某淺水庫區由藻型向草型轉變的過程及水環境特征分析

朱正海 郭桂琴

摘? 要：在某淺水富營養化庫區，在氣象、氣候條件和物理、外源負荷相似的情況下，經過幾年的治理，該庫區水體從“藻型濁水態”轉變成“草型清水態”[1]。文章針對固定區域，從區域水體特點入手，闡述水體由藻型向草型轉變的過程并從多年來積累的水質數據作為切入點，對藻型和草型水體的水環境特征進行探討，力求從實踐中獲得更多促使“藻型濁水態”向“草型清水態”的轉變且長久穩定在“草型清水態”的方法。結果表明：該庫區在處于藻型時全年水體渾濁，透明度較低，藻類生長量較高;在處于草型時全年水質良好，透明度高，沉水植物量較大。

關鍵詞：淺水庫區;草型清水態;藻型濁水態;水環境

中圖分類號：P343.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）06-0001-06

引言

淺水庫區的富營養化治理是討論比較多的內容，因為富營養化引發的水體問題越發引起人們的關注，最為直觀的就是“藍藻水華”頻繁暴發，嚴重影響了人們的親水環境。然而富營養化的治理過程中，在同一個區域內，水體卻逐漸呈現出了兩種截然不同的狀態：“藻型濁水態”和“草型清水態”。該淺水庫區在完成這兩種狀態的跳轉后，原來頻繁暴發水華的水體變得清澈，水質大幅提高，極大改善了水環境。關于這兩種狀態的跳轉，早在20世紀80年代，外國學者就提出了“杯中彈子模型”[2]。針對這樣的現象結合實際監測資料，本文分別對藻型階段的庫區水體和草型階段的庫區水體的水環境特征進行了分析和對比，為藻草型的跳轉理論提供了實際的案例，也為水華的治理提供了新的思路。

1 水體基本情況

1.1 淺水庫區基本情況

庫區全長4800m，最大蓄水量824萬m3。由于河道上游斷流，但是為滿足生態環境需求，將下游河道水體通過提水泵站送至庫區，在庫區形成了60萬m2的水面，淺湖蓄水量48萬m3，湖底鋪筑了粘砂混合土減滲層（本文以下論述的“水體”即指淺湖水體）。由于庫區水體水深淺、流動性差、底泥堆積致使庫區頻繁發生藍藻水華，嚴重時水體呈“綠油漆”狀，伴有濃烈的藻腥味。針對水華的問題，于2012年開始進行治理，到2017年該水體水華問題得到解決，水質提升。這幾年的治理當中遇到了一些問題，而這些問題正是典型的“藻型濁水態”在成為穩態后向“草型清水態”穩態跳轉的過程。

1.2 藻型向草型過渡的過程

（1）藍藻水華到絲狀藻出現

該水域從2010年起逐年出現水華，從2012年開始進行治理。經過藻類的鏡檢分析，該水域為藍藻水華，藍藻門中以銅綠微囊藻為主（圖3），圖中團狀小顆粒為銅綠微囊藻。根據藍藻生長規律[3]使用微生物制劑和控藻劑，使藍藻水華得到了有效控制，取得了良好的效果，隨著水體透明度的提高，在2013年4月份庫區出現以剛毛藻為主的絲狀藻（圖4），當年庫區水華問題依舊突出但是沒再出現過“綠油漆”現象。水體處在藻型水體的穩態內，未能推動藻型向草型的跳轉。

（2）絲狀藻到菹草為主的沉水植物

2013年在庫區東側出現絲狀藻，絲狀藻大量生長的時間以開春和入秋兩個階段為主，與此同時，庫區出現以菹草為主的冷水型沉水植物，庫區水體進入菹草與剛毛藻混生（圖5）的階段，在6月初之前水體有著較好的透明度，雖然水體顏色偏綠，但是藻類生長明顯較2012年同期緩慢。在進入6月后，隨著水溫的提升，菹草進入衰亡期[4]（圖6）而大量死亡，藻類生長數量迅速上升，成為優勢種，水體透明度下降，葉綠素a上升。出現水華，通過投加微生物制劑和控藻劑控制藻類生長，2013年全年水體藻類生長情況均通過制劑的方式進行人為干預。2014年與2013年情況相比，菹草的植物量進一步增大，通過修剪的方式盡量延長菹草的生長時間，庫區水體全年依然是以藻態為主，草態只有在菹草大量生長時短暫存在，但是以菹草為單一冷水型沉水植物不能將水體穩定在草型水體，但是較2012年，2013年和2014年的技術措施（造流、水生植物浮床等）還是對藻態向草態跳轉起到一定的作用的。

（3）荇菜、菱角等浮葉植物量增大

2015年該淺水庫區菹草量持續增大（圖7），主要體現在生長菹草的面積和單位密度上，在菹草間摻雜狐尾藻和少量金魚藻。在庫區內出現荇菜、菱角等浮水植物。2016年在菹草進入衰亡期死亡后，庫區內金魚藻、狐尾藻等沉水植物持續生長，荇菜（圖8）、菱角為主的浮水植物量迅速增大，這些植被的生長均有效抑制了藻類的生長。水華問題得到基本解決，水體透明度有了提升，但是各種植物的量的控制成為進入草型水體初期的問題。

（4）挺水植物量增大

2017年該淺水庫區進入草型清水態，但是嚴格的說該草型清水態并不平衡，還是通過人為干預的方式控制各個生物量。比如庫區在水華問題解決后出現了沉水植物，之后出現了浮水植物，在2017年是庫區內挺水植物蘆葦和荷花的量又持續增大。也就是說由一個藻型水體向草型水體跳轉后，還是要注意水生態系統的平衡，否則這個跳轉就又會進入另一個問題的循環，就是從一個有水面的景觀用庫區變成一個被各種植物覆蓋，尤其是最后挺水植物量增大而演變成一個濕地[5]。所以說在藻型水體向草型水體跳轉后，一定要通過持續的人為干預，嘗試性的調整水生態系統的組成，最終形成穩定健康的水生態系統。

2 藻草型階段水環境特征分析

該水域的藻型和草型的轉變從年份上可以大致劃分為2014年以前為完全藻型濁水態，2014年至2016年由藻型向草型跳轉，2017年跳轉成草型清水態，但是存在植物量不平衡的問題。首先以2013年的數據作為藻型濁水態的數據進行分析，然后將2017年作為草型清水態的數據進行分析，之后通過將2013年至2017年的數據匯總分析完成藻型和草型的對比，同時體現跳轉過程中水質數據的變化。

2.1 淺水庫區藻型階段水環境特征分析

處在“藻型濁水態”的水體，COD處于劣五類的水平，水體營養鹽數值較高，COD數值在6月和8月出現較大數值，因為水體中因為缺少水生植被，水位淺，流動性小，藻類生長迅速。過程中通過使用微生物制劑和控藻劑控制藻類生長，削減營養鹽，避免了水質持續惡化，但是水質指標依然偏高。氨氮值在0.8mg/l-1.1mg/l，數值波動頻繁，這和藻類生長和消亡中對N的消耗和釋放有關，另外峰值出現在6月上旬，主要是因為菹草死亡，死亡后植物泡在水中導致水質指標上升，然后在藻類生長初期消耗水體營養鹽，以及投加的微生物制劑使氨氮數值下降。

水體總磷指標在0.2mg/l-0.3mg/l之間波動，水體總磷數值偏低。葉綠素a數值在進入5月份后持續上升在8月中旬達到峰值，原因是庫區內藻類數量持續增加。濁水態中水體透明度偏低，最大透明度出現在開春和10月底，透明度30cm。透明度低導致沉水植物無法生長，致使藻類成為優勢種群，從藻細胞密度圖中可以看出，藻類生長從6月份開始迅速增長，在7月底至8月初時呈現倍數增長，并且藻細胞密度峰值達到25000×104個/L，這和藻種為銅綠微囊藻有關，因為銅綠微囊藻細胞小。

2.2 淺水庫區草型階段水環境特征分析

在水體跳轉至“草型清水態”后水質指標提升并且水質指標平穩，尤其是COD值沒有大幅的波動，并且水質指標全年低于30mg/l，較“藻型濁水態”時有了大幅的提升。這個和淺水庫區出現的以沉水植物為主的大量的水生植物有關，在實際工作中發現，雖然菹草有自己的生長周期，但是如果水體透明度高，配合人工修剪，菹草能夠在夏季時存活，并且與狐尾藻共同構成密度較大的沉水植物群落。現階段的淺水庫區，植物量很大，結構不平衡，主要體現在春季菹草量大，夏季浮水植物量大，但是通過人為干預，以植物為主的水生態系統能夠穩定存在，使得水體處在透明度較高的清水態。針對此類情況，嘗試通過增加沉水植物種類的方式，避免單一沉水植物過量，但是這個過程中需要不斷嘗試，因為菹草在北方河道冰面開化后就會開始生長，而此時的水溫還沒有達到其他植被快速生長的條件，如果不控制菹草的量，其他植被很難生長到預期的效果。

處在“草型清水態” 的水體，葉綠素a指標去年低于30mg/l。雖然藻細胞密度生長趨勢雖然是隨著氣溫的升高，藻細胞密度增大，但是總量和增長速度與“藻型濁水態”有著明顯的不同，藻細胞密度最大值也僅有3000×104個/L。

2.3 藻草型水環境特征對比

該淺水庫區最初治理目標為水華治理，隨著治理開展，將目標定在了水質改善上。上述柱狀圖直觀反映著庫區主要水質指標的變化，雖然水體還沒有達到功能區劃分的水質要求，但是水質已經有了大幅提升。另外在進入“草型清水態”后，水質指標平穩波動少。處在“草型清水態”水體的COD、氨氮、總磷、葉綠素a等指標較處在“藻型濁水態”水體的指標削減在50%以上。另外水體透明度提升，能夠清晰看到河底。

3 結論與展望

3.1 結論

該淺水庫區是一個較為典型的淺水湖泊，雖然水面面積不大，但是同樣存在著藻型穩態及草型穩態的現象。淺水湖泊生態系統較為脆弱，水體與底泥間相互影響，物質交換激烈，沉積較為緩慢，同時污染負荷的能力弱[6]，對污染敏感，所以是非常容易發生富營養化的水體。

處在“藻型濁水態”的情況下，水下光線弱，沉水植被生長受到抑制，裸露的湖底底泥因為沒有植被固定，在風浪和水生動物的作用下使水體更加渾濁，同時藻類作為主要的浮游植物成為該生態系統的優勢種，在夏季高溫季節藻細胞密度增長迅速，導致底層水體缺氧，同樣增加底泥營養物質對水體的反向釋放，使水體水質變差。最終表現為，水體渾濁，藻類聚集明顯，透明度差，水質波動明顯。

在處在“草型清水態”的情況下，由于水草的存在，水體透明度提高。一方面由于大型水生植被的存活有利于浮游動物的生存，浮游植物的生長就會減緩。進而達到控制浮游植物生物量的目的，浮游植物生物量受到控制，則水體透明度就會提高。另一方面水生植被能夠吸收水體中的營養成分，達到改善水質的目的。有水生植物存在的水體中藻類生長受到抑制，這和植被分泌異株克生物質[7]有著直接關系。同時水生植物可以有效避免底泥因為風浪和水生動物的擾動而在懸浮，這對內源污染釋放和水體濁度降低有著比較重要的作用。由此，水生植物生長提高了水體透明度，而透明度提高又有利于水生植物生長，植被的生物量增大可以降低水體營養物質，進而藻類生長就會更加受到限制，水質就會更好，水體透明度更高，形成一個良性的循環。最終表現為，水體清澈，水生植物茂盛、水質提升也穩定。

在通過人為的技術手段使水體從“藻型濁水態”向“草型清水態”轉變過程中會遇到各種的水體問題，在處理這些水體問題時需要積累更多的經驗。并且在水體跳轉到“草型清水態”后要想該狀態成為穩態，還是需要做好后續的維護工作，比如過量單一植被的修剪，沉水植被多樣性的構建等。因為在水生態多樣性不足的情況下，在一個相對封閉的范圍內讓水生態達到一個自身的平衡或者草型清水穩態，需要更長時間，更多的摸索。

3.2 展望

本文對淺水庫區中的兩種狀態“藻型濁水態”和“草型清水態”中的水體的轉變過程進行了闡述同時對水環境特征進行了分析和對比。為治理淺水湖泊富營養化提供了又一個現實案例的支撐，為城市河道及湖泊的水華治理驗證了新的思路。但是從“藻型濁水態”向“草型清水態”跳轉，并且實現“草型清水穩態”還有很多工作要做。

（1）“藻型濁水態”和“草型清水態”中主要影響因素的分析。雖然在實踐中獲得了兩種狀態的特點，和一些表觀認識。但是從主要影響因素中還是缺少更為細致的分析，比如兩種狀態的水體中N和P與水體所處狀態的關系，其中哪個營養鹽元素是影響藻型和草型的關鍵。

（2）不同的沉水植物對維持“草型清水穩態”有哪些現實中的作用。沉水植物的多樣性構建在不同水域中是否有復制性，比如能否在其他城市河道內通過沉水植物構建作為解決水體問題的手段。這些都需要在實際工作中摸索如何建立水生植被為主的水生態環境，并維持其所處狀態的穩定性。雖然很多水生植物恢復工作已經經過不斷的嘗試，但是真正恢復水生植被為主的穩定的生態環境，還需要經歷一個較為漫長的過程。

參考文獻：

[1]Marten Scheffer.Ecology of Shallow Lack[M].Netherlands：KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS，1998.

[2]BE Beisner，DT Haydon，and K Cuddington. Alternative stable states in ecology[J].Front Ecol Environ，2003.

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[4]侯春燕.菹草的作用、危害及預防措施[J].吉林農業，2011，07.

[5]張圣照，白秀玲，等.水生植物群落結構的演變及其沼澤化[J].生態學報，2005.

[6]李文朝.淺水湖泊生態系統的多穩態理論及其應用[J].湖泊學科，1997.

[7]鮮啟鳴，陳東海，鄒惠仙，等.四種沉水植物的克藻效應[J].J.Lake Sci.，2005.