武漢東湖的生態(tài)環(huán)境變遷與恢復問題

武漢東湖的生態(tài)環(huán)境變遷與恢復問題摘要：武漢東湖的治理問題受到了各方面關注。本文根據(jù)東湖多年的環(huán)境監(jiān)測、科學調查的數(shù)據(jù)、成果，概述東湖水生態(tài)環(huán)境從70年代來的演變、惡化和富營養(yǎng)化情況，分析了東湖近十多年來的治理成效和存在的問題。文章的重點在湖泊的恢復，就東湖的特點在內、外源治理、恢復響應時間、生物控制等介紹了國外的經驗，并提出了建議。關鍵詞：富營養(yǎng)化；生態(tài)系統(tǒng)；湖泊；恢復；污染治理1自然概況東湖匯水面積119km2；平常水位17.7m（吳凇高程）時，湖面積30.75km2，湖容積72.5X106m3。地屬亞熱帶季風區(qū)，年降雨量：1150-1190mm，蒸發(fā)量1148mm，日照：1950-2050h/a,kJ/cm2,年均氣溫16.4oC。東湖常年水深：2.21m，屬長江中游的中型淺水型湖泊；湖水不存在溫躍層，上下溫差小，年均水溫：18.6oC。冬季湖面無冰。湖底質主要為重粘土和腐質泥，平均厚度0.5m。東湖原為開放性水系，50年代起逐漸成為受人為控制的半封閉、封閉型湖泊，由10個子湖組成。2社會經濟概況東湖位于武漢市武昌地區(qū)，跨三個市（行政）區(qū)，周邊集中了省政府機關、大專院校、科研院所、風景療養(yǎng)；有東湖高新技術開發(fā)區(qū)，因東湖為國家風景名勝區(qū)而成立了東湖風景管理區(qū)。東湖匯水面積范圍內，人口約80萬；西部（水果湖地區(qū)）和西南部湖岸居民密集，企事業(yè)、文教單位云集，集中了70～80%的人口，人口密度8000人/km2以上。東湖南部也正開發(fā)為高新技術區(qū)。至上世紀80年代，周圍農田面積還有22km2，以蔬菜、林果、養(yǎng)殖為主，近年已被大量開發(fā)、占用。3水生生物狀況變遷由于水質污染逐年加劇，東湖水生態(tài)環(huán)境及水生生物狀況在近30年里發(fā)生了相應的變化[1],[4],[5]。變化情況歸納如下：3.1浮游植物藻類：有的門類屬數(shù)如金藻、黃藻大量減少，而藍藻、綠藻增加，60年代東湖浮游植物以甲藻、硅藻為主，到80年代已被藍藻、綠藻替代（見表1），藍藻尤其突出，生物量占優(yōu)勢，浮游植物多樣性指數(shù)逐年也明顯降低。葉綠素a（Chla）：湖水中葉綠素a的含量代表湖中浮游植物的生物量，也是評價湖泊富營養(yǎng)化程度的一個指標。監(jiān)測數(shù)據(jù)反映東湖6月-11月（夏、秋）的葉綠素a濃度較高，70年代以來呈增長趨勢；從湖區(qū)分布來說，水果湖>郭鄭湖>湯菱湖。3.2水生維管束植物群落60年代初的調查表明水生植物計有83種，分別隸屬于53屬29科。1963年全湖的植被占總面積的83%，黃絲草（Potamogetonmaakianus）遍布所有植物群叢中，后逐年減少，1975年調查發(fā)現(xiàn)已基本絕跡。維管束沉水植物—水生大型植物的消失導致浮游藻類的大量孳生，進一步壓制了維管束植物的恢復。水生植物狀況表明了東湖的水生態(tài)環(huán)境的總體惡化。表1東湖（郭鄭湖）各門浮游植物組成（%）年代藍藻硅藻綠藻甲藻裸藻金藻黃藻1956-5711.817.8513.6544.450.8510.90.71962-6334.555.526.321.20.511.80.11973-7939.58.1325.3524.130.92.3-1980-8634.217.029.7415.60.82.66-3.3浮游動物與底棲動物60年代初共發(fā)現(xiàn)浮游動物203種，其中原生動物84種，輪蟲82種，枝角類23種，撓足類14種。70年代后的調查發(fā)現(xiàn)，原生動物、輪蟲的多樣性指數(shù)呈下降趨勢。底棲動物的種類60年代初記錄了寡毛類18種，水生昆蟲54種，軟體動物41種。70年代末期的調查已發(fā)現(xiàn)各類種群數(shù)均顯著下降。3.4魚類資源據(jù)1970年以前的調查，東湖魚類計有18科67種之多，有養(yǎng)殖魚類：鰱、鳙、草、鳊魴等，還有長江補水帶來的天然魚類：鯉、鯽、翹嘴紅鮊、蒙古紅鮊、鱖魚等。目前，由于水體污染、自然生態(tài)環(huán)境惡化，大型水草的消失等因素，以較為耐污染的鰱、鳙等人工放養(yǎng)魚類為主體；東湖水產養(yǎng)殖遍及全湖，面積達30km2，但年產鮮魚1000t左右。4富營養(yǎng)化與生態(tài)惡化始于70年代后期的東湖多次營養(yǎng)化水平調查研究均表明東湖總體處于富營養(yǎng)化，但各子湖有程度不同。湖北省與武漢市環(huán)境監(jiān)測站從70年代末開始水質監(jiān)測，透明度、TP、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、KN、Chla（葉綠素a）為常規(guī)測定與評價指標。以Vollenweider與Dillon以及其它方法評價均表明人口密集西南部的水果湖、廟湖處于重富營養(yǎng)化水平，整個郭鄭湖的營養(yǎng)化水平也很高。從水質分析評價，水果湖、廟湖均為V類，郭鄭湖為IV類[1],[5]說明了營養(yǎng)化水平與水質污染程度密切相關。綜上所述，東湖生態(tài)惡化的主要特征是：水生生物種群在70年代后急劇變化，群落結構趨向簡單、小型浮游生物增加，造成生物多樣性指數(shù)下降。東湖生態(tài)狀況總體惡化。水華：東湖在60－70年代藍藻門中的微囊藻（Microcystis）、魚腥藻(Anabaena)等大型種類占優(yōu)勢,70年代后每年夏季藍藻（主要是銅銹微囊藻（Microcystisaeruginosa）水華爆發(fā)。1984年后藍藻水華卻消失了，但并非說明富營養(yǎng)化程度有所降低[3]。5武漢東湖的治理5.1污染概況武漢市環(huán)境監(jiān)測、科研單位對東湖污染源的系統(tǒng)調查[5]，截至2001年的數(shù)據(jù)表明，東湖點源污染以城市生活為主，污水量：316X103m3/d，其中已截污的僅占16.8％；TP、BOD為主要污染物。東湖非點源污染的調查包括（匯水區(qū)范圍內）地表徑流、降雨、旅游、養(yǎng)魚（餌料投放）的污染負荷.TP、BOD。點源的TP、BOD負荷（2001年的數(shù)據(jù)）仍占主導地位。5.2治理內容富營養(yǎng)湖泊的治理包括污染源削減（點源截污、面源控制）和后期的湖泊恢復（又稱修復）包括內負荷治理。工業(yè)化國家的城市基礎設施（下水道、污水處理廠等）較健全，北歐、西歐污染湖泊的點源截污較早（60-70年代）就基本完成，從70-80年代開始在基本完成點源治理后著手恢復工作。點源、面源又統(tǒng)稱外負荷，相對而言，外負荷的點源治理難度較小。5.3點源治理–東湖治理的啟動武漢市城市環(huán)境基礎設施建設歷史欠帳多。以東湖地區(qū)為例，始于80年代的東湖周邊城市污水治理歷經了艱難（建設及運行資金不足、管網配套不全等），1994年后省、市政府啟動世界銀行貸款治污項目[1]，但東湖水質惡化還在加劇，其重要原因是截污能力遠未滿足要求，管網不健全，尤其是配套的二、三級支管多數(shù)未建；其二，污水處理能力不足。近來世行貸款武漢市城市污水綜合治理項目調整了內容。根據(jù)初步設計，到2002年底，東湖14個排污口被截流，新建成兩個一級污水處理廠、原沙湖5萬t/d(二級)再擴5萬t/d(一級)，沙湖污水處理系統(tǒng)的管網將得到完善。東湖的截污率將有較大的提高（從16.8％增至87.9％），外負荷會得到大幅度削減。6東湖生態(tài)環(huán)境恢復問題由于市政基礎設施建設長期滯后于城市發(fā)展，作為典型的城市湖泊，東湖大量接納城市生活污水、工業(yè)廢水，經歷了三十多年富營養(yǎng)化過程，水環(huán)境惡化。東湖治理勢在必行，武漢市在東湖周邊的污水治理力度逐年加大，特別是‘九五’期間國家發(fā)布一系列有利與城市污水處理設施建設的規(guī)定、技術政策以及湖北省的世行貸款項目的建設，給東湖的水質改善帶來了希望。如果外源的治理比較徹底，東湖有可能進入（發(fā)達國家在70-80年代的）湖泊生態(tài)恢復階段。當前，公眾普遍關注的問題是，一系列投入巨資的截污、污水處理工程上馬建設后，還要等多久才能還一湖清水于東湖。筆者借鑒歐洲和北美湖泊治理、生態(tài)恢復研究與取得的進展，對東湖治理與恢復提出以下看法。6.1富營養(yǎng)化控制與生態(tài)恢復由于大部分湖泊的富營養(yǎng)化限制因子（但也又例外）是磷–東湖亦然（多數(shù)研究報道）[4]。迄今研究多涉及Chla與TP（總磷）或OP（正磷酸鹽）的關系，即反映外負荷削減與富營養(yǎng)化程度的關系。又，通常以葉綠素a為控制指標，說明湖泊為‘藻型’還是‘草型’（macrophytes-dominated），后者視為生態(tài)恢復的標志。大量研究表明：1）營養(yǎng)物的輸入值與浮游植物量為非線性關系：呈拋物線關系上升，然后趨于平緩，即磷濃度升高而Chla濃度會幾乎不變。研究這種關系證明：外負荷磷只有削減到足夠（達某一臨界值）時，水質才會有改善（Chla濃度下降），否則變化極小,這種非線性關系見圖1；2)營養(yǎng)物削減改變水體營養(yǎng)狀態(tài)，而只有導致食物網結構變化時才能使湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)有所變化，因此有恢復響應的滯后。有關富營養(yǎng)化湖泊的生態(tài)恢復研究結果，可以歸納為以下幾點：1）截污、削減外負荷是前提，也是第一步；2）通過削減外負荷來恢復生態(tài)、改善水質存在著不確定因素；3）影響湖泊恢復的一些因素如下：a)湖泊遭受污染時間的長短：污染時間愈長，對外負荷削減的反應愈慢，恢復慢。有研究表明[8]：長期的（幾十年）湖泊富營養(yǎng)化會使底泥中的營養(yǎng)物趨向飽和，而一旦底泥磷飽和在湖泊外負荷去除后其釋放又極緩慢，可能與其富營養(yǎng)化的時間相當，這意味著恢復時間會很長。b)底泥（沉積物）的作用–內負荷，在外部污染切斷后持久的內源起主要作用，延遲、制約湖泊的恢復。瑞典湖泊專家[7]測定過一系列湖泊的內源–磷負荷的強度范圍可以相當高，是外負荷/年的22-400%，去除外源后在內源影響之下，湖水的磷濃度會很高。c)攝取營養(yǎng)物的浮游植物在營養(yǎng)物減少的情況下會自行調節(jié)而提高其營養(yǎng)物吸收利用率，從而維持其生物量穩(wěn)定、不變。因此葉綠素a濃度會長期較為穩(wěn)定[9],[11]。湖泊食物網情況；浮游動物、魚類。浮游動物生物量對浮游植物量的抑制，有助于湖泊恢復[10],此外還須減少專以浮游動物為食的魚類，這就是國外通常稱的bio-manipulation（生物控制），具體操作很復雜。某些魚以浮游植物為食，而經常引發(fā)水華的藍藻顆粒太小，可食性差。但近年中科院水生所發(fā)現(xiàn)鰱、鳙魚對微囊藻的食性，認為對東湖藍藻門的銅銹微囊藻水華的抑制與鰱、鳙魚的普遍放養(yǎng)有關[3]。大型水生植物的生長：從東湖生態(tài)環(huán)境的演變可見：富營養(yǎng)化–藻類過度生長、浮游植物多樣性銳減--黃絲草等大型維管束植物消退的過程。恢復浮游植物多樣性和大型水草是生態(tài)恢復的特征。水體透明度增加有利于大型水生植物的生長。湖泊的水力停留時間的影響：湖水的停留時間、與其它水體的交換率。g)外源負荷中難度較大的面源污染控制。國內外湖泊生態(tài)恢復實踐說明，須充分考慮各湖泊內部營養(yǎng)循環(huán)的復雜性，其利用營養(yǎng)物的獨特規(guī)律，以及以不同方式作出對外源減少后的恢復響應效果。在研究湖泊的恢復方面，國際上研制了很多模型，但多數(shù)學者認為存在著不易預測的‘不確定’自然因素，這種不確定性難以避免。總之，湖泊恢復滯后的情況客觀存在，很難拿出時間表來。著名湖泊富營養(yǎng)化研究學者R.A.Vollenweider（1985）指出：“許多實際情況表明，負荷要削減到所需要的程度（達到水質根本好轉）很難，即使能做到，這類湖泊恢復的時間也很長。”[6]6.2幾點建議外源污染的充分削減是湖泊恢復的前提。對東湖而言，部分處于市區(qū)，部分在城郊，點源和面源均不易控制。市區(qū)部分目前人口密度太大，房地產、商業(yè)、餐飲發(fā)展過度。因此首先應嚴格城市規(guī)劃，制止盲目發(fā)展，以確保東湖作為風景區(qū)的功能；處于城郊的地區(qū)，加強面源污染控制。由城市規(guī)劃部門劃定一定距離的湖邊防護帶，包括濕地、綠化帶，無論在郊區(qū)或城區(qū)都是積極、有效的措施。根據(jù)國外成功的經驗加大治理力度，應特別重視綜合治理。這包括除外源治理的其它措施：內源治理：針對東湖的情況（淺水類型）可考慮采用a）底泥疏浚，國內個別城市湖泊也搞過（如杭州西湖、九江甘棠湖等，湖面積都較小），耗資大而效果并不理想。國外采用專業(yè)設備，吸泥時能使底泥攪動減少；b)國外如瑞典的一些大湖使用特殊機械和化學、物理手段就地穩(wěn)定湖底沉積物中的磷，抑制磷的釋放。生物控制：一般以浮游植物和大型水草的競爭態(tài)勢判斷湖泊生態(tài)狀況，對浮游植物的控制有助于湖泊的恢復。藍藻、藍綠藻可食性差，而大型濾食性浮游動物索餌可制約藻類。國外經驗證明從‘藻型’湖向原來的大型水草轉化是一個復雜的生態(tài)過程，生物控制還須考慮魚類的影響，東湖同樣如此。近年中科院水生所研究發(fā)現(xiàn)某些魚種（鰱魚、鳙魚）的食藍藻（微囊藻）習性，證明了其抑制東湖的藍藻水華的作用，并提出了有效放養(yǎng)密度（劉健康，2002）。目前東湖諸多的漁場以經濟效益為主導的集約化養(yǎng)殖，不少人認為是過度的，不利于富營養(yǎng)化的治理，要求關停“轉向”。水生所研究成果表明了生物控制（包括魚類的參與）在湖泊綜合治理中不可忽視的作用，但如何控制、如何適度養(yǎng)魚，不僅是科研更是管理上的重要課題。參考資料[1]湖北省環(huán)境保護研究所，環(huán)境影響報告書--世界銀行貸款湖北城市環(huán)境項目武漢市城市污水綜合治理工程，1994.4[2]劉健康等，東湖生態(tài)學研究，科學出版社，1990[3]劉健康，東湖富營養(yǎng)化的成因分析和治理對策，武漢東湖環(huán)境管理和富營養(yǎng)化控制研討會論文匯編，2002.5[4]湖北省環(huán)境保護研究所，武漢東湖水體富營養(yǎng)化研究，[5]武漢市環(huán)科院，東湖水環(huán)境現(xiàn)狀及截污后氮磷總量控制和水體恢復研究，2003.11[6]Vollenweider,R.A.,Thescientificknowledgeoflakepollution,ProceedingsofInter.CongressofEWPCA,Rome,15-18April,1985[7]Ryding,S.O.,Forsberg,C.,1977,Sedimentsasanutrientsourceinshallowpollutedlakes.InH.Golterman(ed.),Interactionsbetweensedimentsandfreshwater.Dr.JunkPubl.,TheHague.[8]Schindler,D.W.,etal.,InteractionsbetweensedimentsandoverlyingwatersinanexperimentallyeutrophiedPrecambrianShieldlake.InH.Golterman(ed.),Interactionsbetweensedimentsandfreshwater.Dr.JunkPubl.,TheHague.[9]VanDijik,G.M.andJanse,J.H.,1993,ModellingresourceallocationinPotamogentonpectinatusL.J.Aquat.PlantMagmt,31:128-134[10]Lampert,W.,Theroleofzooplankton:anattempttoquantifygrazing,ProceedingsofInter.CongressofEWPCA,Rome,15-18April,1985[11]Janse,J.H.,1997,Amodelofnutrientdynamicsinshallowlakesinrelationtomultiplestablestates.Hydrobiologia342/343:1-8,1997EcologicalEnvironmentofEastLake:VicissitudeandRecove