太湖冲山湖滨带生态修复工程对富营养化水体的作用李婧慧;沈振华;吴荣华;张海建【摘要】对比研究太湖冲山湖滨带生态修复工程前后湖滨带水域水质理化指标,分析生态修复工程实施后修复区、对照区水质理化指标变化情况,探讨生态修复工程对冲山湖滨带富营养化水体各项指标的影响.结果表明,修复后修复区水域总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)平均去除率分别达到42.7％,65.2％,59.7％,56.1％,浊度平均下降70.6％;同时,修复区水域TP,TN,NH3-N等水质指标均明显低于对照区,并在水生植物修复区达到最低;修复区水体溶解氧(DO)升高,平均值为8.67 mg/L,基本维持在饱和状态(＞7.5 mg/L);修复后水体pH 略高于修复前.生态修复工程总体上达到了降低并稳定污染物质量浓度的效果.【期刊名称】《淮海工学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(027)002【总页数】7页(P86-92)【关键词】太湖;冲山湖滨带;生态工程;生态修复【作者】李婧慧;沈振华;吴荣华;张海建【作者单位】江苏省海涂研究中心,江苏南京210036;江苏省太湖渔业管理委员会办公室,江苏苏州215104;江苏省太湖渔业管理委员会办公室,江苏苏州215104;江苏省海洋与渔业局,江苏南京 210003【正文语种】中文【中图分类】X8290 引言湖泊及其流域从古至今一直是人类赖以生存的重要场所，对经济的发展具有重要作用.但随着其周边人类活动的不断加剧，湖泊资源正遭受着毁灭性的破坏，水体富营养化现象日益严重[1-2]，这已成为人们重点关注的问题之一.国外科学家开展湖泊富营养化的研究始于20世纪50年代[3]，而我国则相对较晚，且主要集中在富营养化状态的消除方面.研究发现，减少氮磷等营养物质排入湖泊和控制内源氮磷的释放，从而使得水体中的藻类生长在正常范围之内是消除湖泊富营养化的关键所在[4].然而，控制面源污染、引水稀释、机械清淤等常规治理技术因投入成本过高、工程量较大、易使湖泊出现二次污染等，尚无法从根本上解决湖泊富营养化问题.近年来，经过相关学者的不断探索，以恢复及重建水生植物群落为主要手段的生态修复方法成为恢复湖泊健康生态系统的重要途径[5-7].湖滨带是湖泊生态系统中最敏感的部分，做好湖滨带修复工作是湖泊富营养化治理的重要手段之一.太湖是长江中下游五大淡水湖之一，湖滨带岸线总长405 km[8].由于太湖流域经济的快速发展，大量不合理的开发导致太湖水质富营养化趋势明显，湖滨带生态系统结构遭到破坏，严重影响了湖滨带生态系统健康[9].本研究以太湖冲山受损的湖滨带为研究对象，以湖滨带生态恢复和水质净化为目标，建立了滨水—浅水—深水3层次的生态修复工程，通过对比修复工程实施前后修复区及修复工程实施后修复区、对照区的水质状况，研究湖滨带生态修复工程对富营养化水体的作用，为该区域今后湖滨带生态修复工作积累经验和资料，同时也为其他区域湖滨带生态修复工作提供借鉴.1 材料与方法1.1 生态修复工程概况根据研究区域水质状况，本试验研究按照滨水—浅水—深水的梯度构建整个水域生态修复工程，如图1所示.1.1.1 滨水区修复太湖冲山湖滨带滨水区为滨湖湿地修复区域，以湖岸整治改造为主.2012年初开始对部分湖岸湿地进行堆砌、平整、水系疏通等工程改造，修建湖堤驳岸1.5 km，并对堤岸环境进行整治，沿湖岸种植草坪6 hm2，栽植杨树500棵、广玉兰300棵.图1 太湖冲山湖滨带生态工程示意图Fig.1 Sketch map of ecological remediation project in the lakeside zone of Chongshan, Taihu Lake1.1.2 浅水区修复浅水区为水生植被生态修复区，构建成片芦苇荡和挺水、浮水、沉水等植物群落有机组合的太湖原生态景观，主要在离岸30～500 m的范围内.2012年分期对规划移栽挺水植物芦苇种植区进行底泥加高，形成人工小岛.按照自然湖泊的植被配置要求，结合湖区原本的自然生态景观，统一布局，在原有水生植被的基础上栽种了6.7 hm2芦苇、0.67 hm2菱、100株睡莲等挺水植物及浮水植物；同时栽种沉水植物8 hm2，移栽了莲藕以及本地物种马来眼子菜、苦草和轮叶黑藻，形成抵御外来物种干扰的能力，体现本地化的优势.1.1.3 深水区恢复深水区是结合原生态太湖水环境，以养护和恢复原生态水生动物群落为基本原则的水生动物多样性区域.根据水生植物资源能够持续利用的要求，通过分层次、按一定顺序合理放养、捕捞水生动物等手段，促使自然手段调控与人工手段调控更好结合，有效地丰富水域渔业资源的种类和数量，使水体中的水生生物种群结构更加合理并趋于稳定，建立起水—草—鱼动态平衡，更好地保护水生生物资源、维持水域生态平衡.2012年至2013年年初，以腹足类软体动物、双壳类软体动物、滤食性鱼类、刮食性鱼类、凶猛鱼类等水生动物相结合的放流结构为指导，分批在深水区放流螺蛳、贝类、鲢鱼、鳙鱼、细鳞斜颌鲴、翘嘴红鲌等水生动物，使水域生态系统食物链得以延长，从而进一步提高生物手段净化水质的效果.1.1.4 其他工程实施在生态工程区外围设置拦截网，形成相对封闭的湖区.1.2 水环境状况监测根据太湖冲山湖滨带生态工程中水生植物种植分布，为了解水体生态修复效果，在太湖冲山生态修复区内外设置8个监测站位，进行生态修复工程实施前后的水环境状况监测.1.2.1 监测站位在浅水区和深水区共设置8个监测站位，分别为C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7和C8站位，如图2所示.其中，C1和C3站位设在深水区，C2站位设在出水口，C4和C5站位设在水生植物修复区，C6站位设在进水口，C1～C6站位均在修复区，C7和C8站位作为对照.图2 太湖冲山湖滨带监测站位分布Fig.2 Monitoring stations distribution of the lakeside of Chongshan, Taihu Lake1.2.2 监测时间及频率以2012年5月试验区域水体水质状况作为生态修复工程实施前水质本底值.生态修复工程完成后，2013年4月至2013年9月每月进行一次水质监测.根据相关调查，试验区域在2012—2013年间排污情况较为稳定，未发生明显变化.1.2.3 监测指标及方法水质理化监测指标包括总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、溶解氧(DO)、浊度、pH.水质化学指标测定方法：TP质量浓度用钼酸铵分光光度法(GB 11893—1989)测定；TN质量浓度用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894—1989)测定；NH3-N质量浓度用纳氏试剂比色法(GB 7479—1987)测定；CODMn用高锰酸钾法(GB 11914—1989)测定.水质物理指标测定方法：DO用荧光法便携式溶解氧分析仪(美国HACH公司，HQ30型)测定；浊度用便携式浊度计(美国HACH公司，1900C型)测定；pH用便携式pH计(意大利METTLER-TOLEDO公司，SG2型)测定.1.3 水质评价方法与标准1.3.1 单因子评价法采用单因子评价法对生态修复工程实施前的修复区水质进行评价[10].Pi=Ci/Si.式中：Pi为第i项污染物的污染指数；Ci为第i项污染物的实测值，mg/L；Si为第i项污染物的评价标准值，mg/L.1.3.2 综合污染指数法采用综合污染指数法对生态修复工程区水质进行分析评价，根据水质综合污染指数分级标准(表1)确定污染程度[11-12].式中：P为综合污染指数；Pi为i污染物的污染指数；n为污染物的种类数；Ci为i污染物实测质量浓度平均值，mg/L；Si为i污染物评价标准值，mg/L.其中，溶解氧(DO)污染指数表1 水质综合污染指数分级标准Table 1 Grading criteria for water quality by the comprehensive pollution indexP水质状况分级依据≤0.20好多数项目未检出,个别项目检出但在标准内0.21～0.40较好检出值在标准内,个别项目接近或超标0.41～0.70轻度污染个别项目检出且超标0.71～1.00中度污染有2项检出值超标1.01～2.00重污染相当部分检出值超标>2.00严重污染相当部分检出值超标数倍或数十倍2 结果与分析2.1 修复区生态工程实施前后水质的变化本研究以修复工程实施后(2013年4—9月)各监测站位监测结果的平均值作为修复后的水质指标，与修复前的本底值进行比较，结果见表2.根据单因子评价方法对修复区修复前水质进行评价，参照国家地表水环境质量标准(GB 3838—2002)，可见修复区修复前水质为Ⅳ类或Ⅴ类，主要污染物为TN和NH3-N.表2 各监测站位水质及综合污染指数Table 2 Water quality parameters and the comprehensive pollution index of each monitoring station站位修复前水质及综合污染指数修复后水质及综合污染指数ρ(TP)/(mg·L-1)ρ(TN)/(mg·L-1)ρ(NH3-N)/(mg·L-1)ρ(CODMn)/(mg·L-1)ρ(DO)/(mg·L-1)综合污染指数ρ(TP)/(mg·L-1)ρ(TN)/(mg·L-1)ρ(NH3-N)/(mg·L-1)ρ(CODMn)/(mg·L-1)ρ(DO)/(mg·L-1)综合污染指数C10.0732.051.248.184.121.420.0450.770.513.708.010.56C20.0772.111.158.0 15.201.370.0460.810.513.587.350.60C30.0751.980.927.635.801.240.0420.68 0.503.449.050.52C40.0782.010.857.256.201.200.0380.630.373.199.860.46C5 0.0811.881.287.745.141.360.0390.670.423.679.600.50C60.0862.531.718.866. 631.560.0580.800.563.348.140.62通过综合污染指数法对生态工程实施前后修复区水质状况进行对比可见，修复前各监测站位综合污染指数在1.20～1.56之间，为重污染等级；修复后修复区各监测站位综合污染指数在0.46～0.62之间，属于轻度污染，其中水生植物修复区(C4，C5站位)综合污染指数最低，污染程度明显下降.由表2可见，生态修复工程实施后，修复区水体中TP，TN，NH3-N，CODMn质量浓度均低于修复前.各监测站位TP平均去除率为42.7%，C4站位TP质量浓度达到最低值0.038 mg/L，去除率为51.3%.修复区TN，NH3-N质量浓度平均值分别为0.73 mg/L和0.48 mg/L，平均去除率分别为65.2%和59.7%，TN去除率最高出现在C4站位，为68.5%；而NH3-N在C5站位去除效果最明显，去除率为67.2%.各监测站位CODMn质量浓度控制在3.19～3.70 mg/L之间，平均去除率为56.1%，在C6站位去除效果最好，去除率达到62.3%.修复区水体中DO质量浓度高于修复前，各监测站位DO质量浓度平均值为8.67 mg/L，基本维持在饱和状态(>7.5 mg/L).修复区水体浊度低于修复前，各监测站位浊度平均值为7.09 NTU，浊度最低值出现在C4站位，为4.21 NTU.水体pH略高于修复前，在pH 7.89～8.70范围之间变化，其中最大值出现在C4站位.上述结果表明，本研究采用的生态修复工程对太湖冲山湖滨带水环境起到较好的改善作用，修复区水质中各项理化指标均优于修复前本底值.其中水生植物大量分布的区域内，水质改善效果尤为突出，除CODMn外其他理化指标污染物去除率最高的区域均出现在水生植物区(C4和C5站位)；DO质量浓度最大值也为水生植物区.主要原因是水生植物具有吸收富集营养盐、与微生物协调降解营养盐、抑制藻类生长等多种功能，通过吸收作用、微生物协同作用以及其他物理化学作用可有效去除水体中的营养盐(氮磷)；利用其吸附悬浮物和微生物的作用对CODMn具有明显的去除效果[13]；通过水流的阻尼作用，还可沉降悬浮物，降低水体浊度[14].本研究重建了修复区水生植物群落，充分发挥水生植物净化水体的能力，使得水体中TP，TN，NH3-N，CODMn等的质量浓度以及浊度下降，从而使得修复区水质得以明显改善.由此可见，水生植物的恢复或重建必然是改善富营养化水体环境的主要手段之一[15].本研究种植的水生植物中以沉水植物最多，而沉水植物作为水生生态系统的初级生产者，对整个水体生态系统的结构、功能及稳定性有着决定性的影响[16].黄文成[17]研究表明，沉水植物根部可吸收底泥中的氮磷，而茎叶则能吸收水体中的氮磷，在沉水植物分布的水域，总磷、氨氮、COD等指标的质量浓度均低于无沉水植物区域.生态修复工程实施后修复区水体溶氧量升高，是因为水生植物在生长过程中能向水体释放氧气，同时也易使水体形成弱碱环境[18].沉水植物在昼间光照条件下，因其强烈的光合作用，消耗水中的CO2，从而使水体pH增加，这也是本工程实施后，水体pH高于本底值的主要原因.2.2 生态工程实施后修复区与对照区水质情况将修复工程实施后6个月(2013年4—9月)修复区、对照区所有监测站位测得的监测指标进行比较分析可见，修复区水体中TP，TN，NH3-N的质量浓度及浊度明显低于对照区(图3～图5)，其中在水生植物修复区达到最低，CODMn质量浓度变化不及其他指标明显，但总体也低于对照区(图6)；修复区各监测站位TP，TN，NH3-N，CODMn质量浓度及浊度总体呈先下降后上升的趋势，水生植物修复区水体中TN，NH3-N，CODMn质量浓度及浊度(图7)最低值均出现在7，8月份，TP则出现在6月份.修复区和对照区水体中DO质量浓度均基本维持在饱和状态(>7.5 mg/L)，两区域差异不大，水生植物修复区DO质量浓度最高，均值达到9.73 mg/L；修复区水体中DO质量浓度随时间推移总体呈现出先下降后上升的趋势(图8).修复区水体pH总体略低于对照区，相差甚微.图3 生态工程实施后各站位TP的变化Fig.3 Change of TP of each monitoring station after the ecological remediation project图4 生态工程实施后各站位TN的变化Fig.4 Change of TN of each monitoring station after the ecological remediation project图5 生态工程实施后各站位NH3-N的变化Fig.5 Change of NH3-N of each monitoring station after the ecological remediation project图6 生态工程实施后各站位CODMn的变化Fig.6 Change of CODMn of each monitoring station after the ecological remediation project图7 生态工程实施后各站位浊度的变化Fig.7 Change of turbidity of each monitoring station after the ecological remediation project图8 生态工程实施后各站位DO的变化Fig.8 Change of DO of each monitoring station after the ecological remediation project上述结果表明，生态修复工程实施后修复区与对照区相比，各项理化指标较好.除CODMn外，TP，TN，NH3-N及浊度均优于对照区，一是因为放养的水生动物扰动底质增加了水体有机质，使得修复区部分区域CODMn质量浓度略高[19]；二是苦草、马来眼子菜、黑藻等对水体中CODMn的净化率与其他指标净化率相比较低[20]，因此水生植物修复区CODMn较对照区指标的降低程度低于其他指标.本研究所栽种的马来眼子菜、苦草、菱等均为暖季植物，一般在春天萌发，夏季则大量生长且生物量达到最大，秋季则衰亡，因此在夏季其净化水质的效果应为最佳[21].这合理解释了本研究中多项水质理化指标污染物的去除率在7，8月份达到最高的现象.3 讨论关于湖滨带的生态修复，总体目标是使受损的湖滨带生态系统结构及功能得到恢复，最终形成良性循环，具体的修复要求因不同区域不同的生态功能而有所不同.对于位于风景区的湖滨带应着重发挥其生态美学功能，同时兼顾防洪、护岸等功能[22]，太湖冲山湖滨带位于太湖国家级风景名胜区，因此相较于以往生态修复工程主要以水生植物修复为主的情况，本研究专门进行了滨湖区域的修复工作.针对滨湖区进行了湖岸的整治改造，修葺堤岸辅以种植绿植、美化环境的同时，堤岸也起到了消浪、防洪的作用.另外，区别于以往单一的修复方式，本研究建立了较为系统的有层次的生态修复模式，运用水生植物和水生动物的共同作用，对水体进行净化和修复.水生植物和水生动物的共生环境，对于水体中氮磷等元素及其他污染物具有吸收和分解作用，能促进生态系统自净能力提高和形成良性循环；且通过对水生植物和水生动物的不同种类及数量进行组合，可以对水质的净化能力进行调节[23].利用水生植物修复手段对浅水型富营养湖泊进行调控、治理的研究已成为国内外湖泊生态系统领域的研究热点，且这一修复方法的确取得了良好的效果[24-25]，但利用水生植物修复的具体方案也是受到很多因素影响的.本研究建立的水生植物修复方案是挺水植物—浮水植物—沉水植物相结合的组合型方式，除了考虑到美观效果之外，不同类型植物相互配合还可以提高植物对水体氮磷的综合净化率[26].此外，在水生植物品种的选择上，优先选择了本地物种，因为引入外来种尤其是繁殖性较强的物种可能对原有的生态系统造成危害；其次，选择了一些较为通用、经过验证修复效果较好且不存在外来入侵危害的修复植物[13].进入秋冬季节后，水生植物逐渐凋零，本项目组也在试验区域进行了收割打捞，通过收割可以将植物体内富集的大量氮磷等营养物质移出水体，降低了修复区水体中各营养盐含量[27]；同时10月部分捕捞了放养的水生动物，也可移出部分营养物质.但受到条件限制，没有对修复区域进行持续的水质监测，收割植物及捕捞动物后对于水体环境的影响无法进一步追踪.近年来，国内外科学家在运用生态工程手段修复、恢复富营养化水体生态系统平衡方面，取得了一些成功的经验[28-31].本研究通过对太湖冲山湖滨带生态修复后水体水质的调查监测分析，可以看出实施生态修复后，冲山湖滨带水体TP，TN，NH3-N，CODMn等污染物的去除及水体的稳定效果都较为理想.由于生态修复过程中，生态系统达到平衡是一个长时间且缓慢的过程，具有时滞效应[32]，修复工程实施结束后，起初一段时间水域生物组成的分布会呈现出较大的时空变异特征，因此本试验中部分监测站位水质指标的反弹、波动并不能否定湖滨带生态修复的效果.待经过一定的时间之后，湖滨带生物多样性恢复到较高水平，生态系统也逐步趋向稳定平衡的状态，湖滨带的水质和水生生物状况也会逐渐达到一个健康稳定的水平.因此，有必要对太湖冲山湖滨带进行长期连续的监测.此外，对于生态修复富营养化水体机理方面的研究，藻类爆发及控制的机理研究，如何重建一个较为稳定的湖泊生态系统，仍然是各学科研究的热点问题，有待于今后进行更加深入细致的研究.参考文献:【相关文献】[1] 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