（植物学专业论文）密云水库浮游生物与富营养化控制因子研究.pdf

摘要 密云水库是北京城市供水最主要的地表水源，也是唯一的地表饮用水水源。 目前其面临的主要威胁是水体富营养化。我们以2 0 0 2 2 0 0 3 年的调研为基础， 结合1 9 8 0 年以来的相关资料，对以下问题进行探讨： 密云水库初级生产力主要决定于浮游藻类的群落组成和细胞密度。 2 0 0 2 、 2 0 0 3 年共观察到浮游藻类8 门，5 8 属1 2 5 种；浮游藻类群落有生长季节( 6 月 一9 月) 和非生长季节之分，分别为蓝藻型和硅藻一绿藻型。从1 9 8 0 年至今， 随着水体营养水平的提高，浮游藻类的细胞密度增加了近4 倍，优势种群也由中 营养型演替为富营养型。 浮游动物共检出4 门，3 0 属，3 6 种：浮游动物群落具有原生动物数量多， 轮虫次之，枝角类与桡足类量少的特点，呈现出浮游动物数量大、小型化、多样 性低等伴随水体富营养化出现的特征。底栖大型无脊椎动物种类是逐年减少的， 2 0 0 2 年仅观测到寡毛类的正颤蚓和摇蚊幼虫类的大红德永摇蚊，它们均是富营 养型水体的指示种类。 于1 9 8 0 相比，2 0 0 2 - - 2 0 0 3 年密云水库水体营养盐含量增加，c o d 。b o d ；升 高，水体透明度降低等等，多项指标的t s i m 大于5 3 。密云水库水体营养程度具 有空间和时间上的差异。白河主坝、恒河水质相对较好，其次是潮河主坝，水源 九厂，库西，套里：水质相对差的为库东、金沟一带；水库富营养化状态评价的 各项标准若按照年均值评价，营养状态为中到富营养状态；若按照年内最大值评 价，则6 月一9 月为富营养，其它月份大多为中到富营养状态。 全面分析了密云水库水体系统中营养物之间、营养物与藻类生长之间的相互 关系，分别探讨了各种环境因子对密云水库富营养化的影响，结合藻类增长潜力 实验和现场围隔实验确定密云水库富营养化的主要控制因子。结果表明，光、温 度，磷营养盐，库容量、水流流态等都能成为密云水库富营养化的主要控制因子。 关键词：密云水库富营养化浮游藻类浮游动物底栖动物控制因子 a b s t r a c t m i y u nr e s e r v o i r , t h e s o u r c eo ft h es u r f a c ew a t e ra n dt h e o n l y s o u r c eo f d r i n k i n gw a t e r i nb e i j i n g ，i sb e i n gc o n f r o n t e dw i t ht h em e n a c eo ft h ee u t r e p h i c a t i o n w ed i s c u s s e ds e v e r a lp r o b l e m s ，b a s e do nt h er e s e a r c hf r o m1 9 8 0t o2 0 0 3 t b ec o m m u n i t ya n de e l ld e n s i t yo fp h y t o p l a n k t o nd e t e r m i n e dt h ee l e m e n t a r y p r o d u c t i v i t y o fm i y u nr e s e r v o i r o n eh u n d r e da n d t w e n t y f i v es p e c i e s w e r e i n s p e c t e d ，w h i c hb e l o n g t o5 8g e n e r a8p h ) ，l u m a n dt h ec o m m u n i t yo f p h y t o p l a n k t o n c h a n g e dw i mt h e s e a s o n t h eb l u e g r e e na l g a et y p ed u r i n gg r o w i n gs e a s o na n d d i a t o m - g r e e na l g a et y p eb e y o n dg r o w i n gs e a s o n f r o m1 9 8 0t o2 0 0 3 ，t h ec e l ld e n s i t y o fp h y t o p l a n k t o ni n c r e a s e d b y3 t i m e sw i mt h ei n c r e a s i n go fn u t r i e n ta n dn o w e u t r o p h i c a t i o n a lp h y t o p l a n k t o n a r ec o m m o ni nt h e1 a k e f i v ew a t e r s a m p l i n g c o l l e c t e df r o m m i y u n r e s e r v o i rw e r e o b s e r v e d q u a n t i t a t i v e l y t h i r t y - s i xs p e c i e so fz o o p l a n k t o ni n c l u d i n g1 1p r o t o z o a n ，1 5r o t i f e r s ，6 c l a d o c e r oa n d4 c o p e p o d aw e r ef o u n d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h ee u t r o p h i c a t i o n a l f e a t u r e ，s u c ha sl o w e rb i o d i v e r s i t y ，m i n i a t u r i z a t i o na n dm o r ea m o u n t b e n t h i cm a c r o i n v e r t e b r a t e sw e r es t u d i e di n5 s a m p l i n g s i t e s t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h e s p e c i e sw e r eb e c o m i n gl i t t l ea n dl i t t l e w jo n l yi n s p e c t e d2s p e c i e s t u b f f e xs pa n dt o k u n a g a y a s y r i d aa k a m u s ，w h i c ha r ea l le u t r o p h i c a t i o n a ld e s i g n a t e s p e c i e s c o m p a r e d w i t ht h er e s e a r c hi n1 9 8 0 ，t p ，t n ，c o d m n ，a n d b o d 5i n c r e a s e d ， r e v e r s e l ys df a l i e d t h et s i mv a l u eo fm a n yg u i d e l i n ee x c e e d5 3 ，w h i c hs h o w e d e u t r o p h i c a t i o no f w a t e r b o d y t h el e v e lo f n u t r i e n tc h a n g e dw i t ht h es e a s o na n ds i t e s t h ew a t e r q u a l i t yi nb a i h ed a m a n dh e r i g h ew e r et h eb e s t ，s e c o n d l yc h a o h ed a m ， k u x ia n dt a o l i ，t h ew o r s tk u d o n ga n dj i n g o uc o f f e r d a m a v e r a g ev a l u ef r o mt h e w h o l ey e a ri n d i c a t e dt h e r ew a st h et e n d e n c yt o e u t r o p h i c a t i o n h o w e v e r t h em o n t h v a l u e d i f f e r e d d u r i n gg r o w t h s e a s o nt h ew a t e r b o d y w a si nt h es t a t eo f e u t r o p h i c a t i o n ，b e y o n dg r o w t h s e a s o ni nt r a n s i t i o np e r i o d t h er e l a t i o n s h i pa m o n gd i f i e r e n tn u t r i e n t sa n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e n u t r i e n t sa n da l g a e g r o w t hi nm i y u nr e s e r v o i rw e r ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s e d c o m b i n e dw i t ht h ee x p e r i m e n to fa l g a eg r o w t hp o t e n t i a l ，t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u s e n v i r o n m e n t a lf a c t o r so n e u t r o p h i c a t i o ni nm i y u n r e s e r v o i rw e r e i n v e s t i g a t e da n dt h e m a i n c o n t r o l l i n gf a c t o r so f e u t r o p h i c a t i o n i nt h el a k ei d e n t i f i e d i ts h o w st h a tt h em a i n c o n t r o l l i n g f a c t o ro fe u t r o p h i c a t i o ni n m i y u nr e s e r v o i ra r el i g h t ，t e m p e r a t u r e ， n u t r i e n t ，w a t e rc a p a c i t ya n d v e l o c i t yo f f l o w ，w h i l e t h ec o n t r o lo f p h o s p h o r u si st h e k e y t oc o n 廿o le u t r o p h i c a t i o ni nm i y u n r e s e r v o i r k e y w o r d s ： m i y u nr e s e r v o i r e u t r o p h i c a t i o np h y t o p l a n k t o n z o o p l a n k t o n b e n t h i cm a c r o i n v e r t e b r a t e s c o n t r o l l i n gf a c t o r s 首都师范大学硕士学位论文 第1 章综述 第l 节国内外水体富营养化研究概况 1 1 1 水体富营养化简介 水体富营养化是指水体接纳过量的氮、磷等营养性物质，使水体中藻类以 及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成水质恶化，加速水 体老化，从而使水体丧失功能。它不仅制约了湖泊资源的可和用性，而且直接 影响着人类的健康和社会经济的持续发展对于富营养化问题各国为此投入了 巨额资金进行研究和防治，然而收效甚微。 富营养化已经成为一个全球性的重大水环境问题，引起了广泛重视。早在 2 0 世纪初，湖泊、水库富营养化的出现引起了欧美一些国家的关注，研究和防 治随之展开。特别是近4 0 年来，随着全球水体富营养化问题的不断加剧，各 国为控制富营养化进行了大量研究与实践。近2 0 年来，我国对湖泊富营养化 状况、产生原因进行了一系列研究与防治的实践，但是，富营养化仍未得到有 效控制。 l 1 2 富营养化机理的探讨 湖泊富营养化是指湖泊水体中氮、磷逐渐富集，致使浮游藻类异常增殖，水 生生物多样性和稳定性降低，透明度下降，水质恶化。根据富营养化的直接后果 来看，富营养化过程是自养型生物( 浮游藻类) 在水体中建立优势的过程。它包 含着一系列物理、化学和生物变化的复杂过程，与水体的化学和物理性状，浮游 藻类种群和产量，湖泊形态和底质等许多因子和参数相关。 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， 在湖泊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。 浮游藻类主要由c 、o 、h 、n 、p 等元素组成，缺乏这些元素则藻类就不会 生长，这就导致了营养限制的概念。藻体中所含c 、n 、p 原子的个数比率为1 0 6 ： 钱凯先国内外潮泊富营养化研究及对策，环境科学1 9 8 8 年第2 期 l 首都师范大学硕士学位论文 1 6 ：1 ，假定藻体以同样比率吸收n 和p , n 可用此比率来确定限制性营养盐。与 氮磷的原子个数比率为1 6 ：1 相对应的氮磷质量浓度比7 _ 2 ：1 因此，当湖泊中可 能被藻类吸收的氮和磷质量浓度之比小于7 时，则氮是可能的限制性营养盐；反 之，如果比值大于7 ，则磷是可能的限制性营养盐；当比值接近于7 时，则两者 均可能是限制性营养盐。 n 和p 在湖泊水体中呈种复杂的动态平衡状态。在研究湖泊n 、p 外源时。 同时研究水体中n 、p 平衡、分布和循环、生物吸收和回归、沉淀，底泥中n 、p 形态及有机物分解和释放等规律，对研究湖泊富营养化过程是很重要的。1 充分认识营养元素在水一沉积物系统中生物地球化学作用的过程和速率，揭 示蓝藻水华爆发的地球化学环境动力学机理，对控制湖泊富营养化的进程，确保 水环境安全具有十分重要的意义。从营养元素循环、生物大分子降解过程和铁一 锰一硫体系的氧化还原变化等角度对湖泊的沉积物一水系统进行了研究。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：沉积物 中生物残骸细胞破裂后，蛋白质、d n a 、r n a 降解导致的氮一磷差异性释放与微 生物作用存在耦合关系；由于铁一锰一硫的微生物作用差异，沉积物早期成岩氧 化还原序列变化对营养元素生物地球化学行为起着控制作用。2 提到富营莽化，普遍想到的就是营养盐超标。诚然总磷、总氮等营养盐是 发生富营养化的必要条件。如果水体中总磷总氮浓度很低，不可能发生富营养化： 但是，反之则不然，水体中总磷、总氮浓度的升高，并不一定能发生富营养化问 题。了解富营养化的发生枧理和发生条件，实质上需要了解的是藻类生长繁衍的 过程。尽管对于不同的水域，由于区域地理特性，自然气候条件、水生生态系统 和污染特性等诸多差异，会出现不同的富营养化表现症状，即出现不同的优势藻 类种群，并连带出现各种不同类型8 永生生物种类的失衡。但是富营养化发生所 需的必要条件基本上是一样的，最主要影响因素可以归纳为以下三个方面：( 1 ) 总磷、总氮多种营养盐相对比较充足；( 2 ) 缓慢的水流流态：( 3 ) 适宜的温度条 件；只有在三方面条件都比较适宜的情况下，才会出现某种优势藻类“疯长”现 1 钱凯先国内外湖泊富营养化研究及对策，环境科学1 9 8 8 年第2 期 2 科学对报2 0 0 1 。0 8 。0 5 熊和生 首都师范大学硕士学位论文 象，爆发“水华”，1 富营养化需要空间和时间的限定，对于富营养化的大部分过程，数学叙述是 有效的，它测定了生态系统中化学，物理和生物学过程。对于湖泊富营养化负荷 的计算( 包括地面径流的自然p 、n 负荷：来自降雨的自然p 、n 负荷：人为的 p 、n 负荷) 、湖泊中营养浓度的判断、富营养化的判断等问题建立了一系列模型， 用以探索湖泊富营养化形成机理中的部分规律。淡水生态系统中存在着诸多的复 杂性问题：水体类型的复杂性，水体形成的复杂性，水生物的多样性，以及生态 系统结构、功能的复杂性和格局、过程的复杂性、流域影响的复杂性、人类干扰 的复杂性等等2 。由于这些表现出来的或尚未表现出来的复杂性，目前淡水生态 系统面临的主要问题是水环境的恶化，富营养水体中的藻类“水华”。所以用复 杂性的概念和方法来研究富营养化机理也是可能的，这对今后赤潮和水华的研究 也将是一种动力。 1 1 3 浮游藻类增长和营养物的关系 i i 3 1 氮、磷与浮游藻类 浮游藻类在水体中普遍存在，整个生活史都离不开水，因此浮游藻类的数量、 种类和形态均与其生长的水域水质有密切关系。藻类通过光合作用，以太阳光能 和无机物合成本身的原生质。水中营养物质通常决定水的生产率，水生植物需要 供给适量二氧化碳、硝酸盐、磷酸盐及微量元素。在许多情况下，对大多数水体 来说，磷是限制因子，其次是氮。 在实际应用中，藻类增长所需的氮磷均为可溶性的n 0 3 、n h 4 和p 0 4 ，按照 分子式计算出来的比值并不实际。一般认为，当氮磷重量比大于1 0 时，磷可以 考虑为藻类增长的限制因素。3 就全球范围来说，在气候潮湿的地区藻类增长趋 于磷限制。在许多磷限制的湖泊中，总磷和叶绿素水平通常呈简单的线形关系。 美国e p a 建议总磷浓度o 0 2 5 m g l 和正磷酸盐浓度o 0 5 m g l 是湖泊和水库的磷 浓度的上限。某些研究认为，可溶性氮和可溶性磷的比值2 9 ：1 可视为蓝藻主导 藻类群落的临界值；低于此值时，蓝藻可能迅速增长。4 然而，我们都知道许多蓝藻具有从大气中同化氮气的能力，这使得蓝藻能在 李锦绣廖文根， 富营养化综合防治调控指标探讨水资源保护，2 0 0 2 年第2 期 2 沈韫芬蔡庆华淡求生态系统中的复杂性问题中国科学院研究生院v 0 1 2 0n o 2 。 3 h o m e a j ，g o l d m a n c r l i m n o l o g y ( s e e o n d e d i t i o n ) , n e w y o r k ：m c g r a w - h i l l i n c ，1 9 9 4 。李小平，美国湖泊富营莽化的研究和治理。自然杂志 c o l2 4 n o 2 3 首都师范大学硕士学位论文 缺氮的条件下比其他藻类增长得更快。研究还表明，蓝藻也能适应缺磷的环境。 因为蓝藻能在富磷时吸收和储存足够使用数天的磷。蓝藻的氮磷营养限制，往往 用生物学评价的方法来确定。 1 1 3 2 微量元素与浮游藻类 虽然氮磷是限制藻类增长的两种主要营养元素，但许多研究证明，像铁、钼 等微量元素可以单独，或是与氮或磷共同限制藻类的增长，尤其是在以蓝藻为主 导的湖泊。比较重要的微量金属有f e 、m n 、c u 、m g 、m o 、c o ，其主要机理是作为 辅助因子参与生物生化反应促进藻类增殖。 1 1 。3 3 温度、盐度、酸碱度与浮游藻类 温度、盐度和酸碱度是诱发水华和赤潮的重要因素。藻类为中温型微生物， 因此，当气温较高的夏季，无风的日子较易发生富营养化。由于热力学的作用， 水体在夏季可呈现分层现象，上层水暖比重小，下层水冷比重大，因无风，二层 不相搅动，不发生混层，由此而导致富营养化时水体上下层中藻类活动、营养状 况及氧气供应之不同。水华在温度1 5 3 0 c 之间、p h 值介于6 9 之间的水体中 常年存在。水华常常发生在夏末和初秋的富营养化的水体中。而且发生水华的特 定种属的蓝藻在世界各地的发生也受到气候温度的影响，例如，柱形藻出现在热 带地区的水体中，但在温带地区的水体中则没有发现其存在。与此类似的是，微 囊藻和项圈藻水华广泛发生于温带地区的水体。同样赤潮多发生在温度较高 ( 2 3 2 8 ) 、盐度较低( 2 3 2 8 ) 的近海海域。温度和盐度的变化速率也与赤潮 发生有关。温度在短时间内升高较快及盐度较急剧下降是发生赤潮的重要条件。 从生态学的观点来看，温度的急剧变化有可能引起生物群落的更替。一旦其它条 件适合，则具有了发生赤潮的可能性。 1 1 3 4 其他 微生物是水华和赤潮的诱导因素，它可以促进水华、赤潮产生。分析其原因， 可能是细菌分解有机质，产生了大量营养盐和促进水华爆发的有机物等。或者也 可能产生对某些藻类有毒的物质，这就使得另一些藻类旺盛增长，成为优势种， 促进水华的发生。在低营养盐浓度时出现的赤潮和水华，可能与细菌的分解作用 使营养盐有效循环有关。 水体由于养殖而破坏了生态平衡，对浮游藻类也会产生巨大的影响。同样， 4 首都师范大学硕士学位论文 充足的阳光照射也是藻类旺盛繁殖的必要条件。富营养化水体中，水的上层有阳 光照射，藻类的光合作用旺盛，其所产生的氧气甚至可使水中溶解氧量达到过饱 和程度，下层水中，由于上层藻密度大而使光线不易透过，成为弱光区，主要进 行藻类的呼吸作用以及异氧细菌对有机质的分解作用，消耗大量的氧，使水体处 于缺氧状态。总之许多因子是相互关联、相互影响的，因而进行交叉研究、综合 分析是必要的。 1 1 。4 水体中营养物的循环 1 1 4 1 营养物在水中的分布和循环 水圈内水体，生物体与底质之间，进行着各种物质的交换。其中对生物生 长有重要作用的氮和磷元素也发生着各种形式的循环在水中溶解的无机态和有 机态的磷，一部分被水生生物( 初级生产者) 所摄入，然后沿捕食它的第一消费 者( 二级生产者) ，向更高级的消费者传递。在此过程中，各生物产生的分泌物， 排泄物或分解产物当受到细菌分解的同时，又将磷恢复到水中及堆积物沉降至水 体底泥中，底泥中的磷可被微生物直接摄入利用，进入食物链，参与水生生态系 统的循环，同时也可以在适当条件下，从底泥中释放出来而进入水中参与再循环。 氮的循环基本上与磷的循环相似，不同的是：微生物及部分蓝、绿藻可以从 大气中固氮，同时微生物又可把土壤和水中的氮还原给大气，即固氮及脱氮作用。 随着温度升高，特别是夏季藻类大量繁殖，湖水中的有机磷和有机氮含量明显增 加，表明了无机氮磷元素被初级生产者合成为有机体的氮磷循环过程。秋季随着 水温的下降，初级生产者的合成速度显著下降，湖水中的无机氮和磷的含量比夏 季有所回升。实际上输入到水体中的营养物的交化及时空分布是非常复杂的，但 是也表现出有关氮磷循环的一些共性，如每年的3 4 月份常是大多数湖泊的氮 磷含量最高时期，这多是冬季湖底死亡藻类等生物体的腐烂分解作用，将有机氮 磷还原成无机氮磷又释放回水中所致。 1 1 4 2 沉积物中营养盐的释放及其影响因素 各种来源的营养盐，在湖泊中经过一系列物理、化学以及生物作用，其中一 部分被利用，大部分沉积于湖泊底部，成为湖泊里营养盐的内负荷。相反，在湖 泊环境发生变化时，沉积物中的营养盐叉会重新释放出来进入水体，尤其是城市 湖泊，长期的累积，沉积物中氮磷负荷往往很高，即使外来污染源全部切断，沉 首都师范大学硕士学位论文 积物中的营养盐会逐渐释放出来，仍然会使湖泊发生富营养化，因此，了解和研 究湖泊沉积物中营养盐的行为具有重要意义。 1 1 421 沉积物中氮磷的释放 氮磷的释放机制是不同的。氮的释放取决于氮化合物的氧化分解的程度，而 后者与其化学沉淀的形态有关。在细菌的作用下，氮化合物可以相互转化，不同 形态的氮，其释放能力不同，溶出的溶解态无机氮在沉积物的表面的水层进行扩 散。但是，由于表面的水层含氧量不同，溶出情况也不同。若厌气性，以氨态氮 溶出为主：好气性时，则以硝态氮溶出，其溶出速度比厌气性为快。底泥中的磷 主要是有机态的正磷酸盐占大部分，形成钙、铝、铁等不溶性盐类，一旦出现利 于磷酸盐沉淀物溶解的条件，磷就会释放。 一般情况下，释放营养盐首先进入沉积物的问隙水中，逐步扩散到沉积物的 表面。进而向湖泊沉积物的上覆水扩散混合，从而对湖泊水体的富营养化发生作 用。 1 1 4 2 2 对磷释放影响的环境因子 沉积物中磷的释放主要受到各种环境的影响，其中最主要的是水中溶解氧、 p h 、氧化还原电位、温度、生物以及水体的搅动等。 一般认为湖泊底部的氧化状态能促进磷的吸附，而厌氧状态则有利于磷的释 放。夏季在富营养化的湖泊中由于闷热天气和藻类大量的繁殖，夜阅往往会出现 溶解氧严重不足，这时沉积物磷释放就可能发生。 p u 是湖泊水环境的重要指标，它对水环境的各种物理化学反应均有重要影 昀，在沉积物释放磷反应中也是如此。研究表明，p h 值接近中性对，在其他条 件不变时，磷的释放量较小，而在酸性和碱性范围内释放量较大，这主要是因为 p h 影响磷与沉积物的吸附作用和离子交换作用。 扰动在潮溶水体是经常发生的，它能使底泥中颗粒磷悬浮，同对也加速了底 泥间隙水的扩散，从而增加磷的释放。 温度升高，沉积物中的磷的释放增加。产生这种变化的原因，是温度对释 放反应的影响二是春末夏初，水温升高，藻类开始繁殖，减少了水中磷酌浓度。 从而使已经平衡的水一沉积物表面反应向着释放磷的方向进行。 研究表明沉积物中磷的释放往往会受到湖泊主要离子的影响：( 1 ) 湖泊中硝 6 首都师范大学硕士学位论文 酸盐浓度对底质磷的释放有明显作用，当湖泊中硝酸盐高于某一浓度时，沉积物 则容易释放磷酸盐。( 2 ) 钙离子对磷的释放也有一定的作用。根据湖泊水化学沉 淀平衡公式3 c a ”+ 2 p o 。乙一c a 一( p o 。) ：l 由此可见沉积物中磷的释放是以低浓 度方式进行的。但是由于湖泊中水生植物的吸收，尽管磷的释放浓度不高，仍然 很有效地使水生植物和浮游藻类大量的繁殖，致使湖泊富营养化不断发展。1 1 1 4 3 藻类群落演替对营养物循环的影响 随着季节的变化，藻类群落中的不同物种可以更替出现，即春季往往会有硅 藻大量出现，紧接着是夏初的绿藻：而整个夏季蓝藻占统治地位，入冬前会有另 一个硅藻的小水华，就在蓝藻群落为主导的夏季，蓝藻物种之间的相互更替也经 常出现。驱使藻类群落物种更替，有地质水文学上的原因，也有生态学上的原因。 当某一种藻类物种形成水华时，磷和其他营养物质被吸收；当此种藻类水华消失 时，营养物质就又被释放回水体和底泥，成为下一个藻类物种的营养来源。营养 物通过藻类种群的演替，在水体中被不同藻类反复利用，使得藻类在少有或没有 外源营养物输入的情况下，仍然能够得以很好的生长。所以，用机械的方法收获 藻类，或者用生物捕食的方式( 浮游生物或鱼类) 来控制藻类，就可以切断营养 物通过藻类物种演替转递的途径。2 1 1 5 富营养化的防治 湖泊富营养化的防治经过了从控制营养盐，直接除藻，到生物调控，生态工 程及生态恢复等艰难的历程。各国为此投入了巨额资金，然而收效甚微。富营养 化依然是全球性重大水环境问题。 1 1 5 1 营养盐控制 控制水体营养盐浓度是传统的富营养化防治措施，它基于限制因子原理以实 验室藻类生长瓶法的测定结果为依据，对于外源性污染采取截污，污水改道，污 水除磷，对于内源性污染采取了清淤挖泥、营养盐钝化、底层曝气、调节湖水氮 磷比值、覆盖底部沉积物及絮凝沉降等一系列措旖。但是实践表明单纯控制营养 盐对富营养化防治往往难以见效3 。以清淤为代表的内源性营养盐及污染控制不 。金相灿等，中国湖泊环境( 第一册) 。海洋出版社 2l i x p j ，i r o nc y c l i n ga n di t se f f e c to i la l g a lg r o - t hi nc i e a r l a k e ，c a l i f o n i a ( p h d t h e s i s 。u n i v e r s i t yo fc l a i f o r n i a 。d a v i s 。1 9 9 8 m o s sb ，s t e r s f i e l dj i r v i n ek d e v e l o p n a n to f d a p h n i dc o m m u n i t i e si nd i a t o ma n d c y a n o p h y t cd o m i n a t c dl a k e s a n d t h e i r r e l e v a n c e i o l a k e r e s t o r a t i o nb y b i o m a n i p u l a t i o n j a p p l i e d e c o l o g y , 1 9 9 i ，2 8 ：5 8 6 - 6 0 2 7 首都师范大学硕士学位论文 仅费用高、技术难度大，而且影响清淤结果的因素较多，优势不能得到预期的结 果“2 。 1 1 5 2 直接除藻 用化学药品控制藻类是最古老原始的方法，化学药品可以快速杀死藻类，但 死亡藻类所产生的二次污染及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，因此化学除藻法目前不宜采用。 用机械方法收获藻类，可在短期内快速有效的去除湖水中的藻类，但该法往 往需要耗费大量的劳力和能量，而且随着藻类的生长需要不断的收获。对于有商 业价值的藻类，收获藻类可以得到较好的经济效益，如云南的程海，湖水中曾有 大量的螺旋藻，并形成螺旋藻水华，不断地收获可以获得良好地经济效益，但是 对于许多富营养化湖泊往往没有单纯的良好地藻类资源，收获藻类资源难以取得 相应的直接收益。3 i 1 5 3 生物调控 生物调控( b i o m a n i p u l a t i o n ) 作为营养盐控制的一种替代技术，是通过重 建生物群落以得到一个有利的响应，常常用于减少藻类生物量，保持水质清澈并 提高生物多样性1 。主要通过增加食鱼性( p i s c i v o r e s ) 鱼类和减少食浮游动物 ( z 0 0 p l a n k t i v o r e s ) 和食底栖动物( b e n t h i v o r e s ) 鱼类，以保证有充分的浮游动物 等来控制藻类：也有直接利用食藻鱼控制水华或者利用水生高等植物快速吸收 水体和沉积物中的营养盐5 、分泌产生他感物质抑制浮游藻类生长、6 并且对湖泊 生态系统的物理化学及生物学特性亦有重要影响。7 “近1 0 年来国内外对水生高 等植物在湖泊生态系统中的作用及其恢复进行了广泛的研究，试图以藻类为优势 的浊水态水体转为以水生高等植物为优势的清水态水体。 一一一一一 首都师范大学硕士学位论文 1 1 5 4 生态工程与生态修复 针对非点源污染，美国科学家利用湿地生态系统作为湖泊周边流域和湖区之 间的化学和水文缓冲器，提出了保护湖区水质的湿地生态工程1 。研究显示位于 水体和陆地生态系统之间的生态交错带( e c o t o n e ) ，具有过滤功能、缓冲器功能， 2 它不仅可以吸附和转移来自面源地的污染物，营养物，改善水质，而且可以截 留固定颗粒物，减少水体中的颗粒物和沉积率。同时湿地可以提供生物繁育生长 栖息地，对于保护生物多样性，减少洪水危害、保持水土等具有重要意义。 近1 0 余年来，国内外科学家运用生态工程技术净化富营养化水体，恢复富 营养化水体生态系统良性循环，取得了一些成功经验。3 生态工程是修复富营养 化湖泊生态系统的重要工具，它可以改善富营养化湖泊的局部水质，修复局部生 态系统。 恢复生态系统结构和功能的完整性不仅是湖泊富营养化综合治理的目标，而 且也是湖泊富营养治理的重要手段。生态工程被认为是生态恢复的最佳工具，因 地制宜，将生态工程与环境工程、生物工程相结合，可以修复受损生态系统，提 高水体自净能力、改善富营养化湖泊水质并建立湖泊健康生态系统。 国内外的现状调查结果表明，在全球范围内3 0 一4 0 的湖泊和水库已经 遭受不同程度富营养化影响，我国近年来湖泊富营养化呈现发展趋势，从2 0 世 纪8 0 年代后期的4 1 上升到9 0 年代后期的7 7 ，可见水体富营养化已经成为 重大的环境问题。随着对富营养化湖泊生态系统的研究的深入，人们逐步认识到 富营养化控制是一个典型的生态问题。回顾对富营养化防治，走过了从营养盐控 制到生物调控到生态恢复一次次的技术革新与飞跃。然而，迄今为止，对于富营 养化水体中恢复多种不同生态类型的水生高等植物群落，并从群落和生态系统水 平研究恢复水生高等植物的恢复过程及其对富营养化湖泊生态系统结构和功能 的影响，尚缺乏深入的研究。 首都师范大学硕士学位论文 第2 节本研究的立体依据和意义 1 2 1密云水库的重要地位 北京是全国的政治经济和文化中心，水资源量3 9 9 9 亿m 3 ，入境水量1 6 5 亿m 3 ，可用水资源量为4 1 3 3 亿m 3 。北京市人均水资源量不足3 0 0 m 3 ，在世界 1 2 0 多个国家和地区的首都及主要城市中排名百位之后，约为全国的1 ，7 ，世界 的1 3 0 ，远远低于国际公认的1 0 0 0 m 3 的缺水下限，是世界上严重缺水的特大型 城市之一，属于重度缺水地区。北京面临着可用水资源逐渐减少，需水量却不断 增加的困难。据分析预测，2 0 1 0 年可用水资源量4 0 8 8 - 3 3 9 9 亿m 3 ，需水量 5 2 7 3 5 3 9 8 亿m 3 ，缺水量l1 8 5 1 9 9 9 亿m 3 ；2 0 2 0 年可用水资源量4 0 3 8 3 3 7 9 亿n 1 3 ，需水量6 4 1 舡6 4 6 9 亿m 3 。缺水量2 3 7 6 - 3 0 9 0 亿m 3 ，未来北京水资源 形势是十分严峻的。 虽然北京市水资源紧缺，但是其水污染却在加剧，生态环境日益恶化。全市 年污水排放量近1 3 亿i n 3 ，而污水处理率仅为3 8 。污水排入河道，污染河湖清 水，北京河段中有5 6 4 的水体受到不同程度的污染，水质基本上长年处于超五 类。2 0 0 2 年8 月份密云水库金沟一库东一带发生蓝藻“水华”，给人们敲响了警 钟，水污染治理势在必行。 按照中央的要求，北京要建设成为环境最清洁、最卫生、最优美的一流国际 化大都市。2 0 0 8 年奥运会举办的是否成功。水资源的支持能力和水环境质量也 是一个重要组成部分。加快城市的现代化进程，为北京争取新的荣誉，不仅是北 京人民的心愿，也是全国人民共同的心声，以北京现有的水资源量来支撑是不够 的，必须量水而行，量水发展。 北京市地面供水水库只有官厅和密云两座。由于污染严重，官厅水库已于 1 9 9 7 年被迫退出饮用水源地。2 0 0 3 年密云水库年供水量约7 亿m 3 ，占自来水总 供水量的6 0 ，水厂扩建工程完工后，密云水库供水将占全市饮用水供水量的 2 3 。稳定密云水库水质，促进流域可持续发展是关系到北京社会经济发展的太 事。 1 2 2 密云水库面临的主要问题 1 2 2 1 密云水库的水质问题： 1 0 首都师范大学硕士学位论文 密云水库因为其重要的饮用水源功能，水库水质备受关注，环保和水利部门 一直进行着较为系统的监测。结果显示，密云水库水质总体来说还是好的，水库 水质基本上没有受到危害性的有机污染和有毒、有害物质污染，但水质恶化趋势 不容乐观。依据国家地表水环境监测标准( g b 3 8 3 8 - 8 8 ) i i 类水体水质标准，对 1 9 8 8 1 9 9 7 年近1 0 年的总氮、总磷浓度实测值的分析结论是，按年均值评价， 总磷浓度前7 年符合水质标准，而近3 年均超标：若按照最大值评价，近1 0 年 总磷浓度年内都有超标的时段；从富营养化角度考虑，根据水利部1 9 8 7 年推出 的水库富营养化状态评价标准，若按照年平均值评价，密云水库的营养状态一般 为中营养水平，有时为中到富营养状态：若按照年内最大值评价，则水库的营养 状态大多为中到富营养状态，有时为富营养状态。根据国际上通行的标准，作为 北京市唯一地表饮用水源的密云水库的营养状态最好为贫营养状态，中营养状态 仍可以接受。由此可见，密云水库面临的主要威胁是富营养化。 1 9 8 8 1 9 9 0 年的观测结果表明密云水库网箱养鱼增加了水体中氮、磷等营 养盐类的负荷，加速了水体的富营养化进程。1 水生生物种群的变化也反映了密云水库富营养化的趋势。从1 9 8 0 年以来浮 游藻类的数量呈上升趋势，2 0 0 2 年浮游藻类的数量是1 9 8 0 年的5 倍，1 9 9 7 年的 2 倍，比2 0 0 1 年增长了5 4 。密云水库浮游藻类群落组成，优势种群的年际变化 也很明显。1 9 8 1 2 0 0 3 年，库区浮游藻类数量呈明显增长趋势，藻类组成中硅 藻比例有所下降，蓝藻比例大幅度上升。从优势种看，水库已受到污染，并且有 逐年加重的趋势。 1 9 9 6 年调查结果( 秦秀英，1 9 9 8 ) 与历史同期相比，无机氮略有下降，无 机磷下降很快，浮游藻类数量和生物量却有很大提高。密云水库为中营养型，但 有富营养化趋势。2 1 9 9 8 年调查结果( 杜桂森等，2 0 0 1 ) 显示，密云水库水体的浮游藻类群落 为硅藻一绿藻型，营养盐与初级生产力的关系为浮游藻类响应型。1 9 8 8 1 9 9 8 年库区水体t n 增长了4 8 孺，t p 增长3 1 2 ，浮游藻类细胞密度增长了4 1 7 ， 水体为中营养，并出现了富营养型指示种。3 杜桂森等两箱养鱼对水质影响的研究首都师范大学学报( 自然科学版) 1 9 9 3 v o ! 1 4 ( 4 ) 1 2 1 5 2 秦秀英，陈露等密云水库环境的现状和变化趋势中置水产科学，1 9 9 8 ，g o l 5 ( 4 ) ：5 7 8 2 3 杜桂森，王建厅，武殿伟等密云水库的浮游植物群落与密度，植物生森学报，2 0 0 1 ，2 5 ( 4 ) 5 0 1 5 0 4 l l 重翌堑蔓奎兰壁主耋垡丝兰 1 9 9 6 1 9 9 8 年( 赵萌，2 0 0 1 ) 对密云水库浮游藻类，浮游动物，底栖动物 的生物量数量、季节组成和变化作出了研究。 从底栖动物生物种群的变化来看，根据8 0 年代以来3 次大范围的底栖生物 调查，发现1 9 8 0 1 9 8 6 年问底栖动物种类变化不大，但1 9 9 6 1 9 9 7 年的调查发 现，底栖动物的种类发生了很大的变化，寡毛类由6 种降为4 种，摇蚊幼虫由1 1 0 种降为6 种，总计只有7 种，在局部水域( 如内湖网箱养鱼区) 已经不存在 底栖生物。自1 9 8 6 年后的1 0 余年间底栖动物种类减少5 0 ，说明生物多样性 在减少。从底栖动物数量和生物量看，自1 9 8 0 年以来呈逐年增加的趋势。就耐 污染种类寡毛类而言，1 9 8 0 1 9 8 6 年数量增加1 5 倍，生物量增加1 t2 倍；而 自1 9 8 6 年咀来的近l o 年间寡毛类动物增加3 4 倍，生物量增加4 1 倍。将密云 水库底栖动物数量和生物量与全国其他几个主要富营养湖泊( 滇池草海、滇池外 海、南四湖、巢湖、太湖、武汉东湖、杭州西湖) 比较，密云水库底栖生物量最 高，仅次于滇池外海，位居第二。 1 2 2 2密云水库的污染源问题 据目前掌握的资料大致估算密云水库入库营养负荷，结果如表1 。 表l 密云水库入库营养负荷2 项目来自白河、潮河的广非点源网箱养鱼总负荷 义点源 负荷比例负荷比例负荷比例 n i l 3 - - n1 0 6 。1 84 1 3 21 5 0 8 25 8 6 82 5 7 0 0 n 执喇1 9 4 4 ，9 59 3 3 91 3 7 。5 5a 6 l2 0 8 2 5 n 0 2 - n 2 8 9 25 5 1 42 3 5 34 4 8 65 2 4 5 b o d 51 2 3 5 4 68 7 2 41 8 0 7 81 2 7 61 4 1 6 2 4 一 t p1 3 0 6 98 4 0 51 5 7 51 0 1 39 0 558 21 5 5 4 9 t n2 0 8 0 0 58 0 5 74 2 3 i l1 6 3 97 8 5 83 0 42 5 8 1 7 4 表1 可见，上游负荷，即自河、潮河是主要营养源来源，除了氨氮和亚硝类外，其余 份额均大于8 0 因此在污染源控制上应对上游负荷给予足够的重视，并要进行深入 细致的研究。 赵萌，王秀琳等密云水库水生生物调查中国水产科学，i 0 1 8 1 2 蘑r 红、李其军。密云水库流域可持续发展战略研究中霉承利，2 0 0 3 年0 8 期 1 2 首都师范大学硕士学位论文 通过1 9 5 4 1 9 9 0 年实测密云水库入库径流分析，入库径流总体上成指数下 降趋势。1 2 0 0 2 年王晓燕调查研究表明：密云水库流域非点源污染源主要有化肥损失、 畜禽粪便流失、水土流失三种类型。水土流失是最主要、最直接的污染源。同时 也是其它二种污染的载体；不同土地利用类型及耕作方式对污染物流失影响强 烈。农田流失最严重，其中坡耕地流失量最大；汛期污染物流失量约占全年流失 量地6 0 ，非点源污染已经成为影响水库水质的主要污染源。2 1 2 2 3 流域( 尤其是库周边地区) 人口问题 根据1 9 9 5 年统计，密云水库流域总人口8 7 5 万人，其中农业人口8 0 5 万， 占总人口的9 1 7 。非农业人口7 3 2 万，占总人口的8 3