生物鏈調(diào)控技術(shù)防治湖泊富營(yíng)養(yǎng)化研究進(jìn)展

摘要：我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化已呈現(xiàn)出日益嚴(yán)重的趨勢(shì)。綜述了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理中的生物鏈調(diào)控技術(shù)的研究進(jìn)展，闡述了削鹽、控藻和碎屑生物鏈的作用，認(rèn)為復(fù)合生物鏈的構(gòu)建將對(duì)湖泊水質(zhì)修復(fù)起到重要的作用。

關(guān)鍵詞：湖泊富營(yíng)養(yǎng)化；生物鏈；防治

中圖分類號(hào)：Ｘ５２ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ 文章編號(hào)：0439－８114（２０11）09－1735-03

Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｈａｉｎ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ Ｌａｋｅ Ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ

ＷＡＮＧ Ｊｕｎ－ｘｉａ１，ＺＨＡＮＧ Ｙａ－ｊｕａｎ１，ＬＩＵ Ｃｕｎ－ｑｉ１，ＬＩＵ Ｌｕ－ｓａｎ２，ＷＡＮＧ Ｙａ－ｂｉｎ３

（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００２，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ； ２． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１２， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂａｏｄｉｎｇ， Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００２，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｌａｋｅ eｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｒｏｂｌｅｍ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｉｎ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｆ lａｋｅ eｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ； ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｉｎ ｏｆ ｃｕｔ ｓａｌｔ， ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇａｅ and ｃｒｕｍｂ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｉｎｓ ｐｌａｙｅｄ ａ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｅｄ ｌａｋｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌａｋｅ ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ； ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｉｎ； control

自１９世紀(jì)末以來(lái)，以水域富營(yíng)養(yǎng)化為重點(diǎn)的湖泊生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的研究推動(dòng)了湖泊水質(zhì)改善與生態(tài)修復(fù)等一系列工作的開(kāi)展。然而，由于湖泊所處地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和氣候變化歷程各異，不同“年齡”湖泊所呈現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題也不同，從而使水質(zhì)恢復(fù)工作體現(xiàn)出明顯的個(gè)體特征，增加了水質(zhì)恢復(fù)的難度，限制了水域富營(yíng)養(yǎng)化治理研究的發(fā)展。

各國(guó)學(xué)者已就富營(yíng)養(yǎng)化驅(qū)動(dòng)機(jī)制、關(guān)鍵控制因子以及富營(yíng)養(yǎng)化治理等方面進(jìn)行了深入而廣泛的研究，并逐步形成了防治水域富營(yíng)養(yǎng)化的技術(shù)方法體系，包括營(yíng)養(yǎng)鹽控制、直接除藻、生物調(diào)控、生態(tài)工程及生態(tài)恢復(fù)［１－３］。然而，實(shí)踐表明無(wú)論是營(yíng)養(yǎng)負(fù)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(dāng)?shù)奈锢怼⒒瘜W(xué)方法反而加劇了原本已經(jīng)很脆弱的水生生態(tài)系統(tǒng)的破壞［４］。而生物調(diào)控方法利用生物的生理生化作用及食物鏈的傳遞過(guò)程，可以使湖泊中污染物與過(guò)量營(yíng)養(yǎng)鹽發(fā)生降解和轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到長(zhǎng)期水體凈化的目的。其主要技術(shù)包括種植水生維管束植物、微生物凈化技術(shù)、生物浮床技術(shù)、生物鏈調(diào)控技術(shù)等，其中生物鏈調(diào)控技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)方便、能耗低且收效顯著、環(huán)保效益好而具有廣泛的應(yīng)用前景，日益受到人們的重視［５］，該技術(shù)建立在生物操縱理論基礎(chǔ)之上，主要包括削鹽、控藻、碎屑三類生物鏈。

１經(jīng)典生物操縱與非經(jīng)典生物操縱

在富營(yíng)養(yǎng)化治理技術(shù)方面，國(guó)外學(xué)者提出了經(jīng)典的生物操縱方法，即通過(guò)調(diào)控浮游動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)濾食效率高的植食性大型浮游動(dòng)物，特別是枝角類的發(fā)展，提高浮游動(dòng)物對(duì)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(zhì)［６］。浮游動(dòng)物在淡水生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用，既是食物鏈的重要環(huán)節(jié)，又能積累和代謝一定量的污染物，是生物操縱的關(guān)鍵因子之一。但目前這種經(jīng)典的生物操縱方法作為水質(zhì)管理工具的有效性與穩(wěn)定性存在較大的爭(zhēng)議［７］。湖泊生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多變，多營(yíng)養(yǎng)級(jí)的食物鏈管理很難使水體保持穩(wěn)定的魚類和浮游動(dòng)物種群，而浮游動(dòng)物本身又難以直接利用微囊藻、顫藻和束絲藻等大型藍(lán)藻群體［８］。

針對(duì)中國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻水華嚴(yán)重的問(wèn)題，科學(xué)家提出了非經(jīng)典的生物操縱理論，即通過(guò)調(diào)節(jié)濾食性魚類（如鰱魚和鳙魚）的數(shù)量直接控制藍(lán)藻［９］，這一理論已經(jīng)在多個(gè)試驗(yàn)中得到了證實(shí)，在滇池、巢湖水污染治理中得到應(yīng)用。Ｃｒｉｓｍａｎ等［１０］研究認(rèn)為，在熱帶和亞熱帶地區(qū)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(jīng)典的生物操縱所依靠的放養(yǎng)對(duì)象正是經(jīng)典的生物操縱理論要求捕除或毒殺的對(duì)象。與經(jīng)典的生物操縱法相比，非經(jīng)典的生物操縱方法具有多方面的優(yōu)點(diǎn)。一是具有持久性，因?yàn)榉墙?jīng)典生物操縱所依賴的主體魚類，可以存活數(shù)年，且種群可被人為調(diào)控及食譜相對(duì)較寬，種群容易長(zhǎng)期穩(wěn)定，耐藻毒素性強(qiáng)；其次能降低營(yíng)養(yǎng)庫(kù)存，通過(guò)對(duì)魚類的捕撈作用，可以從湖泊中移走大量的營(yíng)養(yǎng)鹽。但這種方法的控藻效果受到很多因素影響，如放養(yǎng)模式、放養(yǎng)密度、湖泊形態(tài)、地域特征、群落結(jié)構(gòu)等，因而該生物操縱應(yīng)在對(duì)所治理水體生物群落結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系充分了解的基礎(chǔ)上開(kāi)展調(diào)控，才能取得良好的治理效果［５］。

生物操縱技術(shù)通過(guò)調(diào)控水生生物群落某一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生態(tài)功能來(lái)治理水體富營(yíng)養(yǎng)化，但忽視了整個(gè)生物鏈這一相對(duì)獨(dú)立的單元對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的調(diào)控功能。實(shí)際上，任何營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物，都受到相鄰營(yíng)養(yǎng)級(jí)捕食、競(jìng)爭(zhēng)等作用的制約與影響［５］。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，水體中藻類、水生植物、浮游動(dòng)物、底棲軟體動(dòng)物、魚類等分別作為不同食物鏈中的一環(huán)，通過(guò)捕食、競(jìng)爭(zhēng)等關(guān)系制約著各種生物的生物量，進(jìn)而影響到水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收與轉(zhuǎn)化，因此通過(guò)改變食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)達(dá)到控制富營(yíng)養(yǎng)化水體藻類數(shù)量成為了新的研究熱點(diǎn)。圍繞富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中營(yíng)養(yǎng)鹽含量過(guò)高、藻類大量生長(zhǎng)與沉積碎屑過(guò)度積累等問(wèn)題，構(gòu)建具有削減營(yíng)養(yǎng)鹽、控制藻類生長(zhǎng)或促進(jìn)沉積物中碎屑分解等特定生態(tài)功能的生物鏈，可以在不同層次上充分發(fā)揮生物組分對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)控的功能。

２削鹽生物鏈

該生物鏈以削減營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷為目標(biāo)，在全面了解湖泊自身特性（形態(tài)、水質(zhì)、功能等）的前提下，識(shí)別并確定具有較強(qiáng)吸收、削減氮、磷等水體營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的生物鏈類型（如沉水、挺水或浮葉植物—草食性魚類），優(yōu)化調(diào)整湖泊生物鏈和營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)，使生物鏈對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收去除效率最大化。

水生高等植物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)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(yíng)養(yǎng)鹽，分泌產(chǎn)生他感物質(zhì)抑制浮游植物生長(zhǎng)，被廣泛用于降低湖泊水體營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷、控制藻類生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)湖泊生態(tài)系統(tǒng)［１］。因此在必要情況下，可適當(dāng)引入具有良好吸鹽抑藻效應(yīng)的水生植物和土著草食性魚類，優(yōu)化調(diào)整湖泊生物鏈和營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷削減的生物鏈篩選及其優(yōu)化調(diào)控技術(shù)［５］。目前對(duì)水生高等植物尤其是沉水植物在淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的功能的研究十分活躍［３］，恢復(fù)水生高等植物已成為淺水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理和生態(tài)恢復(fù)的關(guān)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(duì)污水的凈化效果，結(jié)果表明７種植物對(duì)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(méi)有考慮下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的作用。王海珍等［１２］通過(guò)在圍隔中放養(yǎng)鰱魚及種植菹草，發(fā)現(xiàn)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(zhǎng)良好，同時(shí)菹草通過(guò)營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)和他感作用控制了浮游植物的生長(zhǎng)，也為浮游動(dòng)物提供了棲息環(huán)境，浮游動(dòng)物又反過(guò)來(lái)控制小型的藻類，而大型的藻類則被鰱魚控制，水體生態(tài)修復(fù)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(yíng)養(yǎng)元素重新釋放回水體，加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程［１３］。此外，人工收割將水生植物從湖泊中去除，也可達(dá)到將過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從水中移走的目的。在這個(gè)步驟中，收割起到了類似生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)消費(fèi)者的作用，給原有生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)路線一個(gè)出口，打通了富營(yíng)養(yǎng)化水域被阻塞的物質(zhì)流動(dòng)。

３控藻生物鏈

在確定導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的主要優(yōu)勢(shì)藻的前提下，篩選并確定以藻類為第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)，對(duì)主要富營(yíng)養(yǎng)化藻類具有顯著定向生物密度制約效應(yīng)的藻－濾食魚類、藻－浮游動(dòng)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(tǒng)后，其攝食活動(dòng)豐富了水體中的食物鏈關(guān)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，提高了氮磷的轉(zhuǎn)化速率，并最終以魚產(chǎn)品的形式脫離水體。林濤等［13］在微型生態(tài)系統(tǒng)中分別引入鰱魚、鳙魚，發(fā)現(xiàn)鳙魚攝食浮游動(dòng)物劍水蚤，使得劍水蚤被控制在較低的水平，則第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)藻類的捕食壓力和生存空間得到極大的緩解，促進(jìn)了浮游藻類的生長(zhǎng)；鰱魚則直接濾食浮游植物尤其是藍(lán)藻，使該系統(tǒng)中藍(lán)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(lái)促進(jìn)水質(zhì)恢復(fù)。唐匯娟等［１４］利用鰱魚對(duì)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(duì)魚類的密度有一定要求，密度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響控藻效果［１６］。魚類密度過(guò)小，牧食壓力小，可能對(duì)藻類生長(zhǎng)起不到抑制作用，但較高密度的放養(yǎng)，不僅因魚類排泄物增加導(dǎo)致水體有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽含量增加，而且高密度的魚類增強(qiáng)了對(duì)水體的擾動(dòng)，進(jìn)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４６～５０ ｇ／ｍ３，郎宇鵬等［１９］認(rèn)為５０ ｇ／ｍ３的鰱魚投放密度對(duì)藍(lán)藻有明顯的抑制作用。

實(shí)際上，藻類生物量的變化是魚類密度、牧食壓力、氮磷營(yíng)養(yǎng)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(jié)果［１９］，但通過(guò)放養(yǎng)適宜密度的濾食性魚類來(lái)控制水體中藻類生物量仍不失為一種有效的調(diào)控方法。

４碎屑生物鏈

碎屑生物鏈以控制湖泊沉積環(huán)境中的有機(jī)碎屑為目的。在定量分析不同種類的底棲軟體動(dòng)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(jī)碎屑能力的基礎(chǔ)上，篩選并構(gòu)建有機(jī)碎屑作為第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)，碎屑食性動(dòng)物與其捕食者或更高捕食者（如具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的大型肉食性魚類）為更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)，能有效消化分解各類有機(jī)碎屑的生物鏈，從而控制有機(jī)碎屑沉積速率，有效緩解因內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷釋放導(dǎo)致次生富營(yíng)養(yǎng)化加劇的趨勢(shì)［５］。陸開(kāi)宏等［２０］發(fā)現(xiàn)羅非魚在濾食藻類的同時(shí)，通過(guò)濾食、嚙食等多種方式消耗了水中大量的懸浮顆粒及有機(jī)碎屑。大型淡水雙殼類軟體動(dòng)物是自然界水體中重要的底棲生物，在水體生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用，由于其強(qiáng)大的濾水濾食功能，利用它們來(lái)改善水質(zhì)，在理論和應(yīng)用上有重要意義［２１，２２］。尤其是底棲軟體動(dòng)物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體具有明顯的凈化效應(yīng)［１］。費(fèi)志良等［２３］研究發(fā)現(xiàn)三角帆蚌對(duì)水體懸浮物和葉綠素ａ的消除率分別達(dá)到７６％和９４％，水體透明度提高近兩倍。盧曉明等［２４］發(fā)現(xiàn)底棲軟體動(dòng)物河蚌和螺螄通過(guò)濾食或刮食水中有機(jī)顆粒物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的ＣＯＤ、氮、磷等有一定的去除效果。

通過(guò)生物鏈調(diào)控富營(yíng)養(yǎng)化的技術(shù)在湖泊水體治理中發(fā)揮著重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景，但是水域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部組分關(guān)系復(fù)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(yíng)養(yǎng)級(jí)治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化有很大的局限性。因此可以充分發(fā)揮削鹽、控藻、碎屑等不同類型生物鏈對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的聯(lián)合調(diào)控效應(yīng)，建立削鹽－控藻－碎屑復(fù)合生物鏈調(diào)控技術(shù)［５］。但是這種技術(shù)的應(yīng)用必須掌握水體生態(tài)系統(tǒng)的變化情況、物種關(guān)系及演化過(guò)程，同時(shí)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(wěn)定性與自我維持能力。

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