研究背景

中國近一半的湖泊已變成富營養化湖泊，富營養化已成為一個嚴重的環境問題。湖泊富營養化不僅會對人類和動物的健康造成風險，還會造成經濟損失。例如，2007年5月，太湖嚴重藻華事件導致飲用水危機，影響了中國無錫約200萬人的飲用水供應，相關經濟損失估計為65億美元。近年來，中國中央政府推出了一系列嚴格的法律、計劃和指導方針來改善湖水質量。與此同時，利用改造農業灌溉渠、攔截雨水、過濾工業廢水等諸多綜合策略并行，減少了氮(N)、磷(P)的外部負荷。例如，改善湖泊和河流水質的投資從1994年的零多一點顯著增加到2014年的10000億元，建設污水處理廠去除污染物。2008-2011年，建成2006年污水處理能力6.39×107t/d的污水處理廠。因此，氮和磷的外部負荷顯著下降；然而，許多湖泊仍處于富營養化狀態。這可能是由于外部養分負荷減少不足、內部氮和磷負荷高以及生態系統退化。現有比較廣泛應用的湖泊修復方法主要有魚類生物處理、浮游動物生物處理、種植水下大型植物、構建生態浮床以及添加有效微生物。在過去的20年里，魚類生物處理已被廣泛應用。浮游食性魚類的去除增加了大型浮游動物和魚類的數量，減少了浮游植物的生物量，增加了淹沒大型植物的豐度。這種處理導致了葉綠素a（Chl-a）、總磷(TP)和總氮(TN)的顯著降低，并提高了透明度。深層植物的移植和保護對于淺水湖泊的長期恢復至關重要，并且仍將是未來重要的湖泊恢復措施。增加淹沒植物的覆蓋范圍和生物量可以顯著改善淺湖的生態功能。此外，飼養水生貽貝、操縱浮游動物、添加微生物劑和構建生態浮床可能有助于在外部營養負荷減少后改善湖泊的水質。這些研究結果可為富營養化湖泊的修復提供參考和指導。然而，環境、污染條件和生態結構的一些差異意味著對不同的湖泊需要不同的恢復措施。

研究方法

東坡湖是位于四川省眉山市的一個亞熱帶淺水湖（圖2），屬亞熱帶季風氣候濕潤的特征。年平均氣溫為16℃，1月最低月平均氣溫為6.2~6.8℃，7月和8月最高月平均氣溫為25.4~26.3℃。年平均降水量為1000~1500毫米，其中從6月到9月，降幅約為85%。

湖面總表面積約為60萬平方米，水深范圍為2.5~3.0米。它是一個相對封閉的城市水域，位于岷江的一條小支流上。東坡湖的水源主要來自上游溝渠和岷江（圖2）。水溫范圍在6到30℃之間。自21世紀初以來，由于污染物的輸入，這個湖已經變得富營養化。后來通過挖農業灌溉溝，攔截農業的氮和磷、鋪設管道攔截雨水、工業廢水和污水，建設污水處理廠，在污水排入湖中前去除污染水中的氮和磷，使外部養分負荷的減少，氮和磷的負荷急劇下降，但湖泊仍保持富營養化和渾濁。最初，在湖中沒有發現沉水植物。

東坡湖位于岷江的一條小支流上。在岷江的入口到小支流，建立了一個水閘作為預處理設施，以控制水流和攔截污染物。這樣可以控制東坡湖的流量，減少來自上游溝渠和岷江的污染物。在東坡湖的上游，水被分為兩部分。地表水其中一部分（14.6萬平方米）用來實施聯合生物治理項目(RLake)，另一部分約45萬平方米，作為對照(CLake)。流入RLake和CLake的水都來自于這個小支流。這兩個湖泊的進水污染物水平相似。在RLake的入口，建立了一個水閘，使RLake具有類似的水負荷和水流量。我們前期改造工程對湖區的河道、河床、護岸進行了優化。這兩個湖的水深相似。除了RLake的入口和出口外，RLake和CLake并沒有相互連接。它們與生態屏障相分割。除生物動力作用外，兩個湖泊的條件相似。因此，RLake與CLake具有相似性（圖2）。

RLake的修復項目于2015年11月開始進行修復已于2016年7月完成。修復項目包括四個步驟：（1）對水下植物、魚類、大型底棲動物和浮游動物群落進行了篩選，并確定了其初始生物量。（2）排干一些水，平整湖床上的土壤，為種植沉水植物提供合適的條件。移走魚類，為重建魚類群落提供適當的條件。（3）種植沉水植物，然后將水恢復到正常水平。加入選定的魚類、大型底棲生物和浮游動物。（4）觀察植物的生長和演替，控制病害，觀察動物群落的變化，及時調整，使其形成穩定的群落。將沉水植物種植在根深5~10cm的沉積物中。每叢種植5-7株，每平方米種植16株。水生動物包括魚類、大型底棲生物和浮游動物。恢復后使用捕魚器進行維持捕魚，以盡量減少補充補充的影響。

研究包括三個階段：2013-2014年（修復前），2015-2016年（修復期間），2017-2018年（修復后）。在RLake和CLake中分別隨機抽取10個和5個樣本點（圖2）。2013-2018年，RLake和CLake每年分別在春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）、冬季（1月）采集水樣、浮游動物和沉水植物樣本。從2016年起，每個季節在采樣點采集大型底棲生物。2017年10月，進行了魚類調查。

在RLake的10個采樣點采集0.5m深度的水樣，然后混合得到綜合水樣。以同樣的方法獲得了來自CLake的綜合水樣。用綜合后的水樣來分析化學變量。對TN、TP、銨氮（NH4-N）、溶解磷(DP)和浮游植物生物量進行分析。記錄每次采樣時的水溫和pH值。采用過濾法采集浮游動物樣本10L整合湖水樣通過20毫米濾膜裝入塑料瓶，然后加入3mL5%福爾馬林保存。浮游動物的生物量根據長度-重量關系進行估算。沉水植物采用定量采樣器采集，面積為0.18m2。隨后對收集的水下植物進行分選，用蒸餾水洗滌，105℃干燥24小時，然后稱重以確定生物量（干重）。

研究結果

各參數之間的關系如表1所示。Chl-a與TN、nh4-N、TP、DP等參數呈正相關。水生群落參數（水生植物覆蓋范圍、浮游動物平均直徑、底棲軟體動物密度）與營養參數（TN、NH4-N、TP、DP）和Chl-a呈負相關。水生群落參數（淹沒植物覆蓋范圍、浮游動物平均直徑、底棲軟體動物密度）均呈正相關。

TP和DP的變化趨勢相似（圖4A、B）。在RLake恢復前（2013年至2015年），TP的年平均范圍為濃度范圍為0.78~1.12mg L-1，DP濃度范圍為0.18~0.24mg L-1，TP和DP隨季節的變化而變化，恢復后，TP和DP均有顯著下降，分別為0.56~1.53mg L-1，0.16~0.31mg L-1。2017年至2018年，TP和DP值均低于0.05mg L-1。在CLake中，TP和DP在2013年至2015年的變化不顯著，而TP和DP在2016-2018年均緩慢下降(F=117.7，P<0.01；F=12.2，P<0.01)。RLake和CLake的TP和DP值沒有變化恢復前差異顯著(F=0.13，P>0.05；F=0.67，P>0.05)，RLake的TP和DP顯著低于CLake，P<0.01；F=9.31，P<0.05)(圖4A，B)。

在RLake中恢復后，TN和NH4-N的值多種多樣。TN和NH4-N相對穩定，平均值為0.66和0.025mg。2016-2018年，CLake的TN和NH4-N差異顯著(F=41.6，P<0.01；F=17.8，P<0.01)，但均遠高于RLake的對應值(F=15.4，P<0.01；F=22.3，P<0.01)(圖4C，D)。2013-2015年，RLake和CLake中Chl-a隨季節變化很大。最大值出現在夏季，濃度范圍為49.3~68.3mg m-3。RLake(26~30mg m-3)和CLake(26至34mg m-3)年平均值沒有太大差異(F=0.2，P>0.05)。從2016年開始，RLake和CLake的Chl-a明顯下降，但RLake的Chl-a比CLake的下降更多。2017年至2018年，RLake的Chl-a值范圍為1.4-4.1mg m-3，遠低于CLake(6.6-23.7mg m-3)(F=10.8, P<0.01)(Fig. 4 E).恢復前，RLake和CLake之間的浮游動物總生物量差異不顯著(F=0.1，P>0.05)。恢復后，CLake的浮游動物總生物量(37.25~48.25μg L-1)顯著高于在RLake(28.25~37.75μg L-1)(F=4.83，P<0.05)，而CLake的浮游動物生物量與Chl-a濃度的比值低于RLake(F=11.3，P<0.05)(圖4G)。恢復后，浮游動物的平均大小范圍為0.12-2.0mm，浮游動物大于0.6mm的占56%，CLake浮游動物平均大小為0.1-1.1mm，浮游動物大于0.6mm的占25%。在RLake中，RLake恢復前浮游動物的總生物量55.25~61.75μg L-1高于修復后28.75~37.75μg L-1(F=8.65，P<0.05)，而恢復前浮游動物生物量與Chl-a濃度的比值低于恢復后(F=10.8, P<0.05)(Fig. 4 G)。恢復前大小大于0.6mm的浮游動物比例低于恢復后。在CLake，浮游動物總生物量的變化，為浮游動物>值為0.6mm，浮游動物生物量：Chl-a濃度在恢復前后均不顯著。綜上所述，在大湖區的恢復過程中，浮游動物的生物量減少，但大型浮游動物的比例增加。修復后（2016-2018年），RLake軟體動物密度為89.9~128.9ind m-2，CLake軟體動物密度為34.7~38.8 ind m-2(圖4I)。RLake(111.5±19.8 ind m-2)遠高于CLake(36.7±2.1ind m-2)(F=243.1，P>0.05)。2013-2018年，CLake未發現沉水植物。修復前，RLake未發現沉水植物。2015年10月在RLake種植了沉水植物后，2018年，沉水植物的覆蓋率增加到86%（圖5）。占主導地位的是苦草。從2017年開始，收獲了近350g m-2干重(dw)的沉水植物。

研究結論

控制污染源和減少內部養分負荷是提高湖泊水質的兩種途徑。該聯合生物調控項目，包括建設水下植物、魚類、大型底棲生物和浮游動物群落，可能是恢復富營養化湖泊的一種有效方法。生態恢復項目調整了RLake的水生生態系統，水生群落之間的許多正反饋效應幫助湖泊減少了TN、TP和Chl-a。恢復后的維持和長期影響的持續監測也是必要的，需要進一步研究。

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