生態修復措施對廣州流花湖水質的凈化效果研究

藍偉 黃正聯 譚廣文

湖泊生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，具有供水、蓄洪、養殖、氣候調節、航運等作用，城市景觀湖泊還具有娛樂觀賞等功能[1]。然而隨著經濟以及工業、農業的迅速發展，大量污染物隨著排放的廢水進入湖泊水體中，導致湖泊富營養化等問題日益突出[2]。城市湖泊由于水域面積小、封閉或半封閉、流速低等因素，自凈能力有限，且一直受到大量人類活動影響，一旦有大量污染物進入水體，水質便迅速惡化且很難恢復，長期處于超富營養化狀態。

針對湖泊富營養問題，國內外學者展開了大量研究。自20世紀80年代以來，歐美等國在城市湖泊治理中進行了大量以水生植物重建和生物操縱為主的生態恢復[3]。近年來，以沉水植物重建為主的生態修復技術也在國內城市湖泊修復中得到了大量應用。沉水植物能夠吸收營養鹽，轉化污染物，改善底質環境，抑制藻類生長，在保持水生態系統穩定性等方面起到重要作用。同時，種植沉水植物能一定程度上提升景觀效果[4]。

流花湖是廣州市第二大人工湖泊，位于越秀區，湖區總面積約28 hm2，平均水深為1.57 m，最大水深為2.27 m[5]。流花湖共分為3個湖區，從東向西依次為一湖、二湖和三湖，面積分別為6.8 hm2、10.6 hm2以及10.5 hm2。流花湖長期處于超富營養狀態，整體水質屬Ⅴ類水標準，水生植物零星散落分布，水生動物以養殖魚類為主。為改善流花湖水體生態情況，提高人民生活幸福感，進一步發揮公園人工湖美化城市景觀、調節區域生態的重要作用，當地公園管理單位于2019年5月啟動了以沉水植物群落構建為主的水生態恢復工程。本文通過分析流花湖治理湖區和未治理湖區的水質變化，來探究生態修復措施對城市湖泊水質的影響。

1 材料與方法

1.1 項目區概況

廣州流花湖屬珠江水系，并通過駟馬河涌和人工閘把與珠江干流相連，因此不僅具備游覽、休憩的功能，同時對城區起著調節洪蓄作用。流花湖位于亞熱帶沿海，屬于海洋性南亞熱帶季風氣候，具有夏季長、冬季短、多雨等特征。全年日照約1 900 h，平均氣溫20～22 ℃，年降水量約為1 700 mm，并主要集中在4—9月[6]。

流花湖位于廣州中心城區，由于人口的迅速增加和經濟的快速發展，大量的工業廢水、生活污水以及其他地表徑流進入湖區水體中，湖泊水質嚴重惡化。據相關研究調查，流花湖水體葉綠素含量最高達到148.90 ug/ L，總氮和總磷含量則分別達到5.92 mg/ L、0.12 mg/ L，屬于超富營養級別[7]，常有藍藻爆發現象。由于湖區水生植物及水生動物種類較少，水生態系統極為脆弱，污染消納能力較弱，水體生態系統較難恢復。

流花湖水生態恢復工程一期位于三湖水域，面積約10 hm2。工程實施前，三湖整體水質為劣Ⅴ類，水生植物較少。

1.2 生態修復措施

1.2.1 底質改善

底泥是眾多污染物在環境中的蓄積庫，所以底泥的改善是水生態恢復工程中的重要一步。將三湖湖水抽至二湖，排干后進行曬塘，并配合施撒生石灰、漂白粉等藥劑，以此改善黑臭現象，降低營養物質含量，提高氧化還原電位以及殺滅有害病菌，滿足沉水植物種植條件。

1.2.2 沉水植物群落構建

底質改善后進行沉水植物種植。植物種類選擇苦草Vallisneria natans、篦齒眼子菜Stuckenia pectinata、黑藻Hydrilla verticillata、狐尾藻Myriophyllum verticillatum，采用扦插法，分別以70～80株/m2、90～100株/m2、70～90 株/m2和50～70 株/m2的種植密度混合種植。經1個月時間的培育，各類沉水植物生物量和覆蓋度顯著增加，生長狀況良好。2019年6月從二湖中引水入三湖至原有水位。

1.2.3 魚類群落優化

魚類作為淡水生態系統的組成部分，對維持生態系統穩定具有重要作用。湖區原有魚類以草食性為主，對沉水植物具有一定的破壞性，所以除了草食性魚類，本工程中也投放了肉食性以及雜食性魚類，對草食性魚類進行有效控制，有助于形成穩定的生態系統。選擇放養的魚類種類有鱖Siniperca chuatsi、烏鱧Channa argus、鲇Silurus asotus、青魚Mylopharyngodon piceus、鯉Cyprinus carpio、鯽Carassius auratus、草魚Ctenopharyngodon idella，均為魚苗，投放密度為15 g/m3左右。

1.3 采樣點設置

本工程在二湖設置4 個采樣點，三湖設置3個采樣點（圖1）。

圖1 流花湖采樣點位示意圖

1.4 樣品采集及測定

于2019年6月至2021年6月，對三湖和二湖進行水樣采集。使用特質采水器在每個控制采樣點取水樣2 L，采樣水深為水面以下20 cm，水質樣品采集后立即加硫酸試劑保存，后4℃低溫保存，以備后續實驗室檢測。水質測定指標按照《水和廢水監測分析方法（第四版）》，包括總磷、總氮、氨氮、化學需氧量、生化需氧量和高錳酸鹽指數，檢測標準見表1。本文中水質質量評價項目標準限值依據《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）。

表1 各項水質指標檢測標準

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel 2010 和Origin 9.1 軟件進行數據統計分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 治理湖區水質指標變化

2019年6月從二湖引水至三湖。引用水源狀況較差，其中總氮和生化需氧量屬Ⅴ類水標準，總磷、化學需氧量和高錳酸鹽指數屬Ⅳ類水標準，氨氮屬Ⅲ類水標準。引水后，隨時間推進，三湖水體總磷含量逐漸降低，由0.07 mg/L降低至檢出限以下（圖2）。水體總氮含量不斷降低，由1.71 mg/L逐漸降至0.31 mg/L，達Ⅱ類水標準（圖3）。水體氨氮含量在2019年12 月至來年3 月間降低明顯，由0.69 mg/L降至0.35 mg/L，后逐漸降低并在2020年12月后趨于穩定，達到I類水標準（圖4）。水體化學需氧量在前6個月由27 mg/L迅速降低至19 mg/L，后呈緩慢降低趨勢，2020年12月后迅速降低至8 mg/L，達I類水標準（圖5）。水體生化需氧量在前6個月降低最明顯，由9.57 mg/L降至5.13 mg/L，2019年9月后變化較小，于2021年6月達4.61 mg/L，屬Ⅳ類水標準（圖6）。水體高錳酸鹽指數在前3個月變化也較為顯著，后保持相對穩定，2020年12月后又迅速降低至3.28 mg/L，達Ⅱ類水標準（圖7）。通過生態修復措施的實施，流花湖三湖水質顯著提升。

圖2 三湖水體總磷含量變化

圖3 三湖水體總氮含量變化

圖4 三湖水體氨氮含量變化

圖5 三湖水體化學需氧量變化

圖6 三湖水體生化需氧量變化

圖7 三湖水體高錳酸鹽指數變化

2.2 治理湖區與未治理湖區水質指標對比

三湖引水來源于二湖，所以二湖和三湖初始各項水質指標差異較小。三湖在治理后，生態系統快速恢復，至2019年12月各項水質指標已顯著低于二湖，之后逐漸降低至較低水平。二湖水質始終保持在Ⅲ～Ⅴ類標準，各項指標均無顯著降低趨勢，隨著時間推進，其與三湖水質指標差異逐漸增加（圖8～13）。這說明由于高度富營養化、流動性小等因素，湖區水體已經失去自凈能力，水生態系統難以恢復至正常水平。而水生態修復措施的實施，不僅快速顯著地降低了湖區水體的營養鹽含量，同時形成了健康的生態系統，使得水體恢復了自凈能力，各項水質指標穩定維持在正常水平。

圖8 二湖和三湖水體總磷含量變化

圖9 二湖和三湖水體總氮含量變化

圖10 二湖和三湖水體氨氮含量變化

圖11 二湖和三湖水體化學需氧量變化

圖12 二湖和三湖水體生化需氧量變化

圖13 二湖和三湖水體高錳酸鹽指數變化

3 結論與討論

本研究表明，改善底泥、構建沉水植物群落以及優化魚類群落結構等措施對流花湖富營養化水質有顯著的凈化效果，三湖水體總磷、氨氮和化學需氧量均達到Ⅰ類水標準，總氮和高錳酸鹽指數均達到Ⅱ類水標準，生化需氧量達到Ⅳ類水標準。

生態修復措施中最重要部分是沉水植物群落的構建。苦草等沉水植物種植后，根系能夠穩定底質，并通過根系、莖和葉片吸收和吸附底泥及水體中的污染物質。有研究表明，篦齒眼子菜、竹葉眼子菜Potamogeton wrightii、黑藻和金魚藻Ceratophyllum demersum均能有效降低水中總氮、總磷及氨氮含量，去除率可達70%以上[8]。沉水植物除本身直接吸收轉化污染物質外，也通過改善水體生態環境，起到去除污染物質的作用。沉水植物通過光合作用在根部泌氧，或分泌有機酸等物質，能夠改善底質微生物環境[9～10]，促進微生物的繁殖生長，從而加強對污染物質的轉化。金數權等[11]的研究表明，黑藻、苦草、金魚藻、穗狀狐尾藻Myriophyllum spicatum和微齒眼子菜Potamogeton maackianus的氮、磷直接吸收貢獻率僅為1.5%～13.3%和2.2%～13.2%，而其改變生境對氮、磷降低的增效作用貢獻率高達22.5%～29.9%和10.1%～20.6%，顯著高于直接吸收作用。

沉水植物群落的構建在有效降低水體中污染物質含量的同時，也能有效抑制藻類的生長和爆發[12]。自流花湖水生態恢復工程完工以及沉水植物群落構建成功后，治理湖區藍藻爆發現象顯著減少。沉水植物能從多方面抑制藻類的生長：首先，沉水植物可為浮游動物提供良好的棲息環境，促進其大量繁殖，而浮游動物能夠攝食藻類從而控制藻類數量；其次，沉水植物可與藻類競爭生長空間、營養物質等；同時，沉水植物還可以分泌化感物質以影響藻類的生長[13～14]，紀海婷等[15]的研究發現黑藻、穗狀狐尾藻、水蘊藻（伊樂藻）Elodea canadensis以及水盾草Cabomba caroliniana葉片浸提液不同組分均顯著抑制了斜生柵藻Scenedesmus obliqnus和普通小球藻Chlorella vulgaris的細胞濃度以及葉綠素含量。因此，沉水植物群落的構建是維持水生態系統穩定的關鍵因素。

魚類對水生態系統的修復也具有重要作用，有研究指出魚類放養可以調控藍藻水華的發生，以及防止水生植物過度生長造成二次污染[16～17]。流花湖湖區原有魚類多為草食性魚類，種類較少，缺少天敵的情況下必然大量繁殖，對沉水植物生長造成巨大破壞。因此，需要對魚類群落進行優化。投放肉食性和雜食性魚類，可對草食性魚類數量進行有效控制，減少其對沉水植物的破壞以及對浮游動物的掠食，豐富水生生物種類。同時，草食性魚類數量的有效控制也反制約了其他魚類的生長，各種類魚數量保持平衡穩定，有利于水生態系統的修復。

綜上所述，生態修復措施能夠顯著凈化城市富營養化湖泊水質，并提升景觀效果，流花湖三湖的成功治理為二期、三期等后續水生態恢復工程提供了寶貴技術經驗和良好示范。同時可以看出，以沉水植物群落構建為主的生態修復措施是解決眾多城市湖泊營養化問題的有效途徑。

注：圖片均為作者自繪