某淺水庫區(qū)由藻型向草型轉(zhuǎn)變的過程及水環(huán)境特征分析

朱正海 郭桂琴

摘? 要：在某淺水富營養(yǎng)化庫區(qū)，在氣象、氣候條件和物理、外源負(fù)荷相似的情況下，經(jīng)過幾年的治理，該庫區(qū)水體從“藻型濁水態(tài)”轉(zhuǎn)變成“草型清水態(tài)”[1]。文章針對固定區(qū)域，從區(qū)域水體特點入手，闡述水體由藻型向草型轉(zhuǎn)變的過程并從多年來積累的水質(zhì)數(shù)據(jù)作為切入點，對藻型和草型水體的水環(huán)境特征進(jìn)行探討，力求從實踐中獲得更多促使“藻型濁水態(tài)”向“草型清水態(tài)”的轉(zhuǎn)變且長久穩(wěn)定在“草型清水態(tài)”的方法。結(jié)果表明：該庫區(qū)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(zhì)良好，透明度高，沉水植物量較大。

關(guān)鍵詞：淺水庫區(qū);草型清水態(tài);藻型濁水態(tài);水環(huán)境

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

引言

淺水庫區(qū)的富營養(yǎng)化治理是討論比較多的內(nèi)容，因為富營養(yǎng)化引發(fā)的水體問題越發(fā)引起人們的關(guān)注，最為直觀的就是“藍(lán)藻水華”頻繁暴發(fā)，嚴(yán)重影響了人們的親水環(huán)境。然而富營養(yǎng)化的治理過程中，在同一個區(qū)域內(nèi)，水體卻逐漸呈現(xiàn)出了兩種截然不同的狀態(tài)：“藻型濁水態(tài)”和“草型清水態(tài)”。該淺水庫區(qū)在完成這兩種狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)后，原來頻繁暴發(fā)水華的水體變得清澈，水質(zhì)大幅提高，極大改善了水環(huán)境。關(guān)于這兩種狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，早在20世紀(jì)80年代，外國學(xué)者就提出了“杯中彈子模型”[2]。針對這樣的現(xiàn)象結(jié)合實際監(jiān)測資料，本文分別對藻型階段的庫區(qū)水體和草型階段的庫區(qū)水體的水環(huán)境特征進(jìn)行了分析和對比，為藻草型的跳轉(zhuǎn)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(qū)基本情況

庫區(qū)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(tài)環(huán)境需求，將下游河道水體通過提水泵站送至庫區(qū)，在庫區(qū)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(qū)水體水深淺、流動性差、底泥堆積致使庫區(qū)頻繁發(fā)生藍(lán)藻水華，嚴(yán)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(jìn)行治理，到2017年該水體水華問題得到解決，水質(zhì)提升。這幾年的治理當(dāng)中遇到了一些問題，而這些問題正是典型的“藻型濁水態(tài)”在成為穩(wěn)態(tài)后向“草型清水態(tài)”穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)的過程。

1.2 藻型向草型過渡的過程

（1）藍(lán)藻水華到絲狀藻出現(xiàn)

該水域從2010年起逐年出現(xiàn)水華，從2012年開始進(jìn)行治理。經(jīng)過藻類的鏡檢分析，該水域為藍(lán)藻水華，藍(lán)藻門中以銅綠微囊藻為主（圖3），圖中團(tuán)狀小顆粒為銅綠微囊藻。根據(jù)藍(lán)藻生長規(guī)律[3]使用微生物制劑和控藻劑，使藍(lán)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(qū)出現(xiàn)以剛毛藻為主的絲狀藻（圖4），當(dāng)年庫區(qū)水華問題依舊突出但是沒再出現(xiàn)過“綠油漆”現(xiàn)象。水體處在藻型水體的穩(wěn)態(tài)內(nèi)，未能推動藻型向草型的跳轉(zhuǎn)。

（2）絲狀藻到菹草為主的沉水植物

2013年在庫區(qū)東側(cè)出現(xiàn)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(qū)出現(xiàn)以菹草為主的冷水型沉水植物，庫區(qū)水體進(jìn)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(jìn)入6月后，隨著水溫的提升，菹草進(jìn)入衰亡期[4]（圖6）而大量死亡，藻類生長數(shù)量迅速上升，成為優(yōu)勢種，水體透明度下降，葉綠素a上升。出現(xiàn)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(jìn)行人為干預(yù)。2014年與2013年情況相比，菹草的植物量進(jìn)一步增大，通過修剪的方式盡量延長菹草的生長時間，庫區(qū)水體全年依然是以藻態(tài)為主，草態(tài)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(wěn)定在草型水體，但是較2012年，2013年和2014年的技術(shù)措施（造流、水生植物浮床等）還是對藻態(tài)向草態(tài)跳轉(zhuǎn)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(qū)菹草量持續(xù)增大（圖7），主要體現(xiàn)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(qū)內(nèi)出現(xiàn)荇菜、菱角等浮水植物。2016年在菹草進(jìn)入衰亡期死亡后，庫區(qū)內(nèi)金魚藻、狐尾藻等沉水植物持續(xù)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(jìn)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(qū)進(jìn)入草型清水態(tài)，但是嚴(yán)格的說該草型清水態(tài)并不平衡，還是通過人為干預(yù)的方式控制各個生物量。比如庫區(qū)在水華問題解決后出現(xiàn)了沉水植物，之后出現(xiàn)了浮水植物，在2017年是庫區(qū)內(nèi)挺水植物蘆葦和荷花的量又持續(xù)增大。也就是說由一個藻型水體向草型水體跳轉(zhuǎn)后，還是要注意水生態(tài)系統(tǒng)的平衡，否則這個跳轉(zhuǎn)就又會進(jìn)入另一個問題的循環(huán)，就是從一個有水面的景觀用庫區(qū)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(zhuǎn)后，一定要通過持續(xù)的人為干預(yù)，嘗試性的調(diào)整水生態(tài)系統(tǒng)的組成，最終形成穩(wěn)定健康的水生態(tài)系統(tǒng)。

2 藻草型階段水環(huán)境特征分析

該水域的藻型和草型的轉(zhuǎn)變從年份上可以大致劃分為2014年以前為完全藻型濁水態(tài)，2014年至2016年由藻型向草型跳轉(zhuǎn)，2017年跳轉(zhuǎn)成草型清水態(tài)，但是存在植物量不平衡的問題。首先以2013年的數(shù)據(jù)作為藻型濁水態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后將2017年作為草型清水態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，之后通過將2013年至2017年的數(shù)據(jù)匯總分析完成藻型和草型的對比，同時體現(xiàn)跳轉(zhuǎn)過程中水質(zhì)數(shù)據(jù)的變化。

2.1 淺水庫區(qū)藻型階段水環(huán)境特征分析

處在“藻型濁水態(tài)”的水體，COD處于劣五類的水平，水體營養(yǎng)鹽數(shù)值較高，COD數(shù)值在6月和8月出現(xiàn)較大數(shù)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(yǎng)鹽，避免了水質(zhì)持續(xù)惡化，但是水質(zhì)指標(biāo)依然偏高。氨氮值在0.8mg/l-1.1mg/l，數(shù)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(guān)，另外峰值出現(xiàn)在6月上旬，主要是因為菹草死亡，死亡后植物泡在水中導(dǎo)致水質(zhì)指標(biāo)上升，然后在藻類生長初期消耗水體營養(yǎng)鹽，以及投加的微生物制劑使氨氮數(shù)值下降。

水體總磷指標(biāo)在0.2mg/l-0.3mg/l之間波動，水體總磷數(shù)值偏低。葉綠素a數(shù)值在進(jìn)入5月份后持續(xù)上升在8月中旬達(dá)到峰值，原因是庫區(qū)內(nèi)藻類數(shù)量持續(xù)增加。濁水態(tài)中水體透明度偏低，最大透明度出現(xiàn)在開春和10月底，透明度30cm。透明度低導(dǎo)致沉水植物無法生長，致使藻類成為優(yōu)勢種群，從藻細(xì)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(xiàn)倍數(shù)增長，并且藻細(xì)胞密度峰值達(dá)到25000×104個/L，這和藻種為銅綠微囊藻有關(guān)，因為銅綠微囊藻細(xì)胞小。

2.2 淺水庫區(qū)草型階段水環(huán)境特征分析

在水體跳轉(zhuǎn)至“草型清水態(tài)”后水質(zhì)指標(biāo)提升并且水質(zhì)指標(biāo)平穩(wěn)，尤其是COD值沒有大幅的波動，并且水質(zhì)指標(biāo)全年低于30mg/l，較“藻型濁水態(tài)”時有了大幅的提升。這個和淺水庫區(qū)出現(xiàn)的以沉水植物為主的大量的水生植物有關(guān)，在實際工作中發(fā)現(xiàn)，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(gòu)成密度較大的沉水植物群落。現(xiàn)階段的淺水庫區(qū)，植物量很大，結(jié)構(gòu)不平衡，主要體現(xiàn)在春季菹草量大，夏季浮水植物量大，但是通過人為干預(yù)，以植物為主的水生態(tài)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定存在，使得水體處在透明度較高的清水態(tài)。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(dá)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(yù)期的效果。

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

2.3 藻草型水環(huán)境特征對比

該淺水庫區(qū)最初治理目標(biāo)為水華治理，隨著治理開展，將目標(biāo)定在了水質(zhì)改善上。上述柱狀圖直觀反映著庫區(qū)主要水質(zhì)指標(biāo)的變化，雖然水體還沒有達(dá)到功能區(qū)劃分的水質(zhì)要求，但是水質(zhì)已經(jīng)有了大幅提升。另外在進(jìn)入“草型清水態(tài)”后，水質(zhì)指標(biāo)平穩(wěn)波動少。處在“草型清水態(tài)”水體的COD、氨氮、總磷、葉綠素a等指標(biāo)較處在“藻型濁水態(tài)”水體的指標(biāo)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(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

該淺水庫區(qū)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(wěn)態(tài)及草型穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象。淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，水體與底泥間相互影響，物質(zhì)交換激烈，沉積較為緩慢，同時污染負(fù)荷的能力弱[6]，對污染敏感，所以是非常容易發(fā)生富營養(yǎng)化的水體。

處在“藻型濁水態(tài)”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(fēng)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(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢種，在夏季高溫季節(jié)藻細(xì)胞密度增長迅速，導(dǎo)致底層水體缺氧，同樣增加底泥營養(yǎng)物質(zhì)對水體的反向釋放，使水體水質(zhì)變差。最終表現(xiàn)為，水體渾濁，藻類聚集明顯，透明度差，水質(zhì)波動明顯。

在處在“草型清水態(tài)”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(jìn)而達(dá)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(yǎng)成分，達(dá)到改善水質(zhì)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(zhì)[7]有著直接關(guān)系。同時水生植物可以有效避免底泥因為風(fēng)浪和水生動物的擾動而在懸浮，這對內(nèi)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(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而藻類生長就會更加受到限制，水質(zhì)就會更好，水體透明度更高，形成一個良性的循環(huán)。最終表現(xiàn)為，水體清澈，水生植物茂盛、水質(zhì)提升也穩(wěn)定。

在通過人為的技術(shù)手段使水體從“藻型濁水態(tài)”向“草型清水態(tài)”轉(zhuǎn)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(jīng)驗。并且在水體跳轉(zhuǎn)到“草型清水態(tài)”后要想該狀態(tài)成為穩(wěn)態(tài)，還是需要做好后續(xù)的維護(hù)工作，比如過量單一植被的修剪，沉水植被多樣性的構(gòu)建等。因為在水生態(tài)多樣性不足的情況下，在一個相對封閉的范圍內(nèi)讓水生態(tài)達(dá)到一個自身的平衡或者草型清水穩(wěn)態(tài)，需要更長時間，更多的摸索。

3.2 展望

本文對淺水庫區(qū)中的兩種狀態(tài)“藻型濁水態(tài)”和“草型清水態(tài)”中的水體的轉(zhuǎn)變過程進(jìn)行了闡述同時對水環(huán)境特征進(jìn)行了分析和對比。為治理淺水湖泊富營養(yǎng)化提供了又一個現(xiàn)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(tài)”向“草型清水態(tài)”跳轉(zhuǎn)，并且實現(xiàn)“草型清水穩(wěn)態(tài)”還有很多工作要做。

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

（2）不同的沉水植物對維持“草型清水穩(wěn)態(tài)”有哪些現(xiàn)實中的作用。沉水植物的多樣性構(gòu)建在不同水域中是否有復(fù)制性，比如能否在其他城市河道內(nèi)通過沉水植物構(gòu)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(tài)環(huán)境，并維持其所處狀態(tài)的穩(wěn)定性。雖然很多水生植物恢復(fù)工作已經(jīng)經(jīng)過不斷的嘗試，但是真正恢復(fù)水生植被為主的穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境，還需要經(jīng)歷一個較為漫長的過程。

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