生物复合调控对富营养化湖泊水质影响的实地研究

研究背景

中国近一半的湖泊已变成富营养化湖泊，富营养化已成为一个严重的环境问题。湖泊富营养化不仅会对人类和动物的健康造成风险，还会造成经济损失。例如，2007年5月，太湖严重藻华事件导致饮用水危机，影响了中国无锡约200万人的饮用水供应，相关经济损失估计为65亿美元。近年来，中国中央政府推出了一系列严格的法律、计划和指导方针来改善湖水质量。与此同时，利用改造农业灌溉渠、拦截雨水、过滤工业废水等诸多综合策略并行，减少了氮(N)、磷(P)的外部负荷。例如，改善湖泊和河流水质的投资从1994年的零多一点显著增加到2014年的10000亿元，建设污水处理厂去除污染物。2008-2011年，建成2006年污水处理能力6.39×107t/d的污水处理厂。因此，氮和磷的外部负荷显著下降；然而，许多湖泊仍处于富营养化状态。这可能是由于外部养分负荷减少不足、内部氮和磷负荷高以及生态系统退化。现有比较广泛应用的湖泊修复方法主要有鱼类生物处理、浮游动物生物处理、种植水下大型植物、构建生态浮床以及添加有效微生物。在过去的20年里，鱼类生物处理已被广泛应用。浮游食性鱼类的去除增加了大型浮游动物和鱼类的数量，减少了浮游植物的生物量，增加了淹没大型植物的丰度。这种处理导致了叶绿素a（Chl-a）、总磷(TP)和总氮(TN)的显著降低，并提高了透明度。深层植物的移植和保护对于浅水湖泊的长期恢复至关重要，并且仍将是未来重要的湖泊恢复措施。增加淹没植物的覆盖范围和生物量可以显著改善浅湖的生态功能。此外，饲养水生贻贝、操纵浮游动物、添加微生物剂和构建生态浮床可能有助于在外部营养负荷减少后改善湖泊的水质。这些研究结果可为富营养化湖泊的修复提供参考和指导。然而，环境、污染条件和生态结构的一些差异意味着对不同的湖泊需要不同的恢复措施。

研究方法

东坡湖是位于四川省眉山市的一个亚热带浅水湖（图2），属亚热带季风气候湿润的特征。年平均气温为16℃，1月最低月平均气温为6.2~6.8℃，7月和8月最高月平均气温为25.4~26.3℃。年平均降水量为1000~1500毫米，其中从6月到9月，降幅约为85%。

湖面总表面积约为60万平方米，水深范围为2.5~3.0米。它是一个相对封闭的城市水域，位于岷江的一条小支流上。东坡湖的水源主要来自上游沟渠和岷江（图2）。水温范围在6到30℃之间。自21世纪初以来，由于污染物的输入，这个湖已经变得富营养化。后来通过挖农业灌溉沟，拦截农业的氮和磷、铺设管道拦截雨水、工业废水和污水，建设污水处理厂，在污水排入湖中前去除污染水中的氮和磷，使外部养分负荷的减少，氮和磷的负荷急剧下降，但湖泊仍保持富营养化和浑浊。最初，在湖中没有发现沉水植物。

东坡湖位于岷江的一条小支流上。在岷江的入口到小支流，建立了一个水闸作为预处理设施，以控制水流和拦截污染物。这样可以控制东坡湖的流量，减少来自上游沟渠和岷江的污染物。在东坡湖的上游，水被分为两部分。地表水其中一部分（14.6万平方米）用来实施联合生物治理项目(RLake)，另一部分约45万平方米，作为对照(CLake)。流入RLake和CLake的水都来自于这个小支流。这两个湖泊的进水污染物水平相似。在RLake的入口，建立了一个水闸，使RLake具有类似的水负荷和水流量。我们前期改造工程对湖区的河道、河床、护岸进行了优化。这两个湖的水深相似。除了RLake的入口和出口外，RLake和CLake并没有相互连接。它们与生态屏障相分割。除生物动力作用外，两个湖泊的条件相似。因此，RLake与CLake具有相似性（图2）。

RLake的修复项目于2015年11月开始进行修复已于2016年7月完成。修复项目包括四个步骤：（1）对水下植物、鱼类、大型底栖动物和浮游动物群落进行了筛选，并确定了其初始生物量。（2）排干一些水，平整湖床上的土壤，为种植沉水植物提供合适的条件。移走鱼类，为重建鱼类群落提供适当的条件。（3）种植沉水植物，然后将水恢复到正常水平。加入选定的鱼类、大型底栖生物和浮游动物。（4）观察植物的生长和演替，控制病害，观察动物群落的变化，及时调整，使其形成稳定的群落。将沉水植物种植在根深5~10cm的沉积物中。每丛种植5-7株，每平方米种植16株。水生动物包括鱼类、大型底栖生物和浮游动物。恢复后使用捕鱼器进行维持捕鱼，以尽量减少补充补充的影响。

研究包括三个阶段：2013-2014年（修复前），2015-2016年（修复期间），2017-2018年（修复后）。在RLake和CLake中分别随机抽取10个和5个样本点（图2）。2013-2018年，RLake和CLake每年分别在春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）、冬季（1月）采集水样、浮游动物和沉水植物样本。从2016年起，每个季节在采样点采集大型底栖生物。2017年10月，进行了鱼类调查。

在RLake的10个采样点采集0.5m深度的水样，然后混合得到综合水样。以同样的方法获得了来自CLake的综合水样。用综合后的水样来分析化学变量。对TN、TP、铵氮（NH4-N）、溶解磷(DP)和浮游植物生物量进行分析。记录每次采样时的水温和pH值。采用过滤法采集浮游动物样本10L整合湖水样通过20毫米滤膜装入塑料瓶，然后加入3mL5%福尔马林保存。浮游动物的生物量根据长度-重量关系进行估算。沉水植物采用定量采样器采集，面积为0.18m2。随后对收集的水下植物进行分选，用蒸馏水洗涤，105℃干燥24小时，然后称重以确定生物量（干重）。

研究结果

各参数之间的关系如表1所示。Chl-a与TN、nh4-N、TP、DP等参数呈正相关。水生群落参数（水生植物覆盖范围、浮游动物平均直径、底栖软体动物密度）与营养参数（TN、NH4-N、TP、DP）和Chl-a呈负相关。水生群落参数（淹没植物覆盖范围、浮游动物平均直径、底栖软体动物密度）均呈正相关。

TP和DP的变化趋势相似（图4A、B）。在RLake恢复前（2013年至2015年），TP的年平均范围为浓度范围为0.78~1.12mg L-1，DP浓度范围为0.18~0.24mg L-1，TP和DP随季节的变化而变化，恢复后，TP和DP均有显著下降，分别为0.56~1.53mg L-1，0.16~0.31mg L-1。2017年至2018年，TP和DP值均低于0.05mg L-1。在CLake中，TP和DP在2013年至2015年的变化不显著，而TP和DP在2016-2018年均缓慢下降(F=117.7，P<0.01；F=12.2，P<0.01)。RLake和CLake的TP和DP值没有变化恢复前差异显著(F=0.13，P>0.05；F=0.67，P>0.05)，RLake的TP和DP显著低于CLake，P<0.01；F=9.31，P<0.05)(图4A，B)。

在RLake中恢复后，TN和NH4-N的值多种多样。TN和NH4-N相对稳定，平均值为0.66和0.025mg。2016-2018年，CLake的TN和NH4-N差异显著(F=41.6，P<0.01；F=17.8，P<0.01)，但均远高于RLake的对应值(F=15.4，P<0.01；F=22.3，P<0.01)(图4C，D)。2013-2015年，RLake和CLake中Chl-a随季节变化很大。最大值出现在夏季，浓度范围为49.3~68.3mg m-3。RLake(26~30mg m-3)和CLake(26至34mg m-3)年平均值没有太大差异(F=0.2，P>0.05)。从2016年开始，RLake和CLake的Chl-a明显下降，但RLake的Chl-a比CLake的下降更多。2017年至2018年，RLake的Chl-a值范围为1.4-4.1mg m-3，远低于CLake(6.6-23.7mg m-3)(F=10.8, P<0.01)(Fig. 4 E).恢复前，RLake和CLake之间的浮游动物总生物量差异不显著(F=0.1，P>0.05)。恢复后，CLake的浮游动物总生物量(37.25~48.25µg L-1)显著高于在RLake(28.25~37.75µg L-1)(F=4.83，P<0.05)，而CLake的浮游动物生物量与Chl-a浓度的比值低于RLake(F=11.3，P<0.05)(图4G)。恢复后，浮游动物的平均大小范围为0.12-2.0mm，浮游动物大于0.6mm的占56%，CLake浮游动物平均大小为0.1-1.1mm，浮游动物大于0.6mm的占25%。在RLake中，RLake恢复前浮游动物的总生物量55.25~61.75µg L-1高于修复后28.75~37.75µg L-1(F=8.65，P<0.05)，而恢复前浮游动物生物量与Chl-a浓度的比值低于恢复后(F=10.8, P<0.05)(Fig. 4 G)。恢复前大小大于0.6mm的浮游动物比例低于恢复后。在CLake，浮游动物总生物量的变化，为浮游动物>值为0.6mm，浮游动物生物量：Chl-a浓度在恢复前后均不显著。综上所述，在大湖区的恢复过程中，浮游动物的生物量减少，但大型浮游动物的比例增加。修复后（2016-2018年），RLake软体动物密度为89.9~128.9ind m-2，CLake软体动物密度为34.7~38.8 ind m-2(图4I)。RLake(111.5±19.8 ind m-2)远高于CLake(36.7±2.1ind m-2)(F=243.1，P>0.05)。2013-2018年，CLake未发现沉水植物。修复前，RLake未发现沉水植物。2015年10月在RLake种植了沉水植物后，2018年，沉水植物的覆盖率增加到86%（图5）。占主导地位的是苦草。从2017年开始，收获了近350g m-2干重(dw)的沉水植物。

研究结论

控制污染源和减少内部养分负荷是提高湖泊水质的两种途径。该联合生物调控项目，包括建设水下植物、鱼类、大型底栖生物和浮游动物群落，可能是恢复富营养化湖泊的一种有效方法。生态恢复项目调整了RLake的水生生态系统，水生群落之间的许多正反馈效应帮助湖泊减少了TN、TP和Chl-a。恢复后的维持和长期影响的持续监测也是必要的，需要进一步研究。

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