（环境工程专业论文）生物操纵法控制于桥水库藻类的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 环境污染造成的水体水质恶化问题日益严重。污水排放量的增长以及低污 水处理率进一步加重了我国水体富营养化程度。由此引发的藻类过量繁殖问题 不仅降低水体感官性状，而且影响饮用水供水安全，成为当前亟待解决的问题。 本文以生物操纵法控藻为主要目标，采用理论分析与模拟实验相结合、室 内试验与室外试验相结合的方法进行研究。通过研究大型滤食性水生动物( 鲢、 鳙、蚌) 和浮游动物对水中藻类的下行效应以及营养盐对藻类的上行效应，探 索在不同营养水平下放养大型滤食性水生动物有效控藻的合理密度与种类组 合；根据水体藻类生物量对大型滤食性水生动物放养量以及营养盐之间的响应 关系，建立相关的生物操纵法数学模型。为在于桥水库大面积应用生物操纵法 控制藻类生长，减轻富营养化提供依据。 对于桥水库的调查结果显示，水库总磷年均负荷总量为2 3 1 2 t ，总氮年均负 荷总量为4 4 0 8 i t ，均主要来源于河流输入。按照地表水环境质量标准评价， 于桥水库总磷度介于类到v 类水质标准之间，总氮浓度介于i 类到v 类水 质标准之间。按照综合营养状态指数法进行评价，于桥水库处于中度营养与富 营养化状态之间。 调查期间共采集到藻类7 门6 2 种。浮游动物( 不含原生动物) 3 0 种，其中 轮虫1 6 种，枝角类6 种，桡足类8 种；浮游动物平均密度为1 5 0 0 i n d l 一。藻类 优势种4 月为小环藻、锥囊藻，5 月为平裂藻、栅藻，6 - - 一1 0 月为微囊藻，1 1 月 为盘星藻、桥弯藻。于桥水库藻类密度呈现明显的季节变化特征，随着水温上 升，自4 月份之后，藻类密度明显增加，夏季达到高峰。 于桥水库中大型水生植物有31 种，分布面积约2 7 k m z ，约占整个水库水面 面积的1 3 。鱼类组成结构以鲫鱼和鲤鱼等底层杂食性鱼类占较大比重，鲢鱼和 鳙鱼等中上层鱼类比例较低。 在实验室内利用微生态系统进行了系列试验，着重考察营养盐、浮游动物、 大型水生植物以及鱼类对藻类生长的影响。在对氮磷比与藻类生长关系的研究 中，发现氮磷营养盐的绝对浓度可能要比氮磷比对藻类生长的影响更为关键， 认为在控制藻类水华发生时，一方面可以利用氮磷比来抑制某些藻类的大量繁 中文摘要 殖，另一方面不可忽略氮磷营养盐绝对浓度的影响。在对浮游动物与藻类关系 研究中，发现浮游动物群体，尤其是甲壳类群体，在适当条件( 氮、磷浓度， 温度) 下，可以对藻类总量起到有效的控制作用，对其中蓝藻也有一定的控制 作用；总磷较总氮对浮游动物生长的影响更大。在对营养盐与浮游动植物关系 研究及大型水生植物作用研究中，发现甲壳类浮游动物的总量基本由营养盐浓 度决定，营养盐浓度过高，会对轮虫的生长产生抑制作用，浮游动物的控藻作 用受到影响：大型植物的存在，可以为浮游动物躲避鱼类捕食提供有效庇护， 有利于藻类控制。 室外试验研究通过在于桥水库岸边建立1o 个3 0 0 m 2 的大型围隔，放养大型 滤食性动物( 鲢、鳙、蚌) ，考察了不同的放养密度及种类组合所取得的控藻效 果。结果显示，鲢、鳙对水华藻类微囊藻的控制效果显著，在l o g m 3 的 放鱼密度下，围隔中微囊藻始终处于极低水平；放养鲢、鳙导致藻类群落结构 发生明显改变，大型藻类比例明显下降，小型藻类比例上升成为优势种类；放 养鲢、鳙导致围隔内浮游动物总量下降明显，尤其是大型枝角类，而轮虫比例 则明显上升；放养鲢、鳙并不必然导致藻类总量下降，相反由于失去大型浮游 动物的控制，小型藻类增长迅速并使得藻类总量与放鱼前持平甚至上升；三角 帆蚌对藻类有一定控制作用，但对微囊藻等较大型的藻类作用有限：鲢、蚌组 合对藻类总量控制具有一定效果，在本研究试验条件下， 6 0g m - 3 鲢和7 0 9 i n - 3 三角帆蚌组合时控藻效果最好；鲫鱼、鲤鱼对于桥水库控藻和水质改善具有负 面作用，应考虑适当降低其在水库内的比例。 以鲢鱼、营养盐为主要的控藻影响因子，在参阅国内外文献的基础上，确 定了这些影响因素与藻类生长之间的定量关系，初步建立了鲢鱼控藻的生态模 型。 关键词： 生物操纵富营养化藻类鲢鱼鳙鱼 a b g r a c t a b s t r a c t w a t e rq u a l i t yd e g r a d i n gr e s u l t e df r o me n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a sb e c o m em o r e a n dm o r es e r i o u s t h ei n c r e a s i n go fw a s t ew a t e re m i s s i o na n dt h el o wt r e a t m e n t a g g r a v a t e df u r t h e rt h ee x t e n to fe u t r o p h i c a t i o n ，w h i c hu s u a l l yl e da l g a lb l o o m i th a s b e c o m ea nu r g e n tp r o b l e mt or e s o l v eb e c a u s ei tn o to n l yd e t e r i o r a t e dt h ef e e l i n gf o r w a t e rb o d y ，b u ta l s ot h r e a t e n e dt h ew a t e rs u p p l y ss a f e t y t h i sd i s s e r t a t i o n sm a i no b j e c ti ss t u d y i n ga l g a lc o n t r o lu s i n gb i o m a n i p u l a t i o n ，b y t h e m e t h o d o l o g yo ft h e o r e t i c a l a n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，l a bt e s t sa n df i e l d e x p e r i m e n t s b ys t u d y i n gt h et o p - d o w ne f f e c t sf r o ml a r g ef i l t e r - f e e d i n ga q u a t i c o r g a n i s m s ( s i l v e rc a r p ，b i g h e a d ，h y r i o p s i sc u m i n g i o a n d z o o p l a n k t o n t o p h y t o p l a n k t o na n dt h eb o t t o m u pe f f e c t sf r o mn u t r i e n tt op h y t o p l a n k t o n , w ee x p l o r e d t h ep r o p e rs p e c i e sc o m b i n a t i o n sa n dd e n s i t i e so ft h el a r g ea q u a t i co r g a n i s m sa t d i f f e r e n tn u t r i e n tl e v e l sf o ra l g a lc o n t r o le f f e c t i v e l y b a s e do nt h er e s p o n s er e l a t i o n b e t w e e np h y t o p l a n k t o nb i o m a s sa n dl a r g ef i l t e r - f e e d i n ga q u a t i co r g a n i s m sa sw e l la s n u t r i e n t ，w ed e v e l o p e dc o r r e s p o n d i n gb i o m a n i p u l a t i o n sm o d e l t h es u r v e y i n go fy u q i a or e s e r v o i rs h o w st h a ti t sa n n u a lt pl o a di s2 31 2 t , i t sa n n u a l t nl o a di s4 4 0 8 it ，b o t l lm a i n l yf r o mr i v e ri n p u t a c c o r d i n gt oe n v i r o n m e n tq u a l i t y s t a n d a r do fs u r f a c ew a t e ri nc h i n a , y u q i a or e s e r v i o r st pc o n c e n t r a t i o n sa r eb e t w e e n t h ec l a s si ia n dc l a s s 钐a n di t st nc o n c e n t r a t i o n sa r eb e t w e e nc l a s si i ia n dc l a s s 钐 u s i n gt h ei n t e g r a t e de u t r o p h i c a t i o ni n d e xm e t h o dt oe v a l u a t e ，y u q i a or e s e r v o i ri s b e t w e e nm e s o t r o p h i c a t i o na n de u t r o p h i c a t i o n t h e r ea r e7p h y l u m s ( 6 2s p e c i e s ) o fp h y t o p l a n k t o nw e r ec o l l e c t e dd u r i n gt h es u r v e y , a sw e l l a s3 0s p e c i e so fz o o p l a n k t o n ( n o ti n c l u d i n gp r o t o z o a n ) t h a ti n c l u d e d16 s p e c i e so fr o t i f e r s ，6s p e c i e so fc l a d o c e r a n sa n d8s p e c i e so fc o p e p o d s t h ea v e r a g e d e n s i t yo fz o o p l a n k t o ni s1 5 0 0 i n d 【1 t h ep r e d o m i n a n tp h ”o p l a n k t o na r ec y c l o t e l l a s p a n dd i n o b r y o ns p d u r i n ga p r i l ，m e r i s m o p e i d as p a n ds c e n e d e s m u ss p d u r i n g m a y ，m i c r o c y s t i ss p b e t w e e nj u n ea n do c t o b e r , p e d i a s t r u ms p a n dc y m b e l l as p d u r i n gn o v e r m b e r p h y t o p l a n k t o nd e n s i t i e so fy u q i a or e s e r v o i rs h o w e do b v i o u s a b s t r a c t s e a s o n a lv a r i e t yc h a r a c t e r st h a ti n c r e a s e dc l e a r l ya f t e ra p r i lw i t hw a t e rt e m p e r a t u r e i n c r e a s i n ga n dr e a c h e dp e a kv a l u ea ts u m m e r t h e r ea r e 31 s p e c i e so fm a c r o p h y t e si ny u q i a or e s e r v o i r , a n dt h e i rd i s t r i b u t e da r e ai s a b o u t2 7k m 2t h a ta c c o u n tf o r1 3o ft h er e s e n r o i r ss u r f a c ea r e a c a r a s s i u sa u r a t u s a n dc y p r i n u sc a r p i oa r et h ed o m i n a n ts p e c i e so ff i s hw h e r e a st h ep r o p o r t i o no fs i l v e r c a r pa n db i g h e a di ss m a l l w ec o n d u c t e das e to fe x p e r i m e n t sw i t h i nm i c r o - e c o s y s t e m st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t o fn u t r i e n t ，z o o p l a n k t o n , m a c r o p h y t ea n df i s ho na l g a lg r o w t h f r o mt h es t u d yo n r e l a t i o nb e t w e e nn ：pr a t i oa n da l g a lg r o w t h ，w ef o u n dt h a tt h ei m p a c to na l g a lg r o w t h o fa b s o l u t ev a l u e so fn ，pw e r em o r ei m p o r t a n tt h a nn ：pr a t i o i ts u g g e s t st h a tw h e n w ec o n t r o l l i n ga l g a lb l o o mw ec a l lu s en ：pr a t i ot or e s t r a i nc e r t a i na l g a e sg r o w t h , o n t h eo t h e rh a n d ，w es h o u l dn o tn e g l e c tt h ei m p a c to fn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o no na l g a e f r o mt h es t u d yo nr e l a t i o nb e t w e e nz o o p l a n k t o na n dp h y t o p l a n k t o n ，w ef o u n dt h a t t h ez o o p l a n k t o nc o m m u n i t y , e s p e c i a l l yc r u s t a c e a n , m a ye f f e c t i v ec o n t r o lt o t a la l g a l b i o m a s sw h e nc o n d i t i o n s ( s u c ha sn ，pc o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r e ) a r es u i t a b l ea n d a l s oh a ss o m ec o n t r o le f f e c to nb l u e - g r e e na l g a e i m p a c t so ft po nz o o p l a n k t o n g r o w t ha r em o r es t r o n gt h a nt n f r o mt h es t u d yo i lr e l a t i o nb e t w e e nn u t r i e n ta n d p l a n k t o na n dt h es t u d yo ne f f e c to fm a c r o p h y t e ，w ef o u n dt h a tt o t a lc r u s t a c e a n b i o m a s si sd e t e r m i n e db yn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n h i g hn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o nw i l l d e p r e s sr o t i f e r sg r o w t h p r e s e n c eo fm a c r o p h y t em a yp r o v i d ee f f e c t i v er e f u g ef o r z o o p l a n k t o n ，t h e r e f o r em a yh e l pt oc o n t r o lp h y t o p l a n k t o n t e nl a r g ee n c l o s u r e s ( 3 0 0m 2e a c h ) s t o c k e dw i t hg r a d i a n tb i o m a s so fs i l v e rc a r p ， b i g h e a da n dh y r i o p s i sc u m i n g i iw e r es e tu po nt h eb a n ko fy u q i a or e s e r v o i r ( c h i n a ) t o s t u d yi t sa l g a lc o n t r o le f f e c t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fs i l v e rc a r pa n d b i g h e a df o rc o n t r o l l i n gm i c r o c y s t i ss p w a sp r o m i n e n t w h e nf i s hd e n s i t i e sa r em o r e t h a n10g m 叫，b i o m a s so fm i c r o c y s t i ss p r e m a i n e dv e r yl o w s t o c k i n gs i l v e rc a r pa n d b i g h e a d l e d o b v i o u s l yc h a n g i n g o fp h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t ys t r u c t u r et h a t m a c r o p h y t o p l a n k t o n sp r o p o r t i o n d e c r e a s e d m a r k e d l y w h e r e a sm i c r o a n d n a n o p h y t o p l a n k t o n sp r o p o r t i o ni n c r e a s e ds h a r p l y a n dt h ef i s hs t o c k i n ga l s om a d e z o o p l a n k t o nb i o m a s sd e c r e a s e dc l e a r l y , e s p e c i a l l yl a r g ec l a d o c e r a n s ，t h o u g hr o t i f e r s p r o p o r t i o ni n c r e a s e dr e m a r k a b l y w ef o u n dt h a ts t o c k i n gs i l v e rc a r pa n db i g h e a d s h o u l dn o tr e s u l ti n d e c r e a s i n gp h y t o p l a n k t o nb i o m a s s , o nt h e c o n t r a r y , n a n o - p h y t o p l a n k t o ni n c r e a s e dr e m a r k a b l yw i t h o u tt h em a c r o - - z o o p l a n k t o n sc o n t r 0 1 t h e r e f o r el e dt h et o t a lb i o m a s so f p h y t o p l a n k t o nr e m a i n e do re x c e e d e dp r c s t o c l c i n g l e v e l i tw a sf o u n dt h a th y r i o p s i sc u m i n g i ih a sc e r t a i ne f f e c to nt o t a l p h y t o p l a n k t o n b i o m a s sb u tl i m i tt om i c r o c y s t i ss p a l s ot h ec o m b i n a t i o no f s i l v e rc a r pa n dh y r i o p s i s c u m i n g i ih a sc e r t a i ne f f e c to i lt o t a lp h y t o p l a n k t o nb i o m a s sa n da si nt h ec o n d i t i o n so f o t t re x p e r i m e n t ，a 培mc o n t r o le f f e c t sw e r eb e s tw h i l es i l v e rc a r p d e n s i t yw a s6 0g m 。3 a n d 劬i o p s i sc u m i n g i id e n s i t yw a s7 0g m 一c a r a s s i u sa u r a t u sa n dc y p r i n u sc a r p i o h a v en e g a t i v ee f f e c to i la l g a lc o n t r o la n dw a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n t ，, s ow es h o u l d c o n s i d e rt od e p r e s si t sp r o p o r t i o ni nt h er e s e r v o i r b yr e f e r r i n gr e l a t e dl i t e r a t u r e , w eu s e ds i l v e rc a r pa n dn u t r i e n ta st h em a i ni n f l u e n c e f a c t o r sf o ra l g a lc o n t r o la n dd e t e r m i n e dt h e q u a n t i t a t i v er e l a l i o nb e t w e e nt i l e s ef a c t o r s a n dp h 矿o p l a n k t o n f i n a l l yw ed e v e l o p e d c a r p a l le c o - m o d e lo fa l g a lc o n t r o l b ys i l v e r k e yw o r d s ： b i o m a n i p u l a t i o n , e u t r o p h i c a t i o n , a l g a e , s i l v e rc a r p ，b i g h e a d 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景 1 1 1 我国水资源保护形势严峻 水是人类生存和发展不可替代的资源，是经济和社会可持续发展的基础， 从我国当前和2 l 世纪的发展来看，洪涝灾害频繁、水资源不足、水污染严重是 我国水资源存在的三大主要问题，特别是水资源不足和水污染问题，已成为经 济社会发展的制约因烈。 我国水资源总量约为2 8 万亿m 3 ，居世界第六位，但人均占有量只有2 3 0 0 m 3 ， 不足世界人均水资源量的1 4 ，排在世界第1 2 1 位，是世界上1 3 个贫水国家之 一。我国水资源南多北少，东多西少，而且在时间上的分配极不均匀，主要集 中在夏季。水资源的时空分布不均匀，加剧了水资源的危机。统计资料【2 】显示， 目前我国农业灌溉区每年缺水3 0 0 亿m ? 左右，城市每年缺水6 0 多亿m 3 ，我国 6 6 8 个城市中有4 0 0 多个城市缺水，其中严重缺水的城市达到1 1 0 余个，缺水影 响人口达到4 0 0 0 万。我国2 0 0 4 年总用水量5 5 4 8 亿立方米，占当年水资源总量 的2 3 嘣那。按照国际经验，一个国家用水量超过其水资源的2 0 ，就很可能发生 水资源危机。另一方面由于环境污染造成的水体水质恶化问题日益严重。我国 年排放污水总量逐年递增，由1 9 9 8 年的5 9 3 亿吨快速增长到2 0 0 4 年的6 9 3 亿 吨( 图1 1 ) 。与此同时，全国6 0 0 多个城市中仍然有接近一半左右的城市没有 污水处理厂，其中大部分污水未经有效处理而排入江河湖海。据统计，全国9 0 以上的城市水域受到不同程度地污染，近5 0 的重点城镇的集中饮用水源不符 合取水标准。2 0 0 5 年全国七大水系的4 1 1 个地表水监测断面中，v 类和劣 v 类水质的断面比例分别为3 2 和2 7 。2 8 个国控重点湖( 库) 中，类水质 湖( g o ) 3 个，v 类水质的5 个，劣v 类水质的湖( 库) 1 2 个1 4 。水质污染进一 步加剧了我国的水资源危机，使得我国北方地区面临着可利用水资源量少且水 质差的双重压力，而南方许多地区则面临着水质型缺水的困境。 第一章绪论 7 2 0 7 ( x ) 鹋o 联如 嗍) 6 2 0 6 ( ) ( ) 及如 珊j 5 4 ( ) 1 9 9 8 1 9 臼2 ( ) ( _ ) 02 ( ) 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 4 图1 11 9 9 8 2 0 0 4 年我国年排放污水总跫变化 1 1 2 富营养化与藻类危害 污水排放量的不断增长以及低污水处理率不仅使我国许多水体受到污染， 而且进一步加重了水体富营养化程度。水利部2 0 0 4 年调查结果显示，全国4 9 个大型湖泊中有3 2 个湖泊处于富营养状态；全国2 3 8 座大中型水库中三分之二 的水库处于中营养状念，三分之一的水库处于富营养状态【3j 。水体富营养化也造 成许多饮用水源地功能受到损害。如一度作为北京市供水主要水库之一的官厅 水库，8 0 年代后水质逐渐恶化，1 9 8 2 年水库开始出现富营养化，不断有水华产 生，1 9 8 6 年水而出现大量微囊藻水华，9 0 年代后库区富营养化更为严重，由于 库区水质污染同趋严重，1 9 9 7 年北京市不得不停止使用官厅水库作为生活饮用 水源i ) j 。北京市另一重要饮用水水源地的密云水库，2 0 0 1 年的凋研结果显示， 密云水库内湖已成为富营养水体，库区水体总氮、总磷和浮游藻类增长较快， 并出现了如铜绿微囊藻、湖泊色球藻等富营养种类，有明显的向富营养发展的 趋势【6 j 。2 0 0 7 年5 月，太湖蓝藻在短期内积聚爆发，水源水质恶化，导致无锡 城区出现了大范围的自来水发臭现象，严重影响了居民的正常生活。 富营养化是指湖泊等水体接纳过多的氮、磷等营养物，使藻类以及其他水 生生物过量繁殖，水体透明度f 降，溶解氧降低，造成湖泊水质恶化，从而使 湖泊生态功能受到损：言和破坏，严重的甚至发生“水华”，给水资源的利用造成 第一章绪论 破坏，给湖泊水环境及其生态系统带来严重的后果。湖泊水库富营养化的突出 表现是藻类的大量繁殖【7 j ，其危害主要表现在： ( 1 ) 水体感官性状下降藻类的大量滋生，使得水体浑浊，透明度下降， 色度增加。水华发生时，水面往往覆盖一层厚厚的“湖靛”，而且由于藻类死亡 分解大量消耗水中溶氧，造成鱼类死亡漂浮水面，严重影响景观。此外某些藻 类如鱼腥藻属、针杆藻属还能散发臭味。 ( 2 ) 影响饮用水供水安全水中大量藻类的存在，使得给水处理时需要加 大混凝剂和消毒剂用量，增加制水成本。而小型藻类不易在混凝沉淀过程中去 除，常常造成滤池堵塞，缩短滤池运行周期，增加反冲水量，严重时可能引起 水厂被迫停产。而穿透滤池进入管网的藻类则容易成为微生物繁殖的基质，能 促进细菌生长，不仅影响管网水质，而且缩短管网服务年限，增加配水的动力 费用。藻类产生的臭味用常规净水工艺很难去除，常使城市供水中出现不愉快 气味，引起用户对水质感官上的不满。某些蓝藻如铜绿微囊藻、水华鱼腥藻和 水华束丝藻还会产生藻毒素，严重威胁人体健康。此外，源水中存在的藻类及 其代谢产物还可以成为消毒副产物的前体物，使饮水致突变性提高，饮水安全 性下降。 因此，湖泊富营养化问题目前已成为中国湖泊( 水库) 环境保护中最重大 的问题之一l 。 1 1 3 于桥水库富营养化及藻类问题 于桥水库是引滦入津工程的主要调蓄水库，是天津市重要的饮用水水源地。 自引滦入津工程实施以来，于桥水库每年可向天津市供水约9 亿1 0 ，为天津市 人民的生活和经济发展发挥了巨大作用【引。然而近十几年来，随着于桥水库流域 经济快速增长，各类废( 污) 水排放量不断增加，尤其是含氮、磷废水，造成 水库水质逐渐恶化，富营养化程度进一步加重。国家环保总局发表环境状况公 报显示，按照地表水环境质量标准评价，于桥水库的水质己由2 0 0 2 年的i i i 类 水下降到2 0 0 6 年的v 类水，水库水体营养状态在中营养与富营养程度之间徘徊。 每到夏季，水库内藻类大量繁殖，水面总会形成不同程度的蓝藻水华，给下游 水厂给水处理造成沉重负担，严重威胁着天津市的供水安全。因此，治理于桥 水库污染、减轻水体富营养化和控制藻类大量生长成为当前亟待解决的问题。 3 第一章绪论 幽1 2 于桥水库微囊藻水华( 摄于2 0 0 6 8 ) 1 2 1 库外治理技术 第二节藻类控制技术 由于水库藻类大量繁殖的根本原因是外界环境输入到水库中的营养物质负 荷过量，因此，解决此问题的根本措旌是减少水库营养负荷的输入量。库外控 带0 措施的目的就是尽量减少外源营养负荷的输入，较为典型的技术包括：截污 工程、流域点源治理( 如建污水处理厂治理工业废水和生活污水) 、流域水土流 失治理、水库入口截留污染负荷技术( 如前置库、氧化塘) 、人工湿地、湖滨带 改造技术等。库外治理措施往往工程耗资巨大，运行成本较高，以我国当前经 济发展水平而言。还难以大面积展开，但从长远来看，采取库外消减营养负荷措 施是必由之路也是治本之道。 1 2 2 库内控藻技术 库内治理技术通常是通过破坏或改变促进藻类生长的条件来达到控制藻类 的目的，大致可分为物理法、化学法和生物法三类。 第一章绪论 物理法常见的有人工除藻、疏浚底泥、稀释和水力冲刷、人工循环、消除 滞水层等；化学法常见方法如投放化学杀( 抑) 藻剂如硫酸铜、底泥氧化等： 生物法往往利用水体中各种生物间相生相克原理进行控藻，如种植大型水生植 物、投放微生物制剂、植物浮床、生物操纵等等。 库内控藻措施的选择需要考虑所治理水体的实际情况，如水力条件、营养 程度、水体功能等；同时也要考虑到不同治理方法的适用条件和成本，比如消 除滞水层法仅适用于深水湖库，疏浚底泥方法费用昂贵且容易造成二次污染。 总体而言，物理法往往工作量大、成本高、作用持续时间短；而化学法治理藻 类由于潜在二次污染问题大多用于应急性处理，尤其在饮用水源水库应用时须 谨慎；而生物法由于利用生态原理进行藻类控制，具有低成本、环保、作用时 间长久等优点，是当前控藻研究的热点。 第三节生物操纵法综述 1 3 1 生物操纵法的提出及定义 自h r b a c e k 及b r o o k s 等人开展的早期研究工作p j 以来，大量的实验结果表 明，水生态系统中鱼类种群生物量和年龄组成的变动，可使系统的营养结构和 水质状况发生显著的变化。据此s h a p i r o 等【1 0 l 在上世纪7 0 年代提出了生物操纵 ( b i o m a n i p u l a t i o n ) 一词。关于生物操纵的定义，s h a p i r o 在1 9 8 9 年第一届生物 操纵会议( “b i o m a n i p u l a t i o n t o o l sf o rw a t e rm a n a g e m e n t ”，阿姆斯特丹) 上 对其作了较明确的阐述，即“生物操纵是对湖泊内生物及其生境进行的一系列 调控，利用生物间相互作用实现湖泊使用者认为有益的结果，也就是藻类生物 量尤其是蓝藻类的减少”【l l l 。 1 。3 2 生物操纵法的理论基础 1 3 2 1 食物网( f o o dw e b ) 水生态系统是由不同营养级别的生物以及非生物物质组成的。其中绿色植 物所提供的食物能通过生物的摄食和被摄食而相继传递的特定路线称之为食物 链。食物链分为两类：( 1 ) 牧食食物链，从绿色植物开始，经食草动物到食肉 5 第一章绪论 动物；( 2 ) 碎屑食物链，从死亡有机物质到分解者生物，然后到食碎屑动物和 它们的捕食者。所有的食物链都不是孤立存在的，而是相互交联成为一种网状 形态，这种复杂的食物链组合称之为食物网【1 2 】。不同生物之间通过食物网的作 用而产生直接或间接影响。生物操纵法则正是利用这种作用，通过人为调控与 藻类相关的生物因子，从而达到控制藻类的目的。 1 3 2 2 “体积一效率”假说( s i z e - e f f i c i e n c yh y p o t h e s j s ) b r o o k s 与d o d s o n 于1 9 6 5 年发表的文章 9 1 系统阐述了“体积效率 假说。 该假说认为：相较于小型浮游动物，大型浮游动物尤其是枝角类对藻类的牧食 效率更高，而小型浮游动物种类只有在浮游食性鱼类密度较高时才有机会变得 丰富起来。由于鱼类的选择性捕食，体型大的浮游动物为小型浮游动物所替代， 然而小型浮游动物难以持续消减藻类并维持在低位水平上。 该假说指出了植食性浮游动物群落对藻类的牧食压力，以及浮游食性鱼对 这些浮游动物的捕食，是调控藻类生物量及其演替的两个重要的食物链。 然而，藻类的可食性随水体营养状态而改变，在富营养条件下，不可食藻 类的比例较高，即使是对最大型的枝角类而言。因此，这一假说受到了质疑。 1 3 2 。3 营养级联( 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 ) 假说 c a r p e n t e r 等学者【1 3 】于1 9 8 5 年提出了营养级联假说。该假说认为，食物网顶 端的生物种群的变化，通过体型大小的选择性捕食，由高营养级向下传递，最 终对初级生产者( 藻类) 产生较大影响。 1 3 2 4 上行一下行作用模型( b o t t o m - u pa n dt o p d o w nm o d e1 ) m c q u e e n 等人【1 4 】提出了上行下行作用模型( b o t t o m u pa n dt o p d o w n m o d e l ) ，进一步丰富了生物操纵理论。上行下行作用模型则不仅考虑捕食者的 影响( 下行作用) ，同时也考虑了营养盐等资源的影响( 上行作用) ，认为营养 盐浓度决定了各营养级可能达到的最大生物量，而实际实现的生物量则取决于 上行作用和下行作用的共同影响。该模型还认为下行作用强度由食物网顶端向 下逐级衰减，而上行作用的强度则随食物网底端向上逐级衰减。 1 3 3 生物操纵法研究综述 6 第一章绪论 生物操纵法的提出，改变了以往单纯关注营养盐的控藻思想，促使人们考 虑通过食物网的作用来控制藻类。几十年来，围绕生物操纵法控制藻类进行了 大量的研究和实践，而根据操纵对象的不同可将生物操纵法分为经典生物操纵 和非经典生物操纵两类【i 引，以下分别对这两类方法的研究进展情况进行综述。 1 3 3 1 经典生物操纵法 经典生物操纵法主要是通过改变捕食者( 鱼类) 的组成或多度来操纵植食 性的浮游动物群落结构，促进食藻效率高的植食性大型浮游动物的生长，特别 是枝角类种群的发展，从而降低藻类生物量。经典生物操纵法强调发展对藻类 滤食效率高的大型浮游动物尤其是大型枝角类的种群数量，利用大型浮游动物 对藻类的牧食压力来达到抑制藻类增长的目的，因此那些捕食大型浮游动物的 鱼类( 包括浮游生物食性鱼类以及部分杂食性鱼类) 就成为清除的对象。常贝 的清除目标鱼类的方法包括：化学法毒杀( 如使用鱼藤酮) 、网捕、电捕、放翥 凶猛肉食性鱼类等。 经典生物操纵法以欧美国家研究最多，历史最久，其规模范围从实验室庆 研究到全湖性质的实验研究，已有许多成功实践。如c a r p e n t e r 1 6 j 等报道，在美 国m i c h i g a n 湖、t u e s d a y 湖和p e t e r 湖中放养鱼食性鱼类后，滤食性鱼类的数量 显著减少，而植食性浮游动物数量显著增加，叶绿素a 含量和初级生产力水平显 著下降。荷兰z w e m l u s t 湖( 面积1 5 公顷，均深1 5 m ) 在1 9 8 7 年3 月清除了 湖内浮游生物食性鱼，随后在当年夏季，尽管该湖的氮磷负荷仍然很高，而湖 中浮游植物密度由于受到大型浮游动物的控制以及夏秋季氮限制大大降低，叶 绿素a 浓度也小于5 9 9 l 一，湖水透明度则由早期3 0 c m 升高到2 5 m ，湖底出顼 了5 种沉水植物并覆盖了1 0 的面积，第二年沉水植物覆盖面积增加了7 倍， 湖泊水体连续两年保持清澈状态【l7 1 。而国内关于经典生物操纵的研究十分薄弱， 具体实践则更少，仅见少量报道。如北京大学陈济丁、任久长【l s 】1 9 9 1 年在北京 大学未明湖利用围隔试验研究大型浮游动物的控藻作用，结论认为在适当的富 营养条件下，通过合理的生物操纵使得大型潘、平突船卵潘等大型植食性浮游 动物达到并维持足够的密度后，在夏秋季能有效控制藻类的过量生长并改善水 质。水利部水库渔业研究所刘家寿2 0 0 1 年在深圳茜坑水库通过放养肉食性鱼类 ( 鳜鱼) 来抑制野杂鱼进行生物操纵，一年多的实验结果显示，茜坑水库的氮 含量下降了2 0 ，磷含量下降了1 5 ，溶氧明显上升，透明度不同程度增加。 7 第一章绪论 d r e n n e r 等i l9 】对4 1 项经典生物操纵实践结果进行回顾总结时发现只有6 1 的生物操纵在改善水质方面一直成功。通过对经典生物操纵案例的分析， r e y n o l d s “w 提出了生物操纵成功的8 个前提：( 1 ) 水体较小( 可f l 邑 8 h a ) ，( 2 ) 较浅( 最深不超过4 m ，平均l m ) ，( 3 ) 水力停留时间平均3 0 天以下，( 4 ) 湖 底一半以上的面积可覆盖大型植物，( 5 ) 需要采取措施促进大型植物生长，( 6 ) 浮游植物群落不是由水华蓝藻而是由绿球藻、小型硅藻和包括隐藻在内的鞭毛 藻类组成，( 7 ) 鱼类可人为调控，( 8 ) 需要采取措施促进大型浮游动物的增长。 这些基本上涉及到造成生物操纵作用不明显的各个方面，说明并非仅靠增加鱼 食性鱼类，移去浮游、底栖生物食性鱼类或毒杀全部鱼类等简单操作即能实现 成功的生物操纵。h a n s s o n 等【2 1 】则提出了经典生物操纵的适用原则：( 1 ) 生物 操纵必须有力度，须将使浮游生物鱼类的现存量减少至少7 5 ；( 2 ) 需大幅减 少底栖鱼类；( 3 ) 需减少幼鱼的增殖；( 4 ) 需改善沉水植物群落；( 5 ) 磷浓度 需低于1 0 0 p g l ；( 6 ) 需要公众参与。b e n n d o r f 等【2 2 ，2 3 】对经典生物操纵技术的 影响因素、可能性和其限制性进行了研究，提出了“生物操纵有效磷负荷阈值 假说，认为要通过强化下行作用来降低藻类平均生物量到希望的水平，只有当 该湖磷负荷低于某个闽值时才能实现。在大型湖泊中，可能因为作用于食物网 和水体营养循环的因素非常复杂，生物操纵的作用不明显。 k a s p r z a k 2 1 j 归纳了导致生物操纵失败的原因：( 1 ) 创建并稳定一个强大的凶 猛鱼类种群不仅困难而且耗时；( 2 ) 食浮游生物鱼类的种群难以控制，并且具 有重返高