前分别降低65.3%、54.1%, 后两阶段较治理前改善显著(P<0.05)。

5个点平均TP含量呈下降趋势, 治理前平均TP含量为1.90 mg/L, 其中9月2日最高, 达4.30 mg/L,治理中平均TP含量降至0.70 mg/L, 其中10月11日仅0.19 mg/L, 治理后降至0.25 mg/L, 其中11月21日最低, 仅0.09 mg/L, 后两阶段较治理前分别下降了45.6%、74.5%, 差异显著(P<0.05)。

经治理, 5个点平均 pH略有降低, 治理中平均 pH由治理前的9.1降至8.4,治理后平均为8.7, 但差异不显著(P>0.05), 后两阶段分别较治理前降低了7.2%和 4.3%, 其中 9月19日最高, 达9.2, 10月25日最低, 为8.1。

2.2 人工收割阶段水质变化

由图 3a可见, 各监测日DO总体呈下降趋势, 2—4月各监测日呈持续降低趋势, 5、6月各监测日有上下波动, 其中 2月11日最高, 达11.67 mg/L, 6月14日最低, 仅3.74 mg/L, 后者较前者低67.8%。5个点平均 DO含量月均值呈持续下降趋势, 2月最高, 达 10.67 mg/L, 6月最低, 仅6.18 mg/L, 但后4个月与2月差异不显著(P>0.05), 其中4—6月DO月均值基本保持一致。

由图 3b可见, 各监测日 SD呈持续下降趋势,其中2月11日高达142 cm, 6月19日仅52 cm, 后者较前者降低了63.4%。5个点SD月均值呈持续下降趋势, 其中2月最高, 达142 cm, 3月次之, 平均为100 cm, 5、6月达最低, 为68 cm、69 cm, 6月SD月均值较2月低51.5%, 除4月外, 其余3个月较2月差异显著(P<0.05)。

图2 应急治理阶段水质变化Fig.2 Variation of water quality at the emergency control stage

由图3c可见, 各监测日TN含量总体呈下降趋势, 其中3月8日最高, 为3.78 mg/L, 6月14日仅0.78 mg/L。TN含量月均值呈持续降低趋势, 2月最高, 为2.95 mg/L, 4月, 随菹草大面积收割, TN含量迅速下降, 6月降至最低, 为 0.90 mg/L, 较 2月低69.6%, 但差异不显著(P>0.05)。

由图 3d可见, 各监测日 TP含量波动较大, 其中 2—3月总体呈升高趋势, 3月 23日达最高, 为0.200 mg/L, 4月24日达最低, 仅0.055 mg/L, 后呈升高趋势。TP含量月均值变化趋势为, 2—3月呈显著升高(P<0.05), 2月为 0.068 mg/L, 3月为 0.121 mg/L, 4月大幅下降, 降至 5个月中最低, 为 0.055 mg/L, 较3月低54.4%, 4—6月整体呈持续升高趋势,6月最高为0.113 mg/L, 较2月高66.2%, 较4月高104.9%。

3 讨论

对玄武湖这样的浅水型湖泊而言, 菹草繁殖体是否能正常萌发对后期种群的形成起至关重要的作用, 由图2可知, 水体经改性黏土应急治理后, 改性黏土不仅能够吸附蓝藻, 使水体表面覆盖藻类被沉淀到沉积物表面, 而且还能吸附水中的细微颗粒物,使水体 SD得到明显改善, 水体复氧能力也随之提升, DO含量升高。因水体DO含量升高, 底泥向水体释放的氮、磷过程减缓, 逐步转换为水体向底泥沉积过程, 故水体氮、磷含量均呈降低趋势。据南京市环境监测中心的监测, 应急治理后, 每升水体中浮游动物数量上升 47%, 其中原生动物数量上升58%、轮虫上升14%、枝角类上升446%、桡足类上升180%; 包括青鱼(Mylopharyngodon piceus)、草鱼(Ctenopharyngodon idellus)、鲢鱼(Hypophthalmichthys molitrix)、鳙鱼(Aristichthys nobilis)、鳊鱼(Parabramis pekinensis)、鲫鱼(Carassius auratus) 等鱼类活动正常, 无死鱼现象[4], 均能说明经应急治理有效改善水质。

图3 人工收割阶段水质变化Fig.3 Variation of water quality at the harvesting stage

王洪铸等对长江流域湖泊的研究表明水体透明度是维持及恢复沉水植物的重要环境因子[5], 光照也是菹草繁殖体的萌发重要的影响因子, 强烈的光刺激可打破菹草的休眠, 促进其萌发, 而水体缺乏光照会影响菹草繁殖体的正常萌发[6,7], 且透明度高低决定了水下光照的强弱, 另有研究证实, 水体在厌氧条件下, 菹草萌发受到一定的阻碍, 萌发率显著降低, 而水体营养盐的高低对菹草繁殖体的萌发影响不显著[8,9]。故由此推断, 玄武湖经应急治理后, 水体表层藻类含量大幅降低, 水体 SD的改善,增加水下光照, 提升水体复氧能力, DO含量升高,促进了菹草的萌发。而营养盐状况、pH的改善, 促进菹草幼苗的生长, 为后期菹草种群的迅速拓殖奠定了良好的基础, 故2005年夏季对玄武湖的应急治理是促进其冬季菹草种群暴发的最主要原因。

水体DO含量主要来自大气复氧、水生植物光合放氧[10], 由图3可知, 2月底至3月水温升高, 菹草大面积拓殖, 光合放氧能力升高, 但随之因收割,生物量有所降低, 放氧能力降低, 4月菹草大面积收割后, 菹草光合放氧能力迅速降低, 则水体复氧主要依靠大气复氧, 故4月较3月DO含量降低显著,其后随菹草持续收割, 菹草光合放氧能力持续降低,故4—6月DO持续较低; 另因水温与DO呈负相关关系, 2月水温较低, 大气复氧能力较高, 4—6月水温升高, 大气复氧能力降低降低, 故2月DO含量较高, 4—6月DO含量一直较低。

由图 3可知, 在菹草生长过程中, 可吸收水体中营养物质, 并使水体流动性减弱, 可促进水体SD改善, 2月因水温较低, 水体浮游生物及鱼类活动较弱, 促进水体SD的升高, 故2月水体SD较高, 为5个月最高; 3月水温升高, 菹草大面积拓殖, 浮游生物及鱼类活动增加, 到3月下旬, 由于人为割草, 水体受到扰动, 故水体SD略有降低, 而4月当菹草被大面积人工收割后, 水体流动性增强, 浮游动物及鱼类栖息场所收到扰动, 水体紊动程度增加, 故水体中悬浮物质增多, SD开始下降。

菹草大面积生长可从水体中大量吸收氮、磷元素, 从3月下旬开始菹草因收割的影响, 至 4月菹草大面积收割从水体携带大量氮、磷元素离开水体, 故水体TN、TP含量均出现一次较大幅度的下降, 而 4—6月湖泊中仍保留小面积的菹草种群,对水体中氮仍有一定的吸收作用,故TN含量仍有所降低, 但因面积不大, 故降低幅度较小; 而 TP含量除与植物生长密切相关外, 与水温、DO含量关系也密切, 2月后水温回升, 水体DO较高, 可促进铁铝等金属离子呈三价状态与磷结合, 以磷酸盐形式沉淀至底泥中, 4月因菹草大量收割从水体携带了大量磷, 故 TP含量出现一次明显降低过程,4—6月因水体DO含量较低, 底泥中与铁铝等金属离子结合的磷开始释放, 使水体磷含量增高[11—14]。

由以上分析可知, 由于在短期内大面积收割菹草, 使水体受到扰动, SD下降, DO含量降低, 虽菹草的收割携带了部分营养盐离开水体, 使 TN含量有所降低, 但仍导致后期水体TP含量, 未能有效地改善水体环境, 在营养盐水平较高的湖泊中, 则不利于夏季水生植物的生长。若不对菹草生长加以控制, 则菹草在短期内的衰亡, 植株的腐烂势必引起水体的二次污染, 故对菹草的收割应加强论证, 采取部分收割方式, 因菹草生物量主要集中顶部, 可适当收割期顶部植株, 控制其生长高度。据苏胜齐的研究, 菹草夏季衰亡的主要原因是夏季强光照,菹草适宜光照大致为(4.0—6.0)×104lx, 光饱和点为(5.5—7.0)×104lx, 在菹草生长早期, 水面上的光照很少超过 10.0×104lx, 光照一般不会对水下菹草生长产生抑制; 而到了后期, 强日照的日子多, 陆上光照经常在 10.0×104lx以上, 此时, 菹草经过春季快速生长已达到水表, 那么水表强烈的光照条件将对菹草生长、生存产生剧烈抑制作用, 进而促进菹草衰亡[15], 故可控制菹草的生长高度, 控制植株顶部离水面距离, 可延长植株死亡的时间, 有利于夏季水生植物的萌发和恢复。

综上可见, 2006年夏季对湖泊的应急处理, 使水体SD得以提升, DO含量增高, 水质得到改善, 是南京玄武湖菹草得以萌发并生长的主要原因; 而水体营养盐降低及pH改善促进菹草幼苗后期的生长。菹草在短期内的大量收割不利于水体环境的改善和水生生态系统健康与恢复, 可通过逐步收割的方式,缓慢从水体携带营养盐, 以达到改善水体的目的。

很多浅水型湖泊因夏季藻类暴发曾多次尝试恢复水生植被均无法成功, 究其原因主要有水质环境过差, 无法满足水生植物生长, 2005—2006年期间,南京玄武湖夏季蓝藻暴发, 冬季菹草暴发的案例,对解决类似的浅水型湖泊的生态修复提供了良好的借鉴作用, 对富营养化湖泊治理的具体参考意义,可通过恢复冬春季水生植物的方法逐步抑制夏季藻类的暴发, 进而恢复夏秋季水生植物, 达到恢复水生生态系统的目的。先期可通过物理或化学手段改善水体透明度、调节pH、降低营养盐, 使其满足冬春季水生植物萌发及幼苗生长的需求, 为后期水生植物存活并生长打下基础。