（环境科学专业论文）三峡库区富营养化水生动植物联合修复技术研究.pdf

西南大学硕士学位 鲫鱼对水体富营养化修复不仅没有贡献，而且一定程度上还加剧了水体富营养化 进程，同时鲫鱼的存在对沉水植物的重建具有一定的破坏作用。狐尾藻、梭鱼草 和鱼类组合对水体t n 、t p 去除具有较好的效果；苦草、梭鱼草、睡莲、大漂和 鱼类组成的镶嵌组合在控制大漂覆盖面积在3 0 情况下对水体t n 、t p 同样具有 较好的去除效果，到试验结束时对t n 、t p 去除率分别已达到8 5 、9 5 以上；并 能够有效控制水体c o d 、c h l a 浓度同时提高水体s d ，而且保证水生生物生存所 必需的水体溶解氧含量，改善了水生生物的生存环境，提高了水生生态系统的稳 定性。 关键词：三峡库区富营养化生态系统 i l a b s r a c t t h er e s e a r c h0 ft h e e u t r o p h i cr e s t o r a t i o n 1 1 e c h n i q u eb ya q u a t i cf l o r aa n d f a u n ai n t h et h r e e g o r g e sr e s e r v 0 i r p o s t 伊a d u a t eo fe n v i r o i u n e n t a ls c i c e ：1 妇l a s u p e i s o r ：z h o n gc h e n 曲u a a b s t r a c t t 1 1 eb u i l d i n go ft l l r e e g 0 r g e sp r o je c th a v eah u g ee c o n o m i cb e n e f i tt o t h e c o m p r e h e n s i v ee x p l o i t a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ，b u ta tm es 锄et i m ei ta l s oh a v ea n i n f l u e n c eo nt h ee c o l o 百c a le n v i r o 唧e n to fm et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e at 0s o m e d e g r e e a r e rw a t e rs t o r e di n t om er e s e o i r ，m e 种c d b u t e so fy a i l s en a t u r a l w a t e r c o u r s eh a v ec h a n g e d d u et o s u p p o r t i n go ft 1 1 em a i l lb r a l l c h ，t h et r i b u t a r i e sn o w s l o w l ya i l dt l l er e s e r v o i rr e a l l yb e c o m e sa na n i f i c i a ll a k e l i f es e w a g ef 而mc i t i e s 觚dt o w n s ，i n 小l s t r i a lw 嬲t ew 砷e ra n dn o n - p o i n ts o u r c e c o n t 锄i n a t i o nh a v ea1 0 n g t e 锄a f f e c to nt l l er e s e n ，o i r a n dm o s tt 舶u t 撕e sa l l d b a c k w a t e ro ft 量l eb a ya r ep o l l u t e ds e r i o u s l y ，h a v i n gl l i 曲l e v e lo fn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n ， s u c ha sn i t r o g e na i l dp h o s p h o m s a r c rs t o r a g e ，w 纳e rn o w i n gs l o w l yr e s u l t si nm u c h d 印o s i t e ds i l t 丘o mw a t c r a sar e s u n ，m ew a t e rg e t sc l e a r e r 锄dm o r eb e n e f l c i a lf o r s u n l i 曲ts p r e a d i n gi nw a t e r a b o v ep r o v i d ea d v a n t a g e o u sc o n d i t i o n sf o ra l g a e 伊o w m ， e m e r g e n c ea n dd e v e l o p m e n to fe u t r o p m c a t i o n t h e r e f o r ，a a e rw a t e rs t o r e g e di nt h e t l l r e eg o r g e sr e s e r v o i r ，s o m ea r e a sh a v ed i f f e r e n tl e v e l so f e u 仃o p l l i c a t i o nb e c a u s eo f c e n t r a l i z e ds u n s l l i n e 觚dk 曲w a t e r t e m p e r a t u r e t h i sp 印e rs t i l d i e dac o m b i l l e dr c s t o r a t i o nt e c l l i l i q u ef 0 rt h ee m r o p h i cr e s e o i r u s i n ga q u a t i cn o r aa i l df a u n a i th a das i n l p l em a n m a d ee c o l o 百c a ls y s t e mw i t hn a t u r e w a t e ra 1 1 dw i t hd i f f e r e n ta q u a t i cn o r aa n df a u n a t l l et e s ti n c l u d e dt 、) l ，o p a n s p 硼o n e h a ds i x 莎o u p s ，a 1 1 de a c h 伊o u ph a do n e s p e c i e so fa q u a t i cp l a l l t sa n do n es p e c i e so ff i s h p a r t 柳oh a sf o u r 伊o u p s ，w i t l lo n es p e c i e so ff i s h 锄ds e v e r a ls p e c i e so fa q u a t i cn o r ai i l e a c hg r o u p w a t e rq u a l i t yi n d i c a t o r s 锄db i 0 1 0 舀c a li n d i c a t o r si i le a c h g r o u pw e r e m o n i t o r e d ，i nm i sw a y ，t l l ee f f e c to ft h et e n 伊o u p sw i md i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so nt h e e u t r o p l l i cw a t e rw a sa n a l y z e d 1 西南大学硕士学位 t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt 1 1 a tt h eg r o u pw i t l lp i s t i as 仃a t i o t el i l l 芏1w h o s ec o v e r a g e w 2 l s7 0 h a d1 1 i 曲v a l u e so ft pa n dt nr e m o v a l a tm ee n do f t r i a l ，m er e m o v a lr a t eo f t n 、 t pi l a sr e a c h e d8 5 、9 5 me a c hg r 0 1 l p 丽吐lp i s t i as t r a t i o t e s “n n t h e 黟o u pa l s o c o n 们l l e dc o dc o n t e n ta 1 1 dc h l ac o n c i m t r a t i o ne f f e c t i v e l y ， i n c r e a s i i l gs di i lw a t e ra i l dd e c r e a s i n gm et e m p e r 舭o fs u r f i c i a lw a t e r b u tt h el a r g e c o v e r a g eo fp i s t i a s 仃a t i o t eij n nr e d u c e dt _ h ed i s s 0 1 v e d 0 x y g e i ld r 锄a t i c a l l y ， d e t e r i o r a t i n gm e 们r o 眦锄ti n w 址c ha q u a t i co 玛a 1 1 i s m sh v e d 证n gt 1 1 ee n t i r e e x p e 血1 撒1 t ，d 0d a i l ya v e r a g ec o n c e n 仃a t i o ni sl e s st h a l l2m li i li ne a c hg r o u pw i m p i s t i a s t r a t i o t e sl i 锄1 1 l er e s u l t sa l s os h o w e d 1 a tt h ev a l l i s n 矗aa s i a t i c ah a dp 0 0 re f f e c t i o ni n 缸ss t l l d y ，b u ti tc a nr a i s ed i s s 0 1 v e do x y g e na n di m p r 0 v eo r g a l l i s me n v i r o n m e n ti n b o t t o mw a t e rw h e nc o m b i n a t e dw i t h0 t h e ra q u a t i cn o r aa 1 1 df a u n a t h ec h u bh a da c o n t r i b u t i o nt oc 【t r o l l i n gt h ec o dc 伽 e n t ，c b l ac o n c e n 仃a t i o na n di m p r o v i l l gw 酏e r t r a n s p a r e n c y b u tt h ec m c i a nh a dn oc o n t 曲u t i o nt 0t h er e s t o r a t i o n ，a 1 1 dw o r s e ni tt o s o m e e x t e n t ，d 锄a g i n gr e c o n s t m c t i o no f t 1 1 eb o t t o m p l a n t s f u r t h e m o r e ， t l l e c o m b i n a t i o no fm 蜘o p h y l l u ms p i c a n 蛐，p o n t e d 耐ac o r d a t al 觚df i s hh a dh i g hv a l u e s o ft na n dt pr e m o v a l t h ec o m b i i l a t i o no fv a l l i s n e 如a s i a t i c a ，p o n t e d 丽ac o r d a t al ， n y i i l p h a e at e t r a g o n a ，p i s t i as t r a t i o t el i 衄a n df i s hw i 廿1c o v e m g eo f3 0 a l s oh a dg o o d r e m o v a lo ft na n dt p a tt h ee n do f 日舱s e c o n dt r i a l 也er e m o v a lr a t eo ft n 、t ph a sr e a c h e d 8 5 、9 5 i l le a c hg r o u pw i 也p i s t i as 仃a t i o t e s l i i l n t 1 1 e yc o n 仃o l e dm ec o d 狃dc h l a c o i l c e n 仃a t i o n se f l f e c t i v e l y ，a sw e l la sr a i s i n gt h es d ，e n s 嘶l gd i s s o l v e do x y g e nt h a t a q u a t i co r g a l l i s m sn e e d ，i m p r 0 v i l l gm ee n v i r o n m 咖a q u a t i co r g a n j s m s1 i v e i na n d s t a b i l i z i i l ga q u a t i ce c o s y s t 锄 1 ( e y w o r d s ：1 1 1 = r e eg 0 r g e sr e s e n r o i ra r c ae u 仃0 p l l i c a t i o ne c o s y s t 锄s i v 独创性声明 学位论文题目：三坻廑匡宣萱差丝丞生动植物珐金修复 撞苤巫究 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：闫玉华签字日期：2 0 0 8 年5月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文柞者签名：r 司壬午 签字日期： z v 髫年告月歹日 锄张搠 冲 签字日期：2 洲旷军朔乡日 l 文献综述 1 文献综述 1 1 水体富营养化概述 水不仅是人类与生物体赖以生存的主要介质，而且是国民经济建设不可缺少 的重要物质资源，其重要性不言而喻。地球上水资源总量约为1 4 1 1 0 8 3 ， 绝大部分为海洋水，约占9 7 ：淡水只有3 ，大部分是冰川和地下水，最适合于 人类利用的水就是湖泊和河流中的水，这部分水只占地球淡水资源的o 2 6 【l 】。我 国水资源总量约2 8 1 2 4 亿m 3 ( 其中地下水8 0 0 0 亿m 3 ) ，居世界第六，而人均水资 源量约为2 2 2 0 m 3 ，约为世界人均水资源量的l 4 ，低于人均3 0 0 0m 3 的轻度缺水标 准，相当于美国的1 5 ，加拿大的1 4 8 ，世界排名1 1 0 位，我国被列为全球1 3 个 人均水资源贫乏国家之一。 水体富营养化是当今各国均面临的重大环境问题，越来越受到人们的关注。 目前国内外的许多水体如江河、湖泊、水库和海湾已处于富营养化状态，而且富 营养化的进程还在加剧，据联合国环境规划署( u n e p ) 的一项调查，在全球范围 内3 0 t 汾一4 0 的湖泊和水库遭受了不同程度富营养化的影响【2 1 。近二十年来，随着 人口急剧增加及工农业生产的迅猛发展，大量富含营养物质的污水未经处理大量 排放，致使我国内陆水域的水体富营养化趋势十分严峻。 1 1 1 水体富营养化的概念 富营养化( e u 仃d p l l i c a t i o n ) 是在湖泊、水库以及海湾等缓流水体的水生态系 统中，藻类通过与其它水生生物的生存竞争，逐渐取得优势并占据其它水生生物 的生存空间，同时也使自身种属减少，少数藻类恶性增殖，进而造成水中溶解氧 的急剧变化，使鱼类等水生生物因缺氧而死亡，最终导致水体老化和衰亡的一种 自然现象【3 1 。富营养化一词最初用于湖泊营养分型和演化研究中，在自然界，这 样的演化过程是湖泊生命的自然走向，是水体自然衰老的一种表现，是湖泊演化 的重要影响因素。目前，富营养化逐渐成为描述水环境污染问题的一个名词，主 要用于表示“人为富营养化”的概念。其定义为：“指由于人类的活动，水体中营 养盐浓度增加，引起浮游植物过量生长和整个水体生态平衡的改变，因而造成的 一种污染现象【4 j ，。 在自然条件下，水体富营养化过程需要经过上千年甚至上万年的漫长时间， 常常伴随着水体的面积缩小，底部变浅，最后逐渐消亡。天然富营养化是不可逆 的过程，湖泊继续演变，湖底抬升，水草丛生，变为沼泽地，从而导致湖泊最终 消亡【5 1 。但在人为活动影响下，可能在短期内会使生物所需的氮、磷等营养物质 大量输入水体，从而大大加快其富营养化进程。近年来，由于人口的增加、城市 西南大学硕士学位 化的加快与经济的快速发展，大量的生活污水及工农业生产废水排入到水体，己 远远超过了水体生态系统在自然的稳定状态下所能承受的水平，对其造成了巨大 的破坏。其中，因水体接纳了大量氮、磷等植物性营养盐，刺激浮游藻类疯长， 水面往往根据占优势的浮游植物的颜色而呈蓝色、红色、棕色或乳白色等颜色， 甚至出现有毒蓝藻蔓延，并对其他水生生物的生存构成了严重的威胁，极端的结 果是水华( w a t e rb l o o m ) 【6 1 的爆发。 1 1 2 水体富营养化的成因 关于水体富营养化问题的成因有不同的见解，其发生原因是多方面的。在一 些情况下，富营养化是水体自然发展的结果。具体来看，水体自身的特征、循环 周期、所处地质环境与气候环境的性质都可能是导致富营养化问题产生的因素， 这些因素往往交互作用，共同促进富营养化的生成。但多数学者认为水体富营养 化的根本原因是营养物质的增加，一般认为主要是磷，其次是氮，可能还有碳、 微量元素或维生素等。j o r g e n s e n ( 1 9 8 3 ) 年指出，浮游藻类的生长是富营养化的 关键过程。因此，在水生生态系统诸多因子的作用中，着重研究氮，磷负荷与浮 游藻类生产力的相互作用和关系，是揭示湖泊富营养化形成机理的途径 _ 7 1 。目前一 般采用的指标是：水体中氮含量超过o 2 o 3 p p m ，生化需氧量大于1 0 p p m ，磷含 量大于o 0 1 0 0 2 p p m ，p h 值7 9 的淡水中细菌总数每毫升超过l o 万个，表征藻 类数量的叶绿素- a 含量大于1 0 肛g l 。由于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。英国国家环境署规定，在静止水体中，总 磷浓度o 0 8 6 m g l 。1 为富营养化的临界值。 导致富营养化的营养物按其来源可分为点源、非点源、面源及水体内部自身 底泥等沉积物释放进水中的氮磷的内源。点源污染主要是来自于生活污水及工业 废水的直接排放或经处理后的尾水排放等两方面造成的污染；非点源污染则是由 大范围污染造成的，主要包括农业非点源污染、林地和草地的养分流失、气载污 染物污染、城市地表雨水径流、固体废弃物的淋溶污染及水产养殖的残饵及排泄 物等造成的污染等；内源污染是由底泥及沉积物中含有的氮磷物质通过溶解进入 水体，形成氮磷的二次污染。底泥中氮磷的溶出在机理上不同，氮以氧化分解程 度决定溶出速度，磷则以沉淀形态影响溶出速度。 1 1 3 水体富营养化的危害 水体富营养化常常会带来多方面的不利影响，其危害表现在以下几方面： ( 1 ) 对水生生态系统结构和功能的影响 水体富营养化破坏水体的食物链结构，改变水生动植物的栖息环境，严重时 2 1 文献综述 会导致一些物种的灭绝，个别种群可以在特定适宜条件下大量暴发，甚至反复暴 发f 8 9 1 ，特别是易形成水华、危害极大的微囊藻( 脚印缈胁) 【10 1 。生物多样性的 降低导致生态系统稳定性的下降，这种食物链食物网的改变也是富营养化湖泊水 华泛滥的根本原因之一【1 1 1 ，最终造成水体生态系统恶性循环。水体自身的许多固 有生态与环境功能，也会因富营养化而丧失，难以成为一个自我维持的稳定系统。 水体富营养化引起的水体生态系统变化，导致了巨大的经济损失，如堵塞航道、 水质下降、饮用水处理费用增加等。 ( 2 ) 降低水体透明度并使水体发出臭味 富营养化状态水体表面生长的大量水藻在水面上形成一层”绿色浮渣”，大大降 低了水体的透明度，而水体的色度增加水质也变得浑浊，重富营养化时透明度只 有o 2 m ，从而使水体的感官性大大下降【1 2 】。同时，有部分藻类能够散发腥味异臭 直接影响了人们的日常生活，而且也使水味难闻，降低了水质质量。 ( 3 ) 影响水体溶解氧 在富营养化水体表面，因藻类的光合作用使表层水具有充足的溶解氧，有时 甚至达到过饱和状态。但在水体下层，由于水体透明度降低以及光线在穿射过程 中的吸收而使得深层水体的光合作用减弱，另外，死亡后的藻类及微生物不断沉 积于湖底，其腐烂分解消耗深层水体中的溶解氧，使水体处于缺氧厌氧状态。从 而促进了底泥中营养物的释放，形成了富营养化水体的恶性循环。在缺氧条件 下n 0 3 n 被还原为n 0 2 - n 而n 0 2 - n 被怀疑是致癌物质【1 3 】可能会威胁水生生物 的生存，从而直接或间接地影响人类健康，造成可利用水资源的进一步减少。 ( 4 ) 危害人体健康 水体富营养化对人体的最直接危害是水质下降所引起的健康威胁。水质下降 有时只表现为气味和口味的变化，有时却可能表现为含有毒素，如铜绿微囊藻 ( m i c r o c 河sa e m g i n a s ) 含有一种肝毒素，能使动物肝脏充血肿大甚至死亡，对人 体健康存在潜在的威胁【1 4 1 。 1 1 4 水体富营养化常规处理技术 ( 1 ) 外源性截污措施 外源污染是湖泊营养盐的重要来源，因此，截污是控制富营养化湖泊营养盐 的首要步骤。在氮磷扩散污染汇入水体之前，可以采用湿地、人工塘、河滩缓冲 带、沙层或蔬菜地过滤、多池塘系统或投加硫酸铝加以治理，尽可能地减少流入 河流、水库、湖泊或海湾的氮磷量【1 5 1 6 j7 1 。但是，对湖水营养盐浓度较高的富营养 化湖泊而言，外源污染的影响已不是十分明显。而且实际上，降水、地表径流等 外源污染也不可能截除。c a n r a m 等分析了截污对i b s t h e m e 湖的影响，他们的调 3 西南大学硕士学位 查结果表明，截污能够明显降低该湖湖水中的营养盐浓度，但是却未能降低湖水 中叶绿素( c h l a ) 的浓度【18 】；因此，仅仅削减控制外源性营养盐输入尚不能有效 地控制湖泊富营养化和水质恶化【1 9 2 0 2 1 】。 ( 2 ) 内源性污染工程控制措施 因为湖泊、水库中长久积累的底泥沉积物含有大量的氮、磷等营养物质所形 成的内源性污染源，也是水体富营养化形成的重要原因之一。因此采取物理疏浚、 清淤挖泥、人工循环曝气、填沙掩蔽等方法，来减少水体沉积物的营养盐含量，从而 减轻可能发生的内源污染【2 2 】成为当前控制水体富营养化常用的物理工程措施【2 3 2 4 1 。但是物理疏浚、清淤挖泥及填沙掩蔽等工程措施不仅成本费用较高、技术难度 大，而且影响清淤结果的因素较多，有时不能得到预期的结果【2 5 2 6 1 。大规模的底泥 清淤措施还将使湖泊大量的沉水植物和底栖生物大量死亡，对原有的生态系统具 有较大的破坏作用，同时也不能解决湖底表层新富营养层释放源的迅速形成。在 太湖2 0 0 m 2 的围隔区内的试验证明，覆盖底泥不能控制浮游植物的生长繁殖，不 能降低浮游植物生物量【2 7 】。定期或不定期采取人为湖底深层曝气进行上下混合胄邑 防止底泥中的营养盐溶出，避免藻类长时间滞留在有光层，从而抑制其生产。但 该方法存在的问题是成层破坏后，底层水温的上升、营养盐溶出速度的加快和对 有光层营养盐的供给会加快藻类生产 2 8 】。 ( 3 ) 直接除藻措施 针对藻类生物和生态特点，采用投加化学药剂杀藻、生物膜法、机械除藻法、 化学沉淀等措施短期高效直接去除水体藻类，在富营养化水体中广泛运用。郑州 市自来水公司的吕启忠等人通过用硫酸铜及改变水的p h 值，对污染的黄河地面原 水进行了除藻试验研究，结果表明：在水体中投加硫酸铜抑藻剂的有效剂量为 o 5 1 0 m g l ，其对水中藻类的去除率可以达7 0 9 0 。调整原水的p h 值至7 o 左右，改变藻类的生存环境，也可以抑制藻类的繁殖，其对藻类的去除率可达 1 8 5 7 【2 9 1 。另外大麦杆的好氧降解产物也是效果较好的广谱杀藻剂，它能在保持 蓝藻、绿藻细胞形态下杀死细胞，对较复杂、大型的高等植物的抑制很小【3 0 】。经 壳聚糖包覆改性后的粘土能通过壳聚糖的粘结架桥作用絮凝藻细胞，并通过表面 电性的改变，凝聚带负电的藻细胞 3 1 3 2 1 。低功率高频( 1 7 mh z ) 超声能破坏蓝藻 水华藻胆体和叶绿素等关键组分，或抑制其生物合成，导致蓝藻光合作用受损， 从而抑制蓝藻生长，藻蓝蛋白受到的超声破坏作用尤其强烈，即高频超声对蓝藻 细胞不同成分的破坏具有选择性【3 3 3 4 1 。 尽管运用物理机械和化学药品的方法能够在短期内快速有效地去水体中大量的 藻类，但物理机械法往往需要耗费大量的劳力和能量而无法取得相应的经济效益， 化学方法容易使死亡藻类造成二次污染而且长期使用低浓度的化学药物会使藻类产 4 1 文献综述 生抗药性，化学药品的生物富集和生物放大对整个生态系统的负面影响较大。 1 1 5 国内外水体富营养化研究状况 湖泊富营养化是一个全球性的环境问题，在世界的许多地区都存在。在这方面 进行过大量的研究和治理工作，积累了丰富的技术、经验和方法。早在6 0 年代，联 合国经济合作和开发组织( o e c d ) 就组织了1 8 个国家对湖泊富营养化进行了为期 1 0 多年的系统研究，取得了丰硕成果，尤其在湖泊富营养化调查范围、调查因子、 调查方法等方面取得了开创性的成果【3 5 1 。联合国环境规划署( 切屺p ) 在全球范围 内实施的一项水体富营养化调查表明：全球范围内3 0 4 0 的湖泊和水库不同程 度上遭受到富营养化影响【3 6 】。水体富营养化是许多湖泊、水库的主要环境问题【3 7 3 8 1 ， 被人们形象的称为“生态癌 3 9 1 ，它的存在已对水体生态资源的可持续开发和利用 产生越来越深远的影响，严重阻碍经济和环境的发展。 丹麦著名生态学家j o r g e i l s e n l 9 8 3 年指出浮游藻类的生长是富营养化的关键过 程。因此着重研究氮、磷负荷与浮游藻类生产力的相互作用和关系，是揭示水体富 营养化形成机理的主要途径。j s t i c 等于1 9 9 5 年通过计算水体环境中各种营养盐之间 的原子比提出了一套系统的评价营养盐限制的化学标准。日本湖沼学者坂本曾经指 出，当湖水的总氮和总磷浓度的比值在1 0 ：1 2 5 ：1 的范围时，藻类生长与氮、磷浓 度存在着直线相关关系。在氮磷循环的过程中，由于磷在有机质中保持力较氮强】， 并且无机物质对磷有较强的吸附力【4 ，由此导致磷的循环较氮慢，从而可能导致氮 磷的比例较高，使磷成为藻类生长的限制因子。据我国学者对武汉东湖水质富营养 化演变过程中发现，湖水中氮与磷浓度比值范围为1 1 8 ：1 1 5 5 ：1 ，平均值为1 2 ：1 。 杭州西湖湖水中氮与磷浓度比值平均为1 2 ：1 ，均有利于藻类生长，是湖水在夏秋季 节藻类异常增殖，水华盈湖的缘故。 据估计，目前全国8 5 的湖泊呈富营养化状态，而且形势日趋严重。自2 0 世 纪8 0 年代以来，我国学者在湖泊富营养化模型构建方面也作了大量的工作，其工 作主要围绕几个湖泊进行。阮景荣等人建立武汉东湖的磷一浮游植物动态模型， 该模型按照一年的时间标度描述东湖藻类的生长和磷循环，其状态变量包括浮游 植物磷、藻类生物量、正磷酸盐、碎屑磷和沉积物磷，经过校正和检验结果表明， 模型对于系统给定状态的描述是令人满意的，并且对于系统的强制函数给与了合 理的响应。近年来，我国在富营养化机理研究上也取得了较大的突破。中国科学 院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室成绩卓著，他们主要在水一沉积 物系统方向上取得进展，结果表明，湖泊沉积物一水界面存在“活性有机质分解 一溶解营养盐释放一浮游生物吸收一活性有机质沉降”的快速循环，以促成富营 养湖泊的高生产力水平。陈德辉【4 2 】等以t i h l l 趾提出的“资源竞争机制学说”为依 西南大学硕士学位 据，研究了微囊藻栅藻资源竞争的动力学过程结果表明：在光强为1 0 o 1 7 1e e 和磷浓度为3 1 0 2 0 0 咖o l 的范围内，微囊藻的生长率大于栅藻的生长率说明磷 的增加是微囊藻成为水华的充分条件，但不是必要条件，至少低光强是一个重要 的作用因子。湖泊富营养化问题不是一个简单的水体污染问题，而是生态系统失 调问题，是生态系统的结构功能在人类活动的干预下发生了重大变化之后出现的 一种灾害，因此改善生态结构和控制外源是控制湖泊富营养化的有效途径。 1 2 三峡库区水体富营养化 1 2 1 三峡库区水体富营养化现状与回顾 三峡成库以后的大小河湾不计其数，由于过流的断面积增大，流速大大降低， 水流中携带的泥沙大量沉积，水体变清，水体透明度增大，有利于水中藻类的光 合作用。特别是次级河流河口在枯水期，由于水量较少，受长江的顶托，形成回 水，流速明显降低，泥沙沉降，水体透明度增加，在条件适宜的情况下，发生水 华的可能性较大【4 3 】。从“水华 爆发的时段看，雨季前的3 5 月爆发频次明显高 于雨季后的9 1 1 月，且以雨季前的3 月最为频繁，其次是4 、5 月，持续时间一 般为2 0 天左右，后期藻体大量死亡，“水华”现象逐渐消失，与藻类的生长周期 相吻合；从爆发区域看，主要集中在库区靠近坝首的下游支流，如巫山、云阳的 支流。从河流爆发的水域看，主要在支流上游的回水末端和下游，长江河口不易 爆发，而在水体滞留时间长、交换困难的腹心一带，春季极易发生“水华 ；从水 质状况监测结果看，“水华 过程中的d 0 、c o d m 。和c l d a 浓度都会异常高，透明 度却出奇的低，水体中p h 碱性增强瞰“5 1 。 自2 0 0 3 年6 月1 日三峡水库正式下闸蓄水以来，因长江水文特征发生巨大变 化，库区出现了前所未有的富营养化问题，在部分库区支流回水区及库湾发生了 “水华”并随着三峡水库的运行，其发生时间、程度、频度呈不断上涨趋势，其 中以香溪河、大宁河等库区支流水华现象严重。2 0 0 4 年3 月重庆市环境科学研究 院对大宁河、朱衣河、梅溪河成库河段进行了水质监测与评价，结果表明：朱衣 河和梅溪河回水段的营养状态分布为：河口为中营养一回水腹心区为轻度富营养 一回水末端为中营养贫营养；大宁河回水段的营养状态分布为：河口为中营养一 回水腹心区为中营养一回水末端为贫营养【1 8 】。2 0 0 5 年，据重庆市环境科学研究院 公布的监测结果，三峡库区已有2 7 座水库染上“富贵病”，巫山县的神女溪、大溪 河、抱龙河和大宁河部分河段，云阳县的磨刀溪、汤溪河、长滩河部分河段，万 州区的滨渡河部分河段均发生了“水华”现象。2 0 0 6 年4 月香溪河与长江交汇区均 发生了严重的藻类“水华”。 在2 0 0 9 年到三峡大坝三期工程完成后库区水体的容量将达到3 9 3 1 0 9m 3 。 6 l 文献综述 而三峡水库水位将在1 4 5m ( 雨季) 和1 7 5m ( 旱季) 波动。从每年的1 1 月到下 一年的4 月份近半年时间里，库区水位均维持在较高的水平，而水流量则处于较 低的状态，这样在整个漫长的旱季里，库区水体的滞留时间被大大的延长了，尤 其是在那些支流回水段【矧。库区延长的水滞留时间，较高的营养盐浓度，将进一 步加剧三峡水库内水体的富营养化程度并诱发藻类“水华”的暴发【4 7 4 8 1 。开展三 峡库区水体富营养化研究及有效的防治工作，具有十分重要而深远的意义，也是 库区水环境保护的迫切需要。 1 2 2 三峡库区水体富营养化的潜在威胁 三峡成库后水体生态系统组成复杂、影响因素多，生态要素如水动力条件、 水质因子等呈现显著的时空变化特点，经初步分析表明，水动力特性将会是三 峡库区富营养化的最主要诱发因子。钟成华【4 9 】用v 0 l l e l l w e i d e r 模型初步分析，认 为三峡库区一级次级河流回水河段将出现富营养化现象，主要原因是t p 污染负荷 较大，流速很小。张恩仁、张经【5 0 】利用模型分析了三峡水库对上游营养盐的截留 效应，认为三峡水库投入使用后，发育出的水库生态系统可将上游输入的2 7 溶解态无机氮和1 3 4 2 的溶解态无机磷固定于浮游生物中，库区水体中生物 有机碳总量可保持在o 8 4 1 0 9 2 6 5 1 0 9 m 0 1 的范围。 罗固源等【5 l 】在分析入库t n 、t p 负荷和水库库容关系后，认为虽然三峡水库 有较大的库容，但由于入库1 t n 、t p 负荷较高，n 、p 累积浓度很高，即仅一年 的积累，水库中n 、p 的含量可达富营养化的危险值。因此，得出结论认为“库 区水体富营养化是今后库区水环境污染的主要威胁”。幸治国、李锦秀等【5 2 】学者认 为，总磷、总氮浓度偏高是库区干支流发生富营养化的主要潜在原因，但是不大 可能是最主要的诱发条件，这是因为长江干支流水体中的氮磷浓度多年来直居 高不下，干流河段断面平均t p 浓度高达o 1 5 m g l 0 2 5 m g l ，t n 浓度在1 5 m 叽 2 8 m g l 之间。三峡水库建成后库区和支流的水流条件发生了很大变化，流速迅速 减缓，水体变清，光能损失少，这可能会成为发生富营养化的最直接诱发因子。 石孝洪【5 3 】在讨论了土壤在淹水一干燥一淹水条件下土壤性质变化和土壤磷素 释放机制，并分析了三峡水库消落区土壤磷释放对富营养化的潜在影响后，提出 库区流域富营养化及其演化将主要集中在消落区的观点。陈翠玲、任秀娟【5 4 】以三 峡水库1 7 5 1 4 5 1 5 5 蓄水方案出发，分析了水库蓄水后每年1 0 月至次年5 月的水 流速度、均水深、氮和磷的浓度、生化降解速率以及三峡库区的自然环境和社会 情况。认为：“三峡水库1 7 5 1 4 5 1 5 5 蓄水方案，其水质每年1 0 月至次年5 月恶化 的可能性很大，尤其是边滩及其回水河道的水质可能会出现季节性恶臭富营养 化”。 7 西南大学硕士学位 - 2 0 0 4 年，钟成华【5 5 】类比国内外发生严重富营养化( 即出现“水华 现象) 的 水体，结合三峡库区水体富营养化状态预测，分析三峡库区的气象、水文、地理 等条件，得出以下判断： ( 1 ) 三峡库区干支流具备了发生严重富营养化的水文、地理、气象和水质等 基本条件，只要“时机成熟”各种条件同时满足，发生水华是必然的。 ( 2 ) 忠县以东的东部次级河流回水段的富营养化多发生在少雨干旱、气温适 宜、日照相对充足的春季，那些流经石灰岩山区因而p h 值较高且透明度相对较高 的河流更易发生严重富营养化；也可能会在有效日照数多、出现夏旱的夏季发生 较严重的富营养化；这类典型的河流有巫山的大溪河、大宁河、神女溪( 又名官 渡河) 、抱龙河、奉节的梅溪河等。 ( 3 ) 中西部的次级河流回水段在夏旱季节比在春秋季节出现富营养化的可能 更大些。这类典型河流有东溪河、汝溪河、苎溪河等。 ( 4 ) 长江干流由于夏季处于丰水期，流量较大、泥沙含量高，除个别滞水区、 浅水区可能出现严重富营养化外，其它水域不太可能发生富营养化。但若遇长期 夏旱，也可能在库首发生富营养化。若遇连续多晴少雨天气的春季，尤其是春旱 时节，下游( 云阳以下) 透明度较高的河段( 如巫山、奉节入峡前) 也可能发生 富营养化，岸边可能会发生较为严重的富营养化。 ( 5 ) 次级河流比长江干流更易发生富营养化、库首比库尾更易发生富营养化、 河湾比顺直河道更易发生富营养化、浅滩比深水和中泓更易发生富营养化、春旱 比夏早更易发生富营养化、大型排污口附近发生富营养化的可能较大、流速缓慢 的水体比流速快速的水体更易发生富营养化。其它区域和时段也不能排除发生富 营养化的可能性。 1 3 富营养化水体的生物修复 1 3 1 高等水生植物对富营养化水体的修复 综观湖泊生态系统发育自然演替史，水生高等植物是水生生态系统保持良性 运行的关键类群，也是整个水生植物群落多样性的基础水生高等植物在湖泊生态 系统中的起着不容忽视的重要作用。根据水生高等植物在水环境中的分布特征， 以及它们的形态、构造特点，通常以生态类型将水生高等植物分为四大类型，即 挺水植物、浮叶植物、沉水植物和飘浮植物。水生植被修复技术，就是应用高等 植物为主体的植物生态修复技术，适用于大面积、低浓度的污染位点。水生高等 植物不仅能够快速吸收水体和沉积物中的营养盐【5 d 稍】，分泌产生他感物质抑制浮 游植物生长陋6 6 1 ，而且对湖泊生态系统的物理、化学及生物学特性亦有重要影响 7 7 0 】，还可以富集水体中的有害物质故其能有效地净化富营养化水体，因此利用 8 1 文献综述 水面种植高等植物是净化富营养化水体和修复水体的有效途径之一【7 l 】。1 9 7 5 年 b o y d 用水生高等植物去除污水和天然水体中的营养物，取得了理想的效果。王旭 明1 7 2 j 等研究了水芹菜对污水的净化能力，发现水芹菜对污水中的n ， p ，c o d 具有明显的去除效果，能明显改善污水水质，且净化率随温度的升高而增加，作 用后的水质变清，悬浮物减少，透明度增加。美国f l o r i d a 大学利用凤眼莲净化 a p o p k a 湖富营养化水体，试验结果表明：湖水以9 5u m m 的流速流经风眼莲生长 的渠道，水力滞留时间1 5d ，水力负荷4 5m 3 d ，在收获风眼莲的情况下，对氮磷 的去除率分别为5 4 和6 3 ：不收获时，则分别为4 5 和5 7 ，收获与否差异并 不显著【73 1 。在太湖典型富营养化水域所进行的种植美人蕉辅、空心菜及旱伞草， 冬季套种黑麦草试验表明通过三季收获植物带走的氮磷总量远远超过其基础总量 磷的最高去除量，高出近4 0 倍，水质均由原来的劣于5 类上升到3 类，透明度从 原来的4 5 厘米增加到1 8 0 厘米以上。 高等水生植物同时还具有一定的化学克藻效应，可以用于控制藻类的旺盛生 长。e l a k o v i c h 和w b v t e n 发现浮叶植物的他感物质可控制真核藻类( 如蛋白核小球 藻c h l o r e l l ap ”e n o i d o s a ) 和原核蓝藻( 如水华鱼腥藻a n a b a e n an o s a u q u e ) 生长， 有些水生植物还产生植物毒性使得自身在水环境中占居优判7 4 1 。何池全等【7 5 】用石 菖蒲或水葫芦的种植水培养藻类，可破坏藻类的c h l a ，使其光和速率、细胞还原 t t c 的能力显著下降。孙文浩等用风眼莲治理城市富营养化水体，取得显著效果， 他们发现凤眼莲根系分泌的有机化合物能伤害和清除水中的藻类，根际上的一种 软体动物还可以摄食藻类【76 】一些研究根据生物调控理论，认为水生高等植物为浮 游动物提供了栖息地和庇护效应( r e m g ee 肫c t ) ，这对控制浮游植物有非常积极的 意义。 1 3 2 生物操纵法对富营养化水体的修复 生物操纵又称“食物网操纵( f o o dw e bm a l l i p u l a t i o n ) ，原意指通过对湖泊生 物群及其栖息地的一系列调节，以增加其中的某些相互作用，促使浮游植物( 尤其 是蓝藻) 生物量下降【7 7 】。富营养化湖泊往往内源负荷较大，底泥中的氮、磷不断 向上层水体释放，改变了水体的生物类群，使正常的物质、能量、信息流动等生 态功能减弱，水体可能由于以上原因而发生“自中毒现象( s e l f i n t o x i c a t i o n ) ”。在 这种情况下，即使减少营养水平，也难以重建以前的营养地位。因此，利用生物 操纵修复富营养化湖泊是一种很有效的办法。 经典的生物操纵法( b i o m a n i p u l a t i o n ) 由s h 印i r 等( 1 9 7 5 ) 年提出，通过一系列 对湖泊中生物及其环境的操纵，采用鱼类种群的下行调控，增加食鱼性( p i s c i v o r e s ) 鱼类或减少食浮游动物( z o o p l a n h i v o r e s ) 或食底栖动物( b e n 雠v o r e s ) 鱼类来提 9 西南大学硕士学位 高浮游动物现存量两种方法增加浮游动物种群，促使藻类特别是蓝藻的生物量下 降。这种生物调控技术在营养盐管理已经失败的小型、封闭、浅水性富营养化湖 泊中已显示一定的效果，事实上，由于湖泊生态系统的