王志強,崔愛花,繆建群,王 海,黃國勤,*

1 江西農業(yè)大學生態(tài)科學研究中心,南昌 330045 2 江西農業(yè)大學理學院,南昌 330045 3 江西科技學院,南昌 330098

淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化驅動因子及修復技術研究進展

王志強1,崔愛花1,繆建群2,王 海3,黃國勤1,*

1 江西農業(yè)大學生態(tài)科學研究中心,南昌 330045 2 江西農業(yè)大學理學院,南昌 330045 3 江西科技學院,南昌 330098

目前我國多數(shù)淡水湖泊污染、退化問題非常嚴重,諸多修復技術也已初見成效。影響淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的驅動因子眾多,既有生物因素也有非生物因素,它們之間相互聯(lián)系,相互作用,且作用機理錯綜復雜。首先介紹了淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的含義及形式；其次，分析、總結了淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的驅動因子,從退化的生態(tài)學完整性意義和退化修復的技術手段上看,淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)主要受物理、化學和生物三大驅動因子影響,且基本遵循“環(huán)境變化-驅動力-壓力(閾值)-狀態(tài)-響應”原理；再次,在厘清湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化驅動原理的基礎上,從淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能模塊和湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復實踐經驗總結的角度出發(fā),構建了淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復模塊技術體系,并就湖泊富營養(yǎng)化和湖濱濕地生態(tài)系統(tǒng)退化修復的技術進行了討論和對比；最后,對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復的環(huán)境變化驅動因子的作用機制、作用途徑和修復技術的長效機制等方面進行了展望。

淡水湖泊；生態(tài)系統(tǒng)退化；驅動因子；修復技術；研究進展

我國是世界上湖泊較多的國家之一,面積在1km2以上的湖泊有2759個,其中約有1/3是淡水湖泊,面積在10km2以上的淡水湖泊有63%分布在長江中下游地區(qū),該地區(qū)淡水湖泊具有面積大、湖濱帶寬、水淺、換水周期短及人類經濟社會活動干擾強度大等特點[1- 2]。20世紀50年代初,鄱陽湖、洪湖、太湖和東湖都是我國典型的“草型”湖泊,湖泊受人類干擾較輕,水質處于貧營養(yǎng)狀態(tài),水草生長茂盛,浮游生物極少,水生植被種類繁多[3- 4]。但大規(guī)模圍湖造田和超規(guī)模圍網養(yǎng)殖[5- 7],直立駁岸、港口碼頭、河堤興建[8],旅游業(yè)的大力發(fā)展,圍繞流域水渠網絡體系集聚而來的化工、化纖和耗水型巨大工業(yè)落地生根[9],土地的不合理開發(fā)利用及農田化肥農藥的過量施用等人類經濟社會活動[10- 11],造成了大量的污染物被直接排放到湖中,湖泊水體水質惡化、水生動植物急劇減少,湖泊、湖濱濕地生態(tài)系統(tǒng)結構扭曲[12- 13],生態(tài)資源物種的多樣性減少甚至消失[14-16]。

我國大多數(shù)淡水湖泊已經出現(xiàn)了不同程度的富營養(yǎng)化,富營養(yǎng)化是湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的表象特征之一,淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化是一個復雜的生命演化過程,不同演化發(fā)展階段中有正、負反饋作用,它們相互影響、相互作用[4,7- 9]。淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)不僅是人類獲取資源的寶庫,而且還是一個重要的自然環(huán)境系統(tǒng),具有調節(jié)氣候、凈化污染、保護生物多樣性、自然資產價值和人文價值多種功能[17]。因此,研究淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的退化機理及其修復技術,對維護淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)揮其應有的功能具有重要意義。

1 淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的內涵及退化形式

1.1 淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的內涵

淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化是指淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的一種逆向演變過程,是系統(tǒng)內在物質循環(huán)、信息傳遞、能量流動過程中某一環(huán)節(jié)存在脫節(jié)、累積、不協(xié)調,系統(tǒng)處于一種不穩(wěn)定或失衡狀態(tài),逐步演變?yōu)榱硪环N與之相適應的更低水平狀態(tài)或過程,從而在一定程度上喪失了自身的調節(jié)功能和應有的系統(tǒng)活力。退化湖泊生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出抗人為和自然風險能力較弱、系統(tǒng)自身緩沖能力不強以及系統(tǒng)的敏感和脆弱性較大的特點[6- 7]。淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化也就是湖泊生態(tài)系統(tǒng)從穩(wěn)態(tài)轉換成低穩(wěn)態(tài)的過程,或是多個低層穩(wěn)態(tài)并存的狀態(tài),當外界各種干擾總和大于其某一穩(wěn)態(tài)閾值時,系統(tǒng)將會發(fā)生不同穩(wěn)態(tài)之間的跳躍變遷[18],從高層穩(wěn)態(tài)直接轉變到低層穩(wěn)態(tài),這是一種突變退化,當然也存在緩慢退化的過程。

1.2 淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的退化形式

淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的退化、轉換過程復雜,表現(xiàn)形式不一。主要表現(xiàn)形式有富營養(yǎng)化、湖濱濕地退化和生物資源多樣性喪失。

1.2.1 富營養(yǎng)化

富營養(yǎng)化現(xiàn)象是淡水湖泊退化的最重要的形式之一[19],淡水湖泊富營養(yǎng)化階段轉換存在一定閾值,閾值反應淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)變化的臨界點[20]。在實際富營養(yǎng)化界定中,因富營養(yǎng)化閾值臨界點的核算方法不一,使得臨界閾值存在微小差異[21-22]。淡水湖泊富營養(yǎng)的出現(xiàn)是其超過某一閾值導致的,對于導致臨界閾值的原因,有研究表明是有機物積累到一定程度后的必然結果[23],但目前更多的研究表明是營養(yǎng)物質的輸入而導致的突變性退化[24-25]。湖泊富營養(yǎng)化實質上是湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期在人為脅迫和短期強擾動下,湖泊由“草型”清水穩(wěn)態(tài)向“藻型”濁水穩(wěn)態(tài)轉變的過程,是水體緩慢惡化或是突變的結果,是在一系列的外界環(huán)境變化脅迫下,湖泊生態(tài)系統(tǒng)為適應環(huán)境脅迫而呈現(xiàn)出系統(tǒng)逆向演變過程,是系統(tǒng)原有結構瓦解和功能喪失,也是系統(tǒng)朝著低層系統(tǒng)服務功能轉變的過程[26]。

1.2.2 湖濱帶退化

湖濱帶退化是淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的又一形式。湖濱帶作為陸地和湖泊之間的過渡帶,是健康湖泊生態(tài)系統(tǒng)不可缺少的有機組成部分,屬于生態(tài)交錯帶的一種。湖濱帶的空間結構在橫向、縱向和軸向分布上都表現(xiàn)出明顯的圈層結構特點,具有污染物截留與凈化、捕集和抑制藻類、提高湖濱帶的生物多樣性、提供野生動植物棲息地、控制沉積和侵蝕、調蓄洪水等6大功能[27]。但隨著人口增加、工農商業(yè)的發(fā)展和人類不合理開發(fā)活動的加劇,尤其是湖濱帶的圍湖造田、沿湖濱帶區(qū)域性養(yǎng)殖的超負荷發(fā)展及旅游業(yè)的過度開發(fā)等都加劇了湖濱帶的退化,但退化的過程和程度各湖泊差異較大。概括起來主要有逐漸退化、間斷不連續(xù)退化、躍變退化、突變退化和復合退化5種形式,淡水湖泊沿哪種模式退化,一方面主要依湖泊外界環(huán)境變化的特性和干擾強度而定[7]；另一方面依湖濱帶的空間異質性而定[28]。因此,在同一外界環(huán)境脅迫下,不同的湖濱帶其退化的模式不同,其治理修復模式也不同。

1.2.3 生物多樣性功能喪失

目前,我國五大湖區(qū)的淡水湖泊都在不同程度上出現(xiàn)了由“草型”向“藻型”湖泊轉變的跡象,淡水湖泊的浮游生物增加,水生植被種類急劇減少,水生植物分布結構不平衡,優(yōu)勢種群也出現(xiàn)不同程度的演變替代。研究表明,過去的200a里,梁子湖泊的浮葉植物和挺水植物群落一直處于不斷減少狀態(tài),沉水植物群落逐漸成為湖泊的主體群落,水生植物的多樣性功能在逐步喪失[4]。同樣湖泊動物群落也出現(xiàn)同樣的態(tài)勢,但因湖泊差異而導致的動物群落多樣性喪失的差異較大。對長江中下游地區(qū)四種不同類型(草型、天然養(yǎng)殖、施肥養(yǎng)殖以及城市湖泊)的10個湖泊的大型底棲動物群落結構和多樣性進行研究表明[29],不同類型湖泊底棲動物的密度、生物量、多樣性及特征種類均存在顯著差異。隨著營養(yǎng)水平的增加,底棲動物群落逐漸被小個體的耐污種類所主導,底棲動物群落趨于簡單化的演替趨勢。另外作為具有強大初級生產力的附植生物群落(包括附著藻類)的大量出現(xiàn),對淡水湖泊的生態(tài)系統(tǒng)合理結構和正常功能的發(fā)揮也產生了強大脅迫,作為水生動物重要的食物來源,這無疑大大減少了食物網的多樣性[30]。導致生物多樣性功能喪失的原因眾多[31],既受動物群落自身內部演替的影響,也受外部環(huán)境因子、工農業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、城市化的快速發(fā)展和人類活動加劇的影響[5- 9],有生物因素也有非生物因素,各因素之間聯(lián)系緊密,作用途徑錯綜復雜。

淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)多樣性功能的喪失主要是通過水生植被多樣性減少、水生動物和藻類優(yōu)勢種單一等一種或多種情況同時發(fā)生而造成的。因此,有必要進一步研究淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的驅動因子及影響機制。

2 淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的驅動因子及其脅迫影響

淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化實質上是在自然和人為因素的外界擾動下而發(fā)生的功能退化,然而淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的成因及驅動機制未能完全得到科學識別。因此,對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的生態(tài)驅動因子進行歸納分析,并探明這些驅動因子的作用機理,是修復退化淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的必要前提。

2.1 驅動因子分析

淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的生態(tài)驅動因子,根據(jù)生態(tài)因子的性質可分為生物因子和非生物因子兩類。生物因子會對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)鏈級、生態(tài)位產生直接影響[32- 33],在較小空間、較短時間上引起生態(tài)系統(tǒng)的劇烈變化；而非生物因素(包括湖泊地理位置、連通性、湖區(qū)大小、外源性氮、磷等負荷的輸入、氣候變化、風浪、湖泊水位等)可以在較大時間、空間尺度上引起生態(tài)系統(tǒng)的緩慢變化。由于滇池特殊的地理位置和地形構造,因此,與太湖和巢湖相比,滇池的生態(tài)系統(tǒng)退化速度更快的原因也可見一斑[34]。要厘清淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的驅動因素,尤其要確定核心驅動因素,是我們進行淡水湖泊生態(tài)修復的基礎。

而對驅動因子定性、定量分析,確定其核心(主導)驅動因子對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的影響備受爭議。Schindler對加拿大湖區(qū)的大規(guī)模實驗顯示,磷的輸入量是湖泊退化的主要驅動因子[35],據(jù)此,隨后歐美大多數(shù)湖泊退化治理主要以“削減磷負荷量”為主要策略[36-37],而低估了氮在水體富營養(yǎng)化中的作用,即使在保持水體磷鹽輸入量不變的前提下,通過對丹麥35個淡水湖泊研究時發(fā)現(xiàn),氮與磷在水體富營養(yǎng)化的貢獻上幾乎具有同等地位[38-39]。同時核心驅動因子也并非呈現(xiàn)單一特性,有時是多種生態(tài)驅動因子綜合作用的結果,因子之間還可能存在傳遞性。有研究表明,星云湖枝角類群落結構顯著退化主導驅動因子是湖泊生產力的變化和富營養(yǎng)化綜合作用的結果[40],富營養(yǎng)化水平、水深等因子影響光照條件,而光照條件又是驅動湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能恢復的核心因子[41]。因此,首先需要對影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的核心因子進行考察、度量,是進行合理修復退化淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的關鍵所在。

研究表明,物理、化學和生物完整性是指示、評價湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的關鍵,指標值的大小可以直接反應湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化、變化的程度,也被廣泛使用在湖泊健康修復評價中[42-43]。淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的驅動因子既有生物因子也有非生物因子,無論如何分類,何為核心因子,顯然都是與人類文明的發(fā)展歷史水平息息相關,但從淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復技術類別和健康湖泊評價的完整性的角度上分類,認為淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的驅動因子主要有物理因子(圍湖造田、直立岸堤、興修水利、風浪暴雨、水文、地理區(qū)位、自然環(huán)境條件等)、化學因子(各類營養(yǎng)鹽、有機物、重金鹽、細菌等)和生物因子(微生物、魚類、水生動植物等)三大類。因此,識別不同淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的驅動因子,并厘清各驅動因子對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的作用機制、影響途徑,可為修復退化淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)提供重要依據(jù)。

2.2 驅動因子對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的脅迫影響

根據(jù)前面的分析,本研究認為淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的驅動因子可分為物理因子、化學因子和生物因子三大類,各驅動因子在淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化中扮演了不同的重要角色,雖然各種驅動因子影響淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的作用機理和過程基本遵循“環(huán)境變化-驅動力-壓力(閾值)-狀態(tài)-響應”原理,但也存在一些差異,探明各因子的作用機理及影響機制,為我國湖泊生態(tài)退化修復提供思路[44- 45]。

2.2.1 物理驅動因子對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的脅迫影響

物理驅動因子對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的影響主要表現(xiàn)在：圍湖造田、直立岸堤、興修水利、風浪、暴雨、水文、地理區(qū)位、自然環(huán)境條件等外在環(huán)境的變化,從而導致湖泊的直接或間接的系統(tǒng)退化,但各驅動因子導致淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的作用機理不盡相同。湖濱帶內圍湖造田造成了湖濱帶面積大量萎縮及生物多樣性急劇降低,湖濱帶生態(tài)服務功能下降將導致湖泊生態(tài)系統(tǒng)逐漸退化[29]。修建防洪岸堤、大堤和水力發(fā)電站等是通過阻斷了水陸生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)、能量流動和信息傳遞,破壞了湖濱帶原有生態(tài)系統(tǒng)結構的連續(xù)性和完整性,從而也造成了湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化[31]。

風浪、暴雨對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的影響機理主要表現(xiàn)為3個方面[31]：(1)風浪對湖泊水生植被的機械性損傷；(2)風浪對湖濱帶水質、底質的擾動而帶來湖濱帶水體透明度降低；(3)風浪對岸堤的淘蝕。由于風浪引起的浪淘蝕、湖流等在堤岸邊要比湖心的破壞性作用要大[46],風暴對湖泊的退化作用極具彈性[47]。

在氣候變暖趨勢下,水文驅動因子變得極為敏感[48],尤其是在人為調水工程的干擾下而將引起水文節(jié)律的改變,從而對沿途湖泊生態(tài)系統(tǒng)產生重大影響[49-50],水文環(huán)境在一定程度上控制了生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的演化方向和生態(tài)結構與功能的轉變[51]。另外,湖泊低(高)水位時期、持續(xù)時間長短、快速波動的水情調整分配格局也將引起湖泊濕地退化、生物多樣性銳減等退化問題[52-53]。

2.2.2 化學驅動因子對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的脅迫影響

化學驅動因子導致淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的作用機理,一方面是各類營養(yǎng)鹽對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的脅迫影響而導致淡水湖泊富營養(yǎng)化,最終引起許多湖泊水生植被消亡或是覆蓋度下降,使得許多原先以水生植物為主的“草型”湖泊轉化為以浮游植物為主的“藻型”湖泊生態(tài)系統(tǒng),淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務功能下降[54-55],但是營養(yǎng)鹽的輸入是有閾值的,超過一定閾值時湖泊生態(tài)系統(tǒng)的功能幾乎喪失。對丹麥204個湖泊夏季TN、TP含量的調查時發(fā)現(xiàn),TN、TP濃度分別達到0.1mg/L和2mg/L時,湖泊中的水生植物的覆蓋度幾乎為零[56],由于藻類對水生植物的抑制作用,因而對水生植物的影響TN大于TP[57],并且富營養(yǎng)化程度越嚴重,水生植物生長受阻越大[38,58]。另一方面營養(yǎng)鹽的形態(tài)和濃度也對淡水湖泊的生態(tài)系統(tǒng)產生脅迫,較為典型的就是硝態(tài)氮(NO3-N)和銨態(tài)氮,隨其濃度的升高,將對水生植物產生不利影響[59- 60]。湖泊富營養(yǎng)化與湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化之間存在一定的演替機制,因為湖泊富營養(yǎng)化后導致一系列的生態(tài)系統(tǒng)異常響應,出現(xiàn)生物多樣性減少,系統(tǒng)結構破壞,這將進一步導致湖泊富營養(yǎng)化,導致這種演替的原因可能是水生植物與浮游植物利用營養(yǎng)鹽的效率不同[61]。

2.2.3 生物驅動因子對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的脅迫影響

生物驅動因子對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的脅迫影響主要來自于湖泊生物和動物兩類,它們可以從兩個層面對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)產生脅迫影響,一方面是由于湖泊的外界環(huán)境發(fā)生緩慢或是激烈的變化而導致對淡水湖泊生物(水生生物和水生動物)的生長、發(fā)育和生存威脅的影響,迫使湖泊生物的生態(tài)系統(tǒng)功能出現(xiàn)自身緩慢或激烈退化。另一方面是淡水湖泊外來物種的入侵而引起的生態(tài)系統(tǒng)層次、系統(tǒng)內部的生物群落層次、生物屬和種的層次結構和功能的變化而使得湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能退化[62- 65]。

環(huán)境擾動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響則是多方面的,間接性的,淡水湖泊的外界環(huán)境對湖泊生物的影響,比如對水生植物的影響,主要通過風浪、光照、營養(yǎng)鹽和其他可能影響因素,其作用途徑類似于物理驅動因子對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的作用,但影響最大的是營養(yǎng)鹽對水生植物的脅迫而導致水生植物自身生態(tài)系統(tǒng)功能的退化,如果營養(yǎng)鹽超過了一定閾值,則將對淡水湖泊的水生植物造成毀滅性的退化。湖泊生態(tài)系統(tǒng)中草食性魚的牧食、底棲性魚類、浮游捕食性魚類等擾動也都會成為生態(tài)系統(tǒng)退化的重要因素,通過調整魚類種群結構,減少草食性魚類,增加食肉性魚類,減輕水草牧食,有利于水草繁殖生長[58,66],提高湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能。

外來物種入侵減少系統(tǒng)中生物多樣性是淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的主要驅動力之一[67],生物入侵的途徑主要有兩種,一是自然入侵。即入侵物種隨著氣候變化,跟著風、水流、動物遷徙等侵入；二是人為引種。外來入侵物種對湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的作用機制主要是改變原有湖泊生態(tài)系統(tǒng)結構、層次和優(yōu)勢物種,入侵物種占據(jù)優(yōu)勢后對湖泊造成跳躍性突變退化[64]。

3 淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復的基本原理

淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復是指在原有湖泊生態(tài)系統(tǒng)的基礎上通過改變湖泊生態(tài)系統(tǒng)結構,使得其功能發(fā)生某一部分或某些部分變化來實現(xiàn),也就是通過減輕環(huán)境要素的脅迫,通過“環(huán)境變化-驅動力-壓力(閾值)-狀態(tài)-響應”原理來傳導,使得原淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的功能獲得部分或整體的恢復,乃至現(xiàn)有湖泊朝著“草型”湖泊方向發(fā)生根本性轉變的復雜過程[44- 45]。也有研究表明,淡水湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)修復是指通過一系列的自然或人工措施將已經退化的水生生態(tài)系統(tǒng)通過改變系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境因子使其恢復或修復到原有生態(tài)系統(tǒng)服務水平,使得湖泊水生系統(tǒng)具有持續(xù)或更高的生態(tài)忍受性,從而減緩湖泊生態(tài)系統(tǒng)的退化時間和程度,以維持或改善湖泊生態(tài)系統(tǒng)自身的動態(tài)平衡[58,69]。對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復,不僅僅是對湖泊湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)本身的修復,對湖泊濕地系統(tǒng)、流域管理系統(tǒng)、入湖河口系統(tǒng)的修復也至關重要,修復采用的技術手段既有物理、化學措施,也有生物技術措施。不同的湖泊生態(tài)功能區(qū)和不同的湖泊生態(tài)環(huán)境,其湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復的原理和措施不同。例如對淡水湖泊的濕地修復應遵循“控源截污+外源性生態(tài)攔截(帶狀、前置庫和線狀)+內源性生態(tài)萃取+湖泊流域管理”相結合的基于3種技術手段綜合治理的基本原理[5,33,69]。同時淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復也不是對系統(tǒng)整體全部的修復,而是對系統(tǒng)進行差異化、分區(qū)式的修復。例如滇池治理方案中提出“五區(qū)三步,南北并進,重點突破,治理與修復相結合”新策略和“南部優(yōu)先恢復、北部控藻治污、西部自然保護和東部外圍突破”的總體方案是典型體現(xiàn)[34]。針對不同湖區(qū)的水質、水生生物和水文條件的差異,按照“修復生境條件-恢復水生植物-調控系統(tǒng)結構”的總體思路,提出了過水通道水文調控與生態(tài)修復、濕地自然保護區(qū)保育等綜合措施修復湖泊退化生態(tài)系統(tǒng)[70]。因此,退化淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復是在厘清湖泊退化的環(huán)境變化影響因子后,理解了退化驅動機制,針對湖泊系統(tǒng)不同區(qū)域,采取一系列物理、化學和生物生態(tài)技術措施,對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)進行系統(tǒng)綜合生態(tài)修復的復雜過程。

4 湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復技術

修復退化淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)是一項系統(tǒng)復雜的生態(tài)工程,其修復技術體系既有共性部分也有個性部分。因此本文站在淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能模塊的角度和湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復實踐經驗總結的基礎上,構建了淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復模塊技術體系圖(圖1)。對退化的淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)進行修復時,首先要對其進行考察、診斷,確定湖泊退化的限制因子,根據(jù)湖泊修復的目標確定修復方案。其次，就是要確定退化淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)各功能模塊中的退化因子,根據(jù)修復方案利用多方位的物理、化學、生物-生態(tài)技術進行綜合系統(tǒng)性修復。

淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復的技術方法眾多,目前許多淡水湖泊修復技術也取得較多成功,但采用的措施很難取得良好持久效果,也未形成統(tǒng)一的、規(guī)范化的指標和標準。因此我們必須采取多方位的物理、化學、生物-生態(tài)修復技術綜合修復退化湖泊生態(tài)系統(tǒng)。下面分別就淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的主要形式,歸納總結了物理、化學和生物-生態(tài)修復技術,以“綜合治理、技術集成、統(tǒng)籌管理和長效運行”為基本原則,在退化淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復時,應根據(jù)湖泊的實際情況,采用適合的修復技術,可多種方法相互整合、優(yōu)勢互補,因地制宜地進行綜合生態(tài)系統(tǒng)性修復,為我國退化淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復提供重要參考。

圖1 淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化修復模塊技術體系Fig.1 Technical system for the restoration of ecosystem degradation in freshwater lake

4.1 富營養(yǎng)化修復

導致水體富營養(yǎng)化的氮、磷營養(yǎng)物質既有外源性輸入又有內源性污染,解決富營養(yǎng)化問題是一項系統(tǒng)性復雜工程,去除藻類與控制其生長是富營養(yǎng)化水體修復與保護的重點?？刂扑w富營養(yǎng)化主要有湖泊湖區(qū)水體和湖泊流域水體的富營養(yǎng)化兩方面,僅對湖泊本身富營養(yǎng)化修復難以根本修復,同時還應控制湖泊流域中流入湖泊的水質。因此,在歸納總結國內外對水體富營養(yǎng)化的控制技術的基礎上,富營養(yǎng)化的修復技術主要可分為以下三方面。

4.1.1 物理方法技術

物理修復技術主要是利用物理工程的手段,改變湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物理環(huán)境條件,進而達到修復湖泊生態(tài)系統(tǒng)的目的。物理修復是借助物理工程技術措施,清除底泥污染的一種方法,主要有疏浚[71]、填沙、營養(yǎng)鹽鈍化、底層曝氣、稀釋沖刷[72]、調節(jié)湖水氮磷比[73]、覆蓋底部沉積物及絮凝沉降[74]等一系列措施,其中疏浚是最常見的方法。物理修復最大的優(yōu)點是見效比較快。但這些技術只能治標而不治本。對湖泊流域水質的控制是控制湖泊富營養(yǎng)化的前提,在湖泊流域外源性污染物控制方面,主要集中在湖泊流域的生態(tài)系統(tǒng)工程治理和建設上,主要有網格技術[75]、前置庫技術[33]、流域河網水體生態(tài)修復工程[76]、多級生態(tài)塘植物修復技術[77]等多種工程措施,此類方法主要是通過多級“過濾”加強攔截和沉淀,增加流域無動力供養(yǎng),同時配合適當?shù)闹参飳α饔虻乃蜻M行生態(tài)修復。

4.1.2 化學方法技術

化學方法修復富營養(yǎng)化湖泊主要從2個方面修復：(1)利用化學方法最大限度地控制水體中的營養(yǎng)鹽的濃度,比如向湖區(qū)撒入石灰進行脫氮或是投入金屬鹽沉淀水中的磷[78]。(2)通過投入化學藥劑(如二氧化氯預氧化殺藻[79]、注入硝酸鈣控制技術[80])給予殺藻或是通過控制生物菌劑增加水生植物對氮、磷的吸收能力。化學方法的即時效果最為明顯,但容易造成湖泊水體的二次污染,且實施成本比較高,容易再次爆發(fā)“水華”現(xiàn)象,也是一種治標不治本的方法,常常作為一種輔助技術或應急控制技術。

4.1.3 生物-生態(tài)方法技術

生物-生態(tài)修復技術是對湖泊水生植被(挺水植物、浮水植物、沉水植物)和水生動物的修復、重構,通過一定的途徑削減湖泊營養(yǎng)鹽,以達到改變湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結構及功能,使得退化淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)朝著草型湖泊轉變。生物-生態(tài)修復技術主要體現(xiàn)在兩方面：

其次是水生動物、微生物修復富營養(yǎng)化方面,主要技術有(1)利用食藻類魚類或浮游動物技術。投放食珠魚類,即生物操縱技術或浮游動物來控制藻類。生物操縱主要是通過放養(yǎng)、喂養(yǎng)幼魚類,吞食各類水藻。如2001年春季在巢湖投放一定量的各種食藻魚,夏季時投放區(qū)域的污染程度明顯減輕,水質得到了明顯改善[86]。采用大量培養(yǎng)輪蟲、羅非魚吃掉藻類并結合浮游生物濾清器使用,以達到滅藻的目的。這類方法易操作、無污染, 經濟效益好。(2)水生植物+放養(yǎng)鰱、鳙技術。該技術是通過魚類結構調控來促進浮游動物大量增殖以抑制藻類生長,促進沉水植物恢復與發(fā)展,對藻類和營養(yǎng)鹽有較好的修復[87],適合山湖水系湖泊,經濟社會效益好,但系統(tǒng)工程量較大、種植水生植物長期效果難以顯現(xiàn)。

4.2 湖濱濕地退化修復

湖濱濕地是陸地和湖泊水域之間的生態(tài)交錯帶,具有明顯的邊緣效應,擁有豐富的物質、養(yǎng)分和能量流動作用,在抵御洪水、調節(jié)徑流、蓄洪抗旱、降解污染、調節(jié)氣候、控制土壤侵蝕、滯淤造陸及美化環(huán)境等方面具有其它系統(tǒng)不可替代的作用。但近些年來,由于缺乏合理的生態(tài)規(guī)劃和人類活動的加劇,多數(shù)淡水湖泊的湖濱岸帶出現(xiàn)了不同程度的退化,造成湖濱岸帶生態(tài)系統(tǒng)功能退化,水生植物消失,生境片斷化嚴重,水生態(tài)環(huán)境惡化。對湖濱岸帶進行修復主要是根據(jù)湖濱岸帶的構成和生態(tài)系統(tǒng)特征對其進行修復和重建。主要技術有物理工程和物理-生態(tài)生物工程技術兩類,但更多的湖泊濱岸帶修復實踐證明,物理生物生態(tài)工程技術是主流生態(tài)修復技術。

4.2.1 湖岸(畔)景觀帶

湖岸(畔)景觀帶發(fā)揮著重要的生態(tài)服務功能和景觀觀賞功能,豐富的湖岸(畔)的植物有利于湖泊遮蔭降溫和穩(wěn)固湖堤,緩和水體侵蝕,增加湖岸(畔)帶的多樣性。對湖濱岸型植物群落空間的生態(tài)構建修復模式主要可分為生物籬笆+消浪模式、植物浮床+消浪模式、生態(tài)混凝土護坡模式,前者是將水生植物栽種在容器中,用鐵絲懸掛于柱樁上,隨著植物生長逐漸將容器放入水底,適合植物移栽,生長迅速,對湖濱帶修復構建有一定作用[88],但此模式操作工程量大,湖岸引起的水深較深,適用植物類別少。同時湖濱、岸帶風浪較大,大風浪拍打在石駁岸上引起的回浪將大部分的泥土帶入湖心,水生植物缺土無法扎根而漂浮在水面上死亡。應用“植物浮床+消浪”模式是不改變駁岸現(xiàn)狀,植物品種選擇范圍寬,對恢復水體生態(tài)系統(tǒng)有一定作用,但傳統(tǒng)浮床形式,固定水深深度,植物品種選擇仍較窄。水生植物通過生態(tài)混凝土護坡模式穩(wěn)定覆蓋,具有結構簡單,抗風浪強度大,適用范圍廣等特點[89],但此模式需改變原有駁岸形式,工程量大,經濟效益低,且易造成二次污染。

4.2.2 湖濱濕地修復

湖濱濕地是水陸生態(tài)交錯帶的一種類型,是湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)間的一個重要生態(tài)交錯區(qū)。湖濱濕地修復是根據(jù)景觀生態(tài)學原理,通過一定的生物、生態(tài)工程的技術與方法,依據(jù)人為設定的目標,使濱水帶生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能和生態(tài)學潛力盡可能地恢復到原有或更高的水平。湖濱濕地的生態(tài)修復,一般采取四步曲,即生境恢復、生物廊道恢復、景觀格局美化、水岸生態(tài)系統(tǒng)結構與功能優(yōu)化[90](表1)。這些修復技術往往不是單一修復某一對象,也不是單純的層次遞進關系,有時常常是相互補充,相互促進,在具體的實踐中往往是綜合使用。典型的關鍵技術有：

表1 退化湖濱濕地植物群落的生態(tài)修復技術

(1)基底修復技術 根據(jù)湖泊現(xiàn)有地形,基于工程量最小化原則,結合濕地結構、功能和景觀構建的需要對其進行基底改造和修復,以減輕內源污染,維護基底的穩(wěn)定性,恢復入湖口水域面積,構建依據(jù)進水量和污染負荷的不同水深、不同水動力、水停留時間的地形基底,從入水口至出水口設置不同水文梯度的淹水區(qū)域而配置不同的水生植物,結合設計水深進行基底填挖以去除基底中富含污染物的底泥和淤泥。典型技術是深槽-淺灘序列技術和生態(tài)清淤技術[91],前者側重于創(chuàng)造急流、緩流等多種水流和適合不同生物發(fā)育和生長需求的條件,后者側重于利用根系發(fā)達的固土植物的同時,以土工材料復合種植基、植被型生態(tài)混凝土、水泥生態(tài)種植基、土壤固化劑技術等方法進行生態(tài)護坡。

(2)駁岸修復技術[90]國外主要有生態(tài)型護岸技術,它是指恢復后的自然河岸或具有自然河岸“可滲透性”的人工護岸,具有增強岸坡的穩(wěn)定性、防止水土流失、成本小、工程量小、環(huán)境景觀協(xié)調性好、適應性好等優(yōu)點。而國內,以植被護岸結合,構造出工程結構對水岸生態(tài)系統(tǒng)沖擊最小,同時創(chuàng)造動物棲息及植物生長所需的多樣性生存生境。

(3)水文修復技術[92]水文的退化都是由于湖泊不合理的開發(fā)利用和人類活動加劇造成的,對水文進行修復需要考慮各利益的既得利益,利用植物與水文動力學的關系,對水文條件進行模擬性修復,此法修復的效果難以短期顯現(xiàn)。

(4)水生植物凈化技術[93]包括動態(tài)和靜態(tài)條件下單一物種及多種植物配植,利用植物在生長過程中吸收、同化氮、磷等植物必需的多種元素,凈化污染物濃度較高的污水,但濱水帶不同種類水生植物適合的生態(tài)位不同,其凈化效果也不同。

(5)植物群落結構配置與組建技術 植物群落的配置應以濱岸濕地帶曾經出現(xiàn)過的某營養(yǎng)水平階段下植物群落的結構為樣板,以生態(tài)修復和經濟效益為原則,適當?shù)匾胗刑厥庥猛?、適應能力強、生態(tài)效益好的物種,配置多種、高效、穩(wěn)定的植物群落。不同種類的應用特點和不同水體環(huán)境中的生態(tài)配置模式構建,主要包括兩個方面的內容：水平空間的配置和垂直空間的配置修復[94],但在實踐過程中往往是兩者相互結合、相互滲透。

(6)水岸景觀修復技術 該類技術主要是綜合生態(tài)性和景觀性特點,從橫向、縱向和深度三個維度,考慮生物的組成、結構、類群、動態(tài)、生態(tài)等自然特性,提高水岸景觀的多樣性,以充分發(fā)揮水岸景觀的生態(tài)和景觀功能[90,95]。

(7)水岸生態(tài)系統(tǒng)修復技術。修復受損或退化的湖泊水岸生態(tài)系統(tǒng),實際上是湖岸上的改進和構建,即修復生態(tài)系統(tǒng)結構的因子?？梢酝ㄟ^恢復和重建后的岸坡植被對水陸生態(tài)系統(tǒng)間的物流、能流、信息流和生物流,起到廊道、過濾器和屏障的作用,發(fā)揮控制水土流失、保護水岸,增加動植物物種種源,提高生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)生產力,調節(jié)微氣候和美化環(huán)境等諸多功能,但其系統(tǒng)工程復雜,長期效果難以即時顯現(xiàn)[90]。

5 結論與展望

5.1 結論

本文系統(tǒng)總結了我國淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的驅動因子,主要有生物因子和非生物因子。此外分析了驅動因子導致淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的作用機理,認為淡水湖泊退化基本遵循“環(huán)境變化-驅動力-壓力(閾值)-狀態(tài)-響應”原理,這也與人類活動發(fā)展歷程密切相關。欲對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復,應在厘清、理解湖泊生態(tài)退化的驅動因子、驅動原理基礎上,根據(jù)淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)結構功能和修復實踐,構建了退化湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復的技術體系。同時本文重點就退化的湖泊富營養(yǎng)化和湖濱濕地生態(tài)系統(tǒng),歸納總結了國內外所采取的有針對性采取物理、化學和生物生態(tài)修復技術。雖然目前這些技術已取得了較多成功,但其修復技術的長期、穩(wěn)定作用并未得到有效發(fā)揮。

5.2 展望

淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復是個復雜的整體系統(tǒng)性工程,湖泊內外環(huán)境驅動因子對修復技術的響應機制及湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化修復技術長效機制、效果等研究目前還不是十分明確,需要進一步研究。概括起來主要有3方面：

(1)修復作用機理研究

在具體淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中,應考慮目前湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化所處的狀態(tài)和湖泊特性,分析研究導致湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的主導驅動因子有哪些,這些主導因子受哪些環(huán)境因素的影響,其影響作用機制是什么,導致其湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的閾值有多大,湖泊生態(tài)系統(tǒng)有哪些相應響應,響應原理和機制又是什么,這些都是未來研究重點。

(2)模型模擬定量研究

利用物理工程和生物生態(tài)工程等模擬技術,對淡水湖泊驅動退化的原理進行大尺度的空間和時間模擬,對影響淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的因子進行環(huán)境因素控制實驗,摸索控制淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的作用機理和措施,并給予系統(tǒng)定量評價,為淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復提供借鑒。

(3)修復路徑研究

目前退化淡水湖泊的修復治理大致按照“控源截污+外源性生態(tài)攔截(帶狀、前置庫和線狀)+內源性生態(tài)萃取+湖泊流域管理”總體思路和框架,但對于某些具體的修復措施和技術的搭配組合規(guī)律還不明朗,綜合使用的長效機制和持續(xù)效果研究不深,尤其是物理措施和生物-生態(tài)修復技術的匹配策略、搭配技術、搭配修復后的持續(xù)性、適應性及穩(wěn)定性等有待深入研究。

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Researchprogressonthedrivingfactorsoffreshwaterlakeecosystemdegradationandassociatedrestorationtechniques

WANG Zhiqiang1,CUI Aihua1,MIU Jianqun2,WANG Hai3,HUANG Guoqin1,*

1EcologicalScienceResearchCenterofJiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China2CollegeofScience,JiangxiAgricultureUniversity,Nanchang330045,China3CollegeofScienceandTechnologyJiangxi,Nanchang330098,China

At present, most freshwater lakes in China are severely polluted and degraded. In this regard, we have achieved considerable initial success using a number of restoration techniques. There are many factors that affect the degradation of freshwater lake ecosystems, including both biotic and abiotic factors. These factors are interrelated and interact with each other, and thus causal mechanisms are complicated. In this paper, we initially introduce the meaning and degenerate forms of freshwater lake ecosystem degradation. We then summarize the factors driving the degradation of freshwater lake ecosystems. From the perspectives of ecological integrity and degradation restoration techniques, freshwater lake ecosystems are mainly affected by three types of driving factors (physical, chemical, and biological), which essentially follow the “environmental change-driving force-pressure (threshold)-state-response” principle. We then construct a technical system for a freshwater lake ecosystem restoration module, based on functional modules of freshwater lake ecological systems and practical experience of lake ecosystem restoration, to clarify the driving principle of lake ecosystem degradation, and subsequently discuss and compare degenerate restoration techniques in water eutrophication and freshwater lakeside wetland ecosystems. Finally, we present an outlook of the long-effect mechanism of remediation technology, and the future mechanisms of action and pathways of the driving factors of environmental change in freshwater lake ecological restoration.

freshwater lake; ecosystem degradation; driving factor; repair technology; research progress

國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B14)；江西省教育廳青年基金項目(JJ1412)

2016- 06- 28; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 25

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hgqjxauhgq@sina.com

10.5846/stxb201606281269

王志強,崔愛花,繆建群,王海,黃國勤.淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化驅動因子及修復技術研究進展.生態(tài)學報,2017,37(18):6253- 6264.

Wang Z Q,Cui A H,Miu J Q,Wang H,Huang G Q.Research progress on the driving factors of freshwater lake ecosystem degradation and associated restoration techniques .Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6253- 6264.