玄武湖菹草種群的發(fā)生原因及人工收割對(duì)水環(huán)境的影響

王錦旗 鄭有飛 王國(guó)祥

(1. 南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210044; 2. 南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 南京 210097)

南京玄武湖屬城市小型淺水湖泊, 在 20世紀(jì)80年代末, 玄武湖水質(zhì)就已達(dá)富營(yíng)養(yǎng)化程度。1996—1998年依次實(shí)施了污水截流與污水整治工程、清淤疏浚工程、生態(tài)工程等手段治理玄武湖水環(huán)境, 這些措施雖取得了一定效果[1], 但并未從根本解決玄武湖水環(huán)境問(wèn)題。

2005年7月, 南京玄武湖首次發(fā)生大面積以微囊藻(Microcystis)為主要優(yōu)勢(shì)種群的藍(lán)藻水華[2]。2005年11月, 隨著藍(lán)藻被控制, 在玄武湖湖邊淺水區(qū)零星出現(xiàn)菹草(Potamogeton crispus), 以解放門(mén)和櫻洲西側(cè)湖邊淺水區(qū)較為集中, 2006年3月份以后,隨氣溫回升, 菹草迅速生長(zhǎng)并在較短時(shí)間內(nèi)蔓延至全湖[3]。2006年 3月下旬由于菹草過(guò)度拓殖, 開(kāi)始對(duì)玄武湖菹草進(jìn)行人工收割, 4月開(kāi)始對(duì)植株進(jìn)行全面收割。

在南京玄武湖水環(huán)境治理過(guò)程中曾嘗試在湖區(qū)恢復(fù)水生植被, 但每年冬季菹草種群都未能形成,為何在 2005—2006年期間菹草種群能形成并迅速蔓延？種群形成后人為對(duì)菹草種群進(jìn)行收割對(duì)水體水質(zhì)的影響如何？本文擬結(jié)合南京玄武湖監(jiān)測(cè)資料,分析菹草種群發(fā)生的原因及人工收割對(duì)水體的影響,以期通過(guò)對(duì)這次事件的分析為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理提供一些理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 問(wèn)題背景

2005年7月, 南京玄武湖暴發(fā)了大面積藍(lán)藻水華, 9月開(kāi)始采用了以改性黏土法為主的治理方式對(duì)玄武湖進(jìn)行應(yīng)急治理, 9月20開(kāi)始對(duì)北湖區(qū)進(jìn)行了治理, 9月30日, 應(yīng)用于東南湖的治理, 10月16日應(yīng)用于西南湖, 10月31日結(jié)束。治理期間共使用改性黏土約300 t, 湖面噴灑黏土達(dá)106.0 g/m2[4]。據(jù)張哲海的研究, 應(yīng)急治理有效抑制了藍(lán)藻水華, 湖區(qū)景觀明顯改善, 各湖區(qū)微囊藻數(shù)量下降幅度大于95%, 綜合污染指數(shù)由 83.5降至 72.8, 水體透明度平均提升17.1 cm, 較治理前升高66.8%, 化學(xué)耗氧量平均降低 51.6%, 高錳酸鹽指數(shù)平均降低 67.1%,總磷濃度降低 61.8%, 總氮超標(biāo)率有所上升, 浮游植物數(shù)量下降 93%, 浮游動(dòng)物種群數(shù)量上升 47%,底棲動(dòng)物種類(lèi)數(shù)量無(wú)顯著變化[4]。2006年4月由于菹草過(guò)度拓殖, 南京市從內(nèi)蒙古包頭市購(gòu)置了兩臺(tái)水草收割機(jī), 開(kāi)始人工刈割, 割除離水面20—30 cm的植株頂部, 到4月中旬開(kāi)始對(duì)植株進(jìn)行全面收割。

2005年11月, 菹草主要零星分布在玄武湖湖邊的淺水區(qū)自然萌發(fā)并生長(zhǎng), 菹草平均密度: 3—5株/m2,株高約3—10 cm。自2005年底至2006年2月, 仍以湖邊淺水區(qū)為主; 密度: 達(dá) 30株(分枝)/m2左右,株高約30—70 cm, 到2月底, 局部地區(qū)的菹草高達(dá)100 cm多, 到達(dá)水面; 3月份后, 隨著氣溫回升, 菹草迅速生長(zhǎng)并在較短的時(shí)間內(nèi)蔓延至全湖[3]。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

2005年8月至2006年6月之間, 在玄武湖的東南湖、西南湖、北湖區(qū)(按方位分為西北湖和東北湖)分別設(shè)代表性的點(diǎn)位, 記為1#、2#、3#、4#、5#(圖1), 計(jì)算并分析其平均值, 平均每月采集 3次水樣,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定 SD(透明度)、溶解氧(DO)、水溫、pH 等指標(biāo), 并取表層水體5 cm的水樣, 帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)預(yù)處理后由 Skalar水質(zhì)流動(dòng)分析儀(荷蘭)測(cè)定水體TN、TP等指標(biāo)。

1.3 研究階段劃分

2005年8月至9月20日為治理前階段; 2005年9月20日至10月底為玄武湖應(yīng)急治理階段; 2005年11月為治理后階段。2005年11月至2006年 2月, 為菹草種群萌發(fā)并小面積階段; 2006年 3月為菹草種群大規(guī)模拓展階段; 3月下旬, 開(kāi)始人工收割,其中4月為大面積收割階段, 5—6月菹草保存面積較小。

2 結(jié)果

2.1 應(yīng)急治理階段水質(zhì)

圖1 玄武湖監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意圖Fig.1 The monitoring points in Xuanwu Lake

由圖 2可見(jiàn), 水體經(jīng)應(yīng)急治理, DO含量升高,治理前平均DO含量為7.67 mg/L, 其中8月25日最低, 僅6.14 mg/L, 治理中平均DO含量升至8.73mg/L,其中10月11日達(dá)最高, 為11.00 mg/L, 經(jīng)應(yīng)急治理后升至9.52 mg/L, 11月11日, 達(dá)10.54 mg/L, 治理中和治理后分別較治理前提高了13.8%、24.1%、但差異不顯著(P>0.05)。

5個(gè)點(diǎn)平均SD得到改善, 治理前平均SD平均為20 cm, 其中9月2日最低, 僅10 cm, 治理中升至41 cm, 10月25日升至48 cm, 治理后為56 cm, 11月21日達(dá)最高, 為67 cm, 治理中、治理后分別較治理前提高了103.0%、179.5%, 治理中較治理前改善不顯著(P>0.05), 治理后改善顯著(P<0.05)。

5個(gè)點(diǎn)平均 TN含量呈下降趨勢(shì), 治理前平均TN含量為4.59 mg/L, 其中9月2日最高, 高達(dá)7.07 mg/L, 治理中降為1.59 mg/L, 10月5日降至所有監(jiān)測(cè)日中最低, 僅 1.06 mg/L, 治理后略有回升, 平均為 1.66 mg/L, 治理中和治理后較治理前分別降低65.3%、54.1%, 后兩階段較治理前改善顯著(P<0.05)。

5個(gè)點(diǎn)平均TP含量呈下降趨勢(shì), 治理前平均TP含量為1.90 mg/L, 其中9月2日最高, 達(dá)4.30 mg/L,治理中平均TP含量降至0.70 mg/L, 其中10月11日僅0.19 mg/L, 治理后降至0.25 mg/L, 其中11月21日最低, 僅0.09 mg/L, 后兩階段較治理前分別下降了45.6%、74.5%, 差異顯著(P<0.05)。

經(jīng)治理, 5個(gè)點(diǎn)平均 pH略有降低, 治理中平均 pH由治理前的9.1降至8.4,治理后平均為8.7, 但差異不顯著(P>0.05), 后兩階段分別較治理前降低了7.2%和 4.3%, 其中 9月19日最高, 達(dá)9.2, 10月25日最低, 為8.1。

2.2 人工收割階段水質(zhì)變化

由圖 3a可見(jiàn), 各監(jiān)測(cè)日DO總體呈下降趨勢(shì), 2—4月各監(jiān)測(cè)日呈持續(xù)降低趨勢(shì), 5、6月各監(jiān)測(cè)日有上下波動(dòng), 其中 2月11日最高, 達(dá)11.67 mg/L, 6月14日最低, 僅3.74 mg/L, 后者較前者低67.8%。5個(gè)點(diǎn)平均 DO含量月均值呈持續(xù)下降趨勢(shì), 2月最高, 達(dá) 10.67 mg/L, 6月最低, 僅6.18 mg/L, 但后4個(gè)月與2月差異不顯著(P>0.05), 其中4—6月DO月均值基本保持一致。

由圖 3b可見(jiàn), 各監(jiān)測(cè)日 SD呈持續(xù)下降趨勢(shì),其中2月11日高達(dá)142 cm, 6月19日僅52 cm, 后者較前者降低了63.4%。5個(gè)點(diǎn)SD月均值呈持續(xù)下降趨勢(shì), 其中2月最高, 達(dá)142 cm, 3月次之, 平均為100 cm, 5、6月達(dá)最低, 為68 cm、69 cm, 6月SD月均值較2月低51.5%, 除4月外, 其余3個(gè)月較2月差異顯著(P<0.05)。

圖2 應(yīng)急治理階段水質(zhì)變化Fig.2 Variation of water quality at the emergency control stage

由圖3c可見(jiàn), 各監(jiān)測(cè)日TN含量總體呈下降趨勢(shì), 其中3月8日最高, 為3.78 mg/L, 6月14日僅0.78 mg/L。TN含量月均值呈持續(xù)降低趨勢(shì), 2月最高, 為2.95 mg/L, 4月, 隨菹草大面積收割, TN含量迅速下降, 6月降至最低, 為 0.90 mg/L, 較 2月低69.6%, 但差異不顯著(P>0.05)。

由圖 3d可見(jiàn), 各監(jiān)測(cè)日 TP含量波動(dòng)較大, 其中 2—3月總體呈升高趨勢(shì), 3月 23日達(dá)最高, 為0.200 mg/L, 4月24日達(dá)最低, 僅0.055 mg/L, 后呈升高趨勢(shì)。TP含量月均值變化趨勢(shì)為, 2—3月呈顯著升高(P<0.05), 2月為 0.068 mg/L, 3月為 0.121 mg/L, 4月大幅下降, 降至 5個(gè)月中最低, 為 0.055 mg/L, 較3月低54.4%, 4—6月整體呈持續(xù)升高趨勢(shì),6月最高為0.113 mg/L, 較2月高66.2%, 較4月高104.9%。

3 討論

對(duì)玄武湖這樣的淺水型湖泊而言, 菹草繁殖體是否能正常萌發(fā)對(duì)后期種群的形成起至關(guān)重要的作用, 由圖2可知, 水體經(jīng)改性黏土應(yīng)急治理后, 改性黏土不僅能夠吸附藍(lán)藻, 使水體表面覆蓋藻類(lèi)被沉淀到沉積物表面, 而且還能吸附水中的細(xì)微顆粒物,使水體 SD得到明顯改善, 水體復(fù)氧能力也隨之提升, DO含量升高。因水體DO含量升高, 底泥向水體釋放的氮、磷過(guò)程減緩, 逐步轉(zhuǎn)換為水體向底泥沉積過(guò)程, 故水體氮、磷含量均呈降低趨勢(shì)。據(jù)南京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè), 應(yīng)急治理后, 每升水體中浮游動(dòng)物數(shù)量上升 47%, 其中原生動(dòng)物數(shù)量上升58%、輪蟲(chóng)上升14%、枝角類(lèi)上升446%、橈足類(lèi)上升180%; 包括青魚(yú)(Mylopharyngodon piceus)、草魚(yú)(Ctenopharyngodon idellus)、鰱魚(yú)(Hypophthalmichthys molitrix)、鳙魚(yú)(Aristichthys nobilis)、鳊魚(yú)(Parabramis pekinensis)、鯽魚(yú)(Carassius auratus) 等魚(yú)類(lèi)活動(dòng)正常, 無(wú)死魚(yú)現(xiàn)象[4], 均能說(shuō)明經(jīng)應(yīng)急治理有效改善水質(zhì)。

圖3 人工收割階段水質(zhì)變化Fig.3 Variation of water quality at the harvesting stage

王洪鑄等對(duì)長(zhǎng)江流域湖泊的研究表明水體透明度是維持及恢復(fù)沉水植物的重要環(huán)境因子[5], 光照也是菹草繁殖體的萌發(fā)重要的影響因子, 強(qiáng)烈的光刺激可打破菹草的休眠, 促進(jìn)其萌發(fā), 而水體缺乏光照會(huì)影響菹草繁殖體的正常萌發(fā)[6,7], 且透明度高低決定了水下光照的強(qiáng)弱, 另有研究證實(shí), 水體在厭氧條件下, 菹草萌發(fā)受到一定的阻礙, 萌發(fā)率顯著降低, 而水體營(yíng)養(yǎng)鹽的高低對(duì)菹草繁殖體的萌發(fā)影響不顯著[8,9]。故由此推斷, 玄武湖經(jīng)應(yīng)急治理后, 水體表層藻類(lèi)含量大幅降低, 水體 SD的改善,增加水下光照, 提升水體復(fù)氧能力, DO含量升高,促進(jìn)了菹草的萌發(fā)。而營(yíng)養(yǎng)鹽狀況、pH的改善, 促進(jìn)菹草幼苗的生長(zhǎng), 為后期菹草種群的迅速拓殖奠定了良好的基礎(chǔ), 故2005年夏季對(duì)玄武湖的應(yīng)急治理是促進(jìn)其冬季菹草種群暴發(fā)的最主要原因。

水體DO含量主要來(lái)自大氣復(fù)氧、水生植物光合放氧[10], 由圖3可知, 2月底至3月水溫升高, 菹草大面積拓殖, 光合放氧能力升高, 但隨之因收割,生物量有所降低, 放氧能力降低, 4月菹草大面積收割后, 菹草光合放氧能力迅速降低, 則水體復(fù)氧主要依靠大氣復(fù)氧, 故4月較3月DO含量降低顯著,其后隨菹草持續(xù)收割, 菹草光合放氧能力持續(xù)降低,故4—6月DO持續(xù)較低; 另因水溫與DO呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 2月水溫較低, 大氣復(fù)氧能力較高, 4—6月水溫升高, 大氣復(fù)氧能力降低降低, 故2月DO含量較高, 4—6月DO含量一直較低。

由圖 3可知, 在菹草生長(zhǎng)過(guò)程中, 可吸收水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 并使水體流動(dòng)性減弱, 可促進(jìn)水體SD改善, 2月因水溫較低, 水體浮游生物及魚(yú)類(lèi)活動(dòng)較弱, 促進(jìn)水體SD的升高, 故2月水體SD較高, 為5個(gè)月最高; 3月水溫升高, 菹草大面積拓殖, 浮游生物及魚(yú)類(lèi)活動(dòng)增加, 到3月下旬, 由于人為割草, 水體受到擾動(dòng), 故水體SD略有降低, 而4月當(dāng)菹草被大面積人工收割后, 水體流動(dòng)性增強(qiáng), 浮游動(dòng)物及魚(yú)類(lèi)棲息場(chǎng)所收到擾動(dòng), 水體紊動(dòng)程度增加, 故水體中懸浮物質(zhì)增多, SD開(kāi)始下降。

菹草大面積生長(zhǎng)可從水體中大量吸收氮、磷元素, 從3月下旬開(kāi)始菹草因收割的影響, 至 4月菹草大面積收割從水體攜帶大量氮、磷元素離開(kāi)水體, 故水體TN、TP含量均出現(xiàn)一次較大幅度的下降, 而 4—6月湖泊中仍保留小面積的菹草種群,對(duì)水體中氮仍有一定的吸收作用,故TN含量仍有所降低, 但因面積不大, 故降低幅度較小; 而 TP含量除與植物生長(zhǎng)密切相關(guān)外, 與水溫、DO含量關(guān)系也密切, 2月后水溫回升, 水體DO較高, 可促進(jìn)鐵鋁等金屬離子呈三價(jià)狀態(tài)與磷結(jié)合, 以磷酸鹽形式沉淀至底泥中, 4月因菹草大量收割從水體攜帶了大量磷, 故 TP含量出現(xiàn)一次明顯降低過(guò)程,4—6月因水體DO含量較低, 底泥中與鐵鋁等金屬離子結(jié)合的磷開(kāi)始釋放, 使水體磷含量增高[11—14]。

由以上分析可知, 由于在短期內(nèi)大面積收割菹草, 使水體受到擾動(dòng), SD下降, DO含量降低, 雖菹草的收割攜帶了部分營(yíng)養(yǎng)鹽離開(kāi)水體, 使 TN含量有所降低, 但仍導(dǎo)致后期水體TP含量, 未能有效地改善水體環(huán)境, 在營(yíng)養(yǎng)鹽水平較高的湖泊中, 則不利于夏季水生植物的生長(zhǎng)。若不對(duì)菹草生長(zhǎng)加以控制, 則菹草在短期內(nèi)的衰亡, 植株的腐爛勢(shì)必引起水體的二次污染, 故對(duì)菹草的收割應(yīng)加強(qiáng)論證, 采取部分收割方式, 因菹草生物量主要集中頂部, 可適當(dāng)收割期頂部植株, 控制其生長(zhǎng)高度。據(jù)蘇勝齊的研究, 菹草夏季衰亡的主要原因是夏季強(qiáng)光照,菹草適宜光照大致為(4.0—6.0)×104lx, 光飽和點(diǎn)為(5.5—7.0)×104lx, 在菹草生長(zhǎng)早期, 水面上的光照很少超過(guò) 10.0×104lx, 光照一般不會(huì)對(duì)水下菹草生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制; 而到了后期, 強(qiáng)日照的日子多, 陸上光照經(jīng)常在 10.0×104lx以上, 此時(shí), 菹草經(jīng)過(guò)春季快速生長(zhǎng)已達(dá)到水表, 那么水表強(qiáng)烈的光照條件將對(duì)菹草生長(zhǎng)、生存產(chǎn)生劇烈抑制作用, 進(jìn)而促進(jìn)菹草衰亡[15], 故可控制菹草的生長(zhǎng)高度, 控制植株頂部離水面距離, 可延長(zhǎng)植株死亡的時(shí)間, 有利于夏季水生植物的萌發(fā)和恢復(fù)。

綜上可見(jiàn), 2006年夏季對(duì)湖泊的應(yīng)急處理, 使水體SD得以提升, DO含量增高, 水質(zhì)得到改善, 是南京玄武湖菹草得以萌發(fā)并生長(zhǎng)的主要原因; 而水體營(yíng)養(yǎng)鹽降低及pH改善促進(jìn)菹草幼苗后期的生長(zhǎng)。菹草在短期內(nèi)的大量收割不利于水體環(huán)境的改善和水生生態(tài)系統(tǒng)健康與恢復(fù), 可通過(guò)逐步收割的方式,緩慢從水體攜帶營(yíng)養(yǎng)鹽, 以達(dá)到改善水體的目的。

很多淺水型湖泊因夏季藻類(lèi)暴發(fā)曾多次嘗試恢復(fù)水生植被均無(wú)法成功, 究其原因主要有水質(zhì)環(huán)境過(guò)差, 無(wú)法滿足水生植物生長(zhǎng), 2005—2006年期間,南京玄武湖夏季藍(lán)藻暴發(fā), 冬季菹草暴發(fā)的案例,對(duì)解決類(lèi)似的淺水型湖泊的生態(tài)修復(fù)提供了良好的借鑒作用, 對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊治理的具體參考意義,可通過(guò)恢復(fù)冬春季水生植物的方法逐步抑制夏季藻類(lèi)的暴發(fā), 進(jìn)而恢復(fù)夏秋季水生植物, 達(dá)到恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)的目的。先期可通過(guò)物理或化學(xué)手段改善水體透明度、調(diào)節(jié)pH、降低營(yíng)養(yǎng)鹽, 使其滿足冬春季水生植物萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的需求, 為后期水生植物存活并生長(zhǎng)打下基礎(chǔ)。