武漢東湖的生態(tài)環(huán)境變遷與恢復(fù)問題

武漢東湖的生態(tài)環(huán)境變遷與恢復(fù)問題摘要：武漢東湖的治理問題受到了各方面關(guān)注。本文根據(jù)東湖多年的環(huán)境監(jiān)測(cè)、科學(xué)調(diào)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(yíng)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(diǎn)在湖泊的恢復(fù)，就東湖的特點(diǎn)在內(nèi)、外源治理、恢復(fù)響應(yīng)時(shí)間、生物控制等介紹了國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，并提出了建議。關(guān)鍵詞：富營(yíng)養(yǎng)化；生態(tài)系統(tǒng)；湖泊；恢復(fù)；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(shí)，湖面積30.75km2，湖容積72.5X106m3。地屬亞熱帶季風(fēng)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(zhǎng)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(zhì)主要為重粘土和腐質(zhì)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(gè)子湖組成。2社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況東湖位于武漢市武昌地區(qū)，跨三個(gè)市（行政）區(qū)，周邊集中了省政府機(jī)關(guān)、大專院校、科研院所、風(fēng)景療養(yǎng)；有東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，因東湖為國(guó)家風(fēng)景名勝區(qū)而成立了東湖風(fēng)景管理區(qū)。東湖匯水面積范圍內(nèi)，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(shù)區(qū)。至上世紀(jì)80年代，周圍農(nóng)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(zhì)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(yīng)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(lán)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(lán)藻、綠藻替代（見表1），藍(lán)藻尤其突出，生物量占優(yōu)勢(shì)，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(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度的一個(gè)指標(biāo)。監(jiān)測(cè)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(zhǎng)趨勢(shì)；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(diào)查表明水生植物計(jì)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(diào)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(dǎo)致浮游藻類的大量孳生，進(jìn)一步壓制了維管束植物的恢復(fù)。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(lán)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(dòng)物與底棲動(dòng)物60年代初共發(fā)現(xiàn)浮游動(dòng)物203種，其中原生動(dòng)物84種，輪蟲82種，枝角類23種，撓足類14種。70年代后的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原生動(dòng)物、輪蟲的多樣性指數(shù)呈下降趨勢(shì)。底棲動(dòng)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(dòng)物41種。70年代末期的調(diào)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(diào)查，東湖魚類計(jì)有18科67種之多，有養(yǎng)殖魚類：鰱、鳙、草、鳊魴等，還有長(zhǎng)江補(bǔ)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(chǎn)養(yǎng)殖遍及全湖，面積達(dá)30km2，但年產(chǎn)鮮魚1000t左右。4富營(yíng)養(yǎng)化與生態(tài)惡化始于70年代后期的東湖多次營(yíng)養(yǎng)化水平調(diào)查研究均表明東湖總體處于富營(yíng)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(cè)站從70年代末開始水質(zhì)監(jiān)測(cè)，透明度、TP、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、KN、Chla（葉綠素a）為常規(guī)測(cè)定與評(píng)價(jià)指標(biāo)。以Vollenweider與Dillon以及其它方法評(píng)價(jià)均表明人口密集西南部的水果湖、廟湖處于重富營(yíng)養(yǎng)化水平，整個(gè)郭鄭湖的營(yíng)養(yǎng)化水平也很高。從水質(zhì)分析評(píng)價(jià)，水果湖、廟湖均為V類，郭鄭湖為IV類[1],[5]說明了營(yíng)養(yǎng)化水平與水質(zhì)污染程度密切相關(guān)。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(jié)構(gòu)趨向簡(jiǎn)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(lán)藻門中的微囊藻（Microcystis）、魚腥藻(Anabaena)等大型種類占優(yōu)勢(shì),70年代后每年夏季藍(lán)藻（主要是銅銹微囊藻（Microcystisaeruginosa）水華爆發(fā)。1984年后藍(lán)藻水華卻消失了，但并非說明富營(yíng)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(cè)、科研單位對(duì)東湖污染源的系統(tǒng)調(diào)查[5]，截至2001年的數(shù)據(jù)表明，東湖點(diǎn)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(diǎn)源污染的調(diào)查包括（匯水區(qū)范圍內(nèi)）地表徑流、降雨、旅游、養(yǎng)魚（餌料投放）的污染負(fù)荷.TP、BOD。點(diǎn)源的TP、BOD負(fù)荷（2001年的數(shù)據(jù)）仍占主導(dǎo)地位。5.2治理內(nèi)容富營(yíng)養(yǎng)湖泊的治理包括污染源削減（點(diǎn)源截污、面源控制）和后期的湖泊恢復(fù)（又稱修復(fù)）包括內(nèi)負(fù)荷治理。工業(yè)化國(guó)家的城市基礎(chǔ)設(shè)施（下水道、污水處理廠等）較健全，北歐、西歐污染湖泊的點(diǎn)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(diǎn)源治理后著手恢復(fù)工作。點(diǎn)源、面源又統(tǒng)稱外負(fù)荷，相對(duì)而言，外負(fù)荷的點(diǎn)源治理難度較小。5.3點(diǎn)源治理–東湖治理的啟動(dòng)武漢市城市環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(jīng)了艱難（建設(shè)及運(yùn)行資金不足、管網(wǎng)配套不全等），1994年后省、市政府啟動(dòng)世界銀行貸款治污項(xiàng)目[1]，但東湖水質(zhì)惡化還在加劇，其重要原因是截污能力遠(yuǎn)未滿足要求，管網(wǎng)不健全，尤其是配套的二、三級(jí)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(xiàng)目調(diào)整了內(nèi)容。根據(jù)初步設(shè)計(jì)，到2002年底，東湖14個(gè)排污口被截流，新建成兩個(gè)一級(jí)污水處理廠、原沙湖5萬t/d(二級(jí))再擴(kuò)5萬t/d(一級(jí))，沙湖污水處理系統(tǒng)的管網(wǎng)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(fù)荷會(huì)得到大幅度削減。6東湖生態(tài)環(huán)境恢復(fù)問題由于市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)長(zhǎng)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(jīng)歷了三十多年富營(yíng)養(yǎng)化過程，水環(huán)境惡化。東湖治理勢(shì)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(guó)家發(fā)布一系列有利與城市污水處理設(shè)施建設(shè)的規(guī)定、技術(shù)政策以及湖北省的世行貸款項(xiàng)目的建設(shè)，給東湖的水質(zhì)改善帶來了希望。如果外源的治理比較徹底，東湖有可能進(jìn)入（發(fā)達(dá)國(guó)家在70-80年代的）湖泊生態(tài)恢復(fù)階段。當(dāng)前，公眾普遍關(guān)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(shè)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(fù)研究與取得的進(jìn)展，對(duì)東湖治理與恢復(fù)提出以下看法。6.1富營(yíng)養(yǎng)化控制與生態(tài)恢復(fù)由于大部分湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化限制因子（但也又例外）是磷–東湖亦然（多數(shù)研究報(bào)道）[4]。迄今研究多涉及Chla與TP（總磷）或OP（正磷酸鹽）的關(guān)系，即反映外負(fù)荷削減與富營(yíng)養(yǎng)化程度的關(guān)系。又，通常以葉綠素a為控制指標(biāo)，說明湖泊為‘藻型’還是‘草型’（macrophytes-dominated），后者視為生態(tài)恢復(fù)的標(biāo)志。大量研究表明：1）營(yíng)養(yǎng)物的輸入值與浮游植物量為非線性關(guān)系：呈拋物線關(guān)系上升，然后趨于平緩，即磷濃度升高而Chla濃度會(huì)幾乎不變。研究這種關(guān)系證明：外負(fù)荷磷只有削減到足夠（達(dá)某一臨界值）時(shí)，水質(zhì)才會(huì)有改善（Chla濃度下降），否則變化極小,這種非線性關(guān)系見圖1；2)營(yíng)養(yǎng)物削減改變水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，而只有導(dǎo)致食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化時(shí)才能使湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)有所變化，因此有恢復(fù)響應(yīng)的滯后。有關(guān)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的生態(tài)恢復(fù)研究結(jié)果，可以歸納為以下幾點(diǎn)：1）截污、削減外負(fù)荷是前提，也是第一步；2）通過削減外負(fù)荷來恢復(fù)生態(tài)、改善水質(zhì)存在著不確定因素；3）影響湖泊恢復(fù)的一些因素如下：a)湖泊遭受污染時(shí)間的長(zhǎng)短：污染時(shí)間愈長(zhǎng)，對(duì)外負(fù)荷削減的反應(yīng)愈慢，恢復(fù)慢。有研究表明[8]：長(zhǎng)期的（幾十年）湖泊富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)使底泥中的營(yíng)養(yǎng)物趨向飽和，而一旦底泥磷飽和在湖泊外負(fù)荷去除后其釋放又極緩慢，可能與其富營(yíng)養(yǎng)化的時(shí)間相當(dāng)，這意味著恢復(fù)時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。b)底泥（沉積物）的作用–內(nèi)負(fù)荷，在外部污染切斷后持久的內(nèi)源起主要作用，延遲、制約湖泊的恢復(fù)。瑞典湖泊專家[7]測(cè)定過一系列湖泊的內(nèi)源–磷負(fù)荷的強(qiáng)度范圍可以相當(dāng)高，是外負(fù)荷/年的22-400%，去除外源后在內(nèi)源影響之下，湖水的磷濃度會(huì)很高。c)攝取營(yíng)養(yǎng)物的浮游植物在營(yíng)養(yǎng)物減少的情況下會(huì)自行調(diào)節(jié)而提高其營(yíng)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(huì)長(zhǎng)期較為穩(wěn)定[9],[11]。湖泊食物網(wǎng)情況；浮游動(dòng)物、魚類。浮游動(dòng)物生物量對(duì)浮游植物量的抑制，有助于湖泊恢復(fù)[10],此外還須減少專以浮游動(dòng)物為食的魚類，這就是國(guó)外通常稱的bio-manipulation（生物控制），具體操作很復(fù)雜。某些魚以浮游植物為食，而經(jīng)常引發(fā)水華的藍(lán)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(duì)微囊藻的食性，認(rèn)為對(duì)東湖藍(lán)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(guān)[3]。大型水生植物的生長(zhǎng)：從東湖生態(tài)環(huán)境的演變可見：富營(yíng)養(yǎng)化–藻類過度生長(zhǎng)、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?；謴?fù)浮游植物多樣性和大型水草是生態(tài)恢復(fù)的特征。水體透明度增加有利于大型水生植物的生長(zhǎng)。湖泊的水力停留時(shí)間的影響：湖水的停留時(shí)間、與其它水體的交換率。g)外源負(fù)荷中難度較大的面源污染控制。國(guó)內(nèi)外湖泊生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐說明，須充分考慮各湖泊內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的復(fù)雜性，其利用營(yíng)養(yǎng)物的獨(dú)特規(guī)律，以及以不同方式作出對(duì)外源減少后的恢復(fù)響應(yīng)效果。在研究湖泊的恢復(fù)方面，國(guó)際上研制了很多模型，但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為存在著不易預(yù)測(cè)的‘不確定’自然因素，這種不確定性難以避免。總之，湖泊恢復(fù)滯后的情況客觀存在，很難拿出時(shí)間表來。著名湖泊富營(yíng)養(yǎng)化研究學(xué)者R.A.Vollenweider（1985）指出：“許多實(shí)際情況表明，負(fù)荷要削減到所需要的程度（達(dá)到水質(zhì)根本好轉(zhuǎn)）很難，即使能做到，這類湖泊恢復(fù)的時(shí)間也很長(zhǎng)?！盵6]6.2幾點(diǎn)建議外源污染的充分削減是湖泊恢復(fù)的前提。對(duì)東湖而言，部分處于市區(qū)，部分在城郊，點(diǎn)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(chǎn)、商業(yè)、餐飲發(fā)展過度。因此首先應(yīng)嚴(yán)格城市規(guī)劃，制止盲目發(fā)展，以確保東湖作為風(fēng)景區(qū)的功能；處于城郊的地區(qū)，加強(qiáng)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(hù)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(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn)加大治理力度，應(yīng)特別重視綜合治理。這包括除外源治理的其它措施：內(nèi)源治理：針對(duì)東湖的情況（淺水類型）可考慮采用a）底泥疏浚，國(guó)內(nèi)個(gè)別城市湖泊也搞過（如杭州西湖、九江甘棠湖等，湖面積都較?。?，耗資大而效果并不理想。國(guó)外采用專業(yè)設(shè)備，吸泥時(shí)能使底泥攪動(dòng)減少；b)國(guó)外如瑞典的一些大湖使用特殊機(jī)械和化學(xué)、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(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)判斷湖泊生態(tài)狀況，對(duì)浮游植物的控制有助于湖泊的恢復(fù)。藍(lán)藻、藍(lán)綠藻可食性差，而大型濾食性浮游動(dòng)物索餌可制約藻類。國(guó)外經(jīng)驗(yàn)證明從‘藻型’湖向原來的大型水草轉(zhuǎn)化是一個(gè)復(fù)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(lán)藻（微囊藻）習(xí)性，證明了其抑制東湖的藍(lán)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(chǎng)以經(jīng)濟(jì)效益為主導(dǎo)的集約化養(yǎng)殖，不少人認(rèn)為是過度的，不利于富營(yíng)養(yǎng)化的治理，要求關(guān)?！稗D(zhuǎn)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(hù)研究所，環(huán)境影響報(bào)告書--世界銀行貸款湖北城市環(huán)境項(xiàng)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(xué)研究，科學(xué)出版社，1990[3]劉健康，東湖富營(yíng)養(yǎng)化的成因分析和治理對(duì)策，武漢東湖環(huán)境管理和富營(yíng)養(yǎng)化控制研討會(huì)論文匯編，2002.5[4]湖北省環(huán)境保護(hù)研究所，武漢東湖水體富營(yíng)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(fù)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