（环境工程专业论文）杭州西湖湖西区沉水植物群落结构优化研究.pdf

中文摘要 水生植物是水体中的初级生产者，而沉水植物作为水体生物多样性赖以维 持的基础，其所产生的环境效应是生态系统稳定和水环境质量改善的重要依 据，是水生态修复的关键。针对这一方向，本文在前期研究的基础上，结合国 家“十一五 水专项一杭州西湖湖西区水生植物群落优化示范工程，针对沉水 植物在富营养化浅水湖泊中的恢复效果，开展了以下几个方面的研究，并对沉 水植物群落结构优化提出建议。 ( 1 ) 研究了菹草( p o m m o g e t o nc r i s p u ) 、金鱼藻( c e r a t o p h y l l u md e m e r s u m k o m ) 、黑藻( h y d r i l l av e r t i c i l l a t a ) 和苦草( v a l l i s n e r i an a t a n s h t z r a ) 等四种 沉水植物在杭州西湖中的生长规律。结果表明，四种沉水植物在相同的水体环 境中生长状况存在一定的交替现象，并且其差异性与水温的变化有较为明显的 相关性。菹草在2 月至5 月为生长旺盛期，生长速度达到1 0 1 8g ( m 2 d ) ，进 入夏季菹草植株逐渐消亡；黑藻在5 月至8 月为生长旺盛期，生长速度达到0 9 8 3 g ( m 2 d ) ；金鱼藻在3 月至5 月为生长旺盛期，生长速度为3 1 9g ( m 2 d ) ； 苦草在4 月至9 月都为生长期，6 月至9 月的生长速度最快，生长速度达到 2 7 0 1g ( m 2 - d ) ，在l o 月苦草的生物量达到峰值。 ( 2 ) 不同种植方式对沉水植物恢复效果的研究结果表明，运用沉栽法种 植的菹草存活率比用播种法种植的存活率高7 1 1 ；运用扦插法种植的苦草比 沉栽法和播种法的存活率分别高8 4 3 和8 7 8 ；运用扦插法种植的黑藻比用 播种法种植的存活率高6 9 ；三种种植方式下最终的单株植物生物量间无显著 差异。 ( 3 ) 通过对茅家埠和浴鹄湾的沉水植物生物量的调查发现，其与软体动 物生物量也有显著正相关关系，相关方程为y = 0 1 5 2 x 3 2 5 8 5 。利用 s h a n n o n w e i n e r 多样性指数和m a r g a l e f 多样性指数评价沉水植物群落恢复过程 中软体动物群落结构的变化，得出茅家埠的沉水植物群落恢复后污染情况已有 一定改善。 ( 4 ) 通过5 种竞争能力测度指标表明，金鱼藻的竞争能力要强于黑藻， 并最终在样方内占绝对优势，而导致黑藻逐渐减少。苦草和金鱼藻的相互竞争 能力不明显，在适宜的环境下可以形成一定的共生关系。 ( 5 ) 结合研究结果，建议沉水植物的恢复可以选择在冬季水位低、水质 好、透明度高的时候进行，冬季水体受到的外界干扰程度也越小，适合沉水植 物的生长繁殖。同时，在沉水植物种植后要加强管理，特别是用播撒种子法种 植的沉水植物在萌发时易受到水体扰动影响而导致新生植株漂浮于水面。可以 对漂浮于水面的植株进行打捞，在浅水区域进行扦插法的方式进行种植既能节 约成本也能提高存活率。 ( 6 ) 在沉水植物恢复的过程中适宜由浅水区向深水区逐步推进，浅水区 透明度较高，是新种植的沉水植物生长非常有利的条件，在浅水区域建立一定 规模的沉水植物群落，利用植物的无性繁殖可以加快恢复过程，在一定区域形 成优势种时，为了维持沉水植物群落的稳定性需要及时丰富物种，优化结构， 从而增加生物多样性，以免由于物种单一而导致群落的自疏现象发生。 关键词：沉水植物；生态恢复；生理生态；富营养化；受污染城市水体 n a b s cr a c t a q u a t i cp l a n t sa r et h ep r i m a r yp r o d u c e r si nw a t e r , a n ds u b m e r g e dm a e r o p h y t e s a r et h ef o u n d a t i o no fm a i n t a i n i n gc r e a t u r em u l t i p l i c i t y t h ei n s t a u r a t i o no f s u b m e r g e dm a e r o p h y t e si st h ek e yo fe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n t h ee n v i r o n m e n t a l e f f e c tc r e a t e db ys u b m e r g e dm a c r o p h y t e si st h ei m p o r t a n tb a s i so fe c o s y s t e m s t a b i l i z a t i o na n di m p r o v e m e n to fw a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y s oi ti sn e c e s s a r yt o s t u d ys y n t h e t i c a l l yt h ew a t e re f f e c tm a d eb ys u b m e r g e dm a e o r p h y t e so np o l l u t e d w a t e rb o d y b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e sa n dc o m b i n e d 、m mt h en a t i o n a l e l e v e n t h f i v e w a t e rp r o j e c t - - t h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c to fo p t i m i z a t i o no fh y d r o p h y t e c o m m u n i t ys t r u c t u r ei nt h ew e s to fh a n g z h o uw e s tl a k e ，t h ep a p e rs t u d y i n go nt h e e f f i c i e n c yo fm c r o p h y t e sr e s t o r a t i o n , t h em a i nw o r k sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d y i n go nt h eg r o w t hl a wo ff o u rs u b m e r g e dm a e r o p h y t e sp o t a m o g e t o n c r i s p u ，c e r a t o p h y l l u md e m e r s u mk o m , h y d r i l l av e r t i c i l l a t aa n dv a l l i s n e r i an a t a n s l h a r ai nh a n g z h o uw e s tl a k e t h es u b m e r g e dm c r o p h y t e si nt h es a m ew a t e r e n v i r o n m e n tw e r ea l t e r n a t e d ，i na d d i t i o nt h e r ea r co b v i o u sr e l e v a n c eb e t w e e nt h e d i f f e r e n c e sa n dt h et e m p e r a t u r eo fw a t e r p o t a m o g e t o nc r i s p ug r e wv i g o r o u sf r o m f e b r u a r yt om a y , t h eg r o w t hs p e e dr e a c h e d1 018g ( m 2 d ) ，p o t a m o g e t o nc r i s p u w a sg r a d u a l l yd e c a y e di ns u m m e r ；h y d r i l l av e r t i c i l l a t ag r e wv i g o r o u sf r o mm a yt 0 a u g u s t , t h eg r o w t hs p e e dr e a c h e d0 9 8 3g ( m 2 d ) ；c e r a t o p h y l l u md e m e r s u mk o m g r e wa t av i g o r o u sr a t ef r o mm a r c ht om a 弘t h eg r o w t hs p e e dr e a c h e d3 19 趴i n z d ) ；v a l l i s n e r i an a t a n sg r e wa tav i g o r o u sr a t ef r o mm a r c ht om a y , t h eg r o w t h s p e e dr e a c h e d2 7 0 1 g ( m 2 d ) ，a n dt h eb i o m a s sr e a c h e di t sp e a ki no c t o b e r ( 2 ) t h er e s t o r a t i o ne f f i c i e n c yo fs u b m e r g e dm a c r o p h y t e s 晰t l l d i f f e r e n t c r o p p i n gp a t t e r n sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es u r v i v a l r a t e so f p o t a m o g e t o nc r i s p u sb ys i n k i n gi s71 1 h i g h e rt h a ns e e d i n g ；t h es u r v i v a lr a t e so f v a l l i s n e r i ab yp r o dc u t t i n gi s8 4 3 a n d8 7 8 h i g h e rt h a nb ys i n k i n ga n ds e e d i n g ， r e s p e c t i v e l y ；t h es u r v i v a lr a t e so fh y d r i l l av e r t i c i l l a t ab yp r o dc u t t i n gi s6 9 h i g h e r b ys e e d i n g ，f i n a l l yt h eb i o m a s so fp l a n th a dn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb yt h et h r e e c r o p p i n gp a t t e r n s ( 3 ) t h eb i o m a s so fs u b m e r g e dm a e r o p h y t e sw e r ei n v e s t i g a t e di nm a o ji a b u a n d 1 1 1 us u b l a k e s ，t h eo b v i o u sr e l e v a n c ew a so b s e r v e db e t w e e nt h eb i o m a s so f s u b m e r g e dm a e r o p h y t e sa n dt h eb i o m a s so fm o l l u s k s ，t h ec o r r e l a t i o ne q u a t i o ny = 0 15 2 x 3 2 5 8 5 s h a n n o n w e i n e ri n d e xa n dm a r g a l e fi n d e xw a su s e dt oa s s st h e i i i c h a n g e si nt h es t r u c t u r eo fm o l l u s k sc o m m u n i t i e sw h i c hi nt h er e c o v e r yp r o c e s so f s u b m e r g e dm a e r o p h y t e sc o m m u n i t i e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep o l l u t i o nw a s i m p r o v e dw h e ns u b m e r g e dm a e r o p h y t e sc o m m u n i t i e sr e c o v e r e di nm a o j i a b u ( 4 ) s o m er e s u t l sc a nb ec o n c l u d e d 诵m5k i n d so fi n d i c e st oq u a n t i f yt h e a b i l i t yo fc o m p e t i t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea b i l i t yo fc o m p e t i t i o no f c e r a t o p h y l l u md e m e r s u mk o mw a ss t r o n g e rt h a nh y d r i l l av e r t i c i l l a t a , f i n a l l y c e r a t o p h y l l u md e m e r s u mk o mw a si nt h ep o s i t i o no f a b s o l u t ed o m i n a n tr e s u l t i n gi n t h eg r a d u a l l yr e d u c t i o no fh y a r e t av e r t i c i l l a t a i nt h ep l o t t h ea b i l i t yo f c o m p e t i t i o n h a v en oo b v i o u sd i f f e r e n c e sb e t w e e nv a l l i s n e r i an a t a n sa n d c e r a t o p h y l l u md e m e r s u mk o m , as y m b i o t i cr e l a t i o n s h i pc o u l db ef o r m e db e t w e e n t h e mi nas u i t a b l ee n v i r o n m e n t ( 5 ) c o m b i n e d 诚t 1 1r e s u l t s ，w ep r o p o s et h a tt h es u b m e r g e dm a e r o p h y t e s c o m m u n i t i e sc o u l db er e c o v e r e di nw i n t e rw h e nt h ew a t e rw a sl o wl e v e l ，g o o d q u a l i t ya n dh i g hd e g r e eo ft r a n s p a r e n c y t h ei n t e r f e r e n c ew a ss m a l l e ri nw i n t e r , a n d t h ee n v i r o n m e n ti ss u i t a b l ef o rs u b m e r g e dm a e r o p h y t e sg r o w t ha n dr e p r o d u c t i o n t h em a n a g e m e n ts h o u l db es t r e n g t h e n e d 加p l a n t i n gs u b m e r g e dm a e r o p h y t e s ， e s p e c i a l l yw h e nt h es e e d sw e r ei ns p r o u t , b e c a u s en e wp l a n t sw e r ee a s yt of l o a to n t h ew a t e rs u r f a c e t h ep l a n t sf l o a t i n go nt h ew a t e rs u r f a c ec o u k db es a l v a g e da n d t h e np l a n t e db yc u t t i n gm e t h o di ns h a l l o ww a t e ra r e a s t h a tc a ns a v et h ec o s ta n d i m p r o v et h es u r v i v a l ( 6 ) t h er e c o v e r yo fs u b m e r g e dm a e r o p h y t e ss h o u l dc a r r yf o r w a r df r o m s h a l l o ww a t e rt od e e pw a t e rg r a d u a l l y s h a l l o ww a t e r 、i t hl l i g ht r a n s p a r e n c yw a s v e r yf a v o r a b l ef o rn e wp l a n t s i ns h a l l o ww a t e ra r e a s ，s e t t i n gu pac e r t a i ns c a l e s u b m e r g e dm a e r o p h y t e sc o m m u n i t i e sa n du s i n ga s e x u a lr e p r o d u c t i o nc a ns p e e du p t h er e c o v e r yp r o c e s s w h e nf o r m i n gad o m i n a n ts p e c i e si nac e r t a i na r e a , s p e c i e s a n ds t r u c t u r e sn e e dt ob er i c h e da n do p t i m i z e di no r d e rt om a i n t a i nt h es t a b i l i t yo f t h es u b m e r g e dm a e r o p h y t e sc o m m u n i t i e s ，t h e r e b yi n c r e a s et h eb i o l o g i c a ld i v e r s i t y t oa v o i ds i n g l es p e c i e sa n ds e l f - t h i n n i n gp h e n o m e n o n k e y w o r d s ： s u b m e r g e dm a c r o p h y t e s ；e c o r e s t o r a t i o n ；p h y s i o e c o l o g y ； e u t r o p h i c a t i o n ；p o l l u t e du r b a nw a t e r b o d y i v 1 1 研究背景 1 1 1 我国湖泊环境现状 第一章引言 湖泊是重要的国土资源，具有沟通航运、发展灌溉、提供工业和饮用的水 源、繁衍水生生物、调节河川径流以及改善区域生态环境等多种功能，在国民 经济的发展中发挥着不可替代的重要作用。除此之外，湖泊联结地球的各圈层 的表层系统并作为联结点使各层之间产生相互作用，是陆地水圈的重要组成部 分，在人与自然这一复杂的系统中扮演着重要的角色，与岩石圈、大气圈、生 物圈等关系密切，具有调节区域气候、记录区域环境变化、维持区域生态系统 平衡和繁衍生物多样性的特殊功能。即便随着科技不断的发展，在人类改造自 然方面早已超越自然本身演化过程的今天，湖泊仍然为人类的生存与发展提供 着丰富的天然资源与生存环境。 根据最近 中国湖泊志研究统计的结果表明，全国大于1 0k m 2 的天然湖 泊已经从统计的6 5 6 个减少到目前的5 8 1 个，总面积从8 5 2 5 6 9 4k m 2 缩d , n 目 前的6 8 6 7 1 5 8k m 2 。按照湖水矿化度可划分出卤水盐湖、咸水湖和淡水湖三大 类型湖泊，其中大于1 0k m 2 的湖泊总贮水量为7 5 5 0 8 7 3 6 1 0 8m 3 ；卤水盐湖 为5 8 6 5 8 6 4 1 0 8r n 3 ，占7 8 ；咸水湖为4 6 1 4 1 2 9 6 1 0 3m 3 ，占6 1 1 l ；淡 水湖为2 3 5 0 1 5 7 6 x1 0 8m 3 ，占3 1 1 。若把面积在1 - - 1 0k m 2 的湖泊也统计在 内，则全国天然湖泊个数约在3 0 0 0 个左右，因为l 1 0k m 2 湖泊面积小，随自 然条件和人为活动的影响变化较大，数据很难准确统计，而贮水量所占份额不 大【1 2 1 。 近十几年来，由于我国湖泊水环境污染严重，导致生态系统遭受破坏。国 家环保总局发布的( 2 0 0 3 年中国环境质量状况指出2 0 0 3 年中七大水系的4 0 9 个监测断面中，i i i i 类、- - v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：3 7 7 、 3 2 0 和3 0 3 5 ；“三湖 ( 太湖、滇池和巢湖) 水质均为劣v 类，污染较为严 重，总氮和总磷为主要污染指标；按照富营养化评价分析，滇池为重度富营养 化，巢湖为中度富营养化，太湖为轻度富营养化。据调查全国遭到污染的江河 河段有近4 7 ，其中有1 0 河段污染严重，已基本丧失使用价值，而城市水域 和城市地下水遭到污染的比例分别为9 0 以上和5 0 ，淡水湖泊已有7 5 以上 出现富营养化，处于中度污染水平， 5 3 的近岸海域受到显著污染f 3 】。 1 1 2 西湖水体富营养化现状 在我国享誉盛名的西湖位于浙江省杭州市西部，是我国著名的风景旅游胜 地，西湖总面积为6 0 3k m 2 ，周长1 5k m ，东西宽2 8k m ，南北长3 3k m ，除 去孤丘、长堤及湖中小岛，水域面积约5 6 6k m 2 。在“西湖西进 工程完成后， 水域面积增加了约0 6 9k m 2 ，平均水深为1 5 6m 并且水位常年控制在7 1 5m ， 属于典型的富营养化浅水湖泊。2 0 世纪5 0 年代初，杭州西湖全湖区呈现出典 型草型湖泊的生态系统特征，湖底水生植物丛生，水质清澈见底。2 0 世纪6 0 至7 0 年代西湖的富营养化日益严重，尽管8 0 年代后，实施了环湖砌岸、底泥 疏浚、截污、引水等一系列综合整治措施，经过二十多年来坚持不懈地综合治 理，西湖基本上完成点源污染的控制，采取疏浚等手段使内源污染得到了一定 程度的控制，加上引江济湖等措施，西湖的水质明显好转，景观效果显著提升， 水环境得到改善 4 1 。随着西湖综合保护工作的推进，西湖总水体水质情况好于 往年，表现为透明度逐年上升，总磷、高锰酸盐指数、氨氮等水质指标均有所 下降。如表1 1 所示，2 0 0 4 年，西湖的年均透明度比2 0 0 2 年和2 0 0 3 年分别上 升1 6c m 和1 lc m ；总磷年均含量与前两年相比分别下降了约1 6 1 和1 4 1 ； 高锰酸盐指数比2 0 0 3 年低约5 1 ：叶绿素a 含量比2 0 0 3 年升高1 4 5 ，但比 2 0 0 2 年仍降低约7 9 。只是受钱塘江总氮含量较高的影响，西湖2 0 0 4 年总氮 含量比2 0 0 2 年和2 0 0 3 年分别增加了1 7 5 和3 2 7 。 表12 0 0 2 - - 2 0 0 4 年西湖主要水质指标年均值 t a b 1a n n u a la v e r a g ew a t e rq u a l i t yi n d i c a t o r so fw e s tl a k ed u r i n g2 0 0 2t o2 0 0 4 年份透明度( c m ) t p ( m g l )高锰酸钾指 c h l a ( m g l ) t n ( m g l ) 数( m g l ) 但是，西湖的富营养化问题依然没有根除，在修复过程的初期生态系统非 常脆弱，要想当前好转的形势得以维持，必须制定一系列不断推进的治理措施 而且不能操之过急要步步为营。因此， 改善和水生态系统恢复成为当务之急。 进一步采取措施使得水质提高，水环境 目前主要是通过从钱塘江引水以保持西 湖水质不继续恶化，然而每日引水量达4 0 万吨，耗资巨大并且随着钱塘江水 质的不断恶化，此项工程对西湖水质的改善作用越来越小，这种高投入低环境 效应回报的工程已走入两难境地。 2 1 1 3 沉水植物在湖泊生态系统中的关键作用 目前以水生植物净化水质的应用研究已越来越广泛。近年来，一些发达国 家水生植物的研究已经不仅仅局限于实验室而是进行了大规模的田间试验并 且有一些联邦政府以及大公司企业也投入到水生植物的研究实验之中，在这种 迅速发展的趋势下，受到研究的水生植物种类也愈来愈多【5 1 。多年来的研究表 明水体生物多样性赖以维持的基础是沉水植物，也有很多研究表明，沉水植物 占优势时，生物多样性高，水体水质清澈；水生植物可降低水体营养水平吸收 过量营养物质的特性；能减少因为风浪等轻微扰动所引起的沉积物重悬浮，从 而降低浊度【6 】。水生植物还能抑制浮游植物的生长，从而降低藻类的现存量， 显著提高富营养化水体的水质，对污染水体有明显的净化作用【7 1 。 沉水植物可以增加水体溶解氧，降低总氮、总磷等营养物的含量。沉水植 物的枝叶与水体的接触面积大，能吸附水体中的悬浮物，有些种类的沉水植物 还可以分泌助絮物质，促进中小颗粒的沉降从而使水体的透明度提高隅】。研究 表明沉水植物系统的存在对于湖泊富营养化的防治是有利的f 9 j 。在湖泊水环境 中同为一级生产者群落结构( p r i m a r yp r o d u c e rc o m m u n i t ys t r u c t u r e ，p p c s ) 的 沉水植物和藻类存在排斥竞争，主要表现在营养物质和光照等方面，因此水体 中若藻类的生长占优势则会强烈地抑制沉水植物的生长，反之亦然。沉水植物 抑制藻类的生长主要表现为一下三点：第一，沉水植物可以固定大量水体中的 氮、磷营养，通过竞争使藻类生长受到抑制。第二，一些沉水植物具有克藻能 力，它们可分泌针对藻类生化敏感的物质抑制其生长或杀死藻类【姗。第三，沉 水植物具有较大的表面积，能为水体中浮游动物提供庞大的栖息场所，从而抚 育出高密度的浮游动物群落。浮游动物通过大量捕食藻类间接地控制藻类的生 长繁衍。除此之外，沉水植物好氧的根系环境也可以起到固定底泥、减少氮磷 释放的功能。 1 2 研究意义 西湖作为杭州市的灵魂，是典型的南方城市景观湖泊，由于西湖自古以来 就享誉盛名，故湖周流动人口众多，旅游负荷巨大。2 0 0 6 年西湖风景名胜区景 点客流量达2 5 1 8 0 3 万人次；2 0 0 8 年，杭州接待境内外游客达4 7 0 0 多万人次； 到2 0 1 0 年，接待境内外游客量上升到6 5 8 0 6 0 万人次。西湖无与伦比的秀美和 举世瞩目的人文经济孕育出巨大的旅游业务量和城市快速发展的动力，西湖湖 泊的美学价值、社会价值和生态系统服务价值得到不断提升，却同时削弱了湖 3 泊生态系统自组织的自然属性。至上世纪八十年代，在众多因素的影响下西湖 成为严重富营养的湖泊，周围湿地面积逐年减少，湖盆淤积速度加快，城市降 尘增多，都使得西湖水体环境不断恶化 i i , 1 2 。 为实现西湖水质根本好转和生态恢复，本课题以研究沉水植物的生态修复 技术及群落结构优化为目的，并结合相应的示范工程，为杭州西湖水环境的根 本好转和水生态的稳步转换提供系统的环境生态工程技术做出理论依据。本课 题针对西湖湖西水域水生植物品种单一、稳定性与景观效果差、湖泊自净能力 弱的状况，通过对水深、底质条件、透明度、附着生物等水生植物恢复的生境 条件诊断，对于不利于沉水植物恢复的生境条件进行改善，提高生境的多样性， 构建与周围景观相协调的沉水植物群落，提高水体自净能力。研究范围集中在 茅家埠和浴鸽湾两个子湖区，将针对西湖及其流域的现有条件和基础，结合目 前已有生态恢复的相关技术，研究沉水植物在西湖里的最适宜恢复条件。将西 湖建成景观优美、水质良好、生态健康的国际知名城市湖泊。 在湖泊生态系统中沉水植物具有维护整个湖泊生态系统的结构与功能的 能力，并且对湖泊生态系统的稳定性有决定性的影响。沉水植物在水生态系统 中属于初级生产者，是水体生物多样性赖以维持的基础，其不仅可以为水体复 杂的食物网提供食物，还可以为其它水生动物提供生存空间和产卵栖息地，除 此之外沉水植物在抑制生物性和非生物性悬浮物质、改善溶解氧条件、提高水 体透明度及增加水体空间生态位等方面也有重要作用。重建沉水植物对恢复湖 泊生态系统，改善水质具有十分重要的意义【1 3 1 。本课题针对西湖这样一个典型 的南方城市景观湖泊做出相应研究，最终成果对全国城市景观湖泊治理与生态 建设有着非常重要的意义。 1 3 研究现状 1 3 1 湖泊生态系统恢复研究概况与发展趋势 美国科学家在上世纪8 0 年代末就已经对美国伊利湖、密执安湖等五大湖 受损害的水域生态系统的恢复与重建途径进行探索和规划。基于多年湖泊学理 论基础和应用技术的研究，美国在湖泊的富营养化控制、渔业资源的保护及恢 复、水体中污染物的去除和自然景观的重建等方面取得了显著的成果f 1 4 - 1 6 1 。尤 其是华盛顿湖的综合治理，在富营养化水质控制与改善方面取得了显著的效 果，被视为湖泊水生生态修复工程中的典型案例【1 7 , 1 町。与此同时，欧洲的一些 发达国家也开展了大量水生生态系统重建修复研究工作，并取得明显成效。2 0 4 世纪8 0 年代前瑞典的t r u m m e n 湖接纳大量生活污水和工业废水，造成鱼类大 量死亡、最终导致严重藻华。随后针对这种情况利用生态工程综合治理的方法， 使得水质得到较为明显的改善1 1 9 1 。近十年来，挪威、瑞典等国应用洒c a o 的 技术在欧洲酸化湖泊的恢复中进行了大量的试验研究，并且积累了丰富资料和 成功的经验，同时也提出了一些有待解决的问题【2 0 , 2 1 】。d u n c a n 的研究表明英国 伦敦附近水库应用生物操纵技术使水体一直保持低藻生物量和高的透明度嘲。 在我国也有许多大学和科研机构对湖泊生态系统的恢复作出相应研究，例 如中国科学院水生生物研究所就对长江中下游典型浅水型湖泊进行了长期的 调查研究并积累了丰富的资料【2 3 2 5 1 。中国科学院生态环境研究中心、中国科学 院南京地理与湖泊研究所对安徽巢湖和江苏太湖富营养化的形成与发展进行 了较为系统的分析研究，进而针对富营养化问题提出了一些防治措施，其中提 出了流域控制规划和应用了多水塘系统净化技术【2 6 _ 2 引。中国2 l 世纪议程首 批优选项目中有一项研究是由中国科学院地理研究所、动物研究所和生态环境 研究中心承担的，该项研究针对河北白洋淀生态系统特征进行了深入细致的研 究并且提出了白洋淀区域水污染控制、水域生态系统修复的综合技术方案 2 9 3 0 。在过去十几年中，国内不少科研单位和大专院校对我国湖泊开展了营养 类型和功能特征的自然环境现状及其变化趋势、生态系统退化的防治对策以及 水资源的持续利用与发展等方面的调查和系统研究，并出版了不少专著。 1 9 8 7 年，w e l c h 等提出了实现湖泊水生生态系统修复，由下而上和由上而 下的治理方法【3 1 翊，即以控制污染物的输入输出负荷，达到净化整个系统的目 的。该方法从食物链的最初层营养物的输入和水生生物层次开始控制，为富营 养化浅水湖泊生态系统的恢复提供了新的思路，即在湖泊生态修复过程中，必 须对湖泊底质输出的污染物和污染源输入的污染物同时进行控制治理，才能有 效地解决浅水湖泊的氮、磷等营养盐过量的问题，实现浅水湖泊水生生态修复 的目标。造成湖泊富营养化的主要影响因子是污染物中营养盐( 氮、磷) ，其 中磷在水体中的含量是湖泊富营养化的最主要的限定因子，所以控制浅水湖泊 中的营养盐浓度便成为治理的根本和关键。 目前，在对营养盐控制及治理方面的研究主要集中在下列5 个方面： ( 1 ) 控制湖泊水源的营养盐浓度； ( 2 ) 采取生态工程措施最大限度削减和拦截污染源中营养盐的输出量； ( 3 ) 调整产业结构和改进农业耕作技术，减少施用化肥和农药量； ( 4 ) 采取底泥疏浚措施，最大限度地控制内源污染，消减淤泥中污染物浓 度： ( 5 ) 恢复浅水湖泊中水生植物( 挺水植物、漂浮植物以及沉水植物) 群落， 5 通过水生植物对营养盐的吸收净化，来降低水体中营养盐的浓度。 目前国内外针对浅水湖泊富营养化的研究成为了一个热点和难点问题，其 中主要包括：( 1 ) 氮、磷等营养盐在水环境( 水体、底泥) 中的交换和迁移过 程；( 2 ) 浅水湖泊中水生生物与湖泊营养状态之间的胁迫关系；( 3 ) 浅水湖泊 富营养化治理的生物技术研究等。 1 3 2 湖泊生态系统中沉水植物群落恢复的研究现状 随着污染的加剧和湖泊富营养化的发展，湖泊富营养化是全球性的水环境 问题之一，在我国9 0 以上的湖泊处于富营养化【3 3 1 。目前国内外经过多年的理 论研究与工程实践发现众多浅水湖泊最开始是水质清澈的“草型 湖泊，在湖 泊中大型水生植物占优势，而由于人为干扰和气候变化等因素许多湖泊逐渐变 得透明度低、大型水生植物消失并频繁爆发水华，最终成为“藻型一湖泊，在 湖泊中浮游植物占优势。恢复或重建水生植被，尤其是沉水植被，是控制浅水 湖泊富营养化发展的必要环节，目标是实现湖泊由“藻型 到“草型一稳态的 转变也成为国内外科学家的一个共识刚。 在富营养化浅水湖泊中沉水植物的生存条件已遭到严重破坏，由于污染物 浓度过高，湖水透明度低，难以达到沉水植物的光补偿点，底质厌氧等原因， 大面积地重建沉水植物成为一项非常困难的任务。迄今为止，在较大面积和较 短时间内( 3 年) ，以人工强化方式大规模实施而成功的案例很少1 3 5 l 。要克服 这些障碍，需要在综合治理下，改善底质和水质，然后进行自然或人工强化恢 复。 基于浅水湖泊富营养化的多态理论，自2 0 世纪9 0 年代初，国内外的许多 研究人员认为要将“藻型浊水状态 的受污染湖泊恢复成“草型清水状态一， 可以采取工程和管理的综合措施改善适宜沉水植被生长的条件，进行人工强化 方式重建修复沉水植被。经过许多研究和实践，国外许多小型的富营养化浅水 湖泊已经成功地恢复了沉水植物群落，湖水水质也得到明显的改善，如丹麦、 荷兰等国的一些湖泊。荷兰的w o l d e r w i j d 湖和v e l u w e m e e t r 湖分别应用生物控 制技术和以换水为主的综合治理措施达到消减鱼群、提高水体透明度、降低p h 值和限制藻类生长的效果，从而促进了湖泊中沉水植物群落的恢复1 3 6 - 3 8 1 。 j i n g j i ez h a n g 等在美国m o g a n 湖的研究显示：生物操纵必须在一定的营养负荷 内才能获得较好的效果，磷的浓度要在0 0 5 一o 1 5m g l 范围，否则不可能通 过恢复沉水植物的方法而获得一个长期的好的效果 3 9 1 。p e r r o w 等 4 0 1 在英格兰 东部的n o r f o l kb r o a d s 湖中进行试验研究发现浮游动物通过摄食浮游植物从而 控制浮游植物的总量，这有助于保持一定的水体透明度，对于富营养化水体修 6 复过程中沉水植物的恢复阶段是相当有益的。 我国比欧美发达国家进行富营养化水体沉水植被群落恢复的研究要晚，但 经过众多科研工作者的不懈努力，有些用于示范研究的湖区沉水植物群落恢复 已取得了初步成效1 4 1 4 2 1 。许多地区从“八五 开始便针对富营养化水体沉水植 物的重建与恢复技术展开研究，在重度富营养化的江苏太湖、云南滇池、武汉 东湖等区域己经进行过大量的研究与示范，为沉水植物在受污染湖泊中的恢复 累积了许多宝贵经验，对于该领域的研究和工程实践具有重要的借鉴意义。 邱东茹、吴振斌等【4 3 】在武汉东湖的研究表明水生植物恢复后大大的改善了 东湖湖体水质，在轻度污染水体里k - 选择型物种可以恢复，如菹草 ( p o t a m o g e t o nc r i s p u ) ；在重污染湖区由于生境恶劣，可以先种一些r - 选择型 先锋物种改善水质，然后逐渐恢复其他水生植被。成小英等m 】在南京莫愁湖建 成了物理生态工程围区进行试验研究，探讨了秋冬季节富营养化湖泊中水生植 物的恢复过程及净化作用。南京地理和湖泊研究所张圣照等【4 5 】在太湖五里湖围 区内研究了藻型富营养化湖泊中影响水生高等植物生长、繁殖的主要水环境因 子，得出水体透明度是制约沉水植物和浮叶植物幼苗成活及生长的主要因子， 成功地重建了包括漂浮植物、浮叶植物及沉水植物在内的1 5 个不同的水生高 等植物群落。马剑敏等一鹌1 1 9 9 3 年在武汉东湖的水果湖、汤林湖和后湖三个 湖区分别建立试验围隔，进行水生植物恢复试验。结果表明，沉水植物苦草 ( v a l l i s n e r i an a t a n s ) 、狐尾藻( m y r i o p h y l l u ms p i c a t u m ) 、菹草( p o t a m o g e t o n c r i s p u ) 和大茨藻( n a j a sm a j o r ) 在三个湖区的示范区都能恢复，黑藻( h y d r i l l a v e r t i c i l l a t a ) 、伊乐藻( e l o de a 刀”t t a l l i o 和黄丝草( p o t a m o g e t o nm a a c k i a n u s ) 在 后湖示范区能够恢复，在水果湖未能恢复。屠清瑛等【4 9 】详细报道了北京什刹海 实施的生态恢复试验工程，以物理除藻为前提，通过实施基底修复而后开展水 体充氧等手段，达到恢复水生植被的根本目的，沉水植被得到了很好的恢复。 马剑敏，贺锋等【5 0 5 l 】在“十五 期间在武汉莲花湖和月湖也做了水生植物的重 建工程。武汉小莲花湖重建了以伊乐藻( e l o de a 删t t a l l i i ) 为优势种的沉水植物 先锋群落，2 0 0 4 和2 0 0 5 年春季的沉水植被盖度分别达到9 8 和9 5 ，抑制了 水华的发生，改善了水质。月湖是水质为劣v 类的重富营养湖泊，通过生物操 纵、浮水植物和植物浮岛原位净化、岸边人工湿地净化和科学种植等措施，2 3 年内重建了以菹草( p o t a m o g e t o nc r i s p u ) 和伊乐藻( e l o d e a r i l lt t a l l i 0 为优势 种的沉水植物先锋群落，2 0 0 5 年春季的沉水植物盖度达到4 5 ，明显提高了透 明度。 沉水植物群落的恢复和重建在湖泊生态系统中具有极其重要的意义，是非 常重要的一个环节，而我国湖泊的富营养化程度( 如氮、磷浓度等) 比多数欧 7 美国家的湖泊要明显高，恢复和重建水生植被的难度要大，恢复过程中遇到的 最大困难是控制藻类，特别是蓝藻水华。水生植物的恢复重建工作可以以多稳 态理论作为理论基础，首先控制外源污染的营养负荷，把营养盐浓度控制在一 定范围内( 国外研究者认为磷浓度要低于o 2 5m g l ) ，然后再实施综合措施( 如 疏浚或钝化底泥控制内源负荷，通过生物操纵或理化手段控制藻类等) 重建或 恢复水生植被。 1 3 3 沉水植物对湖泊水环境的改善作用 沉水植物在湖泊中起到至关重要的作用，是水体环境生物多样性赖以维持 的基础。沉水植物在水下具有较大的表面积这样有效增加了空间生态位，为鱼 类和浮游动物提供了隐藏和产卵的场所，在形成复杂的食物链过程中起到了提 供了食物及其他必要条件的作用【5 2 - 5 4 1 。由于湖泊不断受到污染，水体富营养化 程度日益严重，湖泊中的沉水植物逐渐衰败与消亡，这将导致水中的草食性鱼 类和一些螺类减少，而出现浮游藻类大量繁殖的现象，这样使得底栖动物、浮 游动物乃至鱼类等水生动物群落结构趋于简单化、小型化，使得系统的生物多 样性指数降低 s s - s 7 1 。有研究发现，沉水植物多的样点原生动物种类也多，沉水 植物消失则原生动物种类大为减少。沉水植被重建后，一些原已消失的种类重 又出现，原生动物种类增加，密度降低，多样性指数增高，优势种类由固着种 类取代浮游种类。雷泽湘掣邛l 在太湖也做了相应研