全 文 ：第 25卷第 10期
2005年 10月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.10
Oct.,2005
提高水体净化能力控制湖泊富营养化
濮培民1,李正魁2,王国祥3
(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京 210008;2.南京大学环境学院,南京 210093;3.南京师范大学地理科学院,南京 210097)
基金项目:中国科学院、江苏省科技局(BS90077)、无锡市自来水公司和马山自来水厂、水利部太湖流域管理局、国家科技部、欧盟科技部(CII*-
0094[DG12HSMU]、香港理工大学、日本河北泻湖沼研究所、南京大学 985一期工程、南京师范大学 211工程和浙江大学环境资源学院等单位
资助项目
收稿日期:2004-10-06;修订日期:2005-05-05
作者简介:濮培民(1936～),男,江苏无锡人,研究员,主要从事湖泊生态环境工程研究.E-mail:pupm1@yahoo.com;pupm@public1.ptt.js.cn
致谢:本文是在自 1990年以来实践物理生态工程基础上的总结参加工作的有颜京松、焦春萌、窦鸿身、张圣照、张利民、逄勇、胡维平、魏阳春、李
波、陈宝君、成小英、钱军龙、范云崎、胡春华、张文华等同事;丹麦的 EricJorgenson教授,香港理工大学蔡宏教授、李向东博士、日本河北泻湖沼
研究所定 谦二教授、大串 一教授、高桥久博士、泽野博士、大馆小夜子女士、藤木正 先生等参加和支持了研究工作;加拿大 EdwinD.
Ongley博士润色英文摘要,在此谨表谢意
Foundationitem:TheprojectwasfinancialysupportedbyChineseAcademyofSciencesandJiangsuProvinceBureauofScience&Technology
(BS90077);StateCommitteeofScience&Technology,China,andDepartmentofScience,EuropeanCommunity(CII*-CT93-0094[DG 12
HSMU]);HongKongPolytechnicUniversity,JapanKahokugataLakeInstitute,985EngineeringofNanjingUniversity,211Engineeringof
NanjingNormalUniversityandColegeofEnvironmentandResourcesofZhejiangUniversity
Receiveddate:2004-10-06;Accepteddate:2005-05-05
Biography:PU Pei-Min,Professor,mainlyengagedinaquaticecosystem &environmentalengineering.E-mail:pupm1@yahoo.com;pupm
@public1.ptt.js.cn
摘要:建立了湖泊污染物质动力学方程,根据我国湖泊和美国 Okeechobee湖资料,确定了控制藻类暴发的总磷阈值为
0.035mg/L,总氮阈值为 0.350mg/L(滇池)和 1.050mg/L(太湖);用实测资料,计算得到需要削减的外污染源滇池为总磷、总
氮各 78%,太湖为总磷 69%、总氮 56%。提出通过提高水体净化能力可以控制湖泊富营养化的理论依据和如下技术路线:提高
湖泊净化率,使其超过输入的污染率,在湖内实现浓度低于控制藻类水华暴发所需要的磷、氮阈值;因地制宜综合运用到太湖、
巢湖、滇池等一类大、中型湖泊,加强管理,就可以在占湖泊 7%(滇池)和 4%(太湖)的湖面上,依托科学布设控制其生长的凤眼
莲,将其规模化地加工为有益产品,从而有效地去除湖泊中的营养盐,将水体综合净化率比现有净化率在滇池提高 4.6倍,在太
湖提高 2.1倍,实现控制湖泊富营养化目标,并同步地在约 3～4倍相应面积上修复健康水生态系统。
关键词:物理生态工程;固定化氮循环细菌;水体净化能力;修复健康水生态系统;太湖;滇池
文章编号:1000-0933(2005)10-2757-07 中图分类号:Q178,X171,X52 文献标识码:A
Controllingeutrophicationbyenhancingpurificationcapacityinlakes
PU Pei-Min1,LIZheng-(ui2,)ANG Guo-Xiang3 (1.*+,-.,/0,12.232456745/8+9:;&<.=,5>5/;,?@+A4=.+B.,.@+,
*+,-.,/210008,C:.,+;2.C5>>4/456D,E.85,=4,2+>B@.4,@4,*+,-.,/F,.E481.2;,*+,-.,/210093,C:.,+;3.B@:55>56745/8+9:.@+>B@.4,@4,
*+,-.,/*58=+>F,.E481.2;,*+,-.,/210097,C:.,+).GHIJKHLMLNOHJPOQOHJ,RSST,RT(US):RVTV～RVWX.
Abstract:TodeterminethepotentialforcontrolingeutrophicationinlakesbycontrolingeYternalpolutantloadingsand
throughin-lakeinterventions,adynamicmodelfortotalphosphorus(TP)andtotalnitrogen(TN)wasderived.Basedondata
ofChineselakesandofL.OkeechobeeintheUSAthethresholdconcentrations,i.e.concentrationsabovewhichalgaeblooms
areformed,weredeterminedas0.035mg/LforTPforbothlakesand0.35mg/LforTNinDianchiLakeand1.050mg/Lfor
TN inTaihuLake.AccordingtotheobserveddatathepercentagesofTPandTN loadingthateYceedthevolumefor
maintainingtheconcentrationinthelakethatislowerthesethresholdsandthereforewouldrequirenutrientcontroltoprevent
algaebloomsare78% (bothforTPandTN)forDianchiLakein1995,and69% forTPand56% forTNforTaihuLakein
1987～ 1988.However,thefinancialrequirementsforconstructionofwastewatertreatmentplantsandsewercolection
networks,andforreducingnon-pointsourcenutrientloadingsfrom agricult
ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ
ureareimmenseandthetimespanrequiredto
achievebeneficialresultsinthereceivinglakeinacatchmentaslargeasTaihu,ChaohuandDianchilakes,isverylong.
Furthermore,thebenefitsareunlikelytoextendtotheentirelakeforaverylongperiodoftime,ifever,formiddletolarge-
sizedlakes.Itisunrealistictoconsiderreductionofnutrientloadingstohistorical,naturallevelstoachievenaturalremediation
toahealthyaquaticstate.Also,thenutrientloadingcontainedinthelakesedimentsisimmenseandnotamenabletotechnical
solutionssuchasdredging,orchemicaltreatmenttopermanentlylockthenutrientsinthesediments.Therefore,thispaper
proposesabio-engineeringapproachtoeutrophicationmanagementwhichusesavarietyofin-situtechniqueswhichenhancethe
self-purificationcapacityofthelake.Thepurificationcapacityinawaterbodycanbecost-effectivelyenhancedtothelevelat
whichthenutrientconcentrationsarelowerthanthethresholdconcentrationthatproducesalgaeblooms.Bio-engineering
techniquesusecombinationsofsolarenergy,windenergyandrelatedwavesandcurrents,togetherwithselectedaquaticplants
andotheraquaticspeciestoimprovethebio-productivityinthelake.Thebiologicalproducts,inturn,haveeconomicvalueand
areremovedfromthelakeforbeneficialpurposes.ThetechnologiesforimmobilizednitrogencyclebacteriaforreducingTN,
themacro-bionicsprinciplesformosaicbio-communities,thetechnologyforremediationofthehealthyaquaticecosystemsin
localareas,thedesiccationtechnologyforaqua-plantsbysolarandothernaturalenergy,arereferredtocolectivelyas
Physical-EcologicalEngineering(PEEN).Thisapproachcanbeutilizedforlargeandmiddlesizedlakes,suchasTaihuLake,
ChaohuLake,DianchiLake,etc.inChina.Smalpartsofthetotallakewatersurface(7% forDianchiLake;4% forTaihu
Lake),arerequiredforculturingwaterhyacinththroughanoptimizeddesignandscientificalycontroledmanagementscheme.
Subsequentlythebiomassisremovedandprocessedintoaneconomicbeneficialresource.Undertheseconditionsthe
purificationcapacityofthelakewouldincreaseabout4.6timesforDianchiLakeand2.1timesforTaihuLake.Thetargetsfor
controlingeutrophicationandrestorationofahealthyaquaticecosystemareforareasthatare3～4timesthatofthewater
hyacinthculturedareasintheselakesandthereforealowforalgalmanagementinareasofwaterintakes,recreationalareas,
etc..Thebenefitsofthesemeasuresareachievedoverashortperiodoftime,andaretargetedatdesignatedareasthatrequire
immediateprotection.Thecostisestimatedtobemuchlessthantheequivalentcostsofland-basedcontrol,andcanbepartly
recoveredfromthefinancialreturnsfromselingtheproductsofwaterhyacinthandmolusks.Additionaly,thesemeasures
createemploymentforthelong-termoperationofthesemeasures.Aframeworkispresentedforthevariousstepsrequiredfor
thecontrolofeutrophicationinDianchiLakeandTaihuLake.
Keywords:physical-ecologicalengineering;immobilizednitrogencyclebacteria;purificationcapacityofwaters;remediationof
healthaquaecosystem;TaihuLake;DianchiLake
陆地生态系统产生的非生物,生物、生物残体,溶解的、悬移的和推移的物质,随水流汇集到地表水系统,特别在流速缓慢的
湖泊滞留、转化;其中,水中以总氮、总磷为主要特征的营养盐指标,随时间推移会增加。这是自然富营养化过程。生物过程主要
通过光合作用,将水溶营养盐转化为生物量,经过食物链网的转化,形成具有丰富生物多样性的水生态系统。部分生物残体经细
菌分解,又转化为无机物。在此物质循环过程中,部分氮素以气态逸出水体,部分矿物质、生物残体沉积在湖底。这是水体自然净
化过程。人类活动加剧了物质从陆上和大气向水中的输送过程。森林砍伐、土地耕作、化肥农药使用、畜牧业发展等加重了土肥
流失,加上生活污染和工业污染的压力,使许多水体承纳了数倍、数十倍、乃至更高倍数于历史水平的环境污染压力,历史上形
成的健康水生态系统逐渐退化。以氮磷浓度高,藻类密度大、可形成藻类水华、透明度低为主要特征的湖泊富营养化,成为困扰
我国突出的生态环境问题。控制外污染源无疑是控制富营养化的最重要措施。用"关、停、并、转、治"控制工业污染及推行禁用含
磷洗衣粉、建设污水处理厂等措施已执行多年;农业污染的治理已在研究和推开;疏浚底泥也已在数平方公里的湖泊或湖区、河
道(如滇池、巢湖、南京玄武湖、杭州西湖、太湖流域 14406km河道等)实施;用较清洁水来稀释和冲洗污染水域已有相当规模的
实施案例(如用望虞河调长江水清太湖);用鱼类控制藻类水华在武汉东湖实施了多年。但总起来看,目前我国水体生态环境恶
化的趋势远未得到控制,任务还十分艰巨。濮培民等[1]指出充分利用湖泊水面上的太阳光热等能源,将水中营养物高效地转化
为生物资源,并实现其规模化利用,将物理生物防浪消浪、提高水体透明度、遏制藻类、固定化氮循环细菌、宏观仿生生物镶嵌、
局部修复健康水生态系统等技术及低能耗干燥技术等通称为物理生态工程技术[1]。
美国佛罗里达州的奥凯丘比(Okeechobee,简称 OK湖)湖的水面积 1730km2,平均水深 2.7m,流域面积 12394km2,其水
面积略小于我国太湖(2338km2),容积则与太湖(4.676×109m3)相当,流域上的人口密度仅 42.2人/km2,是太湖流域人口密度
1079人/km2的 1/25。用美国国家环保局 EPA-2000年模式计算,用现有常规方法加强治理,将总磷输入负荷由当前的 460t/a,
8572 生 态 学 报 25卷
削减到 191t/a(即需削减掉 58.5%),来控制该湖富营养化尚需 200a①,可见治理难度之大。目前我国的太湖、巢湖、滇池的营养
盐水平,污染负荷、流域内的人口密度均比OK湖高出许多倍,探讨控制湖泊富营养化新途径更为迫切。本文依据对湖泊整体的
污染物质动力学方程,以滇池和太湖为例,讨论通过减少外污染源控制湖泊富营养化的可能性,并结合我国情况,提出通过提高
水体净化能力控制湖泊富营养化的理论依据和技术路线。
1 湖泊污染物质动力学方程
对整个湖泊来讨论营养盐S(总磷或总氮分别用右上角的N或P表示相应的量:SP,SN)平均浓度的动力学。设:A,Awh分别
为湖泊水面积和水生植物面积;H,V,τ分别为湖泊平均水深,容积,滞留时间;Fin,Sin,Lin=Fin×Sin分别为地表径流输入量,其
营养盐浓度,及污染负荷;Sp为降水量 P中包括干沉降折算在内的浓度,Lp=P×Sp为大气沉降输入;Bf为通过水产品输出的
营养盐;αb,αn为营养盐净化率(TP或 TN在单位浓度下单位面积水柱中 1a内的沉降量 αb或氮素气化率 αn);Dwh,αwh为(单位
面积上,并最终被取出的)水生植物生物量及其营养盐吸收率,t为时间,在讨论年平衡中,单位为 a。
按质量守恒原理,对全湖平均的 S,有方程:
∂VS
∂t= Lm+ Lp- Bf- [Fout+ (αb+ αn)A]S- αwhAwhDwh (1)
或改写为: ∂S∂t=β-αS (2)
其中: β= Lin+ Lp- BfV -
αwh
H
Awh( )A , α= 1V ∂V∂t+ 1τ+ αb+ αnH , Lin= FinSin, Lp= PSpA (3)
当 α,β为常数时方程(2)的解为: S= βα+ Cexp(- αt),C
为常数 (4)
在 S不随时间变化的平衡状态下,Sbalance=β/α,式中,Sbalance为与水体污染率和净化率相平衡的污染物浓度。
β是单位容积水体承受的年污染负荷,即水体污染率,其中凤眼莲等水生植物生长并取出即相当于减少外污染源;α是单位
容积水体在年内削减污染率的倍数,即水体净化率。
2 控制湖泊富营养化的总磷总氮阈值
图 1 OK湖年平均总磷与年内出现藻类水华频率相关①
Fig.1 RelationbetweenthemedianannualtotalPandannual
bloomfrequency①
湖泊营养类型的划分取决于多种参数,学术界存在多种标
准。磷是主要控制因素。欧美学者定义贫营养型湖泊的总磷为<
0.010mg/L,中营养型湖泊为总磷介于 0.010～0.020mg/L之
间,富营养化湖泊的总磷标准是超过 0.020mg/L②。我国太湖评
价时将富营养湖泊定为总磷>0.110mg/L。据美国 OK湖资料①
有 TN/TP=30,且湖中总磷的季节变幅很大,年平均总磷与当
年总磷负荷的相关很差,年内出现高浓度叶绿素频次与年平均
总磷相关也差(图 1);说明通过总磷外污染负荷并不能直接影响
当年湖内总磷浓度和藻类水华,其影响仅是趋势性意义上的。从
图 1上可估计,总磷年平均浓度<0.04mg/L时基本无藻类水
华,考虑到年内变化幅度较大,故控制湖泊富营养化的总磷阈值
取为 SPa.c.=0.035mg/L。
根据实际滇池水中总氮、总磷的比值接近 10的情况,滇池
总氮控制阈值为 SNa.c.= 0.350mg/L。
对太湖取与 OK湖类似的 TN/TP=30(太湖 1987～1988年平均为 34.5),比太湖富营养化评价标准(1.100mg/L)略低的
值为 SNa.c.= 1.050mg/L。
根据太湖实验资料[2],夏季凤眼莲(Eichroniacrassipes)的 TP的吸收率为 αPwh= 0.13t/(km2·d),TN吸收率为 αNwh=
0.79t/(km2·d)。
3 削减污染负荷控制湖泊富营养化分析
以滇池 1995年为例③,LPin+LPp=1021tTP/a;LNin+LNp=8981tTN/a;SP=0.160mg/L;SN=1.650mg/L;A=300km2;V=
957210期 濮培民 等:提高水体净化能力控制湖泊富营养化
①
②
③ 滇池流域水污染防治"九·五"计划及 2010年规划,经中国国务院国函[1998]75号文批复
ProgressiveAEofCharterTownshipofMeridian.LakeLansing2003WaterQualityMonitoringReport,2004
Blasland,Bouck&Lee.DevelopmentofAlternativesfortheLakeOkeechobeeSedimentManagementFeasibilityStudy,TechnicalReport,
SouthFloridaWaterManagementDistrict,2001
1.29×109m3;H=4.3m;并根据滇池水产资料,1995年滇池取出的鱼类约 5000t①,参考文献[3]中的转换系数,可得通过水产输
出滇池的 N、P约为 100t和 10t;故取 BNf=100t/a,BPf=10t/a。
可以把经过凤眼莲、固定化氮循环细菌(ImmobilizedNitrogenCycleBacteria INCB)[1,4,5]等湖内新增加的净化作用考虑
在内的水体净化率定义为水体综合净化率:
α-= β/Sa.c. (5)
它比现有水体净化率提高的倍数: γ=Sbalance/Sa.c. (6)
据此,在平衡情况下,可得到表 1、表 2。由此,滇池需要减少外污染负荷总磷 790t/a,总氮 7001t/a,是径流输入负荷的
78%,这在目前污水处理厂和工农业污染处理技术条件下,即使用高昂的投入也无法在近期实现。事实上,尽管有数十亿元治理
投入,但滇池外污染源输入仍增加极为迅速,据报告②1988年为 TN=4197t,TP=338t;到 1995年为 TN=8981t,TP=1021t,
是 1988年的 2.1和 3.0倍。要想逆转这一增长趋势还非常困难。
表 1 滇池(1995年)及太湖(1987～1988年)总磷平衡
Table1 TotalphosphorusBalanceforDianchiLake(1995)andTaihuLake(1987～1988)
项目
Item
输入量(t/a)
Inputquantity
输出量(t/a)
Outputquantity
储存于水体
StoreinWaterBody
地表径流
Surf.
inflow
大气沉降
From
atmosphere
湿
Wet
干
Dry
总量
Total
沉积
Sedimentation
速率
Rate
沉积量
Quant.
水产
Aqua
biomass
production
流出
Outflow
总量
Total
浓度
Concent.
(mg/L)
含量
Quant
R*
目前 present滇池 1018 1 2 1021 19.4 931 10 80 1021 0.160 206
目标 Target DianchiLake 231 19.4 204 10 17 231 0.035 45 790(78%)
目前 present太湖 1895 60 33 1988 5.08 820 126 1042 1988 0.069 323
目标 Target TaihuLake 682 5.08 416 126 140 682 0.035 164 1306(69%)
R 需要减少输入的污染负荷或通过取出水生生物的量及该量在地表径流中的%Requiredreductionoroutputbyaquaticbiomassand
occupying% insurfaceinflow;下同 thesamebelow
表 2 滇池(1995年)及太湖(1987～1988年)总氮平衡
Table2 TotalnitrogenbalanceforDianchiLake(1995)andTaihuLake(1987～1988)
项目
Item
输入量(t/a)
Inputquantity
输出量(t/a)
Outputquantity
储存于水体
StoreinWaterBody
地表径流
Surf.
inflow
大气沉降
From
atmosphere
湿
Wet
干
Dry
总量
Total
沉积
Sedimentation
速率
Rate
沉积量
Quant.
排入大气
Intoair
水产
Aqua
biomass
production
流出
Outflow
总量
Total
浓度
Concent.
(mg/L)
含量
Quant
R*
目前
Present
滇池 8956 18 7 8981 16.3
6443
(80%)
1611
(20%)
100 827 8981 1.659 2128
目标
Target
Diamchi
Lake
1980 16.3
1368
(80%)
324
(20%)
100 170 1980 0.350 451
7001
(78%)
目前
Present
太湖 24926 2759 421 28106 0.56
2484
(80%)
621
(20%)
3334 21667 28106 2.391 11176
目标
Target
Taihu
Lake
14224 0.56
1100
(80%)
275
(20%)
3334 9515 14224 1.050 4910
13882
(56%)
目标
Target
16973 1.68*
1100
(27%)
3024
(73%)
3334 9515 16973 1.050 4910
11133
(45%)
*假定采用 INCB技术提高氮素气态逸出并使氮素净化速率提高 3倍下的值,主要增加排入大气的量 Enhancedreleaseofnitrogenin
gaseousstateto3timebyusingImmobilizedNitrogenCycleBacteria(INCB)technology
由表可知,目前湖底不是污染源而是汇,它吸收的总磷达 931t/a,总氮达 6443t/a。再次证明疏浚底泥无法控制湖泊富营养
化的论据[6]。
对于太湖[7]需要减少外污染负荷总磷 1306t/a,总氮 13882t/a,分别占径流输入负荷的 69%和 56%。按人均污水处理厂基
0672 生 态 学 报 25卷
①
② 昆明市环境科学研究所.滇池富营养化研究,1992
滇池--昆明的心灵之痛(7).http://www.sina.com.cn2004/11/16
建、管网费 1000～2000元计,太湖流域约 4000万人需要 400～800亿元污水治理建设费,而其尾水指标劣于地表Ⅲ类水 20～30
倍。按此途径显然无法控制太湖富营养化。更为严峻的是,太湖水面大气沉降总氮占需削减量的 23%,而其氮、磷浓度已超过湖
泊Ⅱ类水标准。若用放养凤眼莲并使用固定化氮循环细菌技术提高除氮率 3倍后,它在太湖生长期为 150d内吸收上述总磷、总
氮,分别仅需要 67km2和 94km2水面,小于太湖水面的 4%。这样,将太湖水体综合净化率 α-提高 γ=1.97倍(TP)和 2.28倍
(TN),就可将太湖 TP,TN浓度控制在发生藻类水华的阈值以内。
计算表明(表 1、2),滇池的总氮、总磷单位容积水体污染率(791.5t/km3及 6962.0t/km3)均大于太湖(425.1t/km3及
6010.7t/km3),特别磷的容积污染率要大 1.86倍,故其富营养化进程发展更快,更严重。值得注意的是太湖的氮素净化率很低,
这可能是因为太湖宽阔而浅,仅 2m水深,容易复氧,反硝化需要的厌氧条件较差。由于湖面降水中 N/P大,达 46,而湖中氮素
净化率又低,致使太湖 N/P达 34.5。与太湖类似的美国 OK湖也有类似情况。这是否是大型浅水湖泊普遍情况,值得注意。滇
池则有 N/P=10。研究影响水体净化率的因素及其变化规律,运用 INCB技术降低氮素,特别是氨氮,具有重要理论和实际
意义。
4 提高水体净化能力控制湖泊富营养化分析
图 2 以凤眼莲、螺蚌、氮循环细菌为支撑修复以沉水植物为主导系
统的健康水生态系统技术路线框图
Fig.2 Schemeofthetechnicalaproachesofremediationforthe
health aquaecosystem supported mainlybyaquaticplantswith
utilizationofWaterhyacinth,immobilizednitrogencyclebacteriaand
molusks
由(3)式可知,放养凤眼莲吸收营养盐的作用与削减外污染源起着同样作用。据测定,以蓝藻为优势种群的藻类在 1992年
夏季的生长率为 6.2g/(m2·d)。同样条件下的凤眼莲生长率为 0.5kg/(m2·d),可折合出凤眼莲的富集氮、磷的效率比藻类要
高出 13～21倍。凤眼莲远比藻类更容易收集取出水体。放养凤眼莲可提高太阳能利用率,提高湖泊原初生产力,提高水体净化
能力,遏制藻类生长,提高透明度,支撑修复生态系统。例如为控制滇池富营养化需要减少的总磷、总氮约相当于放养凤眼莲
20km2和 30km2,在滇池生长期为 300d所吸收的量;若采用INCB技术提高湖面降减TN率 1倍,则仅需放养凤眼莲 22km2(占
滇池水面 7%),并及时取出利用,就可提高净化率(约 4.6倍,修复清秀水体历史景观,污染资源化,减少氮磷沉降和向下游输
移量达 79%,并保障滇池及其下游安全饮用水源,其经济生态综合效益是其它措施难以替代的。这是近期可以实现的途径。
目前存在以下问题:(1)若不能控制,凤眼莲大量生长后到处飘游影响交通航运;(2)在近岸处集聚,大面积覆盖可导致沉
水植物死亡,水中缺氧和动物死亡;(3)若不及时取出运走,会造成二次污染;(4)如何规模化收集取出,将其(含水量达 95%)
干燥并有经济效益地加工利用是个难题。需要开发新技术解决这些问题。
5 提高水体净化能力与生态修复同步的技术
自 1990年来发展的物理生态工程(Physiccal-Ecological
Engineering-PEEN)[1]为解决上述问题提供了新技术。
(1)采用软隔离带技术,可以控制凤眼莲在一定范围内生
长,按一定宽度和间隔布设"斑马线"式凤眼莲生长带(约占 1/4
～1/3水面),使其覆盖面积成为软的防浪消浪带,按照宏观仿生
原理,自然和人工管理相结合,在凤眼莲放养区影响范围内促进
恢复沉水植被,提高水体净化能力、遏制藻类生长、遏制底泥释
放营养盐、增加水中溶解氧,发展生物多样性;
(2)利用 INCB技术,借助凤眼莲等水生植物载体,强化和
扩大微生物净化水质作用;
(3)用专门技术放养螺蚌,净化水质、提高透明度、遏制藻类
生长,获取部分经济效益;
技术路线如图 2所示。最后是规模化、集约化收集、加工凤
眼莲,开发其经济生态价值。
6 资源利用和实施方案
凤眼莲是很好的动物饲料,可制造沼气、造纸、用作肥料等,
对这些已做过研究并有许多专利,但难以实用化。其规模化收
集、加工、干燥技术及开发新的经济、生态价值使能实际应用等
问题成为关键难点。这些均已有突破,将另文发表。
在滇池的实施方案,可以在其外海东北角(图 3),用长约
15km的软隔离带围出一块水域(外海约 22km2,草海约 8km2,合
计约 30km2)。将此区域建设为吸纳和净化昆明市主要污水的增
强净化功能区("滇池肾"),使滇池流域 3/4的水流入此区域内
167210期 濮培民 等:提高水体净化能力控制湖泊富营养化
图 3 滇池强化净化功能区("滇池肾")及净化昆明市河道水流循环
示意图
Fig.3 Schemaoflocationswithenhancedpurificationcapacity
("Nephridium ofDianchiLake")andthecirculationroutefor
purifyingthecannelsinKunminCity
缓冲并逐步净化。区域内有若干子系统,主体部分修复健康生态
系统,水质达到地表水Ⅲ类后排入滇池外海及调入盘龙江,进入
市区河道纳污混合后又回到草海净化。这可以成为控制滇池富
营养化的主体工程,随后扩大到全湖。可分 3步:①首先在 3a内
在草海和外海"肾"区,包括饮用水源区修复健康水生态系统,保
障安全饮用水源;②在 5a内在其它主要入湖河口修复健康水生
态系统,控制入湖污染物浓度,使主要指标优于地表水Ⅲ类标
准;③在 10a内在滇池 30%～50%水面上修复沉水植被,使基本
接近恢复滇池高原明珠的历史景观。
对于太湖(图 4),可以先实施中试约 5km2规模,实现生态修
复与凤眼莲利用获取经济效益成果。在此基础上,在太湖主要河
道入湖口及饮用水源区分片实施工程:如在梅梁湾、竺山湖、大
浦口、小梅口和贡湖等近岸带,每区约 40km2,合计约 200km2水
面上修复健康水生态系统,最后逐步实现控制富营养化目标。
7 结论
湖泊富营养化是一种自然进程,人类活动加剧了这一进程。
湖泊营养类型的划分取决于多种参数。本文从控制暴发藻类水
华角度出发,参考美国 OK湖资料,确定了总磷及滇池和太湖总
氮的阈值。根据本文推导的湖泊污染物质动力学方程及实际资
料计算了该两湖泊控制藻类水华暴发需要减少的氮、磷外污染
负荷。要实现这目标,在人口稠密、经济发达的太湖、巢湖、滇池
等大中型湖泊流域,在最近几十年内几乎不可能。因此不能指望
仅仅通过现有技术削减外污染源,来很快实现修复这些大中型
湖泊的健康水生态系统和清秀水质。而这个在陆上难以实现的
任务却可以用提高水体生产力,将水溶营养盐转化为植物资源
并将其取出水体来完成。凤眼莲是已知转化效率最高的水生植
物。科学控制利用它,就可成为支撑修复健康生态系统的关键要
素。例如在占湖泊 7% (滇池)和 4% (太湖)的湖面上,凤眼莲就
图 4 提高水体净化能力控制太湖富营养化工程示意图
Fig.4 Locationsforbio-engineeringfornutrientcontrolthrough
enhancedself-purificationcapacityinTaihuLake
可以利用太阳能有效地将湖泊中的营养盐(等价于削减外污染
源负荷)转化为生物量,将其取出利用就可控制湖泊富营养化,
并同步地在约 3～4倍相应面积上修复健康水生态系统;还可从
凤眼莲和螺蚌等水产品的利用中获取部分经济效益。在不同自
然条件下修复健康水生态系统实践中发展起来的物理生态工程
PEEN技术为实现这一目标提供了良好基础[8]。文中给出了在
滇池和太湖实施这一方案的步骤框架。降低能耗,充分利用太阳
能、风能导流、收集及干燥、加工凤眼莲为具有新的经济、生态效
益的产品的技术已有突破。
所讨论的模式抓住了问题的基本方面,但比较简化,实际湖
泊生态系统是三维动态,并包括物理动力热力过程、沉积过程、
化学过程、生物生态过程、食物链网等复杂问题。由于资料的限
制,本文数字结论还不能认为是很精确的。工程实践成功的规模
还小,控制湖泊富营养化的理论和技术尚需作中试来进一步总
结。
References:
[1] PuPM,WangG,LiZ,etal.Degradationofhealthyaqua-ecosystemanditsremediation:theory,technologyandapplication,J.ofLake
2672 生 态 学 报 25卷
Sciences,2001,13(3):193～203.
[2] DuHS,PuPM,ZhangSZ,etal.AnexperimentalstudyoncultureofEichhorniacrassipes(Mart)SolmsonopenareaofTaihuLake,
J.ofPlantResourceandEnvironment,1995,4(1):54～60.
[3] YangJX.TheabextraandindigenousfishesinYunnan:Effectivemode,extentandotherissues.In:WUANGSong,eds.etal.
ProtectionontheBiodiversityinChina(2).Beijing:ChineseEnvironmentalSciencePress,1996.129～138.
[4] LiZK&PuPM DynamicmodelingofpurifyingnitrogenpolutantbyimmobilizednitrogencyclebacteriaduringAutumnandWinter
seasons,J.ofLakeSciences,2000,12(4):321～326.
[5] WangGX,PuPM,HuangYK,etal.Distributionandroleofdenitrifying,nitrifying,nitrosationandammonifyingbacteriainthe
TaihuLake,ChineseJournalofApplied&EnvironmentalBiology,1999,5(2):190～194.
[6] Pu,PM,WangG,HuC,etal.Canwecontroleutrophicationbydredging?J.ofLakeSciences,2000,12(3):269～279.
[7] HuangY,FangC,PuP,etal.AquaticEnvironmentandPollutionControlinTaihuLake.Beijing:SciencePress,2001.
[8] DianchiLake--AHyper-EutrophicLakeinChina,inTropicalEutrophicatedLakes:TheirRestorationandManagement.Oxfordand
IBHPubl.Co.Pvt.Ltd.(NewDelhi),SciencePublishersInc.USA,March,2005.
参考文献:
[1] 濮培民,王国祥,李正魁,等.健康水生生态系统的退化及修复--理论与技术及应用.湖泊科学,2001,13(3):193～203.
[2] 窦洪身,濮培民,张圣照,等.太湖开阔水域风眼莲的放养实验.植物资源与环境,1995,4(1),54～60.
[3] 杨君兴.云南的外来鱼类和土著鱼类:影响的方式和程度及相关问题研究.见:汪松、谢彼德、解焱编.保护中国的生物多样性(二).北京:
中国环境科学出版社,1996.129～138.
[4] 李正魁,濮培民.秋冬季环境下固定化氮循环细菌净化湖泊水体氮污染动态模拟.湖泊科学,2000,12(4):321～326.
[5] 王国祥,濮培民,黄宜凯,等.太湖反硝化、硝化、亚硝化及氨化细菌分布及其作用.应用与环境生物学报,1999,5(2):190～194.
[6] 濮培民,王国祥,胡春华等,疏浚底泥能控制湖泊富营养化吗?,湖泊科学,2000,12(3):269～279.
[7] 黄漪平,范成新,濮培民,等,太湖水环境及其污染控制.北京:科学出版社
==================================================
,2001.
《西北农林科技大学学报(自然科学版)》2006年征订启事
《西北农林科技大学学报(自然科学版)》是国内外公开发行的综合性农业科学学术期刊,创刊于 1936年,是西北地区创办
最早的农业学术期刊,其前身是《西北农业大学学报》。本刊立足学校,面向社会,主要刊登农业科学、林业科学、植物保护、资源
与环境科学、园艺科学、动物科学与动物医学、食品科学、农业水利与建筑工程、农业机械与电子工程、生物技术与基础学科等方
面具有创新性或适用性的学术论文、研究简报、文献综述,以及反映最新科研成果的快报。读者对象为国内外农林科技工作者、
高等院校教师、研究生和农林管理干部。
本刊为中国自然科学核心期刊、全国综合性农业科学核心期刊和中国科学引文数据库核心期刊,论文被国内外多家权威性
数据库和文摘期刊固定转载和收录。在促进学术交流、发展学科理论、推动科技进步等方面做出了较大贡献。
《西北农林科技大学学报(自然科学版)》为月刊,A4,160页,每月 25日出版,每期定价 10元,全年 120元。邮发代号为
52-82,全国各地邮局均可订阅,亦可直接通过本刊编辑部订阅。国外总发行为中国出版对外贸易总公司。
编辑部地址:陕西杨凌 西北农林科技大学西农校区 40号信箱 邮编:712100 电话:029-87092511
E-mail:xb2511@yahoo.com.cn;xb2511@yeah.net
网址:http://XBNY.chinajournal.net.cn;http://xbnydxxb.periodicals.net.cn
367210期 濮培民 等:提高水体净化能力控制湖泊富营养化