構(gòu)建草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)對城市景觀湖水體營養(yǎng)鹽和浮游植物群落的影響

柴 夏

(南京中科水治理股份有限公司，南京 210000)

前 言

城市景觀湖除了作為市民休閑游憩的場所，同時也對改善周邊的小氣候起著非常重要的作用[1]。由于近幾年來隨著城市化的加劇，成都及周邊水體出現(xiàn)了明顯的富營養(yǎng)化趨勢，有研究人員2010～2012年對成都府河[2]、麓山國際高爾夫人工湖[3]等成都周邊水體進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示成都市的景觀水體均出現(xiàn)不同程度的水體富營養(yǎng)化問題和生態(tài)衰退的現(xiàn)象，如不進(jìn)行人為修復(fù)干預(yù)，水體有產(chǎn)生黑臭和爆發(fā)藻類“水華”的風(fēng)險。

成都錦城湖位于四川成都市高新區(qū)，是典型的城市景觀人工湖，位于北緯30°34′43.91″～30°33′49.91″，東經(jīng)104°02′02.59″～104°03′18.76″。錦城湖由四個子湖組成，其中1號湖已經(jīng)先期建成， 2、3、4號湖從2013年開始修建，修建后由于周邊環(huán)境的影響出現(xiàn)了明顯的生態(tài)系統(tǒng)退化問題。為了提高湖水的感官效果和自凈能力2018年3月湖特對3、4號湖進(jìn)行湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工程，本調(diào)查研究工作主要在3、4號湖中進(jìn)行。其中3#湖水面面積73 700 m2，平均水深2.5m，4#湖水面面積138 600m2，平均水深2.0m。錦城湖補(bǔ)水來自肖家河，由于肖家河水受到周邊環(huán)境的影響，補(bǔ)水水質(zhì)呈嚴(yán)重富營養(yǎng)化狀態(tài)。

為了保證錦城湖的景觀效果，防止水體富營養(yǎng)化向藻型湖泊轉(zhuǎn)變，特對錦城湖實施“草型”湖泊生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建工程。通過對湖泊底質(zhì)條件改善，恢復(fù)沉水植物群落、底棲動物群落和魚類群落，從而對微生態(tài)系統(tǒng)的自我構(gòu)建進(jìn)行干預(yù)，形成完整的“草型”湖泊生態(tài)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的自凈能力。為了更好的了解“草型”湖泊生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)中水體的理化指標(biāo)變化情況和對藻類群落的影響，特在2018年3～12月對錦城湖進(jìn)行浮游動植物及水質(zhì)理化指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測?？梢姡鞘芯坝^人工湖采用“草型”湖泊生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)，對于防止水體富營養(yǎng)化，修復(fù)沉水動植物植物群落，具有重要生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義。

1 材料和方法

1.1 采樣點的設(shè)置

本項目共設(shè)置了6個采樣點：進(jìn)水口1(N:30°34′30.08″,E:104°2′33.55″)，進(jìn)水口2(N:30°34′12.00″,E:104°2′40.82″)，3#1(N:30°34′24.58″,E:104°2′6.31″)，3#2(N:30°34′19.34″,E:104°2′23.94″)，4#1(N:30°34′10.78″,E:104° 2′46.34″)，4#2(N:30°34′5.58″,E:104° 3′10.93″),具體采樣點位置見圖1。

圖1 采樣點分布平面圖Fig.1 Layout of sampling points

1.2 實驗方法

水樣采集使用5L采水器采取表層50cm和中間水層的水樣進(jìn)行混合，加入穩(wěn)定劑后于8h內(nèi)送至實驗室進(jìn)行檢測，水質(zhì)指標(biāo)檢測方法參照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[4]。浮游植物采集使用25#絹網(wǎng)進(jìn)行采集，采集后加入5%魯哥試液固定后送往實驗室鏡檢。進(jìn)行浮游動物樣品采集、保存方法和沉水植物調(diào)查方面參照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范(第二版)》[5]，浮游植物種屬鑒定標(biāo)準(zhǔn)參照《中國淡水藻類—系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[6]，用excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及圖表的繪制。

2 結(jié)果和討論

2.1 進(jìn)水水質(zhì)情況

錦城湖補(bǔ)水主要來自肖家河，肖家河位于成都市西南方向，從清水河分支開始，經(jīng)過三環(huán)高架路，至南三環(huán)四段路，最終匯入府河。肖家河由于是城市河道在河道的沿途有大量的面源污染匯入，水質(zhì)主要指標(biāo)為劣Ⅴ類水質(zhì)，水體的主要特點是：水體的懸浮物含量較高，主要懸浮物為泥沙，SD(透明度)較低(小于40cm)，水體營養(yǎng)鹽指標(biāo)較高，由于水體流動較快泥沙含量高，SD較低因此浮游植物含量較少，詳細(xì)指標(biāo)見表1。

表1 肖家河進(jìn)水水質(zhì)情況Tab.1 Influent water quality in Xiaojiahe

2.2 “清水”草型生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建對水體指標(biāo)的影響

錦城湖初次蓄水為肖家河河水，由于水動力的改變，懸浮顆粒迅速沉降SD驟然提高，使水體的藻類成爆發(fā)式增長，如不及時采取措施高營養(yǎng)鹽水體有“水華”爆發(fā)的風(fēng)險[7]。為防止錦城湖發(fā)展成為藻型湖泊，特對錦城湖進(jìn)行”清水”草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的工作內(nèi)容主要包括：底質(zhì)環(huán)境改善、沉水植物群落構(gòu)建、底棲動物群落構(gòu)建、魚類群落構(gòu)建等一些列工作的開展，隨著沉水植物群落生物量的增加，當(dāng)沉水植物平均生物量大于1.5kg/m2時，湖泊系統(tǒng)的自凈能力開始發(fā)揮作用。錦城湖水體的各項指標(biāo)均有很大程度的提升，其中在6～7月之間水體理化指標(biāo)出現(xiàn)了標(biāo)志性的由藻型湖泊轉(zhuǎn)變草型湖泊的“恢復(fù)點”[8]。

圖2 水體營養(yǎng)鹽和SD指標(biāo)曲線Fig.2 Indicators of nutrients and transparency of water body

圖3 Chla和大型沉水植物生物量情況Fig.3 Chlorophyll a and submerged macrophyte biomass

2.3 “清水”草型生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建對藻類群落的影響

2.3.1 浮游植物的種屬分析

浮游植物的監(jiān)測共進(jìn)行了4次，分別為3、6、9、12月，結(jié)合湖泊生態(tài)技術(shù)所處的階段分別處于濁水態(tài)、施工期、調(diào)整期和清水態(tài)4個階段。通過對不同工程階段的浮游植物進(jìn)行定性分析，調(diào)整期藻類的品種最多，為46屬(種)，濁水態(tài)水體藻類品種較少為16屬(種)，詳見表2。

表2 不同生態(tài)構(gòu)建階段藻類屬(種)數(shù)Tab.2 Genera and species of algae at different stages of ecological construction

通過對不同工程階段的藻類優(yōu)勢品種進(jìn)行分析，濁水態(tài)以綠藻(Chlorophyceae)和硅藻(Bacillariophyta)為優(yōu)勢種群；施工期綠藻(Chlorophyceae)和藍(lán)藻(Cyanophyta)為優(yōu)勢種群；調(diào)整期優(yōu)勢種為綠藻(Chlorophyceae)、硅藻(Bacillariophyta)和藍(lán)藻(Cyanophyta)，清水態(tài)藻類數(shù)優(yōu)勢品種為藍(lán)藻(Cyanophyta)、綠藻(Chlorophyceae)和硅藻(Bacillariophyta)。有以上數(shù)據(jù)可知在前3個階段，綠藻(Chlorophyceae)處于絕對優(yōu)勢種，均在35%以上，種屬分布十分集中。而清水態(tài)階段浮游植物單一藻類種群比例大幅度降低，具體種(屬)見表2。

2.3.2 浮游植物的定量分析

通過對不同構(gòu)建階段的藻類細(xì)胞數(shù)進(jìn)行分析，藻類的浮游植物細(xì)胞數(shù)總量呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，詳見圖4。清水態(tài)浮游植物細(xì)胞數(shù)為濁水態(tài)浮游植物細(xì)胞數(shù)的1.29%，其中綠藻(Chlorophyceae)和硅藻(Bacillariophyta)削減量最高，綠藻(Chlorophyceae)細(xì)胞數(shù)為濁水態(tài)浮游植物細(xì)胞數(shù)的0.114 3%，硅藻(Bacillariophyta)細(xì)胞數(shù)為濁水態(tài)浮游植物細(xì)胞數(shù)的0.154 3%。

對不同系統(tǒng)構(gòu)建階段的浮游植物生物量進(jìn)行分析，可以得出在濁水態(tài)生態(tài)構(gòu)建階段浮游植物生物量為111.98mg/L，清水態(tài)浮游植物生物量為0.2mg/L，僅為濁水態(tài)的0.178 6%，詳見圖5。其中降幅最大的為綠藻(Chlorophyceae)和硅藻(Bacillariophyta)。通過對不同階段的藻類細(xì)胞數(shù)和生物量進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明濁水態(tài)平均藻細(xì)胞重量為0.021 1mg，清水態(tài)藻細(xì)胞的平均重量為0.002 5mg，藻細(xì)胞個體重量呈降低趨勢，見圖6。

圖4 錦城湖浮游植物細(xì)胞數(shù)變化情況Fig.4 the changes of Jincheng Lake phytoplankton cell number

圖5 錦城湖藻類生物量變化情況Fig.5 changes in algal biomass in Lake Jincheng

圖6 藻類細(xì)胞重量變化情況Fig.6 changes in algal cell weight

湖泊生態(tài)修復(fù)是通過恢復(fù)湖泊沉水植物改變初級湖泊初級生產(chǎn)力，其必然會對藻類群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。藻類品種表現(xiàn)為先增加后降低，主要是因前期補(bǔ)水水體中的泥沙含量較高導(dǎo)致透明度較低，同時水體泥沙會吸附大量的營養(yǎng)鹽和有機(jī)碎屑導(dǎo)致水體的水體中藻類對營養(yǎng)鹽的吸收造成影響，因此入湖水體中的浮游植物屬(種)較少[9-10]，藻類屬(種)變化數(shù)據(jù)并不能說明水體的富營養(yǎng)化問題。錦城湖的浮游植物優(yōu)勢群落由綠藻、硅藻為優(yōu)勢種轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)藻和硅藻，其中易引起藻類水華的微囊藻得到有效的抑制，藻類的屬(種)數(shù)量和生物量均得到有效的抑制，對藻類水華的起到很強(qiáng)的抑制作用。沉水植物通過吸收水體的營養(yǎng)鹽的同時釋放化感物質(zhì)從而能夠有效的抑制水體中的藻類生長繁殖[11]，宋芳芳等人研究結(jié)果表明沉水植物苦草、馬來眼子菜和黑藻均對藻類有較強(qiáng)的抑制作用[12]。

2.4 湖泊生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變

通過構(gòu)建湖泊生態(tài)系統(tǒng)，提高水體自凈能力從而達(dá)到預(yù)防水體富營養(yǎng)化的目的，已經(jīng)是水環(huán)境行業(yè)的普遍共識，早在2001年濮培民[13]就曾提出過健康的水生態(tài)系統(tǒng)是解決水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵。通過對錦城湖水體進(jìn)行綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(Σ)[5]評價，錦城湖的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)由濁水態(tài)的68.06，降低為清水態(tài)的39.88，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)水平由中度富營養(yǎng)化水平降低到中營養(yǎng)水平。錦城湖水體富營養(yǎng)化情況得到有效控制，初級生產(chǎn)力以藻類為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿叩人参餅橹鳌Ｖ饕憩F(xiàn)為藻細(xì)胞的單體重量和細(xì)胞數(shù)量的疊加降低，使藻類生物量削減99.8%以上，營養(yǎng)鹽通過藻類的通量大幅削減。同時沉水植物的生物量大幅度提高，后期保持在3kg/m2左右，沉水植物的生長對水體的凈化作用持續(xù)發(fā)揮作用，使水體透明度平均在150cm以上，水體富營養(yǎng)化水平長期保持在地表水Ⅲ類水水質(zhì)。

2.5 生態(tài)構(gòu)建“恢復(fù)點”臨界值

3 小 結(jié)

3.1 錦城湖通過湖泊生態(tài)系統(tǒng)修已經(jīng)有藻型湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)椴菪秃?，水體富營養(yǎng)化水平由中度富營養(yǎng)水平降低為中營養(yǎng)水平，水體自凈能力得到很大提升。

3.2 在錦城湖出現(xiàn)了非常明顯的“修復(fù)點”，由于湖泊多因子影響的復(fù)雜性，在不同的邊界條件下會出現(xiàn)很大的差異，對水體的“恢復(fù)點”臨界值產(chǎn)生影響，在實際應(yīng)用過程中應(yīng)綜合考慮項目的各因素影響。

3.3 錦城湖水體由動態(tài)水體轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)水體，其浮游植物屬(種)出現(xiàn)增加后又降低的現(xiàn)象，雖然懸浮泥沙是影響因素之一，但水動力作用和處于“修復(fù)點”的水體對浮游植物群落演替的影響有待進(jìn)一步研究。藻類生物量的降低受水體營養(yǎng)鹽降低和沉水植物的化感作用雙重影響，藻類的變化趨勢是藻類個體和數(shù)量均呈現(xiàn)出明顯的下降，初級生產(chǎn)力由藻類演替為沉水植物。