1.1 生物操縱原理

國(guó)外科學(xué)家較早把內(nèi)陸水體研究重點(diǎn)從內(nèi)陸水體生物生產(chǎn)力的開發(fā)轉(zhuǎn)移到水環(huán)境保護(hù)。從20世紀(jì)50-60年代始，湖沼學(xué)家注意到環(huán)境中的低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物對(duì)高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物有上行作用，高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物對(duì)低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物也有控制作用。如Hrbacek、Brooks較早注意到魚類通過食物鏈可以影響生態(tài)系統(tǒng)中較低級(jí)生物類群（如藻類），20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)有關(guān)高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能影響的研究。Hurlbert等開始意識(shí)到魚類也能成為調(diào)節(jié)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中浮游生物群落和水質(zhì)的重要驅(qū)動(dòng)因子，Zaret和Paine的研究進(jìn)一步證實(shí)了Hurlbert等的觀點(diǎn)。1975年，Shapiro提出生物操縱概念，80年代后有更多報(bào)道發(fā)表。之后Shapiro等明確提出了生物操縱理論，此后這一理論得到發(fā)展和完善。

生物操縱的主要原理是通過調(diào)整魚類群落結(jié)構(gòu)，保護(hù)和發(fā)展大型牧食性浮游動(dòng)物，從而控制藻類的過量繁殖，也可以理解為發(fā)揮浮游動(dòng)物的生態(tài)功能控制藻類。

1.2 生物操縱的應(yīng)用條件及分析

生物操縱的核心內(nèi)容是利用浮游動(dòng)物控制藻類。生物操縱的應(yīng)用有成功的例子，但失敗的例子也不少，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)此有很多分析，對(duì)生物操縱的有效性持懷疑態(tài)度或否定態(tài)度的大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為浮游動(dòng)物無法有效而持久地控制大型藻類，特別是那些形成水華的絲狀或群體藍(lán)藻。劉建康等認(rèn)為，浮游動(dòng)物不能控制絲狀藻類和形成群體的藍(lán)藻水華。其次，在我國(guó)的大型淺水湖泊中浮游動(dòng)物的數(shù)量一般并不多，浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的攝食壓力不大，因此在我國(guó)大型淺水湖泊并沒有應(yīng)用生物操縱成功的例子。既然浮游動(dòng)物不能控制絲狀藻類和藍(lán)藻水華，那么從理論上說如果僅僅降低了除絲狀藻類和藍(lán)藻水華以外的浮游植物，會(huì)更有利于絲狀藻類和藍(lán)藻水華生長(zhǎng)。謝平歸納了 Wetzel的分析，其中認(rèn)為：大量研究表明，大型浮游動(dòng)物的牧食暫時(shí)使藻類生物量下降，卻常常導(dǎo)致超微藻和不能被浮游動(dòng)物有效牧食的藍(lán)藻水華數(shù)量急速增加。

氮、磷過量積累是導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的根本原因，而藍(lán)藻暴發(fā)是富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的普遍現(xiàn)象，只有控制了氮磷排放或去除了水體中過量氮磷才是治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵，而浮游動(dòng)物攝食的藻類并沒有離開水體，在深水湖泊可以用圖1來解釋浮游動(dòng)物攝食藻類后，最終可以沉積到湖底脫離物質(zhì)循環(huán)。但是在淺水湖泊，由于水體經(jīng)常上下攪拌，沉積于湖底的浮游動(dòng)物尸體很快分解釋放又進(jìn)入物質(zhì)循環(huán)，甚至在夏季多風(fēng)條件下，浮游動(dòng)物尸體還來不及沉積就分解再進(jìn)入水體中。當(dāng)浮游動(dòng)物死亡后水體又變黑發(fā)臭，有時(shí)在局部水體還繼續(xù)維持清水現(xiàn)象，但其它部分水質(zhì)更差。通常我們會(huì)注意暫時(shí)出現(xiàn)的清水現(xiàn)象或還繼續(xù)維持清水的那部分水體，而從整體看被浮游動(dòng)物攝食的藻類中的N、P并沒有離開這個(gè)系統(tǒng)，這相當(dāng)于藻類中的N、P通過浮游動(dòng)物這條管道從一端轉(zhuǎn)移到另一端，水體中N、P幾乎和原來一樣。因此，從理論上說，浮游動(dòng)物是不能去除治理大型淺水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的。謝平歸納了Wetzel的分析認(rèn)為:營(yíng)養(yǎng)鹽(特別是磷)只是從湖泊的一個(gè)營(yíng)養(yǎng)庫暫時(shí)轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)營(yíng)養(yǎng)庫。

▲ 圖1 浮游動(dòng)物攝食藻類后N、P去向

2.1 非經(jīng)典生物操縱原理

我國(guó)科學(xué)家日趨重視水域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建問題。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)工作中有關(guān)魚類和環(huán)境間的研究已有很多。劉建康等對(duì)武漢東湖藍(lán)藻水華消失之謎進(jìn)行了論述，謝平等提出了利用鰱、鳙魚控制藍(lán)藻技術(shù)，為了與Shapiro提出的生物操縱相區(qū)別，謝平把鰱、鳙魚控藻技術(shù)叫做非經(jīng)典生物操縱。非經(jīng)典生物操縱認(rèn)為鰱、鳙魚能濾食10μm至數(shù)個(gè)毫米的浮游植物，而枝角類僅能濾食以40μm下的較小浮游植物。與枝角類相比，鰱、鳙魚可有效地?cái)z取形成水華的群體藍(lán)藻，有效控制大型藍(lán)藻，并提出了這樣的結(jié)論：在東湖有效控制藍(lán)藻水華的鰱、鳙生物量的臨界閾值是50g/m3，即一噸水一兩魚。

2.2 非經(jīng)典生物操縱的應(yīng)用條件及分析

大量實(shí)踐證明如果鰱、鳙魚達(dá)到閾值密度，控制藍(lán)藻是完全可以做到的（在不同的水域這個(gè)閾值密度是不同的）。唐匯娟和謝平在武昌東湖的圍隔實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鰱魚密度低于217g/㎡時(shí)，水體中浮游植物的量隨魚類密度增加而增加，當(dāng)鰱魚密度高于217g/㎡時(shí)，浮游植物的量才開始降低，這說明并不是只要放養(yǎng)鰱、鳙魚就可以控制藍(lán)藻，如果達(dá)不到閾值密度會(huì)導(dǎo)致藍(lán)藻增加，因此，謝平先生提出的有效控制藍(lán)藻水華的鰱、鳙生物量的臨界閾值是非常重要的。董雙林研究表明，鰱魚可以直接濾取大型浮游植物或微小浮游植物群體，而對(duì)非群體的微小浮游植物直接影響較小。通過調(diào)整鰱、鳙魚密度達(dá)到控制藍(lán)藻水華在一定條件下是可以做到的。

按照?qǐng)D的分析發(fā)現(xiàn)，“1水中N、P”被藍(lán)藻大量吸收后,轉(zhuǎn)移為“2 藍(lán)藻N、P”此時(shí)人為放養(yǎng)食藍(lán)藻魚類后“2 藍(lán)藻N、P”有兩個(gè)轉(zhuǎn)移方向: “4未被魚類攝食藍(lán)藻N、P”和“5被魚類攝食藍(lán)藻N、P”，而“5被魚類攝食藍(lán)藻N、P”也有兩個(gè)去向，“6利用藍(lán)藻形成魚類產(chǎn)品中N、P”和“7糞便形式藍(lán)藻N、P”。“6利用藍(lán)藻形成魚類產(chǎn)品中N、P” 是很少的，這部分大約是“2藍(lán)藻N、P的3%-5%”, 從整體水生態(tài)系統(tǒng)看, “5被魚類攝食藍(lán)藻N、P” 其主要部分“7糞便形式藍(lán)藻N、P”，又回到水中。因此利用魚類控制藍(lán)藻是可以做到的，但利用魚類控制所有藻類和降低治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是很難做到的。

▲ 圖2  鰱鳙魚攝食藍(lán)藻后N、P的去向

3.1 生物操縱、非經(jīng)典生物操縱的技術(shù)應(yīng)用局限性

根據(jù)以上分析，經(jīng)典的生物操縱并不完全適用于我國(guó)的大型淺水湖泊。在淺水湖泊，浮游動(dòng)物攝食藻類后很快分解釋放又進(jìn)入物質(zhì)循環(huán)。在我國(guó)的大型淺水湖泊浮游動(dòng)物的數(shù)量一般并不多，浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物攝食壓力不大。浮游動(dòng)物也不能有效控制絲狀藻類和形成群體的藍(lán)藻水華。此外，浮游動(dòng)物是浮游植物和魚類等經(jīng)濟(jì)水生動(dòng)物之間重要的營(yíng)養(yǎng)通道。如果不利用浮游動(dòng)物，浮游植物的能量就不會(huì)被非浮游植物食性水生動(dòng)物利用。因此在我國(guó)的淺水湖泊不應(yīng)過分追求完全保護(hù)浮游動(dòng)物。

非經(jīng)典生物操縱控制藍(lán)藻是可以做到的，但控制所有藻類和降低N、P治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是很難做到的.并且在大型湖泊進(jìn)行魚類控藻還存在以下技術(shù)問題。一是難以在大型湖泊實(shí)施，以巢湖為例，巢湖的水量達(dá)到25×108   m3，如果按照50g/m3的魚類密度標(biāo)準(zhǔn)，至少需要12×104-15×104t鰱鳙魚才能達(dá)到控藻效果，實(shí)際操作難度大；二是大型富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻的分布是不均勻的，在藍(lán)藻嚴(yán)重堆積區(qū)域，因氧氣等條件的惡化并不適合魚類生存。那么可能會(huì)產(chǎn)生這樣的情況，藍(lán)藻需要控制的區(qū)域魚類可能較少，起不到控制效果；三是不同的魚類密度會(huì)對(duì)浮游植物產(chǎn)生相反的影響，并非放養(yǎng)鰱、鳙魚就可以控制藍(lán)藻，如果達(dá)不到閾值密度可能會(huì)導(dǎo)致藍(lán)藻增加；四是魚類可以控制藍(lán)藻卻不能控制所有藻類也不能削減N、P治理富營(yíng)養(yǎng)化，更不能形成穩(wěn)定良性生態(tài)系統(tǒng)。

3.2 對(duì)策展望

眾所周知水生植被恢復(fù)是湖泊生態(tài)修復(fù)的重要內(nèi)容之一。水生植被恢復(fù)受水體藻類濃度和透明度等因素密切相關(guān)，把魚類控藻、水生植被恢復(fù)和局部水域生態(tài)系統(tǒng)重建和生態(tài)浮島等輔助凈化措施相結(jié)合，在局部水域建立一個(gè)水質(zhì)生物調(diào)控單元，從而實(shí)現(xiàn)整體水質(zhì)的逐步改善。可以根據(jù)湖泊中藍(lán)藻分布情況，在局部水體進(jìn)行魚類控藻，收集團(tuán)塊狀魚類藻糞轉(zhuǎn)移上岸，上岸藍(lán)藻經(jīng)發(fā)酵成為藍(lán)藻液體肥料，在魚類控藻過程中形成了魚類產(chǎn)品，并形成低藻濃度區(qū)域?yàn)樗脖换謴?fù)創(chuàng)造了條件。通過恢復(fù)水生植被又可以吸收N、P改善局部水域的生態(tài)條件在局部水域重建生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)的恢復(fù)和整體水質(zhì)的改善。我司在綜合運(yùn)用生物操縱技術(shù)、水生植被恢復(fù)技術(shù)和水體微生物調(diào)控技術(shù)進(jìn)行受損水體生態(tài)修復(fù)和水污染治理方面積累了大量成功的工程經(jīng)驗(yàn)。

4.1 鳥巢奧運(yùn)龍形水系生態(tài)修復(fù)工程

奧林匹克公園龍形水系作為亞洲最大的城區(qū)人工水系，全長(zhǎng)約2.7千米，水域總面積達(dá)16.5萬平方米，是奧運(yùn)公園中心區(qū)最為主要的景觀之一。“龍形水系”補(bǔ)充水源為北京清河再生水廠中水，治理前水體渾濁，藍(lán)綠藻、黑苔等問題比較嚴(yán)重。愛爾斯將生物操縱與愛爾斯獨(dú)有的水域生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)結(jié)合使用，4個(gè)月后“龍形水系”形成穩(wěn)定的水下生態(tài)群落，水體的自凈能力大大提高，水質(zhì)穩(wěn)定保持在國(guó)家地表Ⅳ類水以上。龍形水系水生態(tài)修復(fù)工程填補(bǔ)了我國(guó)以中水為水源的水生態(tài)修復(fù)的空白，對(duì)于我國(guó)中水的資源化利用有較大的借鑒意義，此項(xiàng)目也是愛爾斯運(yùn)用生物操縱技術(shù)成功治理水體污染的典型案例。

▲ 鳥巢奧運(yùn)龍形水系生物操縱和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建后的效果

4.2 北京桑德集團(tuán)辦公區(qū)水生態(tài)修復(fù)工程

北京桑德集團(tuán)辦公區(qū)水生態(tài)修復(fù)工程水系總面積約為3萬平方米，平均水深2米，補(bǔ)充水源為中水和地下水，治理前水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，藍(lán)綠藻爆發(fā)，水生態(tài)系統(tǒng)不完善。在采用生物操縱加愛爾斯水域生態(tài)構(gòu)建技術(shù)輔以曝氣增氧技術(shù)后，桑德湖區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)如初，水體的觀賞性也大大加強(qiáng)，營(yíng)造出水清水美的生態(tài)景觀。