基于生物操縱的富營養(yǎng)化湖庫藍藻控制實踐

王壽兵,屈云芳,徐紫然

(1.復旦大學環(huán)境科學與工程系,上海　200433; 2.復旦大學生命科學院,上海　200433)

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基于生物操縱的富營養(yǎng)化湖庫藍藻控制實踐

王壽兵1,屈云芳2,徐紫然1

(1.復旦大學環(huán)境科學與工程系,上海200433; 2.復旦大學生命科學院,上海200433)

介紹了復旦大學研究團隊負責實施的基于生物操縱的3個湖庫藍藻控制成功案例,總結了取得成功的共性理念和關鍵技術,重點涉及“內外共生源”的概念及其放大作用、控制藍藻水華對治理湖庫富營養(yǎng)化的作用、經典和非經典生物操縱技術的協(xié)同作用、從冬季開始的生物持續(xù)控藻在富營養(yǎng)化湖庫水華控制中的作用、食藻動物的科學投放,以及濾食魚類糞便二次污染控制的重要性等。

生物操縱;富營養(yǎng)化;藍藻水華;湖庫藍藻控制;工程案例

自20世紀80年代以來,富營養(yǎng)化水體中藍藻水華治理技術已受到國內外研究者的廣泛關注,各種化學、生物和物理控藻技術不斷涌現[1]。生物控藻技術是利用種間競爭和捕食關系,對水體中有害藻類進行攝食、轉化、降解以及轉移,從而達到控制有害藻華的目的。由于生物技術副作用較小,甚至可以忽略,因此越來越受到重視,目前已有許多景觀湖庫、飲用水水庫都采用此類技術。生物技術中尤以生物操縱(biomanipulation)控藻理論和技術的研究和應用最引人注目。由于各種原因,目前對較大型富營養(yǎng)化湖庫藍藻控制的成功案例還不多。本文介紹筆者參與的上海寶鋼水庫、陳行水庫、滴水湖等幾個稍大型湖庫藍藻控制的成功實踐,同時結合國內外研究成果,提出一些基于生物操縱的富營養(yǎng)化湖庫藍藻控制的理念和方法,供大家參考和討論。

1　富營養(yǎng)化湖庫藍藻水華控制案例

1.1寶鋼水庫藍藻控制工程

寶鋼水庫位于長江邊,面積1.67 km2,總庫容1.09×107m3,最大水深7.25 m,以長江原水為蓄水水源。從20世紀90年代起藍藻水華一直影響該水庫水質,2002年出現水庫因藍藻水華引發(fā)飲用水和工業(yè)生產用水停水的重大事件。2003年對寶鋼水庫實施生態(tài)綜合治理,從2004年起連，續(xù)多年藍藻水華徹底消失，所采用的關鍵技術是結合水庫結構和水文特點,巧妙利用低水位、低換水頻率運行的方式,在表層區(qū)域形成一個濾食魚類和藻類共同分布的區(qū)域,同時形成一個長6 km,寬50 m左右的適合環(huán)棱螺生存的淺水平臺帶,藻類隨庫流或風生流吹到這一淺水區(qū)域,此時藻類和環(huán)棱螺的空間分布一致,便于人工定點投放的高密度螺類充分殺滅藻類。

1.2上海陳行水庫藍藻控制工程

陳行水庫也位于長江邊,面積1.53 km2,有效庫容8.3×106m3,平均水深3～4 m,最深處達7 m，以長江原水為蓄水水源。從建庫起,藍藻水華出現波動性發(fā)展,1994—1995年是藍藻水華暴發(fā)高峰;1996—2003年為低峰,2004—2005年又出現藍藻水華暴發(fā)高峰。作為當時上海市重要飲用水源地,陳行水庫的藍藻水華是市政府最關注的問題之一。從2006年實施生態(tài)控藻后已連續(xù)多年徹底消除藍藻水華發(fā)生，所采用的主要技術手段是:人為構建以濾食性魚類為主的控藻食物網,通過構建“生態(tài)陷阱”式的高強度濾食區(qū),改變流場,將水流中的微囊藻帶至鰱魚的自然聚集區(qū),大幅提升魚類的控藻效率;同時利用水庫短期的水位變化和水動力特征,根據藍藻分布的時空規(guī)律,在不同季節(jié)實施不同的調控策略,包括冬季(1—3月)間歇性低水位時進行排藻,利用水位變化形成的消落帶進行干化滅藻,以及夏季(6—9月)綜合利用水位控制和風場進行排藻等。

1.3上海浦東新區(qū)滴水湖藍藻控制工程

滴水湖面積5.16 km2,是國內最大的人工淡水湖。新建的臨港新城中心是上海市重要的新城開發(fā)區(qū)項目,項目的發(fā)展直接受滴水湖水質的影響。滴水湖2004年引水、2006年暴發(fā)數平方千米的藍藻水華一直持續(xù)到冬季；2007年實施生態(tài)控藻后,滴水湖連續(xù)3年藍藻水華徹底消失。上海市水質監(jiān)測中心報告已證明，連續(xù)數年滴水湖全湖內沒有監(jiān)測到微囊藻顆粒。所采用的主要技術手段仍然是巧妙構建“魚藻共存”的生態(tài)陷阱,充分發(fā)揮非經典生物操縱技術的作用。

2　富營養(yǎng)化湖庫藍藻控制的理念與方法

依據“一湖一策”的原則[1],上述3個湖庫的成功控藻雖然采取的綜合技術手段并不完全相同,但對富營養(yǎng)化湖庫的藍藻控制和生態(tài)修復而言,有一些帶共性的理念問題和關鍵技術值得重視、探討和總結。

2.1“內外共生源”的放大作用值得關注

造成湖庫水體富營養(yǎng)化的污染來源往往很多,既有來自入湖河流、排污口、地表徑流以及干濕沉降的外源污染,也有來自湖體底泥、異養(yǎng)生物、水中懸浮物的內源污染，同時還有一種借助內源、外源營養(yǎng)物和能量(如太陽能)不斷增殖的自養(yǎng)生物源(筆者稱之為“內外共生源”)。無論是高等水生植物,還是低等的浮游藻類,均可通過光合作用利用水體N、P等營養(yǎng)物積累有機物,從表面上看好像具有一定的水體凈化功能,但如果不能有效管控并適時從湖庫中帶走其不斷積累的有機物,任其發(fā)展,特別是當藍藻等浮游藻類大量繁殖成為優(yōu)勢種時,則不但不能削減水體中的營養(yǎng)物質,反而還會對內源污染和外源污染產生劇烈的放大作用,其危害往往難以估量。對富營養(yǎng)化水體來說,藍藻水華暴發(fā)一次,就可能會抵消以往內外污染源控制若干年的努力。滇池外海大量暴發(fā)的藍藻水華就是一個很好的例子。

目前,人們對外源污染和內源污染及其相關治理技術已有較大關注,并取得了重要進展[2-3],但對藍藻等浮游藻類在富營養(yǎng)化水體中的放大作用則重視不夠。基于對藍藻內外共生源放大作用的認識,筆者認為,對于大型富營養(yǎng)化水體的生態(tài)治理和修復,僅僅依靠控制內外污染源來控制藍藻水華和修復生態(tài)系統(tǒng)，必將是一個緩慢而艱巨的過程,更為有效的策略是既要對外源污染和內源污染開展針對性的治理,更要把“內外共生源”的控制放在更加突出的地位。

2.2控制藍藻水華是治理富營養(yǎng)化的有效手段

藍藻水華暴發(fā)是水體富營養(yǎng)化后的一種表現,后果是進一步造成水體更加富營養(yǎng)化。藍藻水華暴發(fā)后,水體透明度急劇下降,有時幾近于零,沉水植物常遭受重大打擊;藻體死亡分解后釋放大量有機物和其他有毒有害物質,水體可再次利用的營養(yǎng)物快速增加,水生動物常因藻毒素的毒害或者兼DO缺乏而遭受滅頂之災。每一次水華暴發(fā)都可能打破原有的生態(tài)系統(tǒng)平衡,使所有之前的生態(tài)修復努力幾乎化為烏有。因此,對于尚未富營養(yǎng)化的水體,有效控制進入水體的N、P等營養(yǎng)物質和有機污染物是防止水體富營養(yǎng)化行之有效的手段之一；但對于已經富營養(yǎng)化的湖庫,尤其在短期內難以大幅度削減富營養(yǎng)化物質的大中型湖庫,僅靠傳統(tǒng)的除氮去磷的方法是很難從根本上扭轉“藍藻水華暴發(fā)—富營養(yǎng)化加重—水華愈發(fā)暴發(fā)—富營養(yǎng)化愈加嚴重”這種惡性循環(huán)趨勢的。一方面,因為藍藻水華在很低的N、P濃度下就可暴發(fā),因此,要將大中型湖庫水體中的N、P削減到藍藻水華不暴發(fā)的水平是不現實的,也是沒有必要的;另一方面,藍藻暴發(fā)后新生成的有機物還可能遠遠超過人們去除的營養(yǎng)鹽數量。因此,更為適宜的方法應該是找到更加有效的除藻方法,盡早切斷這種惡性循環(huán),否則難免會出現“越治越差”的結果。我國有些湖庫治理了很多年,投入了很多錢,卻未見根本好轉,社會上常常有人抱怨“越治越差”,這種現象值得人們深思。

對于已經富營養(yǎng)化的大中型湖庫,在治理上應轉變傳統(tǒng)觀念,充分認識到治理富營養(yǎng)化的目的不僅是控制藍藻水華,但控制藍藻水華是治理湖庫富營養(yǎng)化的一種有效手段。

2.3充分發(fā)揮經典和非經典生物操縱技術的協(xié)同作用

生物操縱技術是通過浮游動物、魚類、底棲動物等水生動物對有害藻類的攝食行為達到控制有害藻華的一種方法,包括經典生物操縱(traditional biomanipulation)技術和非經典生物操縱(nontraditional biomanipulation)技術。

經典生物操縱技術是通過放養(yǎng)肉食性魚類或直接捕(毒)殺等方法去除以浮游動物為食的魚類,保護和發(fā)展大型牧食性浮游動物,使其生物量增加和體型增大,提高其對浮游植物的攝食效率,從而降低浮游植物的數量,控制其過量繁殖[4-5]。近幾十年來的研究和應用實踐表明,經典的生物操縱技術在控制湖庫水體浮游植物總量方面具有一定效果,但浮游動物只能控制小型藻類,本身難以直接利用微囊藻、顫藻和束絲藻等大型藍藻群體[6-7]。同時,伴隨著大量大型肉食性浮游動物的出現,水中植食性浮游動物如輪蟲、小型枝角類等會遭到高強度攻擊,從而降低了對浮游植物的捕食能力[7]。

非經典生物操縱技術則是通過投放鰱鳙等濾食性魚類來直接攝食藍藻等浮游生物。許多實驗結果表明,當鰱鳙等濾食性魚類達到閾值密度時,對藍藻等大型藻類或群體確有較好的控制作用[7-11]。但同時也發(fā)現，該技術在其他浮游藻類的控制和水體營養(yǎng)鹽循環(huán)方面存在一些不足。鰱魚一般濾食30 μm以上的大型浮游植物、小型浮游植物群體以及一部分浮游動物;而鳙魚則主要濾食大型輪蟲、枝角類、橈足類等浮游動物,因此,鰱鳙對非群體的微小浮游植物不但無法濾食,反而會因為減少了大型藻類的競爭和浮游動物的攝食,促進小型藻類的發(fā)展,致使水體浮游植物總生物量難以減少,有的甚至還會增加,而不利于水質改善[11-16]。

由此可見,無論是經典的生物操縱技術,還是非經典的生物操縱技術,它們都各有長處,同時也不可避免地存在著一些不足。因此,需要將經典生物操縱技術和非經典生物操縱技術進行有機整合,取長補短,從而更好地發(fā)揮其控藻作用。

2.4從冬季開始的生物持續(xù)控藻是富營養(yǎng)化湖庫水華控制的關鍵

我國許多流域都有一個冬季低溫季節(jié),而此時水華藻類群體多數已死亡,僅殘留有部分沉底越冬或生存于上浮水中。即使是在云南昆明滇池,冬季氣溫達到過接近0℃的記錄,水溫低至10℃左右,此時盡管水體中還有不少水華藻類存在,但已比暴發(fā)季節(jié)減少了95%以上。由于藍藻屬于生態(tài)學上典型的“r-對策者”,當生存條件允許,且種群量達到一定的閾值后,藍藻的增殖速度是非常驚人的。藍藻水華一旦暴發(fā),再想通過生物操縱等方法來進行持續(xù)控藻是無濟于事的。況且從成本角度以及鰱、鳙魚本身對生態(tài)系統(tǒng)的影響來看,也不可能無限制地增加投放量來控制已暴發(fā)的藍藻水華。而對大中型湖庫而言,采用化學方法一次性投入殺藻,即使在局部地區(qū)有效,也不可能從根本上解決全湖的問題,而且還極易藍藻復發(fā)。這也是許多小型景觀水體經常面臨的問題。因此,必須從冬季開始就開展對藍藻的持續(xù)控制,而不是等其發(fā)展到一定密度后再采取措施,這既是控藻的關鍵,也是目前許多湖庫水體藍藻控制中較為忽視的地方。

冬季藍藻數量少、無增殖或少增殖,具有沉底、毒性小、不成團的特性,此時進行生物控藻,往往可以起到“四兩撥千斤”的功效。因此,應在冬季開始前即大量投放螺、蚌、蜆、螃蟹等底棲性食藻動物和鰱鳙魚類,尤其是一些有冬季濾食行為的冷水性魚類和底棲動物,讓其盡量多地攝食冬季越冬藻種或初春剛復蘇、增殖的藻體,這樣始終將種群數量控制在暴發(fā)閾值之下。

2.5食藻動物的投放必須高度集中于藍藻易于集聚和可能率先暴發(fā)的“熱點區(qū)域”

雖然非經典生物操縱理論提出了可用濾食性魚類來控制藍藻的可能性,并在一些圍隔實驗和小型水體中得到了驗證,但在較大水域中的實踐應用卻少有真正成功的案例。這與食藻動物的投放不當不無關系。傳統(tǒng)的投放方式是將食藻動物隨機投放到湖庫水體中,而研究發(fā)現,鰱、鳙等攝食浮游生物的魚類投放后,與水華藍藻在水體中存在時空分布不一致的現象,藍藻隨風場、流場漂浮聚集，而魚群常逆風場、流場聚集，魚、藻呈現空間上的嚴重分離(空間生態(tài)位不重疊),常常是藻多的地方魚并不多,而魚多的地方藻并不多,因此,即使按非經典生物操縱理論投放了大量的濾食性魚類,單位體積水體內的存魚量很高,也不能很好地發(fā)揮魚類對藍藻的濾食功能。這就是許多利用非經典生物操縱技術控藻失敗的原因之一。

為克服較大水域中出現的“魚、藻分離”問題,一種行之有效的方法就是利用藍藻的垂直與漂移特性,以及濾食魚類的活動規(guī)律,運用水體流場設計,創(chuàng)造能讓魚類集中活動的場所,同時引導藍藻漂移進入該區(qū)域,或尋找藍藻復蘇期易于集聚的“熱點”地區(qū)集中投放濾食動物,達到魚、藻共同分布,為濾食性魚類提供食藻的場所與機會,最終實現高效清除藍藻的目的。

上述方法不但解決了大水域中魚、藻分離的問題,極大地提高了使用非經典生物操縱技術的控藻效率,同時,將濾食性魚類限制在一個較小的范圍內,減少了外部廣大區(qū)域濾食性魚類的數量,為食藻浮游動物種群的發(fā)展壯大創(chuàng)造了條件,從而實現了運用經典生物操縱技術控藻的目標。

2.6加強濾食魚類糞便二次污染控制十分重要

非經典生物操縱技術常常被人批評的一點,就是盡管鰱、鳙能夠通過濾食方式有效攝食水華藍藻,但由于多數組成水華的藍藻細胞具有較厚的公共或個體衣鞘,鰱、鳙對水華藍藻(微囊藻)的消化利用率很低,一般只有25%～30%[17]。浮性的鰱、鳙糞便中往往還存在著大量未消化的具有生命力的藍藻。這些藍藻細胞回到水體后還能繼續(xù)增殖,甚至由于超補償生長,其光合作用及生長活性在短期恢復并顯著增強,其他有機廢物也隨之被很快分解利用,而加速了系統(tǒng)中營養(yǎng)物的再生,造成“魚類富營養(yǎng)化(ichthyo-eutrophication)”現象[18]。

因此,要讓非經典生物操縱技術更好地發(fā)揮作用,就必須克服浮性魚糞所造成的二次污染問題。復旦大學研究團隊率先在國內提出了利用水文條件、風力作用,以及底棲魚類擾動等,來增加水體濁度,增加鰱、鳙魚泥沙攝入量,使其排泄可沉底的魚糞,并投放底棲動物及時將其攝食。這種“魚糞沉底控藻”技術首次在面積超過1 km2的寶鋼水庫藍藻治理中得到成功驗證,后來在面積超過5 km2的上海滴水湖和其他水體藍藻治理中多次得到成功應用。魚糞沉底后,有2種命運:一是在被攝食之前,其中未消化的藻類或殘體由于水底光線較弱,水溫較低,死亡或處于發(fā)育停滯狀態(tài);二是被投放的底棲動物和底層魚類再次攝食,因而其影響被大大削弱。

3　結　語

無論是經典生物操縱技術還是非經典生物操縱技術,其原理已越來越為人們所熟知,其應用中存在的優(yōu)缺點也逐漸為人們所認識。盡管實際控藻效果在不同的實踐應用中表現不一,有人成功了說它好,有人失敗了說它不行,但毋庸置疑的是,無論行還是不行,在我國現有的富營養(yǎng)化水體藍藻控制技術體系和實踐應用中,“生物操縱”仍然是一個繞不開的話題和不容忽視的領域。筆者從取得成功的幾個工程案例出發(fā),結合國內外研究進展,從不同側面提出了一些體會和初步認識,旨在拋磚引玉。

[ 1 ] 王壽兵,徐紫然,張潔. 大型湖庫富營養(yǎng)化藍藻水華防控技術發(fā)展述評[J].水資源保護,2016,32(4):88-99.(WANG Shoubing,XU Ziran,ZHANG Jie. A review of the technologies for prevention and control of cyanobacteria blooms in large-scale eutrophicated lakes and reservoirs[J].Water Resources Proection, 2016,32(4):88-99.(in Chinese))

[ 2 ] 王壽兵,錢曉雍,趙鋼,等.環(huán)淀山湖區(qū)域污染源解析[J]. 長江流域資源與環(huán)境,2013,22(3): 331-336.(WANG Shoubing,QIAN Xiaoyong,ZHAO Gang, et al. Contribution analysis of pollution sources around the Dianshan Lake[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2013,22(3): 331-336.(in Chinese))

[ 3 ] 朱俊,董輝,王壽兵,等.長江三峽庫區(qū)干流水體主要污染負荷來源及貢獻[J].水科學進展, 2006,17(5):709-713.(ZHU Jun, DONG Hui,WANG Shoubing, et al. Sources and quantities of main water pollution loads released into Three-Gorge Reservoir of the Yangtze River[J]. Advances in Water Science,2006,17(5):709-713.(in Chinese))

[ 4 ] SHAPIRO J,LAMARRA V,LYNCH M. Biomanipulation: an ecosystem approach to lake restoration[J]. Proceedings of the Symposium on Water,1975,21(6): 85-96.

[ 5 ] STARLING F L R M. Control of eutrophication by silver carp(Hypophthalmichthys molitrix)in the tropical Paranoa Reservoir(Brasilia,Brazil):a mesocosm experiment[J].Hydrobiologia, 1993,257:143-152.

[ 6 ] 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(huán)境,1999,8(3):312-319.(LIU Jiankang, XIE Ping. Unraveling the enigma of the disappearance of the water bloom from the East Lake(Lake Donghu) of Wuhan[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin,1999,8(3):312-319.(in Chinese))

[ 7 ] 謝平.鰱、鳙與藻類水華控制[M].北京:科學出版社,2003.

[ 8 ] SMITH D W. Biological control of excessive phytoplankton growth and the enhancement of aquacultural production[J]. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1985, 42: 1940-1945.

[ 9 ] 李琪,李德尚,熊邦喜,等.放養(yǎng)鰱魚對水庫圍隔浮游生物群落的影響[J].生態(tài)學報,1993,13(1): 30-37.(LI Qi,LI Deshang,XIONG Bangxi,et al.Influence of silver carp (Hypophthalmichthys molitrix) on plankton community in reservoir enclosures[J].Acta Ecological Sinica,1993,13(1): 30-37.(in Chinese))

[10] DOMAIZON I,DEVAUX J.Experimental study of the impacts of silver carp on plankton communities of eutrophic Villerest reservoir (France)[J].Aquatic Ecology,1999,33: 193-204.

[11] KAJAK Z,RYBAK J,SLXXTNIEWSKA I,et a1.Influence of the planktivorous fish,Hypophthalmichthys molitrix,on the plankton and benthos of the eutrophic 1ake[J].Po1 Arch Hydrobiol,1975,22:301-310.

[12] LAZZARO X.A review of planktivorous fishes:their evolution,feeding behaviours,selectivities,and impacts[J].Hydrobiologia,1987,146:97-167.

[13] 劉煥亮.鰱魚、鳙魚的濾食器官[J].大連水產學院學報,1981,6(11):13-33.(LIU Huanliang.The filtering apparatus of silver carp and bighead carp[J].Journal of Dalian Ocean University,1981,6(11):13-33.(in Chinese))

[14] 王麗卿,許莉,陳慶江,等.鰱鳙放養(yǎng)水平對淀山湖浮游植物群落影響的圍隔實驗[J].環(huán)境工程學報,2011,5(8):1790-1794.(WANG Liqing,XU Li,CHEN Qingjiang,et al.Stocking level effects of silver and bighead carps on the phytoplankton community in enclosures in Dianshan Lake[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2011,5(8):1790-1794.(in Chinese))

[15] SOSNOVSKYA A,QUIRO R.Effects of fish manipulation on the plankton community in small hypertrophic lakes from the Pampa Plain(Argentina)[J].Limnologica,2009,39:219-229.

[16] DRENNER R W,BACA R M.Community responses to piscivorous largemouth bass:a biomanipulation experiment[J].Lake and Reservoir Management,2002,18(1):44-51.

[17] 陳少蓮,劉肖芳,胡傳林,等.論鰱、鳙對微囊藻的消化利用[J].水生生物學報,1990,14(1):49-59.(CHEN Shaolian,LIU Xiaofang,HU Chuanlin,et al.On the digestion and utilization of microcystis by fingerlings of silver carp and bighead[J].Acta Hydrobiologica Sinica,1990,14(1):49-59.(in Chinese))

[18] OPUSZYNSKI K.The influence of silvercarp(Hypophthal-michthysmolitrixVal.)on eutrophication of the environment of carp ponds[J].Roczniki Nauk Rolniczych,1978,99H: 127-151.

Algal bloom control in eutrophic lakes and reservoirs based on biomanipulation

WANG Shoubing1, QU Yunfang2, XU Ziran1

(1.DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,FudanUniversity,Shanghai200433,China;2.SchoolofLifeSciences,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

This paper introduces three successful engineering cases of algal bloom control in lakes and reservoirs conducted by a research group from Fudan University based on the theory of biomanipulation. The related knowledge and technological innovations, involving the concept of theinner-outersymbiosispollutionsourceand its amplifying effects, the significance of algal bloom control to treatment of eutrophic water in lakes and reservoirs, the synergies of the traditional and non-traditional biomanipulation technologies, the effects of sustainable bio-control of algae beginning from winter on the algal bloom control of eutrophic lakes and reservoirs, the suitable modes of stocking algivores, and control of the secondary pollution from manure of filter-feeding fish, are described.

biomanipulation; eutrophication; algal bloom; algal control in lakes and reservoirs; engineering cases

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.001

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07102-004);留學基金(201606105012)

王壽兵(1970—),男,教授,博士,主要從事富營養(yǎng)化水體藍藻控制和生態(tài)修復研究。E-mail:sbwang@fudan.edu.cn

X171.4

A

1004-6933(2016)05-0001-04

2016-08-02編輯：彭桃英)