（环境工程专业论文）鱼类生物操纵在苏州水环境治理中的应用研究.pdf

a b s t r a c t i h eb i o m a n i p u l a t i o no ff i s hw a st oe f f e c tn u t r i t i o u ss u b s t a n c ei nr i v e r st oi m p r o v e w a t e rq u a l i t yb yc h a n g i n gt h ec o m p o s i t i o no ff i s hw h i c hl i e di nt h et o p eo ff o o dw e b w i t h t h eh e l po ft h ei n t e g r a t e dd e m o n s t r a t i o n a lp r o j e c to ft h ei m p r o v e m e n to ft h ea q u a t i c e n v i r o n m e n tq u a l i t yi ns u z h o u ，t h eb i o m a n i p u l a t i o ne f f e c to ff i s hw a ss t u d i e dt of i n d b i o l o g i cc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ea q u a t i ce n v i r o n m e n tq u a l i t yi nc i t ya n d s o l v et h ee n d o g e n o u sp o l l u t i o no fw a t e r a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o n ，t h ew a t e r c h a r a c t e r i s t i c so fm i a o j i ar i v e rw a sl o wd o 、h i g ho r g a n i cs u s p e n s o i dc o n t e na n dt h e b r e a k i n go u to fa l g ab l o o m si ns u m m e r a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa q u a t i c e n v i r o n m e n t ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n df i e l dt e s tw a sp r o c e s s e db yr e l e a s i n gx e n o c y p r i d a v i d ib l e e k e 、s i l v e rc a r p 、b i g h e a d ，t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ts u s p e n s o i dc o n t e ni nw a t e r w a sr e m o v e da n dv i c o u sr e p r o d u c t i o no fa l g aw a si n h i b i t e db yt h eb i o m a n i p u l a t i o n f u n c t i o no ff i s h 1 、s i m u l a t i v ee x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r y ( 1 ) t h er e s u l t si n d i c a t e d ：t h et h ex e n o c y p r id a v i d ib l e e k e rh a di n h i b i t o r ye r i e c to n a l g aa n dc a l li m p r o v et h et r a n s p a r e n c yo fw a t e rb yi n g e s t i n gag r e a td e a lo fo r g a n i c s u s p e n s o i dc o n t e nw h e nt h eb i o m a s sr e l e a s e dw a sa b o u t4 0 9 m 3 a tt h i sp o i n t t h e r e m o v a lo f o r g a n i cd e b r i si s1 3 4 m g g d a n dt h er e m o v a lr a t eo f a l g ac a nr e a c h3 2 9 ( 2 ) s i l v e rc a r pa n db i g h e a dh a dg o o di n h i b i t o r ye f f e c to na l g aa n dt h e i r b i o m a n i p u l a t i o nf u n c t i o nw a sd i s t i n c ta tt h ep r o p e rr e l e a s i n gd e n s i t y t h er e m o v a lr a t eo f a l g aw a s2 6 9 w h e ns i l v e rc a r pw a sr e l e a s e ds o l e l y t h er e m o v a lr a t eo fa l g aw a s 2 1 1 w h e nb i g h e a dw a sr e l e a s e ds o l e l y t h er e m o v a lr a t eo fa l g aw a s2 8 5 w h e n s i l v e rc a r pa n db i g h e a dw e r em i x e d 2 、d y n a m i ct e s ti nf i e l d ( 1 ) 1 1 1 er e s u l t si n d i c a t e d ：x e n o c y p r id a v i d ib l e e k e rc a ne n d u r et h el o wd i s s o l v e d o x y g e ni np o l l u t e dw a t e r t h e yc a ni n g e s tw h e n t h ec o n c e n t r a t i o no fd or e a c h e dt h ep o i n t o fs u f f o c a t i o nr o 2 5 m g l ) t h ei n g e s t i n gr a t er e a c h e da b o u t5 3 e v e r yd a yi nt h eo r d i n a r y c o u r s e a f t e rt h er e l e a s i n go fx e n o c y p r id a v i d ib l e e k e r , t h ec o n c e n t r a t i o no fd oi nw a t e r i m p r o v e d ，t h ec a t e g o r ya n dq u a n t i t yo fp l a n k t o nw e r ei n c r e a s e da n dt h eb i o d i v e r s i t yo f r i v e re c o s y s t e mw a si m p r o v e d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ef i e l dt e s t s i l v e rc a r pa n db i g h e a dc a l ln o ts u r v i v ew h e nt h e c o n c e n u a t i o no fd ow a sl e s st h a n2 m g l i tw a sn o ta p p r o p r i a t et ou s es i l v e rc a r pa n d b i g h e a dt op u r l 母t h ew a t e r i nt h er i v e rw h i c hw a sp o l l u t e ds e r i o u s l y k e y w o r d s ：b i o m a n i p u l a t i o n ，x e n o c y p r id a v i d ib l e e k e r , l o wo x y g e n ，o r g a n i c s u s p e n d e dd e b r i s ，a l g ab l o o m s 2 河海大学硕士论文 第一章绪论 1 1 城市水环境现状 1 1 1 我国城市水环境现状 水是自然环境的一个因子，是城市自然环境中重要组成部分，水资源量的多少 和水质的优劣等水问题越来越成为制约着现代城市繁荣和兴盛的关键因素。随着工 业的发展和人口的增长，城市污水排放量剧增，对人们的生产生活产生了极为不利 的影响。在国家环保局污染控制司2 0 0 3 年统计的城市河段中，约8 7 的河段受到不同 程度的污染，其中1 6 的城市河段属严重污染，1 1 的城市河段属重度污染，1 5 的 城市河段属中度污染，3 3 的城市河段属轻度污染，仅2 3 的城市河段水质较好【”。 城市水环境污染的主要原因是由于生活污水、工业废水等直接入河造成的 2 】，2 0 0 4 年全国废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿吨，生活污水排放量 为2 6 1 3 亿吨。化学需氧量排放量为1 3 3 9 2 万吨，与2 0 0 3 年基本持平，其中工业排放 量蔓j 5 0 9 7 万吨，生活排放量为8 2 9 5 万吨；氨氮排放量为1 3 3 0 万吨，t e 2 0 0 3 年略有增 加，其中工业排放量为4 2 2 万吨，生活排放量为9 0 8 万吨。据统计，由于污水排放量 较大，污水处理率仅为3 4 。许多城市水域几乎是有河皆脏、有水皆污口j 。 目前我国城市水环境主要面临以下问题【4 j ： ( 1 ) 水体污染严重 根据2 0 0 4 年中国环境状况公报资料：2 0 0 4 年监测的2 7 个重点湖库中，i i 类水 质的湖库2 个，i i i 类水质的湖库5 个，类水质的湖库4 个，v 类水质湖库6 个， 劣v 类水质湖库1 0 个。类、v 类、劣v 类水质湖库分别占1 4 8 ，2 2 2 ，3 7 0 。 其中“三湖”( 太湖、巢湖、滇池) 水质因总氮和总磷浓度高而均为劣v 类。太湖水 质与上年比有所改善，但仍处于中度富营养状况。七大水系的4 1 2 个水质监测断面 中，i i i i 类、i v v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：4 1 8 、3 0 3 f n2 7 + 9 ， 主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。多数城市水源地 己受到不同程度的污染，很难找到适合的饮用水水源地，普遍呈现水质型缺水危机。 水污染加重导致的直接后果就是水体富营养化，n 、p 等营养物质不断增加导致水体 富营养化进程加快。 河海大学硕士论立 ( 2 ) 水生态系统失调 外界环境输入水体的污染物质过多导致水体水质恶化，透明度下降，造成水生 态系统失稳，功能退化。主要表现在浮游植物种类组成多样性降低，优斡种变化f 4 】； 水生植被面积减少，群落和物种多样性降低。 ( 3 ) 水体景观功能退化 制筋混凝土构建的直立河岸、硬质基底等工程措施大大削弱了水体作为生态系 统自身的调控功能，自然水系被人为分割。水体的污染严重影响了水的功能用途， 使水生植被大量的消失，鱼类减少，水华的暴发和黑臭现象的发牛，水的景观、娱 乐功能小复存在。 1 1 2 苏州城市水环境现状 苏州市位于长江、太湖下游，地势平坦，市内外河道纵横密布，河湖串通，流 速缓慢，流向不定，属于自流性河网地区。全市总而积8 4 8 8 平方公晕，其中平原占 5 5 ，水面占4 2 。苏州市是我国经济最发达的城市之一，近年来，随着工农业生 产和城市建设的发展，大量污染物质排入周边河流，造成苏州市水环境质量下降。1 5 l 【6 1 与国内其它城市类似，苏州城市河道水体富营养化严重、高温季节河道易发生 黑臭现象，水生态系统遭到严重破坏。苏- h 城市河道水环境现状主要有如下特征： ( i ) 水体富营养化现象同趋严重。由于苏州古城区民居多为前面临街后面靠河， 生活污水直接排入河道的现象较为普遍。另外，古城区目前实行的是截流式合流制一 雨天大量未缀处理的生活污水也直接排入了河道。污水中含有大量的n 、p 等营养物 质，加重了水体的富营养化，如苏州古城区南园水系1 n 、n i t 3 - n 、t p 含量分别达 4 5 6 m g l 、3 6 6 m g l 、0 3 5 m g l ，导致夏季高温季节藻类大量繁殖，暴发水华e ( 2 ) 溶解氧严重小足。苏州城市河道水环境主要特征之一是水体中溶解氧严重 不足，部分河道甚至处于厌氧状念，厌氧河道常常发生黑臭现象。经初步调查，苏 州古城区有1 3 的小型河道在高温季节发黑发臭，有些断头浜的黑臭期达3 0 0 余天， 年。 ( 3 ) 水体透明度低。苏州城市河道由于调水等因素造成水体中外源性污染物增 多，加之地表径流带入泥沙，浮游生物的死亡等因素。水中悬浮物较多，造成水体 透明度较低、浊度较高。 ( 4 ) 底泥淤积严重。整个市区河道坡降仅为十万分之一，除大运河外，主要河 ( 4 ) 底泥淤积严重。整个市区河道坡降仅为十万分之一，除大运河外，主要河 河海大学硕十论文 道水流十分缓慢，河水滞流加之河道长期接纳污废水，河底淤泥沉积严重，苏州古 城区河底淤积的底泥厚度平均达至u 3 0 c m 以上。据1 9 9 7 年苏州市普查勘测资料显示， 全市2 14 万条河道淤积总土方量为1 。2 7 亿m 3 。前几年重经济发展轻河道保护，填河塞 浜的情况较为普遍，造成了不少断头浜和死沟死浜【7 】。底泥中的有机物在细菌作用下， 发生好氧性和厌氧性分解，前者消耗水体中的溶解氧，后者则产生有机酸、二氧化 碳、甲烷、氨、硫化物等有臭味的物质。这些底泥有机物分解产物在从水体下部向 上部逸出的过程中可发生氧化性降解，从而进一步消耗水体中的溶解氧【8 】。此外，在 一定的水动力条件下，底泥还可能通过再悬浮使水质受到污染。 ( 5 ) 水质污染日趋严重。近年来苏州市区河道水质基本上常年处于劣v 类水状 况。根据 2 0 0 3 年度苏州市水功能区监测年报统计，对全市2 3 8 个水质监测断面进 行评价，其中v 类水和劣v 类水的断面为1 6 9 个，占总监测断面数的7 1 。主要因子 是溶解氧( d o ) 、高锰酸盐指数( c o d m 。) 、五日生化需氧量( b o d 5 ) 、氨氮( n h 3 - n ) 和挥发酚( f n ) 分别超i i i 类标准5 8 8 、6 8 5 、4 4 2 和2 2 6 。2 0 0 1 2 0 0 3 年苏州 市地表水中v 类水和劣v 类水所占的比例逐年上升，分别为6 3 4 、6 4 1 、7 1 0 ， 水质呈进一步恶化态势【7 j 。 苏州城区河道水质污染对整个苏州市环境、社会、经济等各方面发展均造成了 较大的危害，突出体现为：严重破坏城市的自然及人文景观，危害人体健康及人 群居住环境；造成苏州城区污染河道两岸土地价格下降，影响沿岸土地开发利用 和中心城区产业布局调整；有损苏州城市形象，与其“东方水城”、“江南天堂”和旅 游胜地的盛誉极不相称；破坏可持续发展的原则，危及子孙后代的生存和发展。 如何有效地治理苏州城市河道水质污染已成为当前苏州市最为关注的环境问题之 一o 1 2 我国城市水环境治理现状 城市水环境问题引起了国家及有关政府部门的关注，已经采取了措施对城市水 环境进行了治理，并已不同程度地发挥了作用。主要治理措施有： ( 1 ) 完善城市生活污水收集管网，实行污水截排一】【1 0 1 。 由于污水排放是河流遭受污染的最直接、最主要因素，首先应当截排干净。我 国传统的城市排水管道是同时收集雨水和生活用水的市政下水管道，人口的剧增使 塑壅查堂堡主堡壅 污水排放量增加。目前，许多污水处理厂几乎都是因为城市排水管网是雨污合流， 生活污水的收集率低，污水处理率得不到保证。若城市污水管网实行雨污分流，可 减轻污水处理厂的负担，并截断污水进入河流的渠道，避免河道污染的加重。上海、 北京等大城市己进行老城区排水管网的改造和新城区“雨污分流”制排水管网的建 设，江苏常州生态型城市居住区的水环境系统给我们提供了很好的示范工程。 ( 2 ) 河道清淤 河道由于接纳污水，底泥已经受到严重污染，底泥发酵产生的臭气成为河水发 臭的直接原因。感潮河段的水流流速慢、具有往复性，污染物的沉积量更大。有的 河段底泥中甚至含有有毒重金属，成为环境系统污染的有害物质。因此，河道底泥 应该进行清理和安全处理。河道清淤不仅有利于河流生境的恢复还有利于增加过 水量，增强河道防洪功能。但河道清淤虽可减少清淤的河道中的有机质及营养盐的 蓄积量，但如过度挖泥，破坏原生活在该处生物的生境及水体生态系统的结构，将 削弱或破坏原有污染物质迁移、转化、输出途径，又会加速与加剧生态阻滞及淤积。 ( 3 ) 引水冲污 引水冲污可以提高水环境容量，增加水体的稀释和自净能力，提高城市景观功 能。苏州市实施了两条引水工程，一是从长江引水，2 0 0 4 年1 月8 日建成通水的西塘 河引水工程是从沟通长江和太湖的运河望虞河东岸的琳桥港开始，沿琳桥港一 西塘河一十字洋河建立一条清水通道，i j l 2 4 m 3 s 长江水进入环城河；二是利用太湖水 源自流引水。苏州市境内1 4 4 k m 的环太湖大堤沿线有1 0 2 个控制口门，除主汛期外， 基本长年处于开启状态，以便清洁的太湖水流入苏州城区西部河道。两条引水工程 实施后，有效地改善了环城河的水质，同时改善了苏州水网河流的水动力条件，为 苏州古城区水环境质量的改善创造了较好的外部条件。但从另一个角度看，虽然引 水冲污可降低治理水体中污染质的量，但将增加受纳水体的污染负荷，存在引水后 水体藻类暴发及给下游带来新污染的潜在风险。 ( 4 ) 河道曝气复氧工程 在水和废水处理过程中，曝气充氧的生物降解方法被广泛的应用。如果河道水 体中的溶解氧恢复至r 3 m g l 以上，能使水体中的好氧生物降解过程正常进行，可以消 除黑臭现象，并有利于水体生态系统的逐步恢复。北京亚运会期间，国家对亚运村 附近河道进行充氧实践，水质改善效果明显。国际上有美国的特拉华河、英国的泰 河海大学硕士论文 晤士河和日本大阪市河流曝气复氧的成功经验。曝气复氧能增加水体溶解氧浓度， 加快恢复河道生态系统的良性循环，为鱼类生存创造必要的条件。但河道的人工增 氧也存在些负面效应，虽可促进有机质矿化，降低湖水中c o d 的浓度，无法迁移、 转化、输出其分解后的无机氮磷等产物，又促使浮游藻类生长繁殖，导致水体中有 机质浓度反弹】。 ( 5 ) 生态修复工程 城市河道治理传统的方法以防洪保安为主要目的，但目前生态修复已成为水环 境治理的国际潮流，发达国家在水环境治理和改善方面进行了大量研究和实践，已 逐步走向以水生态系统的恢复和保护为主的路线。如在进行河道空间治理时，河道 护坡采用利于植物生长的多孔植物生态砖，这是一种生态复原、亲近大自然的新工 艺。此外，还可以采用城市人工湿地、恢复自然型河道等措施净化水质。 1 3 课题的提出 上述城市河道水环境治理的有关措施经过实践都已经取得了一定的效果，但负 面效应也是同时并存，且耗资巨大，在整体和长远效果上收效甚微，很难从根本上 解决问题。因此，在我国现有经济条件下，利用河流自然条件，强化生态治理，是 我国控制水污染、治理城市水环境的根本出路。河流是一个城市的重要组成部分， 对其的整治必须以提高水生态环境的质量、生物多样性及景观多样性为目的。因此， 本论文从改善河流生态系统出发，提出了一种城市河道水污染治理的新思路，即采 用生物操纵技术恢复城市河道水体原有的生态平衡。s h a p i r o 等人在1 9 7 5 年首先提出 了“生物操纵”的概念，主要是以改善水质为目的的水生生物群落的控制管理。具体 而言，即通过放养凶猛鱼类或通过直接捕除或毒杀的方式来控制食浮游生物鱼类， 借此壮大浮游动物种群来遏制藻类。历史上，渔业生物学家更多的关注如何最适地 获得商业和休闲渔业的产量而缺乏考虑鱼类对水质的潜在影响。而国内研究资料仅 侧重养殖技术，很少有人利用鱼类的食性特点进行水质净化的研究。2 0 世纪6 0 年代， 湖沼学家【1 2 1 开始意识到鱼类也能成为调节湖泊生态系统中浮游生物群落结构和水质 的重要驱动因子，并从此开始广泛地关注鱼类对湖泊生态系统食物“网、链”及水 质的影响并进行了大量的研究，迄今，相关的文献已超过1 9 0 0 多篇。在对生物操纵 理论的具体应用中，更多地注重较高营养级的鱼类( 主要是食浮游生物鱼类) ，即更 河海大学硕士论文 注重利用“下行影响”( t o p d o w ne f f e c t ) 的原理，( “下行影响”即c 鱼类一浮游动物一 浮游植物一理化因素”，是指生态系统中较高营养级的生物对较低级营养级的生物乃 至理化环境的控制或调节作用。) 通过改变鱼类的组成来调整湖泊营养结构，从而加 速水质的恢复。 苗家河土著鱼类种类贫乏，数量稀少，仅有鲫鱼( c a r a s s i u sa u r a t n s ) 、逆鱼 ( a c a n t o b r a m as i m o n ib l e e k e r ) 、鲳鲦( h e n i c u l t e rl e u c i s c u l u s ) 、青鲻( o r y z i a sl a t p e s ) 等凡种耐污鱼类，且个体小、生长发育缓慢、性腺发育不良，河道水体的生态环境 处于极不稳定状态。位于食物“网、链”顶端的鱼类，很难对河道中浮游生物及水体 环境起到调控作用。因此，本研究针对苗家河水质污染严重的特点，提出了用人工 调控的方法改变苗家河的鱼类组成结构，以发挥生物操纵技术对该河道水体的改善 作用。利用黄尾密鲴摄食有机碎屑的食性特点，开展利用黄尾密鲴进行水生态修复 及水质净化的研究。通过鱼类的生物控制作用，对苏州城市河道水体中有机碎屑及 藻类等进行去除，以增强城市河道水体透明度，控制水体富养化，使苏州城市水环 境得到较好的改善，同时，利用生物操纵技术实现的水体综合治理方案，为今后类 似城市河道水污染治理问题的研究提供一种新的研究途径。 1 4 主要研究内容 针对水体富营养化及水中有机碎屑较多等问题，通过食物“网、链”关系，提出 利用鱼类的生物操纵作用降低水中有机碎屑含量并控制藻类水华暴发的生态治理方 案。研究内容主要包括： ( 1 ) 通过对苗家河水体理化特性的监测以及对苗家河土著鱼类的调查，分析河 道水质污染状况对土著鱼类种类及生存状态的影响，了解土著鱼类对河道水体的生 物操纵作用，为人工调控河道鱼类的组成、充分发挥鱼类净化水质的生物操纵作用 提供试验依据。 ( 2 ) 通过对耐低氧性的黄尾密鲴生物学特性的研究，在借鉴生物操纵技术及其 应用的基础上。充分利用黄尾密鲴降低河道有机碎屑含量，并抑制藻类水华现象的 发生。 ( 3 ) 通过对黄尾密鲴不同放养密度的试验研究，找出合理的放养密度，寻求最 佳水质净化效果。 6 河海大学硕士论文 ( 4 ) 通过对黄尾密鲴、鲢、鳙等鱼类在适宜的放养密度下进行现场试验研究， 观察鱼类的摄食选择性对有机碎屑的去除及对藻类的抑制作用，并根据水质的特点 选择出适合的鱼种。 1 5 研究目标及技术路线 1 5 1 研究目标 本论文结合苏州水环境整治中存在的问题，旨在探讨适合苏州本地区、技术经 济合理的生态修复技术，通过放养合适的鱼类，去除水中悬浮有机碎屑，提高水体 透明度，并结合其它生物修复技术，最终使河道水体恢复到生物种类丰富，河道自 净能力强的稳定水生态系统，为苏州水环境的治理和改善找出一条新路。 河海大学硕士论文 1 5 2 研究技术路线 技术路线见图1 1 。 图1 1 技术路线图 8 河海大学硕士论文 第二章生物操纵理论及其应用 2 1 生物操纵理论 2 1 1 经典的生物操纵理论 2 1 1 1 生物操纵理论的产生及发展 在世界范围内，富营养化已经成为影响湖泊水质的主要问题。富营养化问题 的核心是营养盐大量输入引起浮游植物的过量生长，导致水质恶化使生态平衡遭 到破坏。实践表明无论是外源营养负荷的削减，还是各种除藻措施的实行，均不 能取得良好而持久的效果。一些不适当的物理、化学方法还加剧了原本脆弱的水 生生态系统的破坏f 1 4 】1 1 5 1 j f l 6 1 。水生生态学家开始探索一种简单而经济的解决方 法，1 9 7 5 年s h a p i r o 及其同事首先提出了“生物操纵”的概念，s h a p i r o 等是最早意识 到可以利用食物“网、链”结构对水体初级生产力的决定性影响来控制水体富营养 化的学者。生物操纵又称食物“网、链”操纵( f o o d w e bm a n i p u l a t i o n ) ，是利用生 态系统食物“网、链”原理和生物的相生相克关系，通过改变水体的生物群落结构 来达到改善水质、恢复生态平衡的目的【1 7 】，即通过去除食浮游生物食性鱼类 ( p l a n k t i v o r e ) 或添加肉食性鱼类( p i s c i v o r e s ) 来降低浮游生物食性鱼的数量， 调控浮游动物的群落结构，促进滤食效率高的植食性大型浮游动物，特别是枝角 类的发展，从而提高浮游动物对浮游植物的摄食效率，最终减少浮游植物生物量 【i9 1 2 0 l 。 生物操纵理论一经提出就有了新的发展，1 9 8 5 年，一种综合了生态系统是由 营养物质和高级捕食者共同调节的观点产生了，即c a r p e n t e r 和鼬t c h e l l 等提出的 “营养级联反应，( c a s c a d i n gt r o p h i ci n t e r a c t i o n s ) 【2 1 】。“营养级联反应引入了营养 物质的作用，其主要观点是食物“网、链”顶端生物种群的变化，是通过对体型大 小不同生物的选择性捕食，在营养级中自上而下传递，最终对浮游植物和对初级 生产力产生较大影响。水体的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、链”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 9 河海大学硕士论文 的浮游动物相比，体型较大的浮游动物的食谱较广，能摄食各种浮游植物，且分 泌的营养物较少，水体营养循环速率降低。1 9 8 6 年，m c q u e e n 等提出了上行下行 理论( b o s o m u p ：t o p d o w nt h e o r y ) 【2 2 】，它综合了资源的影响( 营养物质浮游 植物- 浮游动物一鱼类的上行作用) 和捕食者( 鱼类种群生物量和年龄组成变动对 淡水生态系统结构和功能影响的下行作用) 。与营养级联反应相比较，上行下行 理论预测富营养化水体中，鱼类对藻类影响不大，因此系统主要由上行理论控制； 鱼类只有在低生产力( 贫营养) 系统中，才对藻类种群的发展起重要作用。生物操 纵、营养级联反应和上行下行理论都是以浮游动物为调控的主要因子，以控制 肉食性鱼类或浮游生物食性鱼类为主要手段的理论，可以将其看做为同一理论体 系。 2 1 1 2 经典生物操纵理论的作用机制 ( 1 ) 控制肉食性鱼类或浮游生物食性鱼类 经典的生物操纵理论、营养级联反应、上行下行理论，具体应用时多用化 学方法毒杀、选择性网捕、电捕、垂钓等方法来减少5 0 1 0 0 的浮游生物食性 鱼类或者高密度放养肉食性鱼类来减少浮游生物食性鱼类，促进大型浮游动物和 底栖食性鱼类( 可摄食底栖附生生物和浮游植物) 的发展。b e r g m a n 【2 3 j 研究表明， 通过去除浮游生物食性鱼类( 鲤科鱼类) 的5 0 8 0 ，使肉食性鱼类与浮游生物 食性鱼类比率为1 2 - - 4 0 时，对r i n g s j o n 湖进行的治理效果最好。e 1 一s h a b r a w y 4 驯 等研究n a s s e r 湖沿岸带浮游动物空间和季节性变化，发现由于缺乏浮游生物食性 鱼类，导致轮虫、桡足类浮游动物占有优势。j a c o b s e n 等口5 1 研究显示，肉食性鱼 类影响浮游生物食性鱼类的种类和大小，浮游生物食性鱼类影响浮游动物( 水蚤) 的丰度和种类。b e k l i o g l u t l 2 6 1 等所进行的e y m i r 湖实验中，也发现控制放养浮游生 物食性鱼类丁鲷( t i n c a t i n c al ) 和底栖食性鱼类鲤鱼( c y p r i n u sc a r p i ol ) 一年 后，导致了透明度增加2 5 倍，无机悬浮固体颗粒浓度减少为l 4 5 ，叶绿素a 浓度 降低。丹麦v m a 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 ( a b r a m i sb r a m a ) 和底栖杂食性鱼类拟鲤( r u t i l u sr u t i l 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技角类占优势，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 的2 5 m m 3 l 下降为1 9 8 7 年的 1 2 m m 3 l 和1 9 8 8 年的7 m m 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 河海大学硕士论文 大型硅藻和绿藻及隐藻。n 、p 浓度显著下降，夏季平均透明度由1 9 8 6 年的0 6 m 上升至1 9 8 7 年的1 0 m 和1 9 8 8 年的1 3 m 。光照条件得到改善。 ( 2 ) 直接投加浮游动物 浮游动物( z o o p l a n k t o n ) 在淡水生态系统中起着重要的作用，一方面是食物 “网、链”的重要环节，一方面又能积累和代谢一定量的污染物，是生物操纵的关 键因子之一。通过浮游动物的摄食( 下行作用) ，可以达到直接控制浮游植物的目 的。研究者针对不同的湖泊生态特征，筛选可控制优势种藻类的浮游动物直接投 加。在爱沙尼亚的轮藻支配的浅水p r o s s a 湖【2 7 1 里，5 月下旬出现了水华之后，浮 游植物生物量就保持在非常低的水平。在6 月中旬以前透明度已经增加到2 6 m 。 推测是由于浮游动物的摄食减少了可食用浮游植物的生物量，从而使整个夏天和 秋天湖水保持清澈。为了使浮游动物起作用，必须要有特殊的条件和保证浮游动 物不被幼鱼食用。s a r v a l a 2 8 1 等从p y h a j a r v i 湖数据表明，晚夏的叶绿素含量可以通 过总磷和水蚤生物量预测：当浮游生物食性鱼的密度l t 1 5 k g h a ，将会导致叶 绿素降低。因此，以水蚤等大型透明涵动物占优势的湖泊中藻类生物量和生产力 较低。p o g o z h e v 等【2 9 】研究n n k n 5 1 1 ( d a p h n i a l o n g i s p i n a ) 可以有效减少蓝细菌 的数量n 1 3 5 0 ( 与对照相比) ，也能减少铜绿微囊藻( m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ) 的生物量。我国学者陈济丁1 3 0 1 等人认为，大型浮游动物对浮游植物的控制作用是 明显的，从群落水平上看，大型植食性浮游动物能把藻类生物量控制在极低的水 平，利用大型浮游动物是控制浮游植物过量生长的一种有效方法。我国石岩【3 1 1 等人进行的实验结果也表明，利用水生浮游动物可使湖水色度变小、氮磷浓度降 低、藻类被除掉、透明度上升。 2 1 1 3 经典生物操纵理论的局限性 生物操纵理论自提出以来，通过实践已经取得了一定的成果，但同时也存在 一定的局限性，并非每次试验都能取得成功【3 ”。 ( 1 ) 肉食性鱼类生物操纵作用的局限性 s h a p i r o 等生物操纵论者提出的治理对策是：放养食鱼性鱼类以消除食浮游 动物鱼类，或捕除( 或毒杀) 湖中食浮游生物的鱼类，借此壮大浮游动物种群， 然后依靠浮游动物来遏制藻类，从而避免富营养化的危害。但p e r r o w 【3 卅发现并 非完全去除浮游生物食性鱼就一定有利于改善水质，他在试验后期发现水中磷的 河海大学硕士论文 浓度居高不下，而且发生鱼类死亡现象。n o o n a n 所进行的城郊小型湖泊试验也 出现类似的结果【3 4 】。s e d a t 3 5 1 等在水库里尽管放养了肉食性鱼类，但上行作用明 显强过下行作用，究其原因可能是由于肉食性鱼放养量的不足引起的。 ( 2 ) 浮游动物生物操纵作用的局限性 浮游动物的滤食作用可以用于恢复富营养化水体，但是也有研究者指出浮游 动物对可食用藻类的摄食可能导致不可食性藻类生长【3 6 】，而对浮游植物总的生物 量起到积极促进作用。不可食性藻类的水华的控制将是富营养化湖泊的生态修复 的一个新的研究热点。 2 1 2 非经典生物操纵的理论 2 1 2 1 非经典生物操纵理论的提出 经典的生物操纵理论中所依靠的关键因子是浮游动物，因此势必会造成某些 浮游动物的大量繁殖，从而有可能引发新的问题。目前有些学者提出利用滤食性 鱼类不仅滤食浮游动物，有的也能滤食浮游植物的特点，利用滤食性鱼类直接进 行对浮游植物的生物操纵，这一设想已经在多个试验中得到了证实。在中国武汉 的东湖，武汉水生生物研究所的谢平博士后所领导的研究组利用放养鲢、鳙的办 法控制了微囊藻的水华，至今效果长达十余年之久d 7 】。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1 3 8 1 。云南滇池利用鲢、鳙进行藻类 水华控制也取得了突破性的进展例。基于以上这些研究，以及世界各地报道的大 多数经典生物操纵法失败及大量的浮游动物无法有效控制富营养湖泊中的蓝藻 水华的事实，刘建康和谢平( 1 9 9 9 ) 与x i e 署i l i u ( 2 0 0 1 ) 提出了通过控制凶猛鱼 类及放养食浮游生物的滤食性鱼类( 如鲢、鳙) 来直接牧食蓝藻水华的生物操纵 并称之为非经典的生物操纵。非经典的生物操纵所依靠的放养对象正是经典的生 物操纵论者要求捕除或毒杀的对象。与经典的生物操纵法相比，非经典的生物操 纵方法具有多方面的优点。一是具有持久性。这是因为非经典生物操纵所依赖的 主体鱼类，可以存活数年，且种群可人为调控及食谱相对较宽，种群容易长期稳 定。其次能降低营养库存，通过对鱼类的捕劳作用，可以从湖泊中移走大量的营 养盐。同时，非经典生物操纵法还具有耐藻毒索性强、种群可调控及太阳能驱动 等多个优点。 河海大学硕士论文 2 1 2 2 非经典操纵理论的作用机制 非经典生物操纵理论认为直接投加滤食性鱼类也能起到很好的效果。因为滤 食性鱼类不仅滤食浮游动物，有的也能滤食浮游植物。谢平等在对武汉东湖的围 隔实验表明，滤食性鱼类鲢、鳙鱼对微囊藻的水华有强烈的控制作用，同时也滤 食了不少如桡足类、枝角类等大型浮游甲壳动物。目前，这项研究成果已在滇池、 巢湖水污染治理中得到应用。c r i s m a n t 和b e a v e r 研究认为1 4 0 j ，在热带和亚热带地 区枝角类种类较少，而且体型较小，浮游植物食性鱼是更为合适的生物操纵工具。 2 1 2 3 非经典操纵理论的局限性 有研究发现，随着滤食性鱼类的滤食活动及其生理代谢的增加，促进氮、磷 的释放，有利于浮游植物的大量繁殖：大型浮游植物被大量滤食后，导致浮游植 物趋于小型化，使浮游植物的总生物量也因此而增加【4 ”。研究更指出引入鲢鱼不 能完全地控制浮游植物，浮游植物组成有显著的改变可是生物量只稍微的减少了 一点。虽然鲢鱼的生物操纵适合于中止蓝藻水华，但是减少浮游生物食性鱼类是 比引入滤食性鱼类更合适增加水体透明度的方法。 2 , 1 3 小结 大量研究表明，生物操纵的结果存在很大差异性。各营养级上的生物种群的 组成和丰度不同，营养级间的作用存在削弱现象，浮游植物可朝大型不可食的蓝 藻发展，各个湖泊的营养状况不同，在一个湖泊成功的生物操纵方法，不一定适 用于另一个湖泊等等诸如此类的难题，可影响生物操纵的作用。根据多数学者试 验失败的经验，k a s p r z a k ( 1 9 9 5 ) 【1 2 1 归纳了生物操纵失败的部分原因是：( 1 ) 上 行效应和下行效应有时难以分离( 2 ) 食物“网、链”内的耦合遭到强烈的衰减、 随机的扰动及被季节变化所影响( 3 ) 随着摄食压力的增大，浮游植物群落将会 发展一些防御机制，如不可食性( n o n - i n g e s t i b l e ) 、不可消化性( u n d i s g e s t a b l e ) 等 ( 4 ) 随着磷浓度的升高，生物操纵成功的机会下降( 5 ) 很少考虑原生动物和细 菌的作用。但生物操纵作为一门新兴的理论，有着自身的优点。在我国目前经济 水平不够发达的形势下，针对富营养化湖泊的修复，生物操纵因其成本低，同其 它技术相比更具有可操作性：同时，我国水生生物资源丰富，也提供了更多可能 的湖泊修复手段。湖泊生物操纵不仅对富营养化湖库的治理有重要意义，而且对 湖库生态学理论的发展也很有价值。 河海大学硕士论文 2 2 生物操纵在河流生态系统中的应用 2 2 1 河流生态系统的概念 河流生态系统( e c o s y s t e m ) 是指河流的生物群落与周围环境构成的统一整 体。生态系统具有一定组成、结构和功能，是自然晃的基本结构单元。生态系统 是研究生物群落和生活环境的综合体，在这单元中，生物与环境之间相互作用、 相互制约、不断演变，并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态 4 2 】【4 3 l 4 4 1 4 5 i 。 2 2 2 河流生态系统的结构 2 2 2 1 河流的生物群落 河流中栖息着很多生物类群，它们在生态系统分别担当生产者、消费者、分 解者，构成了河流的生物群落。 ( 1 ) 生产者( p r o d u c e r s ) ，主要指植物，包括大型植物( 如挺水植物、浮叶 植物、漂浮植物和沉水植物) 、浮游植物和附着植物。 c 2 ) 消费者( c o m s u m e r s ) ，是指河流中的动物，属异养生物，以其他生物 为食物，包括浮游动物、底栖动物和游泳动物i l i 。 ( 3 ) 分解者( r e d u c e r s ) ，包括细菌和真菌等。它们生长在河流中任何地方， 包括水流、河床底泥、石头和植物表面。细菌和真菌在河流中将死亡的生物体进 行分解，维持自然界的物质循环。 2 2 2 2 河流生态系统的营养结构 河流中的生物群落经由食物“网、链”紧密地联系在一起，食物“网、链”是指 植物所固定的太阳光能量通过取食和被取食在生态系统中的传递关系。由于取食 和被取食关系复杂，形成了食物“网、链”，一般认为食物“网、链”越简单，生态 系统就越脆弱。河流生态系统的食物“网、链”较简单，因而易受到破坏。 2 2 3 河流生态系统的功能 生态系统的基本功能就是物种迁移、生物生产、能量流动和物质循环。各功 能之间相互联系，紧密结合才能使生态系统得以生存和发展【2 l 。 ( 1 ) 物种迁移物种流( s p e c i e sf l o w ) 是指物种的种群在生态系统内或系 统之间时空变化状态。 ( 2 ) 生物生产生态系统的生物生产是指生物有机体在能量和物质代谢的 i 4 塑塑查堂堡主丝苎 过程中，将能量、物质重新组合，形成新的产物( 碳水化合物、脂肪、蛋白质等) 的过程。 ( 3 ) 能量流动生态系统的能量流动是单一方向的，能量以光能状态进入 生态系统，以热的形式不断逸散到环境中，生态系统能量流动过程见图2 1 。能 量在生态系统内流动的过程中不断递减，同时能量在流动中贮能效率逐渐提高。 呼吸呼吸呼吸呼吸 图2 1生态系统能量流动过程 ( 4 ) 物质循环生态系统中的物质主要指生物维持生命活动正常进行所必 需的各种营养元素，包括近3 0 种化学元素，其中主要的是碳、氢、氧、氮和磷 五种，它们构成全部原生质的9 7 以上。物质循环是指生物圈里的物质在生物、 物理和化学作用下发生的转化和变化，物质循环过程见图2 2 。 微 生 物 的 分 解 作 用 图2 2 生态系统物质循环过程 2 2 4 河流生态系统的平衡 任何一个正常的河流生态系统中，能量流动和物质循环总是不断进行着，并 在生产者、消费者和分解者之间保持着动态平衡，也就是说系统的能量流动和物 质循环能较长期地保持稳定，这种平衡状态称为生态平衡p 6 】 2 2 5 河流生态系统的修复 前面已经述及，由于河流生态系统食物“网、链”简单，污染物质进入河流生 1 5 河海大学硕士论文 态系统后，河流生态系统易受到损害，失去原有的生态平衡。因此必须对河流生 态系统进行修复，其所遵循的原理主要有下述各项生态学原理。 ( 1 ) 生物问的互利共生原理 自然界没有任何一种生物能离开其他生物而单独生存和繁衍，生物之间的关 系可分为抗生与共生两大类。河流生态系统中生物之间也存在着这种关系。我们 正是利用河