（水生生物学专业论文）白洋淀控藻生物链研究.pdf

摘要 摘要 水体富营养化已成为全球的环境问题，对水体富营养化的治理日益迫切。白洋淀的 情况也不容乐观，2 0 0 5 2 0 0 6 年的调查结果显示自洋淀处于重度富营养化。本文针对白 洋淀的富营养化问题，设计了以浮游动物为主体的控藻生物链，并在实验室条件下进行 了控藻生物链各营养级之间摄食关系的研究，提出了解决水体富营养化问题的生物操纵 技术方案。 本文在对白洋淀枝角类、桡足类等浮游动物，浮游植物以及水质理化指标调查的基 础上，确定了白洋淀水体的富营养化程度，导致富营养化的主要优势藻类，以及主要的 浮游动物，枝角类和桡足类的优势种。进一步构建了以浮游动物为主体的控藻生物链： 造成白洋淀富营养化的主要藻类一大型枝角类优势种_ 对枝角类种群有影响的桡足类 优势种。 通过枝角类对藻类摄食的室内研究，结果表明：老年低额泽( s i m o c e p h a l u sv e t u l u s ) 和蚤状潘( d a p h n i ap u l e x ) 牧食力的大小都受藻类生物量的影响，藻类生物量对其摄食速 度有一饱和值，超过该值，其摄食速度下降。实验中当蛋白核小球藻( c h l o r e l l a p y r e n o i d o s a ) 和四尾栅藻( s c e n e d e s m u sq u a d r i c a n d a ) 的生物量分别超过1 4 7 5m g l 和3 5m g l 时蚤状 潘的摄食速度开始下降；四尾栅藻的生物量超过3 5m g l 时老年低额潘的摄食速度也开 始下降，而对于蛋白核小球藻其摄食速度则一直增加。同时也测定了这两种枝角类对蛋 白核小球藻和四尾栅藻的滤水率和去除率，以及对这两种藻的选择性。 通过近邻剑水蚤( c y c l o p sv i c i n u s ) 对枝角类的室内摄食生态研究，结果表明：在近邻 剑水蚤可摄食的范围内，近邻剑水蚤更倾向于摄食个体较小的枝角类。这样近g 训x , 剑g a 水蚤 就会对春末，夏初大量繁殖的枝角类幼体造成一定程度的影响，进而影响控藻生物链的 控藻效果。另外，随着温度的升高近邻剑水蚤的摄食率也增加，这在一定程度上也加剧 了其对大型枝角类的影响。 总之，在对白洋淀浮游生物间摄食关系研究的基础上，最终确定了一条对白洋淀藻 类有显著控制作用的控藻生物链。 关键词富营养化生物操纵生物链浮游动物 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee u t r o p h i c a t i o nh a sb e e nag ：o b a ：e n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi nf r e s h w a t e rl a k e s ，s oi t b e c o m e sm o r ea n dm o r 。ee x i g e n tt oc o n t r o le u t r o p h i c a t i o no fw a t e rb o d i e s t h es i t u a t i o ni sn o t o p t i m i s t i ci nt h eb a i y a n g d i a nl a k e t h es u r v e yr e s u l t ss h o w e dt h a tt h el a k eh a de x i s t e d s e v e r ee u t r o p h i c a t i o ni n2 0 0 5a n d2 0 0 6 i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e dt h eb i o l o g i c a lc h a i no f a l g a ec o n t r o l ，w h i c hc o n s t i t u t e dm a i n l yb yz o o p l a n k t o n ，s t u d i e dt h ef o o dr e l a t i o n s h i pb e t w e e n d i f f e r e n tt r o p h i cl e v e l su n d e rt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，a n dp u tf o r w a r dp r o g r a mt os o l v et h e p r o b l e mo fe u t r o p h i c a t i o nb yb i o m a n i p u l a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rs t u d i e dz o o p l a n k t o na n dp h y t o p l a n k t o ni nb m y a n g d i a nl a k e ，a sw e l la sp h y s i c a l a n dc h e m i c a li n d i c a t o r so fw a t e rq u a l i t y b a s e do nt h i sr e s u l t ，w ek n o wt h ee x t e n to f e u t r o p h i c a t i o no fw a t e rb o d i e sa n dt h ed o m i n a n to fa l g a ea n dz o o p l a n k t o n ( c l a d o c e r aa n d c o p e p o d a ) w h i c hl e a dt oe u t r o p h i c a t i o n t h es t u d yf u r t h e rd e v e l o p e dt h eb i o l o g i c a lc h a i n i n w h i c hz o o p l a n k t o np l a yam a j o rr o l e ：t h em a i na l g a el e a d i n gt oe u t r o p h i c a t i o n ( c h l o r e l l a p y r e n o i d o s a ，c r y p t o m o n a so v a t a ，m e r i s m o p e d i as p ) - l a r g e s i z e c l a d o c e r a - - 辛c o p e p o d a w h i c ha f f e c t e dc l a d o c e r ap o p u l a i o n w ei n v e s t i g a t e dt h ef e e d i n go fd a p h n i ap u l e xt oa l g a e a n dc y c l o p sv i c i n u st oc l a d o c e r au n d e rt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，a n df i xe v e r yt r o p h i cl e v e l i n t e r a c t i o n so fb i o l o g i c a lc h a i n i nt h i sp a p e r ，t h eg r a z i n gr a t e so fc l a d o c e r ao na l g a eu n d e rt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n sw e r e s t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb i o m a s so fa l g a ei n f l u e n c e dt h eg r a z i n gr a t e o f s i m o c e p h a l u sv e t u l u sa n dd a p h n i ap u l e x t h eg r a z i n gr a t ed r o p p e dw h e nt h eb i o m a s s e x c e e d e dt h es a t u r a t i o nq u a n t i t y w h e nt h eb i o m a s so fc h l o r e l l ap y r e n o i d o s am o r et h a n l4 7 5m g l ，a n ds c e n e d e s m u sq u a d r i c a n d am o r et h a n3 5m g l ，t h eg r a z i n gr a t eo fd p u l e x s l o w e dd o w n w h e nt h eb i o m a s so fs q u a d r i c a n d am o r et h a n3 53 5m e c l ，t h eg r a z i n gr a t eo f & v e t u l u ss l o w e dd o w n ，o nt h ec o n t r a r yt h eg r a z i n gr a t ef o rcp y r e n o i d o s ai n c r e a s e da l w a y s a b s t r a c t m o r e o v e rd e t e r m i n e dt h ef i l t e rr a t ea n dc l e a r a n c er a t eo ft h ec l a d o c e r a ，a n ds e l e c t i v i t yo f a l g a e o u ra l s or e s e a r c hp r o c e e d i n gi nf e e d i n ge c o l o g yo fc y c l o p sv i c i n u sd e m o n s t r a t e st h a ti nh e f e e d i n gr a n g eo fcv i c i n u s ，t h e yp r e f e rf e e d i n go ns m a l l e rc l a d o c e r ai n d i v i d u a l i nl a t es p r i n g a n de a r l ys u m m e rt h eb r e e do fc l a d o c e r ab e g i n s ，t h e r ew i l lb eal a r g en u m b e ro fc l a d o c e r a l a r v a e ，t h u st h ep r e d a t o r yi n v e r t e b r a t e ss u c ha scv i c i n u sb e g i nf e e d i n go nt h ec l a d o c e r a l a r v a ea n di t se g g s ，w h i c hi st h em a jo rc a u s eo fc l a d o c e r ap o p u l a t i o nd e c l i n ei nl a t es p r i n g a n de a r l ys u m m e r m o r e o v e r ，埘t 1 1t h ei n c r e a s i n go ft h et e m p e r a t u r e ，f e e d i n gr a t eo fc v i c i n u sa l s oi n c r e a s e s ，w h i c hf u r t h e ri n t e n s i f yt h ei n f l u e n c eo nt h ep o p u l a t i o no fl a r g e s i z e c l a d o c e r at os o m ed e g r e e i nc o n c l u s i o n ，t h eb i o l o g i c a lc h a i ni si d e n t i f i e do nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i n gt h ei n g e s t i o no f p l a n k t o n ， w h i c hc a ns i g n i f i c a n tc o n t r o lt h eq u a n t i t yo fa l g a e k e yw o r d se u t r o p h i c a t i o nb i o m a n i p u l a f i o nb i o l o g i c a lc h a i nz o o p l a n k t o n 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书所使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了致谢。 作者签名：l 筮显终堑一 日期：a 乒年么月日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密呀。 ( 请在以上相应方格内打“4 ) 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为( 白珲瘦碟笪加d 蜥) 的学位论文，是我个人在导师凶珑列撇指导并与导师合作下取得的研究成果，研 究工作及取得的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完 成的。本人完全了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行 政法规以及河北大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人_ 一一趣名一一日期：碑年兰月日 作者签名： 导师签名：鲴铉 日期：卫# 年月l 日 曰期：耳年上月皇一日 第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究背景白洋淀概述 白洋淀地处河北省中部，保定市以东4 5k m ，安新县城附近，东经1 1 5 0 3 8 ，_ 1 1 6 0 0 7 ， 北纬3 8 0 4 3 q 9 。0 2 ，总面积3 6 6k m 2 ，由白洋正淀、马棚淀、烧车淀和藻窄淀等1 4 3 个 大小不一的淀泊组成，统名白洋淀。是华北平原最大、最典型的淡水湖泊湿地，生物种 类丰富，对于调节华北地区生态环境，改善区域温湿状况，补充地下水源，调节小气候， 维持河北、北京地区生态平衡，保护生物多样性和珍稀物种资源均具有极其重要的作用， 同时肩负着周边8 0 0k m 2 耕地的除涝使命【1 1 。另外，据南水北调工程总体规划白洋 淀所在区域也是南水北调中线的主要受水区之一，在华北水资源保护中具有非常重要的 战略意义。 近2 0 多年来，由于降水量减少、上游工业及生活污水的排放，淀区水产养殖、农 田种植等经济活动带来的富含氮磷等营养物质的污染物以及淀区居民生活中的污水、排 泄物等大量直接或间接排入淀区，造成淀区氮、磷等严重超标。本实验室2 0 0 5 ，2 0 0 6 年的调查表明白洋淀总氮( t n ) 、总磷( t p ) 等严重超标，白洋淀水域处于重度富营养化状 态，其生态系统正处于急剧衰败与退化之中，水质逐年恶化，也导致水生生物群落发生 变化，生态系统服务功能正在转变或丧失。因此，对于白洋淀水体富营养化的治理、修 复刻不容缓。 1 2 水体富营养化的成因及危害 1 2 1 水体富营养化及成因 氮和磷是水生生态系统中藻类、水生植物等水生生物的必需元素，但是氮、磷过量 的进入湖泊，就会导致水体富营养化。水中营养物质增多，在适宜的外界环境( 水域的 物理化学环境) 因素综合作用下，促使自养型生物旺盛生长，特别是少数藻类的恶性增 殖，其个体数量迅速增加，而种类则逐渐减少【2 1 。水体中的藻类本来以硅藻和绿藻为主： 红色颤藻的出现是富营养化的征兆，随着富营养化的发展，最后变为以蓝藻为主。藻类 繁殖迅速，生长周期短，藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，不断消耗水中 河北大学理学硕士学何论文 的溶解氧，或被厌氧微生物分解，不断产生h 2 s 等气体，从两个方面使水质恶化，造成 鱼类和其他水生生物大量死亡，最终导致水体老化和衰- 亡 3 1 。浮游藻类的大量繁殖，则 形成水华，因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色 在占 号手。 关于水体富营养化问题的成因，一般分为天然富营养化和人为富营养化。天然富营 养化要经过几千年甚至几万年才能完成，而人类经济活动可导致湖泊在几年内就出现富 营养化。由此可见，人为水体富营养化是目前水体富营养化的主要原因。多数学者认为 氮、磷等营养物质浓度升高，是藻类大量繁殖的原因，而藻类可利用的氮远比可利用的 磷多，因此，磷常被作为富营养化的限制因子。国际上一般认为，湖水中t p 和t n 的 浓度分别为0 0 2m g l 和0 2m g l 是水体富营养化发生的浓度 4 1 。 1 2 2 水体富营养化的危害 在富营养化了的水体中，藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中，又把大量的氮、 磷等营养物质释放入水中，供新的一代藻类等生物利用。因此，即使切断外界营养物质 的来源，水体也很难自净和恢复到正常状态。淡水水体的富营养化引发了一系列问题： ( 1 ) 对饮用水的影响，富营养化的藻类会对饮用水产生不良的气味，其中一部分是 藻类直接产生的，还有些是死去的藻类分解产生的，富营养化产生的藻华也容易堵塞过 滤池和过滤筛。2 0 0 7 年5 月份太湖蓝藻的爆发，导致在5 月2 9 日上午江苏省无锡市城 区大批市民家中自来水水质突然伴有难闻的气味，洗手完手上一股臭味，煮出来的饭更 是无法入口。另外，富营养化产生的大量藻类死亡之后沉降到湖底进行分解，结果使湖 底层变为厌氧环境，引起底泥中铁和锰的释放，这样也会影响饮用水的口感。世界卫生 组织饮用水水质标准分别设定了铝、铁、猛、铜的目标值【5 】。 ( 2 ) 对景观和娱乐造成了一定的影响。富营养化产生的藻类降低了水体透明度，而 水体中藻类优势种不同时湖水呈现不同颜色，蓝藻占优势时，水体呈绿色；硅藻占优势 时，水体呈褐色。这严重影响了水体景观。当水华爆发时，还会在水体表面形成一层浮 渣，这样各种水上运动都会受一定程度的影响，在一些较浅的河道中，挺水植物也会大 量繁殖，而阻塞交通。这些对白洋淀的旅游业发展会造成相当大的影响。 2 第1 苹前言 ( 3 ) 富营养化对渔业和农业方面一会造成一定程度的影响。富营养化引起的藻类大 量繁殖，虽然使得鱼类的饵料一浮游动物增加，但同时导致的缺氧环境却影响了鱼类 的繁殖，因为幼鱼不能像成鱼那样忍受严重缺氧的环境，结果造成鱼群数量下降。当用 富营养化的水用于灌溉时，对农作物的产量也有较大的影响。尤其是过量的氮会导致过 度生长、倒伏、低成熟率、害虫爆发等危害，严重降低作物产量。这些，对于淀区和淀 区周边的渔民和农民来说具有较大的影响。 1 3 生物修复技术治理水体富营养化及其研究概况 湖泊富营养化治理一般应该遵循的路线是控源、生态修复和流域管理，主要包括营 养负荷控制和湖泊生态系统恢复两大类技术。我国湖泊众多，面积大于1k m 2 就有2 7 5 9 个，总面积达9 1 0 2 0k i n 2 ，占国土面积的o 9 5 n ，其中约1 3 为浅水湖泊，主要分布在东 部沿海与长江中下游地区川。浅水湖泊中的沉积物在风浪作用下发生悬浮，致使沉积物 中大量的营养盐释放出来并进入上覆水，为生物生长所利用，致使浅水湖泊更容易富营 养化，白洋淀为浅水湖泊，因此在治理白洋淀富营养化问题时，除了要控制外源性污染 外，。内源性污染的控制也相当重要。在营养负荷控制方面，对于外源营养负荷控制主要 采用消除点源、减少和控制面源污染等方法，对于内源营养负荷控制最常见的有机械清 淤( 疏浚) 、底泥覆盖、引水冲刷、投加混凝剂除藻剂等方法；在水生态系统方面，则通 过水生植物修复，微生物修复，生物操纵及物理生态工程等生物生态修复技术对湖泊 富营养化进行生态治理【8 。 生物修复是一门新兴的、投资低、效益高、便于运用、发展潜力较大、环保效益好 的技术。生物修复是指利用生物的生命代谢活动在一定的条件下减少存在于环境中有毒 有害物质的浓度或使有毒有害物质完全无害化，从而使污染的环境能够部分或者完全恢 复到原始状态的一个受控或自发进行的过程。生物修复技术主要包括：微生物修复，水 生植物修复，水生动物修复等方法【10 1 。 1 3 1 微生物修复 淡水水体的微生物修复是指利用天然存在的或者特别培养的微生物，在可调控环境 条件下，通过微生物的降解或生物转化作用，使有毒有害污染物变为无毒害物质的环境 3 河北大学理学硕士学位论文 污染处理技术【l l 】。微生物可以将受污染水体中的有机物降解为无机物，对部分无机污染 物如氨氮进行还原从而去除。为了充分发挥微生物在污染物降解和转化方面的作用，目 前主要有两种方式：一是向受污染水体投加高效降解微生物制剂；二是提供合适的营养 和改善其生活的环境条件以强化微生物的功能。 国内在微生物修复方面应用较多的是投加微生物制剂，目前常用的一种微生物制剂 是有效微生物群( e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s ，e m ) 菌剂，所谓有效微生物群是从自然界筛选 出各种有益微生物，用特定的方法混合培养所形成的微生物复合体系，其微生物组合以 光合细菌、放线菌、酵母菌和乳酸菌为主。光合细菌等菌剂可以分解有害硫化物，具有 除臭作用；硝化菌、反硝化菌能够将硝态氮、亚硝态氮、氨氮转化为氮气彻底从水环境 中移出。光合菌、乳酸菌的分泌物还具有促进絮凝和沉降的作用，能有效提高水体透明 度。李雪梅等【1 3 】在华南植物园重度污染的人工湖中投加有效微生物群( e m ) 菌剂实验 的结果表明，两个月后，湖泊的透明度提高了4 3 3 ；投菌3 0d 后水体表面c h l a 就从 3 7 8 0m g l 下降到1 3 0m g l ，下降9 6 5 ；停止投放菌剂后1 个月左右，t n 、t p 含量 和高锰酸盐指数均下降至最低点，分别下降了6 0 2 ，5 8 1 和5 7 2 。停止投菌一个半 月后，各项指标虽然都有不同程度的回升，但没有水华发生。王平等【1 4 】利用有效微生物 群( e m ) 处理南水塘藻型富营养化源水水样结果表明：在容器中按v ( e m ) ：v ( 源水) 为 1 ：1 0 0 0 0 的比例投加e m 菌液并辅以低速间歇式曝气处理8 - 9d ，藻类生物量得到明显控 制，水样c h l a ，t n ，t p 及c o d c r 去除率分别达9 0 4 9 ，4 5 2 5 ，5 5 4 8 及8 2 3 7 ， 出水水质接近国家地表类水质标准。 此外，其它微生物制剂也被广泛应用在富营养化水体的治理上，潘涌璋等【l5 】应用土 著微生物培养液和b b l i 菌剂，采用投菌法对富营养化人工景观湖水进行净化实验，结 果表明，含有生物促生剂的土著微生物培养液和b b l l 菌剂均能降低水中的c o d c r , 氨 氮、t p 和浊度，在有载体的状态下，其净化作用更显著，底泥的存在强化了b b l l 菌剂 对氨氮的去除，其去除率大于9 0 ，b b l l 菌剂对曝气的敏感性大于土著微生物菌剂。 该实验所用生物促生剂不含外来微生物，对人体和鱼类无毒性。单明军等【l6 j 采用经筛选、 驯化的“土著”硝化细菌与腐植酸配制而成的复合型微生物制剂，对辽宁省鞍山市的富营 养化水体英泽湖进行生态修复净化实验。结果表明，英泽湖水体中的t n 、t p ，氨氮、 4 第1 章前言 c o d 及浊度等水质指标均有明显降低，下降率分别为7 7 8 ，7 2 2 ，9 4 2 ，6 0 0 和 8 5 6 ，并且水生生物具有多样性，水体自净能力大大增强。 在强化微生物功能方面多采用深水曝气的方法，深水曝气可以在不改变水体分层的 状态下提高溶解氧浓度，改善冷水鱼类的生长环境和增加食物供给，改善底泥界面厌氧 环境为好氧条件，恢复微生物的矿化作用使湖泊中现有的有机物及时转化为无机态，其 次它们还可以抑制厌氧微生物的代谢，减少硫化氢、硫化铁等有害物质的产生，改善水 体质量【17 1 。林建伟掣1 8 1 通过实验室模拟结果说明曝气复氧可以抑制底泥磷的释放。 1 3 2 水生植物修复 水生高等植物是水生生态系统保持良性运行的关键类群，也是整个水生生物群落多 样性的基础。水生维管束植物按照生活型通常划分为沉水植物、漂浮植物、浮叶植物和 挺水植物【1 9 】，不同类型水生植物有着不同的净化功能。挺水植物通过阻止水流和减小风 浪使悬浮物质沉降，它主要吸取底泥中的营养盐，很少直接吸收水中的营养盐，所以挺 水植物有把下层底泥中的营养转移到表层的作用，不利于直接净化水质；浮叶植物容易 种植和收获，有一定的经济和观赏价值，在一定的季节可以作为重要的支撑系统，在一 般浅水水体中有良好的净化功能；大型飘浮植物在光照和营养盐竞争上比浮游植物有优 势，耐污性很强，已经发展了在大风浪条件下的种植技术，是净化水质的良好选择1 2 0 】。 水生植物对富营养化水体的净化作用主要是通过以下几个方面得以实现：水生植 物的同化吸收作用；促进反硝化作用；水生植物与微生物的协同作用；水生植物 对藻类的抑制作用；水生植物的物理吸附和沉降作用；水生植物可以抑制底泥中营 养物质溶出的速度2 1 2 2 1 。 国内研究者，在实验室条件下，利用水生植物净化富营养化水体进行了许多实验。 童昌华等【2 3 】利用水生植物净化方法对养鱼池的富营养化水体进行控制研究结果表明，金 鱼藻等6 种水生植物对水中t n 、t p 和硝态氮有较好的去除效果，而以狐尾藻 ( m y r i o p h y l l u mv e r t i c i l l a t u m ) 希 微齿眼子菜( p o t a m o g e t o nm a a c k i a n u ) 两种效果最好，3 个月 后对t n 的去除率分别为8 3 8 4 和7 7 5 4 ，对硝态氮的去除率分别为9 5 8 5 和 9 0 6 5 ，磷的去除率都达到了9 1 7 ，但对氨氮的去除效果稍差，1 个月时去除效果只 有1 4 7 0 。雷泽湘等【2 4 】研究了大型水生植物对太湖梅梁湾富营养化湖水的净化效果 气 涧北大学理学硕士学位论文 结果表明，沉水植物马来眼子菜( p o t a m o g e t o nm a l a j a n u s ) 、苦草( v a l l i s n e r i an a t a n ) 、轮叶 黑藻( h y d r i l l av e r t i c i l l a ) 和浮叶植物荇菜( n y m p h o i d e sr e d o 、菱角( t r a p aq u a d r i s p f ”d ) 等5 种水生植物对水体的t n 、t p 、硝态氮和正磷酸盐都有较好的去除效果，去除率在6 0 以上，且以马来眼子菜和苦草的效果最好，去除率在8 0 以上。汤显强【2 5 】比较研究了7 种水生植物对富营养化水体中氮磷的去除效果，实验结果表明：所选7 种水生植物在富 营养化水体中生长良好并表现出较好的氮磷去除效果。其中，水葱( s c i r p 淞v a l i d u ) 、香 蒲( t y p h aa n g u s t i f o l i ) 、芦苇( p h r a g m i t e sc o m m u n ) 、分别使t n 平均去除率提高1 8 1 9 、 1 7 8 4 、1 6 o ；千屈菜( l y t h r u ms a l i c a r i ) 的磷去除性能最好，芦苇最差；植物氮磷去除 能力和实际生长情况表明，水葱、香蒲和芦苇可作为有效去除氮磷的北方人工湿地备选 植物。 在自然条件下通过建立围隔区，研究水生植物净化富营养化水体也有不少实例。李 文奇等【2 6 1 在位于河北省抚宁县洋河水库，通过建立小型围隔区，研究了沉水植物对富营 养化水体的净化效果，沉水植物能够有效的抑制底泥中磷含量的增加，处理5 0d 后，水 体中t n 、t p 、和c o d m i i 的平均去除率分别为3 6 3 、5 4 6 、4 3 i 。同样在洋河水库， 胡朝华等阳研究- - f ) 僦( e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ) 等几种常见水生植物在富营养化水体水 质改善中单独及组合后的净化效果。实验结果表明，通过生态工程技术，风眼莲等水生 植物及其群落组合使洋河水库富营养化水体水质得到改善，并使水体营养状态向着良性 方向转变。人工生态围隔内各种受试水生植物降低了氮磷营养水平，减轻有机污染负荷， 增加溶解氧浓度，稳定了水体酸碱度。 在日本有很多利用水生植物净化富营养化自然水体的案例，一般采用湿地净化技术 和浮岛净化技术。湿地净化技术方面，在日本最大湿地渡良濑湿地，为改善流域水质， 设立了2 0h m 2 的芦苇湿地来处理流域的污水。日处理量是2 6 0 0 0 0m 3 第一年n 、p 和c h l a 的去除率分别是2 7 、6 、5 7 ，但第二年对n 、p 几乎没有去除。造成这种情况的原 因可能是，湿地中沉积的污泥没有及时的挖出，以及芦苇没有收割。在浮岛方面，日本 也有很多应用案例，设置在霞浦岛上的浮岛，设置于秋田县的八郎泻浮岛、千叶县的手 贺沼和印幡沼浮岛，及佐贺县平原溪流中的浮岛。霞浦湖上浮岛的净化效果：浮岛设置 一年后对t n 、t p 的去除率分别达到0 4g ( d m 2 ) 和0 0 2g ( d m 2 ) 。在中国的玄武湖和太 6 第1 章前言 湖五里湖也建设有浮岛，但其主要作用在消测5 1 。 综上所述，利用水生植物治理富营养化水体与其他物理、化学及工程的方法相比， 具有以下优点：低投资、低能耗、治理效果较好，能实现水体营养平衡，改善水体的自 净能力，对环境扰动小，无二次污染，有较好的经济效益，有较高的美化环境价值，有 利于整体生态环境的改善1 2 8 】。但同时也存在许多问题，如如何筛选、培育和合理搭配高 效率的植物品种以满足不同环境的修复需要，尤其在低温季节提高植物的修复效率，缺 少对植物吸收污染物后生长规律的深入研究，缺少对水生植物生态功能和景观功能相结 合的研究。因此要更充分的利用该技术，需要在对不同类型植物对不同污染物最佳去除 作用的基础性研究上，更进一步的在现场实验的基础上，因地制宜的筛选出先锋物种， 并构建多种类型组合的水生植物群落，形成一个良好的修复系统【2 9 , 3 0 】。 1 3 3 水生动物修复生物操纵 1 3 3 1 经典的生物操纵 随着对水生生态系统构成的不断深入，研究者意识到可以利用食物网结构对水体初 级生产力的决定性影响来控制水体富营养化。在h r b a c e k 等以及b r o o k s 和d o d s o n 所作 的有启发性的前期工作的基础上，s h a p i r o 及其同事提出了生物操纵( b i o m a n i p u l a t i o n ) 的 概念【3 l 】。s h a p i r o 等最早使用的生物操纵概念范围较宽，即不直接涉及营养物质控制的 湖泊和水库水质的措施均属于生物操纵范围，包括对生物及其生境的改变。由于学术和 实际操作上的原因，目前生物操纵主要是通过增加肉食性鱼类或减少滤食性鱼类，来调 节浮游动物的结构和种群数量促进滤食效率高的植食性大型浮游动物( 如水滔) ，特别是 枝角类种群的发展，进而降低藻类生物量，提高水体透明度，最终改善水质。这种观点 强调的是整个生态系统的管理，从营养环节控制富营养化，这既为经典的生物操纵方法 【3 2 ，3 3 】 o 具体方法多为减少5 0 1 0 0 的浮游生物食性鱼类，或者高密度放养鱼食性鱼类来 减少浮游生物食性鱼类，来促进大型浮游动物和底栖无脊椎动物( 可摄食底栖、附生和 浮游藻类) 的发展( 生物操纵一营养级联反应和下行影响) 。滤食性鱼类摄食浮游动物，减 缓了浮游动物对浮游植物的摄食压力，浮游植物生物量和初级生产力上升，同时，滤食 性鱼类加快了p 的释放速率或循环速度。因此，降低滤食性鱼类生物量，可以使植食性 7 河北大学理学硕士学位论文 浮游动物生物量增加，浮游植物生物量减少，叶绿素浓度和初级生产力下降，透明度增 加，湖泊中n ，p 的浓度降低。这就是生物操纵的理论基础【3 4 1 。 以浮游动物为主体的控藻生物链中，浮游动物是生物操纵的关键因子之一，而大型 浮游动物则是最重要的、最可能压低浮游植物数量的因素。滤食性鱼类可以调控浮游动 物的种类和数量，减少鱼类捕食压力有利于大型植食浮游动物种群的发展，而浮游动物 密度的增加则反过来能很好的控制浮游植物的过量生长，这样就达到了控制藻类种群生 物量的效果【3 5 】。这个过程用生物链来表示就是：浮游植物_ 浮游动物_ 鱼类。通过对这 条生物链某一个或几个营养级的控制就能最终实现对藻类生物量的控制。这就是本课题 的理论基础。 丹麦v a n g 湖1 9 8 6 年至1 9 8 7 年春季捕捞了约5 0 的浮游生物食性鱼类欧鳊似b r a m i s b r a m a ) 矛i l 底栖杂食性鱼类拟鲤( r 刎t u sr 删u s ) ，生物结构发生了显著的变化，浮游动物 由轮虫占优势转为大型枝角类占优势，生物量显著上升，而浮游植物生物量显著下降， 其夏季平均生物量由1 9 8 6 年的2 5m m 下降为1 9 8 7 年的1 2n l n l 3 7 l 和1 9 8 8 年7i 啪3 l ， 优势种从蓝细菌( c y a n o b c t e r i a ) 和小型硅藻变为大型硅藻和绿藻及隐藻，n 、p 浓度也显 著下降【3 6 】。陈济丁等3 7 1 在北大未名湖的围隔实验表明大型浮游动物对浮游植物有明显的 控制作用，但也同时强调富营养化的防治应将生物操纵和营养盐的控制两种方法相结 合。陈鸣钊等【3 8 1 设计了浮游生物滤清器，利用轮虫类控制藻类，并在进行现场实验，取 得了理想的除藻效果。张喜勤等 3 9 1 在长春南湖采用直接投放大型潘( d 印砌砌m a g n a ) 和方 形网纹潘( g p 陀。如d a p h n i ag 口m 口m ，2 口“r 治理营养化湖泊也取得了一定效果。张丽彬等【4 0 】 采用室外现场实验和室内受控生态系统实验相结介的方法，研究了富营养化水体中浮游 动物对藻类生长的控制作用。实验结果表明，t p 含量比t n 含量对浮游动物生长的影响 更大。浮游动物与藻类之间呈现显著或极显著相关关系，说明浮游动物群体，尤其甲壳 类群体，在适当条件下对藻类群体以及其中的蓝藻有一定的控制作用。适当的鱼类密度 下，浮游动物能够起有效的控藻作用，但鱼类密度过高会抑制该作用。韩士群等f 4 l 】在实 验室和开放生态系统中研究了长肢秀体涵( d i a p h a n o s o m al e u c h t e n b e r g i a n u m ) 对富营养化 水体藻类的控制，结果表明，长肢秀体涵的摄食速度随藻类生物量增加而增加，藻类生 物量超过一定值( 即饱和值) 时，摄食速度随之下降。长肢秀体泾对斜生栅藻( s c e n e d e s m n u s r 第1 章前言 o b l i q u u s ) 和蛋白核小球藻( c 办肠旭砌刃糟，z d 胁s 口) 具有较高的选择性，对铜绿微囊藻 ( m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ) 的选择性较差。水泥池中每升水放养长肢秀体涵6 0 0 个以上，即 可对水体中浮游动物和藻类的数量、生物量、群落结构产生显著的影响，同时降低水体 中t n 、t p 和c o d m l l 的浓度，增加水体透明度。 1 3 3 2 非经典的生物操纵 而非经典的生物操纵( n o nt r a d i t i o n a lb i o m a i l i p u l a t i o n ) 理论则是，通过控制肉食性鱼 类同时增加以浮游生物为食的滤食性鱼类，鲢鱼( h y p o p h t h a l m i c h t h y sm o l i t r i x ) 、鳙鱼 ( a r i s t i c h t h y s 刀d 6 f ，神来直接牧食蓝藻水华的生物操纵方法【4 2 】。刘建康等【4 3 1 在1 9 8 9 ，1 9 9 0 和1 9 9 2 年在武汉东湖里进行了三次原地围隔实验，证明鲢、鳙的大量放养，是1 9 8 5 年 起至2 0 0 0 年秋季水华消失的决定性因素。巢湖管理委员会也采取大量放养鲢、鳙的措 施，取得了显著除藻的效果，使巢湖的水质得到净化m 】。金春华等【4 1 ； 2 0 0 0 年底和2 0 0 1 年初，在宁波月湖每lh m z 水面放养尾均重2 5 6g 鲢、鳙鱼种3 5 0 0 尾和平均体长7 5c m 的三角帆蚌( h y r i o p s i sc u m i n g i o 蚌种6 7 0 0 尾。2 0 0 1 和2 0 0 2 年不再出现蓝藻水华，水体 表观质量明显提高，透明度保持在1 0 0c m 以上。2 0 0 1 年8 月份月湖浮游蓝藻数量比2 0 0 0 年同期下降8 7 5 ，t n 下降2 6 0 ，t p 下降7 0 0 。田丽等【4 6 】利用室内受控生态系统 实验，研究鲢鱼和芦台鲐鱼对富营养化水体中藻类的控制作用。实验结果显示，在一定 密度下放养滤食性鲢鱼是可以起到控藻作用的。一定密度的芦台鲐鱼与水生植物联合养 殖也会起到控藻作用。放养鱼类控藻都要在适当的密度下，密度过大或过小都会影响控 藻效果。同时还发现，鱼类的放养会使水体中蓝藻在浮游植物中的比例增大。 一般来说出现蓝藻在浮游植物中的比例增大是因为，蓝绿藻对于浮游动物的食用价 值很低，而且通常形成尺寸较大的群体( 胶质球体和片状) 使其难以被滤食性动物所食用。 还有许多种蓝藻分泌的产物对于水生植物和动物具有毒性。鲢、鳙对水华蓝藻( 微囊藻) 的消化利用率只有2 5 3 0 t 4 7 1 ，浮性的鲢、鳙粪便中存在着大量未消化的蓝藻，这些 蓝藻细胞能很快回到系统直接参与群体的增殖。另外也有研究发现，大型浮游植物被大 量滤食后，减少了微小浮游植物的养分竞争，而微小种类的繁殖能力较强，其生物量往 往会上升甚至取代大型种类，有时浮游植物的总生物最也因此而增加【4 8 】。唐洪玉等4 9 】 的研究表明，在有一定密度长刺泾( d a p h n i al o n g i s p i n a ) 的围隔条件下，放养鲢鱼后，长 9 河北大学理学硕士学位论文 刺潘密度很快下降，原生动物和小型轮虫密度上升，浮游植物起初有所减少，但很快又 上升，c h l a 含量始终明显上升。这说明鲢鱼的放养加速了浮游植物的生长繁殖，增加了 浮游植物c h l a 的含量。同时，鲢鱼的放养，显著地增加水体n h 4 + - n ，t p 含量。因此， 在利用鲢、鳙鱼控制蓝藻水华时，需要对治理水体的动植物群落结构及其相互关系和周 围环境的特点有相当的了解，并制定合理的放养时间和放养密度。 1 3 3 3 生物操纵相关的理论 生物操纵也称食物网操纵( f o o d w e dm a n i p u l a t i o n ) ，与此理论相关的理论有：“营养 级联相互作用”( a s c a d i n gt r o p h i ci n t e r a c t i o n ) 和“上行一下行作用模型”( b o t t o m - u pa n d t o p d o w nm o d e l ) 。 t c 营养级联相互作用，是c a r p e n t e r 和k i t c h e l l 等1 5 0 】提出的概念，其主要观点是食物网 顶端的生物种群数的变化，通过对体型大小不同生物的选择性捕食，在营养级上自上向 下传递，最终对浮游植物和初级生产力产生较大的影响。与生物操纵不同的是它是为了 解释湖泊内和湖泊之间基本的初级生产过程的差异，营养状态决定湖泊可能实现的生产 力大小，处于相同营养状态的水体生产力的差异则是因食物网作用的结果。大型枝角类 等草食性浮游生物被浮游生物食性鱼类选择性捕食，因此使体型较小的浮游生物增加。 而当这些鱼类不存在时，由于肉食性浮游动物对小型浮游动物的捕食和植食性浮游动物 之间的竞争，体型较大的浮游动物占优势，与同等生物量的体型较小的浮游动物，如网 纹溢( c e r i o d a p h n i as p ) 、轮虫( r o t i f e r a ) 和哲水蚤( c a l a n o i d a ) 等相比，体型较大的浮游动物， 如长刺潘、透明涵( d a p h n i ah y a l i n e ) 的食谱较广，不但能有效摄食个体大小和体形不一 的浮游植物，而且其分泌营养物较少，水体营养循环速率降低。 c c 上行一下行作用模型是m c q u e e n 等【5 l 】提出的。传统的湖沼学