曝气联合生物制剂对白洋淀沟壕水体的修复效果研究

李晓莉,代梨梨,陶 玲,彭 亮,李 谷

(中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉 430223)

湖泊是重要的地表水资源，既具有灌溉、蓄洪、运输、生产等功能，又可以影响当地的气候。如何可持续地利用湖泊资源，修复被破坏的湖泊生态环境是当前社会的热点问题之一。白洋淀是华北平原最大的天然淡水水体，区域面积约为3 660 km，近年来由于水源补给不足，水位下降，大量污染物质排入，已频繁出现干淀、水质污染、生物多样性减少、生态结构缺失等生态环境问题，严重影响了该地区的生态安全和区域可持续发展，其水体修复亟需解决。

曝气充氧、微生物修复、生物促生等技术均能一定程度上降低水体有机物含量，增强水体的自净作用，但由于水体受污染情况复杂，采用单一修复方法往往不能保证效果的持续性和稳定性，因此国内外很多学者开展了综合水体修复技术的研究与运用，并逐渐形成了生态演替式水体修复的理论，即在建立水体高溶氧状态的前提下，通过快速培植优势好氧微生物，定向培养水生动、植物，恢复水体生物多样性，从而实现水生态系统的自我修复和良性循环的综合修复。如徐熊鲲等、李广胜等均发现投加微生物功能菌并结合底泥曝气可以快速消除水体黑臭、改善水体透明度，加快底泥的修复。SONG等研究发现溶氧和La-修饰膨润土对磷的吸附和固定化有协同作用。但将曝气增氧、微生物添加以及藻类定向培育综合应用于水体修复的研究目前尚未有报道。

沟壕是白洋淀的特殊地貌，淀内3 700余条沟壕交织错落，构成了淀中有淀，沟壕相联，园田和水面相间分布的特殊地貌。本研究拟通过开展曝气增氧、藻类培育及微生物制剂的综合应用，对白洋淀沟壕水体进行修复，并测定了修复水体的水质指标和浮游植物群落结构，以期为白洋淀地区水质改善以及水体富营养化防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

为了兼顾试验可行性和代表性，本研究选取了位于河北金博蓝农业发展有限公司周边一条长1 000 m，宽约12 m，平均水深3.2 m的相对封闭的沟壕为研究区域开展试验。共设置 6个采样点(C1～C2,T1～T4)。采样点布设如图1：采样点 C1～C2为对照区域，T1～T4为试验区域。对照区和试验区通过围网分隔，对照区C1与湖区连通。

图1 研究区域概况

1.2 研究方法

1.2.1 曝气器布置

2019年6月底在试验区均匀布置20台漩涡底部曝气器(专利号201920484560.7)，每台装置覆盖水体约为3 000 m，运行时间为10:00～16:00，曝气器由一台6 kW的罗茨鼓风机供气。

1.2.2 制剂添加

微生物制剂BYD-1净水菌购自湖北启明生物工程有限公司，主要成分为枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、粪肠球菌等，有效活菌数≥200 亿/克，添加浓度为5 g/m。硅藻藻种购自天津藻润生物科技有限公司，用自来水浸泡2 d活化，添加浓度为1 g/m。硅藻营养素Nuagli购自青山绿水有限公司，添加浓度为40 μL/m。上述生态制剂均选择晴好上午投加，每15 d投加1次。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 样品采集

试验于2019年7-10月进行。每15 d取样测试水体理化指标,每30 d测试浮游植物指标。采集自沟壕主干道中央水平面以下0.5 m处水样，每处采集3～5点的混合样。

1.3.2 水体指标测试

1.3.3 浮游植物采集与测定

定量样品采集：用2.5 L采水器采集混合水样1 L，装入样品瓶中，立即用10 mL鲁哥氏液固定。水样经两次24 h沉淀，浓缩定容至30～50 mL。定性样本采集：用25号浮游生物网在水面划“∞”形捞取样品，将过滤后留存的样品放入标本瓶，加10%甲醛保存。

定量计数在10×40倍显微镜视野下采用迅数R100软件进行，每个样本计数两次，每次计数共200个视野。浮游植物的鉴定主要参照胡鸿钧等的方法，浮游植物生物量的估算及优势种大小测量方法参考文献[13，14]。

1.4 统计方法

采用Microsoft Excel 2007软件导出和处理数据;采用ORIGIN 2019 软件进行作图，使用SPSS25软件进行显著性差异分析，≤0.05表示差异显著，使用CANOCA5.0软件进行典范对应分析(PCA)。

2 结果与分析

2.1 理化指标

试验区和对照区水体理化指标的变化如图2、3所示。从图2中可以看出，水温随季节变化逐渐降低，变化范围为30.00～14.56 ℃，表层水温均高于底层，试验区表、底层温差小于对照区；溶解氧的变化范围为0.31～4.77 mg/L；试验初期(7-8月份)表层溶解氧显著高于底层，到了试验中后期(9-10月份)，表层和底层的氧差变小，试验区底层溶解氧略高于对照区；pH呈随水温降低而逐渐升高的趋势，变化范围为7.92～8.37，且表现为表层高于底层，试验区表、底层差值低于对照区；电导率值随温度的变化逐渐降低，变化范围为1 448.28～1 705.70 S/m，表现为表层略高于底层，试验区表、底层差值小于对照区(试验中后期)；透明度变化范围为53.00～89.75 cm，试验区中后期透明度显著高于对照区。

图2 水质理化指标随时间的变化

图3 水体化学指标随时间的变化

2.2 浮游植物物种组成

2.2.1 种类数

试验期间从各采样点采集样本中共观察到浮游藻类8门108属169种(表1)。种类组成最多的是绿藻门41属66种，占种类总数的39.05%；其次是硅藻门和蓝藻门，分别是23属45种和28属32种，占种类总数的26.63%和18.93%；再次是裸藻门8属15种，黄藻门2属4种，甲藻门3属3种，隐藻门2属3种，金藻门1属1种。具体数值见表1，试验区和对照区种类组成无差异。

表1 浮游植物各门类属(种)数及占总数的百分比

2.2.2 优势种

由表2中可以看出，7月份浮游植物的优势种为蓝藻门的伪鱼腥藻(试验区30.3%、对照区24.0%)和拟柱孢藻(对照区18.5%)；随着试验的进行，对照区中拟柱孢藻和伪鱼腥藻继续保持优势地位，试验区中隐藻门的隐藻属和蓝隐藻属数量增加，贡献率合计达41.5%，10月份时试验区的优势种为隐藻属，对照区的优势种为隐藻属、蓝隐藻属和伪鱼腥藻属。白洋淀水体的浮游植物的优势种较集中，伪鱼腥藻长期是水体中的优势藻种。

表2 试验期间浮游植物优势种随时间的变化

2.3 浮游植物的数量和生物量

浮游植物的数量和生物量如图4所示，试验区和对照区的浮游植物数量均呈现先升高后降低的趋势，试验开始时分别为13.54×10cells/L和14.19×10cells/L，试验区在8月上升至最大值为25.85×10cells/L，对照区则在9月上升至最大值为50.33×10cells/L，在试验结束时试验区和对照区分别降低至3.65×10cells/L和13.54×10cells/L。浮游植物生物量与数量的变化趋势基本一致，试验区和对照区的浮游植物生物量初始值分别为20.20 mg/L和28.63 mg/L，8月中旬试验区浮游植物生物量上升至最大值为66.40 mg/L，对照区则在9月中旬上升至最大值为177.20 mg/L，试验结束时试验区和对照区分别降低至7.10 mg/L和 41.35mg/L。试验后期，浮游植物数量和生物量显著低于对照区。

图4 浮游植物数量和生物量随时间的变化

2.4 浮游植物的群落结构变化

试验期间浮游植物的群落演替如图5所示，试验区和对照区群落结构变化趋势一致，8-9月份，绿藻门、蓝藻门和隐藻门的贡献率一直占总密度的90%以上，蓝藻门占比范围为31.31%～78.70%，绿藻门占比为8.33%～44.44%，隐藻门占比范围为10.00%～41.26%，实验后期，随着温度的降低硅藻门占比逐渐升高，10月份试验区中硅藻门占比(22.92%)显著高于对照区(8.08%)。试验期间裸藻门、甲藻门、黄藻门和金藻门的浮游植物密度均有波动，但变化较小，合计贡献率最高只占4%，不能形成优势种。

图5 浮游植物群落结构随时间的变化

2.5 多样性指数

试验期间浮游植物的多样性指数如表3所示，物种丰富度均呈逐渐下降的趋势，变化范围为3.02～3.31；Simpson指数、Shannon指数H′(loge)和均匀度指数无明显的季节性变化，范围分别是0.79～0.93、2.05～2.90、0.68～0.90，所有多样性指标均表现为试验区高于对照区的趋势。

表3 浮游植物种类多样性变化随时间的变化

2.6 藻类与环境因子的关系

图6 浮游藻类与环境因子PCA 排序图

3 讨论

在河流、湖泊、水库等水体中，浮游植物群落的种类组成和数量结构的动态变化受水温、光照、水动力和营养盐等理化参数的影响。本研究中浮游植物数量和生物量均显著低于对照区，物种丰富度、Shannon指数、Simpson指数、均匀度指数均优于对照区，说明通过综合技术的运用在自然水体中对浮游植物群落结构的改变有较明显的效果。王晨旭等研究发现扬水曝气系统通过人工强制混合显著增加水体混合深度，进而影响了藻类群落结构的时空演替，优势种属有向小环藻属(sp.)演替的趋势，这一方面是因为水体混合深度迅速增大使表层水体大量的藻类在垂向上迅速消散，有效降低了表层水体中的藻密度；另一方面，水体混合深度不断增大会导致藻类在真光层水体中的停留时间降低，减弱蓝绿藻类对光的可利用性，从而有效地抑制水体中藻类的光合作用。本研究中曝气增氧可能是藻类群落结构改变的原因之一，但由于水体深度只有2～3 m，混合深度有限，所以底部曝气通过上下水层混合在改变浅水藻类群落结构中的作用效率还有待于进一步研究。另外，通过综合技术的运用，使试验区水体营养盐含量降低，对蓝绿藻生长起到了一定的限制作用，导致试验后期蓝绿藻的数量低于对照区，硅藻占比高于对照区，可能是引起藻类群落结构改变的主要原因，同时总氮、总磷与藻类的数量和生物量显著相关也佐证了这一点。

藻类群落特征，如生物量和种类组成等能对水质变化做出响应，从而可作为评价河流受污染程度和受人类活动干扰程度的重要生物监测指标。本研究中，试验后期，浮游植物数量和生物量均显著低于对照区，说明试验区的污染程度有所降低。Shannon指数、Simpson指数、均匀度指数均高于对照区，根据藻类多样性指数值越小水质污染程度越严重的理论，表明综合技术的运用对白洋淀水体修复起到了一定作用。本研究中试验区和对照区虽然在数量和生物量上有较显著差异，但优势种仍为伪鱼腥藻、拟柱孢藻、隐藻、蓝隐藻等种类，这些蓝藻门和隐藻门的种类均是水体富营养化的典型物种，说明经过短期的水体修复可能还没有从根本上改变试验区水体富营养化的状态。另外研究区域优势种较少且优势度集中，也说明本试验区域生态系统尚不稳定。

4 结论

本研究采用“曝气复氧+硅藻促生+微生物菌剂”原位生物强化技术，发挥了曝气复氧和微生物、藻类的协同作用，有效去除了水体营养盐含量及藻类数量和生物量，提高了藻类的多样性指数，对白洋淀沟壕的水体修复明显。但上述技术的搭配组合规律还不明朗，综合使用的长效机制和持续效果研究不深，在技术的匹配策略、搭配修复后的持续性、适应性及稳定性等有待深入研究。