王壽兵,屈云芳,徐紫然

(1.復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上海　200433; 2.復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)院,上?！?00433)

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基于生物操縱的富營養(yǎng)化湖庫藍(lán)藻控制實踐

王壽兵1,屈云芳2,徐紫然1

(1.復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上海200433; 2.復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)院,上海200433)

介紹了復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)實施的基于生物操縱的3個湖庫藍(lán)藻控制成功案例,總結(jié)了取得成功的共性理念和關(guān)鍵技術(shù),重點涉及“內(nèi)外共生源”的概念及其放大作用、控制藍(lán)藻水華對治理湖庫富營養(yǎng)化的作用、經(jīng)典和非經(jīng)典生物操縱技術(shù)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(xué)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(lán)藻水華;湖庫藍(lán)藻控制;工程案例

自20世紀(jì)80年代以來,富營養(yǎng)化水體中藍(lán)藻水華治理技術(shù)已受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注,各種化學(xué)、生物和物理控藻技術(shù)不斷涌現(xiàn)[1]。生物控藻技術(shù)是利用種間競爭和捕食關(guān)系,對水體中有害藻類進(jìn)行攝食、轉(zhuǎn)化、降解以及轉(zhuǎn)移,從而達(dá)到控制有害藻華的目的。由于生物技術(shù)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(shù)。生物技術(shù)中尤以生物操縱(biomanipulation)控藻理論和技術(shù)的研究和應(yīng)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(lán)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(lán)藻控制的成功實踐,同時結(jié)合國內(nèi)外研究成果,提出一些基于生物操縱的富營養(yǎng)化湖庫藍(lán)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(lán)藻水華控制案例

1.1寶鋼水庫藍(lán)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(jì)90年代起藍(lán)藻水華一直影響該水庫水質(zhì),2002年出現(xiàn)水庫因藍(lán)藻水華引發(fā)飲用水和工業(yè)生產(chǎn)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(lán)藻水華徹底消失，所采用的關(guān)鍵技術(shù)是結(jié)合水庫結(jié)構(gòu)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(fēng)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(lán)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(dá)7 m，以長江原水為蓄水水源。從建庫起,藍(lán)藻水華出現(xiàn)波動性發(fā)展,1994—1995年是藍(lán)藻水華暴發(fā)高峰;1996—2003年為低峰,2004—2005年又出現(xiàn)藍(lán)藻水華暴發(fā)高峰。作為當(dāng)時上海市重要飲用水源地,陳行水庫的藍(lán)藻水華是市政府最關(guān)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(lán)藻水華發(fā)生，所采用的主要技術(shù)手段是:人為構(gòu)建以濾食性魚類為主的控藻食物網(wǎng),通過構(gòu)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(jù)藍(lán)藻分布的時空規(guī)律,在不同季節(jié)實施不同的調(diào)控策略,包括冬季(1—3月)間歇性低水位時進(jìn)行排藻,利用水位變化形成的消落帶進(jìn)行干化滅藻,以及夏季(6—9月)綜合利用水位控制和風(fēng)場進(jìn)行排藻等。

1.3上海浦東新區(qū)滴水湖藍(lán)藻控制工程

滴水湖面積5.16 km2,是國內(nèi)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(zhì)的影響。滴水湖2004年引水、2006年暴發(fā)數(shù)平方千米的藍(lán)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(lán)藻水華徹底消失。上海市水質(zhì)監(jiān)測中心報告已證明，連續(xù)數(shù)年滴水湖全湖內(nèi)沒有監(jiān)測到微囊藻顆粒。所采用的主要技術(shù)手段仍然是巧妙構(gòu)建“魚藻共存”的生態(tài)陷阱,充分發(fā)揮非經(jīng)典生物操縱技術(shù)的作用。

2　富營養(yǎng)化湖庫藍(lán)藻控制的理念與方法

依據(jù)“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(shù)手段并不完全相同,但對富營養(yǎng)化湖庫的藍(lán)藻控制和生態(tài)修復(fù)而言,有一些帶共性的理念問題和關(guān)鍵技術(shù)值得重視、探討和總結(jié)。

2.1“內(nèi)外共生源”的放大作用值得關(guān)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(nèi)源污染，同時還有一種借助內(nèi)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(nèi)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(dāng)藍(lán)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(zhì),反而還會對內(nèi)源污染和外源污染產(chǎn)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(lán)藻水華暴發(fā)一次,就可能會抵消以往內(nèi)外污染源控制若干年的努力。滇池外海大量暴發(fā)的藍(lán)藻水華就是一個很好的例子。

目前,人們對外源污染和內(nèi)源污染及其相關(guān)治理技術(shù)已有較大關(guān)注,并取得了重要進(jìn)展[2-3],但對藍(lán)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?；趯λ{(lán)藻內(nèi)外共生源放大作用的認(rèn)識,筆者認(rèn)為,對于大型富營養(yǎng)化水體的生態(tài)治理和修復(fù),僅僅依靠控制內(nèi)外污染源來控制藍(lán)藻水華和修復(fù)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(nèi)源污染開展針對性的治理,更要把“內(nèi)外共生源”的控制放在更加突出的地位。

2.2控制藍(lán)藻水華是治理富營養(yǎng)化的有效手段

藍(lán)藻水華暴發(fā)是水體富營養(yǎng)化后的一種表現(xiàn),后果是進(jìn)一步造成水體更加富營養(yǎng)化。藍(lán)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(zhì),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(zāi)。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(fù)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(jìn)入水體的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)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(jīng)富營養(yǎng)化的湖庫,尤其在短期內(nèi)難以大幅度削減富營養(yǎng)化物質(zhì)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(zhuǎn)“藍(lán)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(yán)重”這種惡性循環(huán)趨勢的。一方面,因為藍(lán)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(lán)藻水華不暴發(fā)的水平是不現(xiàn)實的,也是沒有必要的;另一方面,藍(lán)藻暴發(fā)后新生成的有機物還可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們?nèi)コ臓I養(yǎng)鹽數(shù)量。因此,更為適宜的方法應(yīng)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(xiàn)“越治越差”的結(jié)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(zhuǎn),社會上常常有人抱怨“越治越差”,這種現(xiàn)象值得人們深思。

對于已經(jīng)富營養(yǎng)化的大中型湖庫,在治理上應(yīng)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念,充分認(rèn)識到治理富營養(yǎng)化的目的不僅是控制藍(lán)藻水華,但控制藍(lán)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(jīng)典和非經(jīng)典生物操縱技術(shù)的協(xié)同作用

生物操縱技術(shù)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(dá)到控制有害藻華的一種方法,包括經(jīng)典生物操縱(traditional biomanipulation)技術(shù)和非經(jīng)典生物操縱(nontraditional biomanipulation)技術(shù)。

經(jīng)典生物操縱技術(shù)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(hù)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(shù)量,控制其過量繁殖[4-5]。近幾十年來的研究和應(yīng)用實踐表明,經(jīng)典的生物操縱技術(shù)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(lán)藻群體[6-7]。同時,伴隨著大量大型肉食性浮游動物的出現(xiàn),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(jīng)典生物操縱技術(shù)則是通過投放鰱鳙等濾食性魚類來直接攝食藍(lán)藻等浮游生物。許多實驗結(jié)果表明,當(dāng)鰱鳙等濾食性魚類達(dá)到閾值密度時,對藍(lán)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(xiàn)，該技術(shù)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(jìn)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(zhì)改善[11-16]。

由此可見,無論是經(jīng)典的生物操縱技術(shù),還是非經(jīng)典的生物操縱技術(shù),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(jīng)典生物操縱技術(shù)和非經(jīng)典生物操縱技術(shù)進(jìn)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(guān)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(shù)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(dá)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(lán)藻屬于生態(tài)學(xué)上典型的“r-對策者”,當(dāng)生存條件允許,且種群量達(dá)到一定的閾值后,藍(lán)藻的增殖速度是非常驚人的。藍(lán)藻水華一旦暴發(fā),再想通過生物操縱等方法來進(jìn)行持續(xù)控藻是無濟(jì)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(lán)藻水華。而對大中型湖庫而言,采用化學(xué)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(lán)藻復(fù)發(fā)。這也是許多小型景觀水體經(jīng)常面臨的問題。因此,必須從冬季開始就開展對藍(lán)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(guān)鍵,也是目前許多湖庫水體藍(lán)藻控制中較為忽視的地方。

冬季藍(lán)藻數(shù)量少、無增殖或少增殖,具有沉底、毒性小、不成團(tuán)的特性,此時進(jìn)行生物控藻,往往可以起到“四兩撥千斤”的功效。因此,應(yīng)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(fù)蘇、增殖的藻體,這樣始終將種群數(shù)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(lán)藻易于集聚和可能率先暴發(fā)的“熱點區(qū)域”

雖然非經(jīng)典生物操縱理論提出了可用濾食性魚類來控制藍(lán)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(yīng)用卻少有真正成功的案例。這與食藻動物的投放不當(dāng)不無關(guān)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(xiàn),鰱、鳙等攝食浮游生物的魚類投放后,與水華藍(lán)藻在水體中存在時空分布不一致的現(xiàn)象,藍(lán)藻隨風(fēng)場、流場漂浮聚集，而魚群常逆風(fēng)場、流場聚集，魚、藻呈現(xiàn)空間上的嚴(yán)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(jīng)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(nèi)的存魚量很高,也不能很好地發(fā)揮魚類對藍(lán)藻的濾食功能。這就是許多利用非經(jīng)典生物操縱技術(shù)控藻失敗的原因之一。

為克服較大水域中出現(xiàn)的“魚、藻分離”問題,一種行之有效的方法就是利用藍(lán)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(shè)計,創(chuàng)造能讓魚類集中活動的場所,同時引導(dǎo)藍(lán)藻漂移進(jìn)入該區(qū)域,或?qū)ふ宜{(lán)藻復(fù)蘇期易于集聚的“熱點”地區(qū)集中投放濾食動物,達(dá)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(xiàn)高效清除藍(lán)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(jīng)典生物操縱技術(shù)的控藻效率,同時,將濾食性魚類限制在一個較小的范圍內(nèi),減少了外部廣大區(qū)域濾食性魚類的數(shù)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(xiàn)了運用經(jīng)典生物操縱技術(shù)控藻的目標(biāo)。

2.6加強濾食魚類糞便二次污染控制十分重要

非經(jīng)典生物操縱技術(shù)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(lán)藻,但由于多數(shù)組成水華的藍(lán)藻細(xì)胞具有較厚的公共或個體衣鞘,鰱、鳙對水華藍(lán)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(lán)藻。這些藍(lán)藻細(xì)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(fù)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(xiàn)象[18]。

因此,要讓非經(jīng)典生物操縱技術(shù)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(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊率先在國內(nèi)提出了利用水文條件、風(fēng)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(shù)首次在面積超過1 km2的寶鋼水庫藍(lán)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(lán)藻治理中多次得到成功應(yīng)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(jié)　語

無論是經(jīng)典生物操縱技術(shù)還是非經(jīng)典生物操縱技術(shù),其原理已越來越為人們所熟知,其應(yīng)用中存在的優(yōu)缺點也逐漸為人們所認(rèn)識。盡管實際控藻效果在不同的實踐應(yīng)用中表現(xiàn)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(xiàn)有的富營養(yǎng)化水體藍(lán)藻控制技術(shù)體系和實踐應(yīng)用中,“生物操縱”仍然是一個繞不開的話題和不容忽視的領(lǐng)域。筆者從取得成功的幾個工程案例出發(fā),結(jié)合國內(nèi)外研究進(jìn)展,從不同側(cè)面提出了一些體會和初步認(rèn)識,旨在拋磚引玉。

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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(xué)基金(201606105012)

王壽兵(1970—),男,教授,博士,主要從事富營養(yǎng)化水體藍(lán)藻控制和生態(tài)修復(fù)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)