太湖水生植被生態(tài)恢復(fù)技術(shù)研究進展
——以水專項研究成果為例

謝立瑩，薛慶舉

(1.遼寧省興城市環(huán)境保護監(jiān)測站，遼寧興城 125100；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇南京 210008)

水生植被是指在生理上依附于水環(huán)境，至少部分生殖周期發(fā)生在水中或水表面的植物類群，通常被用來代指一些大型水生植物，包括除小型藻類之外的所有水生植物類群。水生植被作為湖泊等水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持水生態(tài)系統(tǒng)功能以及水生態(tài)健康過程中扮演著至關(guān)重要的角色。首先，作為水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，可為食物鏈中的初級消費者提供食物；其次，水生植物可在白天進行光合作用釋放氧氣，提高水體溶氧量，在夜間進行呼吸作用消耗氧氣形成葉片局部低氧環(huán)境，促進相關(guān)微生物對氮、磷等元素在不同形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化；第三，水生植物不僅可通過根系或其他部位的吸收、過濾和固定等作用，改善水質(zhì)，影響沉積物-水界面的物質(zhì)交換，加速水體懸浮物與藻體沉降，并抑制沉積物再懸浮，還可通過化感作用抑制藻類生長；第四，為附著生物、底棲動物以及魚類等提供棲息場所，增加生態(tài)位，提高湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性穩(wěn)定性。因此，水生植物的分布通常是健康水體不可或缺的必要條件，這也是水生植被消失后，富營養(yǎng)化湖泊出現(xiàn)水質(zhì)惡化、藍藻水華爆發(fā)的最根本原因。

太湖作為我國的第三大淡水湖，水面面積達2 338 km，是我國三大富營養(yǎng)化湖泊之一?！短饔蛩h(huán)境綜合治理總體方案》中指出，在“十一五”開始之前，2005年時太湖流域城鎮(zhèn)化率已高達73%，全流域國內(nèi)生產(chǎn)總值約占全國GDP的11.6%，人均生產(chǎn)總值是全國平均水平的3.4倍，單位國土面積經(jīng)濟收益約為全國平均水平的57倍。但隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量的污染物也隨之排入太湖流域。2005年，太湖流域水環(huán)境綜合治理區(qū)廢污水排放總量為33.14億m，總氮和總磷排放總量分別為14.16萬和1.04萬t。加之資源的不合理開發(fā)和利用，整個流域成為我國生態(tài)環(huán)境退化最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，湖體水質(zhì)急劇惡化，藍藻水華呈常態(tài)暴發(fā)，而水生植被亦退化嚴(yán)重。結(jié)合歷史資料發(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)50年代，高等水生植物在太湖湖內(nèi)廣泛分布，1960年的調(diào)查共記錄66種維管植物，1981年與1961年相比優(yōu)勢種變化不大，但東太湖水生植物物種減少了6種。進入20世紀(jì)90年代，北部湖區(qū)的水生植被明顯退化，僅竺山湖有少量殘存，東北部湖區(qū)及東部湖區(qū)水生植被反而持續(xù)擴張，從2002年開始，東太湖菰和蘆葦分布區(qū)面積銳減，浮葉植被和沉水植被分布區(qū)面積及生物量顯著上升，荇菜、伊樂藻、馬來眼子菜等成為優(yōu)勢種。到2014年，已有累計23種水生植物從太湖消失，北部湖區(qū)水生植被幾乎消失，但東太湖仍然存在水生植被過量生長的問題。

針對水生植被出現(xiàn)的退化等問題，在“十五”及更早時期，國內(nèi)學(xué)者已在許多湖泊開展了水生植被恢復(fù)工作，但一直沒有大的突破。所有這些工作，在工程實施期，水生植物的生長狀況均較好，并對水質(zhì)起到了一定的改善作用，但在工程結(jié)束后，特別是在軟圍隔撤除之后，剛剛建立起來的以高等水生植物為優(yōu)勢的生態(tài)系統(tǒng)便立刻崩潰。鑒于此，根據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》要求，水體污染控制與治理科技重大專項(以下簡稱“水專項”)針對制約我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重大水污染科技瓶頸問題，在“十一五”和“十二五”期間設(shè)立了近10個課題，用于重點突破水體水生植被修復(fù)等相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)，并通過一系列的工程示范，達到示范區(qū)域水環(huán)境改善的目標(biāo)。在經(jīng)過近10年的研究和探索之后，水專項結(jié)題項目已積累了眾多的水生植被修復(fù)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。因此，該研究在充分調(diào)研水專項已有相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有技術(shù)進行了集成，并對相關(guān)技術(shù)的重大應(yīng)用效果進行了分析，以期為相關(guān)研究和工程項目實施提供技術(shù)支撐，實現(xiàn)水專項研發(fā)技術(shù)的進一步應(yīng)用和推廣。

1 技術(shù)需求與集成路線

該技術(shù)集成以太湖流域水生植被現(xiàn)狀及生態(tài)修復(fù)技術(shù)存在問題為導(dǎo)向，基于水生植被生態(tài)修復(fù)過程，針對不同修復(fù)流程中存在的問題提出對應(yīng)的科技需求，篩選出相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，最終形成一整套的水生植被修復(fù)集成技術(shù)。當(dāng)前，太湖流域水生植被存在的問題主要包括生物多樣性降低、分布區(qū)域縮減以及部分區(qū)域生物量過高等方面，而水生植被生態(tài)修復(fù)技術(shù)在生態(tài)修復(fù)流程的不同步驟均存在需要進一步深入研究或重點突破的需求。水生植被修復(fù)過程一般可包括問題分析、生境改善、群落構(gòu)建以及后期管理等步驟，其中的主要問題如表1所示。

表1 太湖水生植被修復(fù)技術(shù)存在問題及技術(shù)需求Table 1 Problems and technical requirements of aquatic vegetation remediation in Lake Taihu

基于“十一五”和“十二五”期間研發(fā)的水生植被修復(fù)技術(shù)，將太湖水生植被恢復(fù)成套技術(shù)主要分為水生植被現(xiàn)狀觀測技術(shù)、水生植被生境改善技術(shù)、水生植被群落構(gòu)建技術(shù)以及水生植被群落管理技術(shù)等4項關(guān)鍵技術(shù)，每項關(guān)鍵技術(shù)包含的單項技術(shù)如圖1所示。

圖1 水生植被修復(fù)集成技術(shù)拓?fù)鋱DFig.1 The topology picture of aquatic vegetation remediation integrated technology

目前，水生植被調(diào)查方法仍以傳統(tǒng)方法為主，但傳統(tǒng)方法不僅費時費力，還具有制圖周期長，不能快速、大尺度地監(jiān)測水生植物變化等特點。而遙感技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)用便很好地填補了這一缺陷，遙感技術(shù)是在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來，并在90年代開始得到廣泛應(yīng)用的一項對地觀測技術(shù)。水專項“太湖流域環(huán)境與生態(tài)綜合管理平臺建設(shè)與運行機制研究”課題便基于此項技術(shù)開展了太湖水生植被遙感監(jiān)測方法研究，研發(fā)了太湖水生植被遙感反演模型和定量監(jiān)測技術(shù)，形成了水生植被遙感反演模型和動態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行體系，并構(gòu)建了自動分析系統(tǒng)，支撐了由水質(zhì)目標(biāo)管理向水生態(tài)目標(biāo)管理轉(zhuǎn)變的技術(shù)需求。

針對太湖區(qū)域，該技術(shù)選取高時間分辨率的MODIS作為太湖水生植被遙感監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)源，而環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)。通過多源、多時相、遙感數(shù)據(jù)進行處理、分析、評價和制圖，結(jié)合實地核查，驗證遙感監(jiān)測水生植被模型與水生生態(tài)系統(tǒng)評價方法的實用效果，在長期業(yè)務(wù)化運行的基礎(chǔ)上形成太湖區(qū)域水生植被快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)化體系，并以此來開展太湖水生態(tài)評價和監(jiān)測。

水生植被的生長受多種環(huán)境因子的影響，如水體營養(yǎng)鹽含量、風(fēng)浪、光照、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及沉積物理化特征等。所以，要恢復(fù)水生植物群落，首先要清楚不同水生植物物種生長環(huán)境各項指標(biāo)的適宜范圍，之后才能針對性地開展生境改善工作。水專項“太湖湖體氮磷污染與藍藻水華控制技術(shù)與工程示范”課題便通過水生植物恢復(fù)所需環(huán)境條件的診斷分析及其閾值確定，提出生態(tài)恢復(fù)所需的生境條件包括水深、營養(yǎng)鹽濃度、光照條件、魚類組成、底泥中有機物含量、風(fēng)浪大小等6項。同時，確定了太湖恢復(fù)水生植物所需生境條件的閾值，包括水深不宜超過2 m，總氮濃度不宜超過2 mg/L，總磷濃度不宜超過0.1 mg/L，風(fēng)浪吹程不宜太大；魚類組成中，不能有草魚，對于底棲魚類和專吃浮游動物的魚類，如青魚、鯉魚、鯽魚和鳙魚，在恢復(fù)初期也要控制。

適宜的生境條件是水生植被恢復(fù)是否成功的關(guān)鍵，但早期的水生植被恢復(fù)多以水生植物種植本身為重點，反而忽視了生境條件改善對水生植被恢復(fù)的重要作用。鑒于此，“十一五”水專項設(shè)立了“太湖湖體氮磷污染與藍藻水華控制技術(shù)與工程示范”等課題，研發(fā)了可遏制藍藻水華發(fā)生的一系列營養(yǎng)鹽阻斷技術(shù)以及外來污染物阻截技術(shù)，有效降低水體中的營養(yǎng)鹽負(fù)荷與外源污染。其中，營養(yǎng)鹽阻斷技術(shù)主要包括原位鈍化技術(shù)、黏土絮凝技術(shù)和人工介質(zhì)技術(shù)。同時，一些相關(guān)課題也對水位控制技術(shù)和水生生物調(diào)控技術(shù)進行了研究。水位控制技術(shù)主要是通過調(diào)水方案優(yōu)化以及生態(tài)水位研究，獲取對湖體水質(zhì)和水生植被生長改善最為顯著的調(diào)度方案。除以上生境改善技術(shù)之外，水生生物調(diào)控(生物操縱)技術(shù)在水生植被恢復(fù)，特別是富營養(yǎng)化水體藍藻水華治理中也常常被用到。水生生物調(diào)控技術(shù)主要是基于Shapiro和謝平提出的經(jīng)典和非經(jīng)典生物操縱概念發(fā)展起來的，目前已成為控制富營養(yǎng)化湖泊藍藻水華的重要方法之一，相關(guān)技術(shù)已在水專項“湖蕩濕地重建與生態(tài)修復(fù)技術(shù)及工程示范”以及“太湖貢湖生態(tài)修復(fù)模式工程技術(shù)研究與綜合示范”等課題中得到應(yīng)用。

目前，針對水體污染等問題研發(fā)的水生植被群落構(gòu)建技術(shù)主要包括原位種植、生態(tài)浮床和人工濕地等相關(guān)技術(shù)，各項技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于復(fù)合生態(tài)池、凈化塘和城市湖泊等水體的生態(tài)修復(fù)中。水專項中通過“調(diào)水引流工程水質(zhì)保障與湖體水質(zhì)改善關(guān)鍵技術(shù)及綜合評估”與“太湖貢湖生態(tài)修復(fù)模式工程技術(shù)研究與綜合示范”等課題的研究與示范，研發(fā)了一種適用于水位變化大流速水域的圓形可裝卸生態(tài)浮床技術(shù)、高藻敞水區(qū)生態(tài)調(diào)控和水生植被重建技術(shù)以及水文條件多變區(qū)域沉水植物生物多樣性維持穩(wěn)定技術(shù)等一系列技術(shù)，為大水面水生植被恢復(fù)提供了技術(shù)支撐。

一種適用于水位變化大流速水域的圓形可裝卸生態(tài)浮床技術(shù)中生態(tài)浮床主要由骨干支架、仿生型填料、可方便拆卸的標(biāo)準(zhǔn)化植物籃以及水生植物等部分構(gòu)成，其中所栽植的水生植物可根據(jù)季節(jié)及不同需求進行更換，同時可營造出一定的景觀效果，既不影響航運，還能夠產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。高藻敞水區(qū)生態(tài)調(diào)控和水生植被重建技術(shù)則是針對透明度低、水體氨氮含量高的水域沉水植物較難恢復(fù)等問題研發(fā)的水生植被群落構(gòu)建技術(shù)，主要由沉水植物快繁技術(shù)、種植密度和方式優(yōu)化選取以及水質(zhì)改善技術(shù)等幾部分組成。水文條件多變區(qū)域沉水植物生物多樣性維持穩(wěn)定技術(shù)通過原位及室內(nèi)模擬實驗，合理配置沉水植物群落，結(jié)合人工水草與浮葉植物來降低風(fēng)浪等對沉水植物群落穩(wěn)定性的影響，實現(xiàn)了沉水植物存活率的提高。

水生植物群落的形成并非一朝一夕，在水生植物構(gòu)建配置完成后，為了使群落趨于穩(wěn)定，需要對水生植物群落的周邊環(huán)境包括湖泊物理環(huán)境、水文環(huán)境、生物環(huán)境進行控制和管理，這也是水生植物群落恢復(fù)后能夠長效穩(wěn)定維持的關(guān)鍵。

基于“十一五”期間“太湖水源地水質(zhì)保護技術(shù)及工程示范與東太湖沼澤化防治”水專項課題，建立了湖泊各區(qū)域沼澤化程度判定技術(shù)體系，在水生植被水質(zhì)凈化區(qū)設(shè)立合理的水生植物刈割時間和刈割程度，達到既從濕地內(nèi)移除大量匯集于植物體內(nèi)的營養(yǎng)鹽，又降低由于植物腐爛可能引起的水體二次污染的目的。另外，“十二五”期間“太湖貢湖生態(tài)修復(fù)模式工程技術(shù)研究與綜合示范”課題，針對生態(tài)修復(fù)工程建成后缺乏長效管理、難以長期穩(wěn)定運行的問題，研究形成了整裝成套的社會化運作的長效運行管理模式，為太湖流域的大規(guī)模生態(tài)建設(shè)提供技術(shù)支撐。

3 應(yīng)用示范案例

“十一五”期間，該成套技術(shù)支撐了太湖金墅水源保護區(qū)綜合治理示范工程，該工程總面積約為42 km，其中水域面積約20 km，陸域面積約22 km。在工程實施后，河道沉水植被的覆蓋率達到90%左右，透明度保持1.5 m以上，水質(zhì)基本達到國家地表水Ⅲ類。在東太湖濱岸靜水A區(qū)(16 350 m)、近岸小風(fēng)浪B區(qū)(114 937 m)以及湖心大風(fēng)浪C區(qū)(114 937 m)應(yīng)用實施后，A區(qū)年處理污水1.9×10m，對NO-N和PO-P的去除率分別達79.8%和50.9%，生物多樣性顯著提高，水生植被實現(xiàn)自我維持，水質(zhì)與水體透明度均得到顯著提高；B區(qū)植被覆蓋率達80%以上，生物多樣性顯著提高，水質(zhì)得到改善，并在示范工程內(nèi)出現(xiàn)清潔種——大茨藻；C區(qū)水生植被覆蓋率在30%以上，水質(zhì)得以初步改善，生物多樣性提高，也出現(xiàn)水生植物清潔種。

在“十二五”期間，在太湖貢湖灣建成面積為2.32 km的大規(guī)模、大范圍具有清水產(chǎn)流功能的生態(tài)修復(fù)綜合示范區(qū)。通過模式工程技術(shù)體系的示范應(yīng)用，有效地改善了示范區(qū)水體生態(tài)環(huán)境，提高了水生植物的成活率和建群效率，增強了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合示范區(qū)已經(jīng)穩(wěn)定運行近3年，水質(zhì)在短期內(nèi)由初期的劣V類提高到IV類，氮磷濃度得到有效削減，透明度提高到70 cm以上，水生植物種數(shù)超過50種，水生植被覆蓋率50%以上。生物多樣性大幅提升，水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，已建成太湖流域水生植物種源庫53 300 m，成功保育原生水生植物57種；建設(shè)完成建筑面積1 500 m的研究和展示基地，管理和研究隊伍已組建完成，形成水質(zhì)、氣象監(jiān)測能力，并展示了水專項有關(guān)的太湖流域生態(tài)治理的成果。

在太湖流域之外，該成套技術(shù)也得到了推廣應(yīng)用，如淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)與優(yōu)化管理研究，在洋瀾湖生態(tài)修復(fù)區(qū)應(yīng)用懸浮物削減與抑制和營養(yǎng)鹽削減與控制兩項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了健康水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建和水質(zhì)改善，生態(tài)修復(fù)成套技術(shù)在安徽省焦崗湖、湖北省武山湖濕地公園、貴州人民公園等生態(tài)修復(fù)工程中均得到了推廣應(yīng)用，并取得了明顯的水質(zhì)和生態(tài)改善效果。

4 建議

水生植被傳統(tǒng)調(diào)查方法和遙感監(jiān)測方法均具有其各自的優(yōu)缺點。傳統(tǒng)調(diào)查方法耗時、耗力，覆蓋區(qū)域不夠全面，只能獲得調(diào)查點位的信息；遙感監(jiān)測方法能夠覆蓋所有區(qū)域，數(shù)據(jù)獲取更簡單，但卻不夠精細(xì)，不能準(zhǔn)確反應(yīng)特定物種的信息。所以，應(yīng)繼續(xù)深入開展水生植被現(xiàn)狀監(jiān)測方法的研究，為水生植被群落研究和管理提供重要支撐。

首先，應(yīng)繼續(xù)開展環(huán)境因子對水生植被生長影響機理的研究，在此基礎(chǔ)上，確定太湖水生植被潛力恢復(fù)區(qū)；其次，加強與分子生物學(xué)等相關(guān)技術(shù)的結(jié)合，從微觀方面研究水生生物與生境條件之間的相互關(guān)系；第三，重點研究敞水區(qū)水生植被恢復(fù)生境條件改善技術(shù)；第四，進一步評估生物調(diào)控技術(shù)對原有生態(tài)系統(tǒng)影響的研究，比如魚類人工放流等。

目前，水生植物恢復(fù)的研究仍集中在湖泊濱岸帶或河道區(qū)域，而針對敞水區(qū)的研究非常匱乏，所以今后應(yīng)加強對淺水湖泊敞水區(qū)水生植物恢復(fù)技術(shù)的研究；另外，應(yīng)加強一些特有種恢復(fù)技術(shù)的研究，進一步增加水生植物的生物多樣性。

水生植被恢復(fù)成功之后，大部分工程在前期對水質(zhì)和水體生態(tài)系統(tǒng)均具有較好的改善作用，但時間一長，修復(fù)后的生態(tài)系統(tǒng)都存在崩潰或變差的趨勢，這與修復(fù)后的管理措施密切相關(guān)。而相對水生植物的恢復(fù)技術(shù)研究，恢復(fù)之后水生植物群落管理技術(shù)的研究仍較少。

目前，關(guān)于湖泊水生植被現(xiàn)狀監(jiān)測、群落恢復(fù)、后期管理以及評價的國家和地方標(biāo)準(zhǔn)仍相對匱乏，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定可以進一步完善水生植被恢復(fù)研究，規(guī)范相關(guān)工程的實施，并評價修復(fù)的效果，最終指導(dǎo)我國湖泊生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)。