生物鏈調控技術防治湖泊富營養化研究進展

2011-12-31 00:00:00王軍霞張亞娟劉存歧

湖北農業科學 2011年9期

摘要：我國湖泊富營養化已呈現出日益嚴重的趨勢。綜述了湖泊富營養化治理中的生物鏈調控技術的研究進展，闡述了削鹽、控藻和碎屑生物鏈的作用，認為復合生物鏈的構建將對湖泊水質修復起到重要的作用。

關鍵詞：湖泊富營養化；生物鏈；防治

中圖分類號：Ｘ５２文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）09－1735-03

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｋｅ eｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎｉｎＣｈｉｎａｈａｓｂｅｃｏｍｅａｓｅｒｉｏｕｓｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｉｎｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｏｆ lａｋｅ eｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ；ａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｉｎｏｆｃｕｔｓａｌｔ，ｃｏｎｔｒｏｌａｌｇａｅ and ｃｒｕｍｂｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｏｕｎｄｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｉｎｓｐｌａｙｅｄａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｅｄｌａｋｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｋｅｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ；ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｉｎ； control

自１９世紀末以來，以水域富營養化為重點的湖泊生態環境問題的研究推動了湖泊水質改善與生態修復等一系列工作的開展。然而，由于湖泊所處地區地質結構和氣候變化歷程各異，不同“年齡”湖泊所呈現出來的問題也不同，從而使水質恢復工作體現出明顯的個體特征，增加了水質恢復的難度，限制了水域富營養化治理研究的發展。

各國學者已就富營養化驅動機制、關鍵控制因子以及富營養化治理等方面進行了深入而廣泛的研究，并逐步形成了防治水域富營養化的技術方法體系，包括營養鹽控制、直接除藻、生物調控、生態工程及生態恢復［１－３］。然而，實踐表明無論是營養負荷的削減，還是各種除藻措施的施行，均不能取得良好而持久的效果，一些不適當的物理、化學方法反而加劇了原本已經很脆弱的水生生態系統的破壞［４］。而生物調控方法利用生物的生理生化作用及食物鏈的傳遞過程，可以使湖泊中污染物與過量營養鹽發生降解和轉化，從而達到長期水體凈化的目的。其主要技術包括種植水生維管束植物、微生物凈化技術、生物浮床技術、生物鏈調控技術等，其中生物鏈調控技術因其經濟方便、能耗低且收效顯著、環保效益好而具有廣泛的應用前景，日益受到人們的重視［５］，該技術建立在生物操縱理論基礎之上，主要包括削鹽、控藻、碎屑三類生物鏈。

１經典生物操縱與非經典生物操縱

在富營養化治理技術方面，國外學者提出了經典的生物操縱方法，即通過調控浮游動物的群落結構，促進濾食效率高的植食性大型浮游動物，特別是枝角類的發展，提高浮游動物對浮游植物的攝食效率，降低藻類生物量，提高水體透明度，改善水質［６］。浮游動物在淡水生態系統中起著重要的作用，既是食物鏈的重要環節，又能積累和代謝一定量的污染物，是生物操縱的關鍵因子之一。但目前這種經典的生物操縱方法作為水質管理工具的有效性與穩定性存在較大的爭議［７］。湖泊生態系統復雜多變，多營養級的食物鏈管理很難使水體保持穩定的魚類和浮游動物種群，而浮游動物本身又難以直接利用微囊藻、顫藻和束絲藻等大型藍藻群體［８］。

針對中國富營養化湖泊藍藻水華嚴重的問題，科學家提出了非經典的生物操縱理論，即通過調節濾食性魚類（如鰱魚和鳙魚）的數量直接控制藍藻［９］，這一理論已經在多個試驗中得到了證實，在滇池、巢湖水污染治理中得到應用。Ｃｒｉｓｍａｎ等［１０］研究認為，在熱帶和亞熱帶地區枝角類種類較少，而且體型較小，浮游植物食性魚是更為合適的生物操縱工具。非經典的生物操縱所依靠的放養對象正是經典的生物操縱理論要求捕除或毒殺的對象。與經典的生物操縱法相比，非經典的生物操縱方法具有多方面的優點。一是具有持久性，因為非經典生物操縱所依賴的主體魚類，可以存活數年，且種群可被人為調控及食譜相對較寬，種群容易長期穩定，耐藻毒素性強；其次能降低營養庫存，通過對魚類的捕撈作用，可以從湖泊中移走大量的營養鹽。但這種方法的控藻效果受到很多因素影響，如放養模式、放養密度、湖泊形態、地域特征、群落結構等，因而該生物操縱應在對所治理水體生物群落結構及相互關系充分了解的基礎上開展調控，才能取得良好的治理效果［５］。

生物操縱技術通過調控水生生物群落某一營養級的生態功能來治理水體富營養化，但忽視了整個生物鏈這一相對獨立的單元對水體富營養化的調控功能。實際上，任何營養級的生物，都受到相鄰營養級捕食、競爭等作用的制約與影響［５］。在湖泊生態系統中，水體中藻類、水生植物、浮游動物、底棲軟體動物、魚類等分別作為不同食物鏈中的一環，通過捕食、競爭等關系制約著各種生物的生物量，進而影響到水體中氮、磷等營養鹽的吸收與轉化，因此通過改變食物網結構達到控制富營養化水體藻類數量成為了新的研究熱點。圍繞富營養化湖泊中營養鹽含量過高、藻類大量生長與沉積碎屑過度積累等問題，構建具有削減營養鹽、控制藻類生長或促進沉積物中碎屑分解等特定生態功能的生物鏈，可以在不同層次上充分發揮生物組分對富營養化調控的功能。

２削鹽生物鏈

該生物鏈以削減營養鹽負荷為目標，在全面了解湖泊自身特性（形態、水質、功能等）的前提下，識別并確定具有較強吸收、削減氮、磷等水體營養負荷的生物鏈類型（如沉水、挺水或浮葉植物—草食性魚類），優化調整湖泊生物鏈和營養級結構，使生物鏈對營養鹽的吸收去除效率最大化。

水生高等植物在湖泊生態系統中起著不容忽視的重要作用，其能夠快速吸收水體和沉積物中的營養鹽，分泌產生他感物質抑制浮游植物生長，被廣泛用于降低湖泊水體營養鹽負荷、控制藻類生長、調節湖泊生態系統［１］。因此在必要情況下，可適當引入具有良好吸鹽抑藻效應的水生植物和土著草食性魚類，優化調整湖泊生物鏈和營養級結構，構建營養負荷削減的生物鏈篩選及其優化調控技術［５］。目前對水生高等植物尤其是沉水植物在淺水湖泊生態系統中的功能的研究十分活躍［３］，恢復水生高等植物已成為淺水湖泊富營養化治理和生態恢復的關鍵步驟之一。高吉喜等［１１］研究了慈菇、茭白、菹草、金魚藻、滿江紅、水花生、菱角等７種水生植物對污水的凈化效果，結果表明７種植物對水中的ＴＮ、ＴＰ均有很高的凈化效率，其中慈菇和茭白的綜合凈化效率最高，但沒有考慮下一營養級的作用。王海珍等［１２］通過在圍隔中放養鰱魚及種植菹草，發現鰱魚的濾食作用改善了水體的透明度，使菹草不受遮光限制而生長良好，同時菹草通過營養競爭和他感作用控制了浮游植物的生長，也為浮游動物提供了棲息環境，浮游動物又反過來控制小型的藻類，而大型的藻類則被鰱魚控制，水體生態修復效果較好。但需要注意的是如果水中草食性魚類密度較大，將造成水生植物減少，大型水生植物所固定的氮、磷等營養元素重新釋放回水體，加劇水體富營養化進程［１３］。此外，人工收割將水生植物從湖泊中去除，也可達到將過量的營養物質從水中移走的目的。在這個步驟中，收割起到了類似生態系統內消費者的作用，給原有生態系統的物質循環路線一個出口，打通了富營養化水域被阻塞的物質流動。

３控藻生物鏈

在確定導致富營養化的主要優勢藻的前提下，篩選并確定以藻類為第一營養級，對主要富營養化藻類具有顯著定向生物密度制約效應的藻－濾食魚類、藻－浮游動物－魚類等生物鏈，可以建立密度制約的控藻生物鏈［５］。魚類引入系統后，其攝食活動豐富了水體中的食物鏈關系，提高了生物種群間的攝食能力和新陳代謝作用，不但控制了藻類生物量，而且加速了水中氮、磷營養物質的循環，提高了氮磷的轉化速率，并最終以魚產品的形式脫離水體。林濤等［13］在微型生態系統中分別引入鰱魚、鳙魚，發現鳙魚攝食浮游動物劍水蚤，使得劍水蚤被控制在較低的水平，則第一營養級藻類的捕食壓力和生存空間得到極大的緩解，促進了浮游藻類的生長；鰱魚則直接濾食浮游植物尤其是藍藻，使該系統中藍藻顯著下降。因此，利用魚類的攝食選擇性，可以選擇有效的控藻生物鏈來促進水質恢復。唐匯娟等［１４］利用鰱魚對浮游植物較高的攝食效率，成功控制了圍隔中浮游植物的生物量；劉建康等［１５］則利用鰱鳙直接控制東湖微囊藻水華。這種控藻食物鏈對魚類的密度有一定要求，密度過大或過小都會影響控藻效果［１６］。魚類密度過小，牧食壓力小，可能對藻類生長起不到抑制作用，但較高密度的放養，不僅因魚類排泄物增加導致水體有機質和營養鹽含量增加，而且高密度的魚類增強了對水體的擾動，進一步增加了底泥中污染物的釋放量［１７］。劉建康等［１８］指出鰱魚控制東湖微囊藻水華的有效密度為４６～５０ｇ／ｍ３，郎宇鵬等［１９］認為５０ｇ／ｍ３的鰱魚投放密度對藍藻有明顯的抑制作用。

實際上，藻類生物量的變化是魚類密度、牧食壓力、氮磷營養鹽濃度、氮磷比和沉積物等多種因素相互影響、綜合作用的結果［１９］，但通過放養適宜密度的濾食性魚類來控制水體中藻類生物量仍不失為一種有效的調控方法。

４碎屑生物鏈

碎屑生物鏈以控制湖泊沉積環境中的有機碎屑為目的。在定量分析不同種類的底棲軟體動物、線蟲、水蚤類、蝦蟹類及食腐屑鯉科魚類等水生生物分解處理有機碎屑能力的基礎上，篩選并構建有機碎屑作為第一營養級，碎屑食性動物與其捕食者或更高捕食者（如具有較高經濟價值的大型肉食性魚類）為更高營養級，能有效消化分解各類有機碎屑的生物鏈，從而控制有機碎屑沉積速率，有效緩解因內源營養負荷釋放導致次生富營養化加劇的趨勢［５］。陸開宏等［２０］發現羅非魚在濾食藻類的同時，通過濾食、嚙食等多種方式消耗了水中大量的懸浮顆粒及有機碎屑。大型淡水雙殼類軟體動物是自然界水體中重要的底棲生物，在水體生態系統中起著重要的作用，由于其強大的濾水濾食功能，利用它們來改善水質，在理論和應用上有重要意義［２１，２２］。尤其是底棲軟體動物對富營養化水體具有明顯的凈化效應［１］。費志良等［２３］研究發現三角帆蚌對水體懸浮物和葉綠素ａ的消除率分別達到７６％和９４％，水體透明度提高近兩倍。盧曉明等［２４］發現底棲軟體動物河蚌和螺螄通過濾食或刮食水中有機顆粒物對富營養化水體中的ＣＯＤ、氮、磷等有一定的去除效果。

通過生物鏈調控富營養化的技術在湖泊水體治理中發揮著重要的作用，具有廣闊的應用前景，但是水域生態系統內部組分關系復雜，水生生物之間的生物鏈類型繁多，單純利用水生生物群落某一營養級治理湖泊富營養化有很大的局限性。因此可以充分發揮削鹽、控藻、碎屑等不同類型生物鏈對富營養化的聯合調控效應，建立削鹽－控藻－碎屑復合生物鏈調控技術［５］。但是這種技術的應用必須掌握水體生態系統的變化情況、物種關系及演化過程，同時要考慮到不同生物鏈類型之間的拮抗作用，保證生物鏈較高的穩定性與自我維持能力。

參考文獻：

［１］全為民，沈新強，嚴力蛟．富營養化水體生物凈化效應的研究進展［Ｊ］．應用生態學報，２００３，１４（１１）：２０５７－２０６１．

［２］王國祥，成小英，濮培民．湖泊藻型富營養化控制－技術理論及應用［Ｊ］．湖泊科學，２００２，１４（３）：２７３－２８２．

［３］劉晶，秦玉潔，丘焱倫，等．生物操縱理論與技術在富營養化湖泊治理中的應用［Ｊ］．生態科學，２００５，２４（２）：１８８－１９２．

［４］劉晶，邱金泉，王雯，等．富營養化湖泊治理中的生物操縱理論［Ｊ］．農業環境科學學報，２００４，２３（１）：１９８－２０１．

［５］王瑜，劉錄三，方玉東，等．生物操縱方法調控湖泊富營養化研究進展［Ｊ］．自然科學進展，２００９，１９（１２）：１２９６－１３０１．

［６］ＳＨＡＰＩＲＯＪ，ＬＡＭＡＲＲＡＶ，ＬＹＮＣＨＭ．Ｂｉｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ：Ａｎｅｃｏｓｙｓｔｅｍａｐｐｒｏａｃｈｔｏｌａｋｅｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅｓｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎｗａｔｅｒ，１９７５，２１（６）：８５－９６．

［７］ＨＡＮＳＳＯＮＬＡ，ＡＮＮＡＤＯＴＴＥＲＨ，ＢＥＲＧＭＡＮＥ，ｅｔａｌ．Ｂｉｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎａｓａｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｏｏｄｃｈａｉｎｔｈｅｏｒｙ：Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ａｎｄｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｅｌａｋｅｓ［Ｊ］．Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ，１９９８（１）：５５８－５７４．

［８］謝平．鰱、鳙與藻類水華控制［Ｍ］．北京：科學出版社，２００３. １９－６９．

［９］ＬＩＵＪＫ，ＸＩＥＰ．Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎａｎｄｌａｃｕｓｔｒｉｎｅｐｒａｃｔｉｃｅｆｏｒｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｍｉｃｒｏｃｙｓｔｉｓｂｌｏｏｍ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｃｅａｎｏｌｏｇｙａｎｄＬｉｍｎｏｌｏｇｙ，２００２，２０（２）：１１３－１１７．

［１０］ＣＲＩＳＭＡＮＴＬ，ＢＥＡＶＥＲＩＲ．Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｌａｎｋｔｏｎｉｃｂｉｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ：Ｆｏｒｍａｎａｇｉｎｇｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｕｂｔｒｏｐｉｃｓ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏｂｉｏｌｏｇｉａ，１９９０，２０１（１）：１７７－１８５．

［１１］高吉喜，葉春．水生植物對面源污水凈化效率研究［Ｊ］．中國環境科學，１９９７，１７（３）：２４７－２５１．

［１２］王海珍，劉永定，肖邦定，等．圍隔中鰱和菹草控藻效果及其生態學意義［Ｊ］．水生生物學報，２００４，２８（２）：１４１－１４６．

［１３］林濤，崔福義，劉冬梅，等．水源治理中魚類的攝食選擇性對其生物操縱作用的影響［Ｊ］．哈爾濱工業大學學報，２００６，３８（１）：３５－３７．

［１４］唐匯娟，謝平．圍隔中不同密度鰱對浮游植物的影響［Ｊ］．華中農業大學學報，２００６，２５（３）：２７７－２８０．

［１５］劉建康，謝平．用鰱鳙直接控制微囊藻水華的圍隔試驗和湖泊實踐［Ｊ］．生態科學，２００３，２２（３）：１９３－１９６．

［１６］田利，王金鑫，張麗彬，等．鰱魚、蘆臺鲌魚對富營養化水體中藻類的控制作用［Ｊ］．生態環境，２００８，１７（４）：１３３４－１３３７．

［１７］胡秀琳，廖日紅，孟慶義，等．鰱魚放養控制北京城市河湖水華試驗研究［Ｊ］．環境工程學報，２００７，１（１１）：２９－３５．

［１８］劉建康，謝平．揭開武漢東湖藍藻水華消失之謎［Ｊ］．長江流域資源與環境，１９９９，８（３）：３１２－３１９．

［１９］郎宇鵬，朱琳，劉春光，等．鰱魚對淡水浮游植物的抑制作用研究［Ｊ］．農業環境科學學報，２００６，２５（增刊）：６８３－６８６．