生態(tài)修復(fù)措施對廣州流花湖水質(zhì)的凈化效果研究

藍(lán)偉 黃正聯(lián) 譚廣文

湖泊生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有供水、蓄洪、養(yǎng)殖、氣候調(diào)節(jié)、航運(yùn)等作用，城市景觀湖泊還具有娛樂觀賞等功能[1]。然而隨著經(jīng)濟(jì)以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，大量污染物隨著排放的廢水進(jìn)入湖泊水體中，導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化等問題日益突出[2]。城市湖泊由于水域面積小、封閉或半封閉、流速低等因素，自凈能力有限，且一直受到大量人類活動影響，一旦有大量污染物進(jìn)入水體，水質(zhì)便迅速惡化且很難恢復(fù)，長期處于超富營養(yǎng)化狀態(tài)。

針對湖泊富營養(yǎng)問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究。自20世紀(jì)80年代以來，歐美等國在城市湖泊治理中進(jìn)行了大量以水生植物重建和生物操縱為主的生態(tài)恢復(fù)[3]。近年來，以沉水植物重建為主的生態(tài)修復(fù)技術(shù)也在國內(nèi)城市湖泊修復(fù)中得到了大量應(yīng)用。沉水植物能夠吸收營養(yǎng)鹽，轉(zhuǎn)化污染物，改善底質(zhì)環(huán)境，抑制藻類生長，在保持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面起到重要作用。同時，種植沉水植物能一定程度上提升景觀效果[4]。

流花湖是廣州市第二大人工湖泊，位于越秀區(qū)，湖區(qū)總面積約28 hm2，平均水深為1.57 m，最大水深為2.27 m[5]。流花湖共分為3個湖區(qū)，從東向西依次為一湖、二湖和三湖，面積分別為6.8 hm2、10.6 hm2以及10.5 hm2。流花湖長期處于超富營養(yǎng)狀態(tài)，整體水質(zhì)屬Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，水生植物零星散落分布，水生動物以養(yǎng)殖魚類為主。為改善流花湖水體生態(tài)情況，提高人民生活幸福感，進(jìn)一步發(fā)揮公園人工湖美化城市景觀、調(diào)節(jié)區(qū)域生態(tài)的重要作用，當(dāng)?shù)毓珗@管理單位于2019年5月啟動了以沉水植物群落構(gòu)建為主的水生態(tài)恢復(fù)工程。本文通過分析流花湖治理湖區(qū)和未治理湖區(qū)的水質(zhì)變化，來探究生態(tài)修復(fù)措施對城市湖泊水質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 項目區(qū)概況

廣州流花湖屬珠江水系，并通過駟馬河涌和人工閘把與珠江干流相連，因此不僅具備游覽、休憩的功能，同時對城區(qū)起著調(diào)節(jié)洪蓄作用。流花湖位于亞熱帶沿海，屬于海洋性南亞熱帶季風(fēng)氣候，具有夏季長、冬季短、多雨等特征。全年日照約1 900 h，平均氣溫20～22 ℃，年降水量約為1 700 mm，并主要集中在4—9月[6]。

流花湖位于廣州中心城區(qū)，由于人口的迅速增加和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量的工業(yè)廢水、生活污水以及其他地表徑流進(jìn)入湖區(qū)水體中，湖泊水質(zhì)嚴(yán)重惡化。據(jù)相關(guān)研究調(diào)查，流花湖水體葉綠素含量最高達(dá)到148.90 ug/ L，總氮和總磷含量則分別達(dá)到5.92 mg/ L、0.12 mg/ L，屬于超富營養(yǎng)級別[7]，常有藍(lán)藻爆發(fā)現(xiàn)象。由于湖區(qū)水生植物及水生動物種類較少，水生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱，污染消納能力較弱，水體生態(tài)系統(tǒng)較難恢復(fù)。

流花湖水生態(tài)恢復(fù)工程一期位于三湖水域，面積約10 hm2。工程實施前，三湖整體水質(zhì)為劣Ⅴ類，水生植物較少。

1.2 生態(tài)修復(fù)措施

1.2.1 底質(zhì)改善

底泥是眾多污染物在環(huán)境中的蓄積庫，所以底泥的改善是水生態(tài)恢復(fù)工程中的重要一步。將三湖湖水抽至二湖，排干后進(jìn)行曬塘，并配合施撒生石灰、漂白粉等藥劑，以此改善黑臭現(xiàn)象，降低營養(yǎng)物質(zhì)含量，提高氧化還原電位以及殺滅有害病菌，滿足沉水植物種植條件。

1.2.2 沉水植物群落構(gòu)建

底質(zhì)改善后進(jìn)行沉水植物種植。植物種類選擇苦草Vallisneria natans、篦齒眼子菜Stuckenia pectinata、黑藻Hydrilla verticillata、狐尾藻Myriophyllum verticillatum，采用扦插法，分別以70～80株/m2、90～100株/m2、70～90 株/m2和50～70 株/m2的種植密度混合種植。經(jīng)1個月時間的培育，各類沉水植物生物量和覆蓋度顯著增加，生長狀況良好。2019年6月從二湖中引水入三湖至原有水位。

1.2.3 魚類群落優(yōu)化

魚類作為淡水生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，對維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要作用。湖區(qū)原有魚類以草食性為主，對沉水植物具有一定的破壞性，所以除了草食性魚類，本工程中也投放了肉食性以及雜食性魚類，對草食性魚類進(jìn)行有效控制，有助于形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。選擇放養(yǎng)的魚類種類有鱖Siniperca chuatsi、烏鱧Channa argus、鲇Silurus asotus、青魚Mylopharyngodon piceus、鯉Cyprinus carpio、鯽Carassius auratus、草魚Ctenopharyngodon idella，均為魚苗，投放密度為15 g/m3左右。

1.3 采樣點設(shè)置

本工程在二湖設(shè)置4 個采樣點，三湖設(shè)置3個采樣點（圖1）。

圖1 流花湖采樣點位示意圖

1.4 樣品采集及測定

于2019年6月至2021年6月，對三湖和二湖進(jìn)行水樣采集。使用特質(zhì)采水器在每個控制采樣點取水樣2 L，采樣水深為水面以下20 cm，水質(zhì)樣品采集后立即加硫酸試劑保存，后4℃低溫保存，以備后續(xù)實驗室檢測。水質(zhì)測定指標(biāo)按照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》，包括總磷、總氮、氨氮、化學(xué)需氧量、生化需氧量和高錳酸鹽指數(shù)，檢測標(biāo)準(zhǔn)見表1。本文中水質(zhì)質(zhì)量評價項目標(biāo)準(zhǔn)限值依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）。

表1 各項水質(zhì)指標(biāo)檢測標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010 和Origin 9.1 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 治理湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)變化

2019年6月從二湖引水至三湖。引用水源狀況較差，其中總氮和生化需氧量屬Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，總磷、化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)屬Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，氨氮屬Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。引水后，隨時間推進(jìn)，三湖水體總磷含量逐漸降低，由0.07 mg/L降低至檢出限以下（圖2）。水體總氮含量不斷降低，由1.71 mg/L逐漸降至0.31 mg/L，達(dá)Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)（圖3）。水體氨氮含量在2019年12 月至來年3 月間降低明顯，由0.69 mg/L降至0.35 mg/L，后逐漸降低并在2020年12月后趨于穩(wěn)定，達(dá)到I類水標(biāo)準(zhǔn)（圖4）。水體化學(xué)需氧量在前6個月由27 mg/L迅速降低至19 mg/L，后呈緩慢降低趨勢，2020年12月后迅速降低至8 mg/L，達(dá)I類水標(biāo)準(zhǔn)（圖5）。水體生化需氧量在前6個月降低最明顯，由9.57 mg/L降至5.13 mg/L，2019年9月后變化較小，于2021年6月達(dá)4.61 mg/L，屬Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)（圖6）。水體高錳酸鹽指數(shù)在前3個月變化也較為顯著，后保持相對穩(wěn)定，2020年12月后又迅速降低至3.28 mg/L，達(dá)Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)（圖7）。通過生態(tài)修復(fù)措施的實施，流花湖三湖水質(zhì)顯著提升。

圖2 三湖水體總磷含量變化

圖3 三湖水體總氮含量變化

圖4 三湖水體氨氮含量變化

圖5 三湖水體化學(xué)需氧量變化

圖6 三湖水體生化需氧量變化

圖7 三湖水體高錳酸鹽指數(shù)變化

2.2 治理湖區(qū)與未治理湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)對比

三湖引水來源于二湖，所以二湖和三湖初始各項水質(zhì)指標(biāo)差異較小。三湖在治理后，生態(tài)系統(tǒng)快速恢復(fù)，至2019年12月各項水質(zhì)指標(biāo)已顯著低于二湖，之后逐漸降低至較低水平。二湖水質(zhì)始終保持在Ⅲ～Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，各項指標(biāo)均無顯著降低趨勢，隨著時間推進(jìn)，其與三湖水質(zhì)指標(biāo)差異逐漸增加（圖8～13）。這說明由于高度富營養(yǎng)化、流動性小等因素，湖區(qū)水體已經(jīng)失去自凈能力，水生態(tài)系統(tǒng)難以恢復(fù)至正常水平。而水生態(tài)修復(fù)措施的實施，不僅快速顯著地降低了湖區(qū)水體的營養(yǎng)鹽含量，同時形成了健康的生態(tài)系統(tǒng)，使得水體恢復(fù)了自凈能力，各項水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定維持在正常水平。

圖8 二湖和三湖水體總磷含量變化

圖9 二湖和三湖水體總氮含量變化

圖10 二湖和三湖水體氨氮含量變化

圖11 二湖和三湖水體化學(xué)需氧量變化

圖12 二湖和三湖水體生化需氧量變化

圖13 二湖和三湖水體高錳酸鹽指數(shù)變化

3 結(jié)論與討論

本研究表明，改善底泥、構(gòu)建沉水植物群落以及優(yōu)化魚類群落結(jié)構(gòu)等措施對流花湖富營養(yǎng)化水質(zhì)有顯著的凈化效果，三湖水體總磷、氨氮和化學(xué)需氧量均達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，總氮和高錳酸鹽指數(shù)均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，生化需氧量達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

生態(tài)修復(fù)措施中最重要部分是沉水植物群落的構(gòu)建?？嗖莸瘸了参锓N植后，根系能夠穩(wěn)定底質(zhì)，并通過根系、莖和葉片吸收和吸附底泥及水體中的污染物質(zhì)。有研究表明，篦齒眼子菜、竹葉眼子菜Potamogeton wrightii、黑藻和金魚藻Ceratophyllum demersum均能有效降低水中總氮、總磷及氨氮含量，去除率可達(dá)70%以上[8]。沉水植物除本身直接吸收轉(zhuǎn)化污染物質(zhì)外，也通過改善水體生態(tài)環(huán)境，起到去除污染物質(zhì)的作用。沉水植物通過光合作用在根部泌氧，或分泌有機(jī)酸等物質(zhì)，能夠改善底質(zhì)微生物環(huán)境[9～10]，促進(jìn)微生物的繁殖生長，從而加強(qiáng)對污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。金數(shù)權(quán)等[11]的研究表明，黑藻、苦草、金魚藻、穗狀狐尾藻Myriophyllum spicatum和微齒眼子菜Potamogeton maackianus的氮、磷直接吸收貢獻(xiàn)率僅為1.5%～13.3%和2.2%～13.2%，而其改變生境對氮、磷降低的增效作用貢獻(xiàn)率高達(dá)22.5%～29.9%和10.1%～20.6%，顯著高于直接吸收作用。

沉水植物群落的構(gòu)建在有效降低水體中污染物質(zhì)含量的同時，也能有效抑制藻類的生長和爆發(fā)[12]。自流花湖水生態(tài)恢復(fù)工程完工以及沉水植物群落構(gòu)建成功后，治理湖區(qū)藍(lán)藻爆發(fā)現(xiàn)象顯著減少。沉水植物能從多方面抑制藻類的生長：首先，沉水植物可為浮游動物提供良好的棲息環(huán)境，促進(jìn)其大量繁殖，而浮游動物能夠攝食藻類從而控制藻類數(shù)量；其次，沉水植物可與藻類競爭生長空間、營養(yǎng)物質(zhì)等；同時，沉水植物還可以分泌化感物質(zhì)以影響藻類的生長[13～14]，紀(jì)海婷等[15]的研究發(fā)現(xiàn)黑藻、穗狀狐尾藻、水蘊(yùn)藻（伊樂藻）Elodea canadensis以及水盾草Cabomba caroliniana葉片浸提液不同組分均顯著抑制了斜生柵藻Scenedesmus obliqnus和普通小球藻Chlorella vulgaris的細(xì)胞濃度以及葉綠素含量。因此，沉水植物群落的構(gòu)建是維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

魚類對水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)也具有重要作用，有研究指出魚類放養(yǎng)可以調(diào)控藍(lán)藻水華的發(fā)生，以及防止水生植物過度生長造成二次污染[16～17]。流花湖湖區(qū)原有魚類多為草食性魚類，種類較少，缺少天敵的情況下必然大量繁殖，對沉水植物生長造成巨大破壞。因此，需要對魚類群落進(jìn)行優(yōu)化。投放肉食性和雜食性魚類，可對草食性魚類數(shù)量進(jìn)行有效控制，減少其對沉水植物的破壞以及對浮游動物的掠食，豐富水生生物種類。同時，草食性魚類數(shù)量的有效控制也反制約了其他魚類的生長，各種類魚數(shù)量保持平衡穩(wěn)定，有利于水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。

綜上所述，生態(tài)修復(fù)措施能夠顯著凈化城市富營養(yǎng)化湖泊水質(zhì)，并提升景觀效果，流花湖三湖的成功治理為二期、三期等后續(xù)水生態(tài)恢復(fù)工程提供了寶貴技術(shù)經(jīng)驗和良好示范。同時可以看出，以沉水植物群落構(gòu)建為主的生態(tài)修復(fù)措施是解決眾多城市湖泊營養(yǎng)化問題的有效途徑。

注：圖片均為作者自繪