长江中下游湖泊富营养化发生机制与控制对策_秦伯强.pdf

2 0 0 7年.第2 2卷.第6期关键词长江中下游, 湖泊富营养化, 控制对策*中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员修改稿收到日期:2 0 0 7年1 0月5日( 中国科学院南京地理与湖泊研究所 南京2 1 0 0 0 8)5 0 3长江中下游湖泊富营养化发生 机制与控制对策秦伯强*1项目背景由中科院南京地理与湖泊研究所牵头,联合水生生物研究所、生态环境研究中心、武汉植物园、 地球化学研究所、 测量与地球物理研究所、 微生物研究所等单位共同承担的中科院知识创新工程重大项目“ 长江中下游湖泊富养化发生机制与控制对策” , 从2 0 0 2年5月开始, 至2 0 0 6年6月结束项目主管为南京地理与湖泊研究所秦伯强研究员, 首席科学家为水生生物研究所谢平研究员长江中下游地区是我国淡水湖泊集中分布的地区, 全国约2 / 3的淡水湖泊位于此区域 该地区所有湖泊都是浅水湖泊2 0世纪8 0年代以来,由于经济的发展,大量的N、P等营养物质随着工农业废水和生活污水被排入江湖,加上不适宜的人类活动方式, 极大地改变了自然湖泊生源要素的循环规律, 生态系统结构和功能退化, 蓝藻水华频繁爆发, 水质性缺水日趋严重, 并造成巨大经济损失。

由于日趋严重的湖泊水环境恶化与富营养化问题正在严重制约着社会和经济的可持续发展, 已引起各级政府的高度重视国家在“ 十五” 期间计划治理的三湖中, 有二湖( 太湖、 巢湖) 即位于长江中下游地区在过去的几年中, 围绕湖泊富营养化治理,各级政府投入了大量的人力与物力,但迄今为止, 收效甚微国外在富营养化治理方面的成功经验均限于深水湖泊, 对于象长江中下游平原地区的浅水湖泊富营养化的治理问题, 尚无可借鉴的经验 因此, 本项研究拟以长江中下游地区的浅水湖泊群为对象, 在基于古湖沼学对湖泊地貌环境和营养演化及其驱动机制研究的基础上, 深入和系统地研究浅水湖泊中营养盐的生物地球化学循环机制, 湖泊生态系统结构变化对富营养化灾变过程的驱动与反馈, 富营养化与蓝藻水华的综合调控措施及以水生高等植物群落设计、 恢复、 扩增和稳定技术为主的健康湖泊生态系统修复的理论与技术集成最主要目的是在国家或区域层面为解决长江中下游地区浅水湖泊群日趋严重的湖泊富营养化及由此导致的水质性缺水提供科学的决策指导和控制技术方案2项目主要成果(1) 首次从理论上阐明了长江中下游地区浅水湖泊沉积物的内源污染机制与释放量的估算和控制治理途径, 弄清了我国湖泊富营养化治理困难的原因。

内源污染指的是湖泊底泥中污染物质向湖水释放形成的污染 目前许多湖泊的污染治理, 已经采用或计划采用底泥疏浚的方中国科学院知识创新工程重大项目 T h e K n o w le d g e In n o v a tio n P r o g r a mo f th e C A S2 0 0 7年.第2 2卷.第6期中国科学院知识创新工程重大项目 T h e K n o w le d g e In n o v a tio n P r o g r a mo f th e C A S法来控制内源污染但实施效果并不理想,对于内源污染问题也颇有争议 针对这样的情况, 项目组通过对长江中下游地区湖泊底泥的系统调查, 初步弄清了湖泊沉积物的污染物质主要赋存形态和数量分析发现, 绝大部分湖泊沉积物中9 0 %以上的磷已较难被生物利用的形态存在, 活性磷所占比例很小, 但是在严重污染的城市湖泊中, 活性磷的含量可以占提取量的3 5 %以上澄清了长期以来有关湖泊沉积物污染程度的问题提出了浅水湖泊内源污染释放模式和数量的估算方法即在浅水湖泊中, 存在着静态释放和动态释放两种模式 太湖的静态释放量按年计算可达外源污染负荷的3 0 %左右, 而动态释放量, 仅一次风浪过程, 就可以达到外源污染负荷的相同的数量级。

而水土界面的氧化环境,铁、 锰、 铝等元素含量,又会削弱内源释放研究还发现, 疏浚只能在短时间内减少沉积物的内源释放率,但是,随着时间的延迟, 随着外部污染物的不断沉积, 水土界面上污染物会逐步增加, 并使得内源释放数量增加 因此, 控制内源污染, 本质上,必须在外源污染控制的前提下来实施2) 在湖泊水生植被恢复和生态系统修复的基础理论与关键技术上取得了突破, 对我国湖泊富营养化治理和生态恢复将产生深远的影响通过对不同水生植物的生理、 生态学特征的比较与围隔试验, 发现影响水生植物恢复的主要问题是光照透明度、 风浪、 底泥环境、 鱼牧食、 氨氮浓度等 研究发现营养盐浓度通过影响水生植物上的附着生物生物量而影响水生植物的光合作用 附着生物的生物量随着营养盐浓度升高( 富营养化) 而增加,导致水生植物的光合作用受到遏制, 遏制的幅度可以达到6 0 %—9 0 % 这是富营养化湖泊草型生态系统崩溃并最终为藻型生态系统所取代的根本原因 研究发现通过消浪、控藻等措施将有助于改善光照透明度,恢复水生植物研究还发现恢复沉水植物,将极大地遏制底泥内源污染释放 水柱氨氮浓度对沉水植物也有非常大的遏制作用。

在上述研究基础上, 创造性地提出了通过改善湖泊生境条件来恢复水生植物和草型湖泊生态系统的新思路, 并在太湖梅梁湾水源地水质改善技术中得到了应用 在理论上进一步明确了水生植物恢复有赖于基础环境的改善, 对于漂浮植物和浮叶植物, 其环境条件改善就是风浪的消除;对于沉水植物而言, 其环境条件改善, 就是光照条件, 特别是悬浮物浓度和营养盐浓度 从而为不同类型的水域恢复水生植物、 实施生态修复提供了坚实的理论基础 特别是有关水生植物恢复对于环境条件的要求, 从根本上改变了以往片面强调水生植物种植技术本身, 而忽视环境条件改善的普遍倾向 对于我国湖泊生态修复与水生植物恢复将产生深远的影响3) 初步揭示了湖泊富营养化生态系统响应机制与蓝藻水华爆发的竞争优势研究显示, 污染相对较重的水域, 水体中营养盐的含量高,微生物的生物量及生产力也高,碱性磷酸酶的活性也高,水体营养盐的循环也就更快; 这反过来又促使微生物生产力增加,营养盐循环更快,加剧富营养化的危害研究发现, 水华暴发期间蓝藻的暴发性生长能通过改变水体的p H而引发沉积物中磷释放数量的大幅增加,大量释放的营养盐反过来又使蓝藻大量生长,从而加剧水华的暴发。

阐明了在浅水湖泊内源磷负荷季节变动模式的驱动因子中,p H可能比溶氧更为重要; 并基于藻类水华对沉积物中磷的泵吸作用, 首次提出了浅水湖泊中内源磷负荷季节波动与营养水平密切相关———主要是由于藻类光合作用驱动的新的观点上述研究所揭示的蓝藻水华对沉积物中磷5 0 42 0 0 7年.第2 2卷.第6期5 0 5长江中下游湖泊富营养化发生机制与控制对策的选择性泵吸作用, 解决了目前国际上流行的N / P比学说所不能解释的某些富营养水体中蓝藻水华的爆发机制现象 试验研究进一步证实了浮游植物和细菌作用所导致的沉积物磷的释放及氮的减少是导致夏季T N / T P比降低的重要原因实验研究表明,活性磷是蓝藻水华爆发的关键性因子, 控制蓝藻水华必须从控制活性磷着手 研究发现蓝藻可以通过产生蓝藻毒素抑制其它藻类,蓝藻毒素还抑制水生高等植物的生长发育和种子萌发 水华蓝藻具有比其它藻类更高的C O2和无机碳浓缩能力, 使自己在低碳环境中能有效地利用碳源 这些特殊的生物学机制使得水华蓝藻具备竞争优势4) 研究证实了长江中下游地区浅水湖泊较高的营养本底及其对湖泊富营养化的影响,阐明了我国湖泊富营养化严重的原因。

通过典型湖泊连续沉积岩心提取, 分析了长江中下游典型湖泊沉积物中有效营养代用指标, 在精确定年的基础上, 建立现代生物种群组合、 有机地化指标与主要营养盐( 氮、 磷等) 的函数关系, 定量恢复了过去湖泊营养本底及水平, 建立了营养演化模式和长江中下游典型湖泊营养水平演化序列; 分析不同类型湖泊营养水平的演化过程与营养本底的区域分异及形成原因; 研究评估了在湖泊营养变率剧增的时段, 人类活动的方式和强度对湖泊富营养化的影响; 揭示了湖泊营养水平演化规律及驱动机制 特别是通过若干典型湖泊营养演化历史, 证实了长江中下游地区湖泊在历史时期就具有较高的营养盐浓度, 有的湖泊甚至富营养化过这也是为什么我国湖泊富营养化问题如此严重的原因所在3社会经济效益分析长期以来, 我国对湖泊富营养化治理虽然采取了许多措施, 但是收效甚微通过本项目, 阐明了这些发育在长江三角洲和洪泛平原上的浅水湖泊具有较高的营养背景, 说明这些湖泊很容易富营养化, 人类活动加快了其富营养化的进程 从而回答了为什么我国湖泊富营养化如此严重 这从另外一个角度回答了为什么我国富营养化湖泊治理难度这么大 而关于内源释放规律和影响要素的研究, 有助于确定采取什么样的方法来控制内源污染问题。

据估算, 一个湖泊底泥疏浚所需经费常常数亿元资金, 而本项目的研究成果为这些湖泊内源污染控制提供了理论指导长期以来, 人们对于N / P来解释蓝藻水华时常常对于低N / P现象无法解释 通过本项目的研究, 证实了低N / P比是由于蓝藻水华爆发的泵吸作用, 而其实质是p H发生变化所至 进一步研究发现的蓝藻藻毒素对于其他植物的毒害作用及其生理特征, 部分地解释了为什么微囊藻成为优势种的原因对于进一步认识蓝藻水华爆发机制, 控制其爆发有着非常重要的作用 上述成果在国外杂志发表时,国外审稿人给予高度评价恢复水生植物, 修复生态系统长期以来一直被公认为湖泊富营养化治理的有效途径和方法, 但是, 却鲜有成功的例子, 从而成为生态修复的难点 十五” 期间, 国家重大水专项在许多湖泊和城市开展了以水生植物恢复为核心的生态修复与水质净化试验但是这些工作都缺乏理论指导与技术支持本项成果实际上明确了在富营养化水域, 无论是漂浮植物、 浮叶植物, 还是沉水植物的恢复, 都有一定的环境条件只有这些环境条件得到了改善, 水生植物恢复和种植才有可能 从根本上改变以往的重水生植物种植本身、 轻环境条件改善这样错误的认识。

因此, 本项成果对于我国目前湖泊治理与生态修复将产生重大而深远的影响。