乌梁素海生态恢复机理与生态恢复工程技术的研究

乌梁素海生态恢复机理与生态恢复工程技术的研究

尚士友 杜健民 厚福祥 申庆泰 王丽敏

（内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018）

摘 要: 在我国干旱区典型草型湖泊—乌梁素海设立试验基地，进行生态恢复工程试验研究。研究表明：乌梁素海受富营养化影响，正在向芦苇沼泽—碱蓬盐化草甸—白刺荒漠方向演化。生态恢复机理是：

（1）减少大型水生植物有机氮、磷向底质的沉降，削弱内源性营养物负荷的积累与储备；（2）减少大型水生植物死亡后矿化成氨态氮；（3）控制底质中有机氮向水体释放生成氨态氮。采用机械化方式收割大型水生植物转移营养盐，抑制生物促淤效应以及对芦苇区进行园田化生态管理是乌梁素海生态恢复的关键技术，也是乌梁素海环境与资源持续发展的核心问题。

关键词：乌梁素海；富营养化；生态恢复机理；生态工程技术；持续发展

中图法分类号：X171.1 文献标识码：A

目前，湖泊富营养化已经成为世界范围内一个突出的环境问题，我国三分之二的湖泊都面临着日益严重的富营养化危害。2002年11月国家林业局报告，我国平均每年有30个湖泊在消亡。在这些消亡的湖泊中绝大多数都是位于干旱区的浅水草型湖泊，富营养化给这些湖泊的沼泽化进程提供了巨大的动力，以这些湖泊为依托的湿地生态系统的有序结构随之严重退化，给我国干旱区环境与经济的可持续发展造成了不可挽回的损失。

在大型水生植物响应型的富营养化草型湖泊内大型水生植物过量生长不仅给湖泊内源性营养物负荷的积累造成了沉重的负担，促进了沼泽化进程，同时也给湖周的农业生态、农田水利工程、城市供水、水产养殖、水鸟栖息地及旅游业带来了直接的或潜在的威胁。据调查，我国干旱区的乌梁素海、哈素海、红山水库、伊胡塔湖、博斯腾湖、查干湖等都在不同程度上存在着这方面的问题。我国干旱区典型草型湖泊—乌梁素海是黄河流域的最大湖泊，是全球范围内半荒漠地区极为少见的具有很高生态效益的大型多功能湖泊，在我国湿地、荒漠及动物物种三大生态系统保护中具有十分重要的地位。研究乌梁素海生态恢复机理及生态恢复工程技术不仅对乌梁素海具有重要的现实意义，而且对我国干旱区其它湖泊湿地的保护也具有普遍性和实用性。

1 乌梁素海富营养化及其演化进程

1.1乌梁素海富营养化的主要表征

乌梁素海位于内蒙古自治区乌拉特前旗境内，是于1850年由黄河改道形成的河迹湖，现在湖区界于北纬40°47'～41°03'，东径108°43'～108°57'，湖面高程1018.5m，库容量2.5³10m～3³10m，最大水深3.9m, 80%水域水深0.8m～1.0m，现有水域面积293km。乌梁素海补给水源主要是河套灌区的农田退水，其次为河套灌区内的工业废水和生活污水，据乌梁素海1980—2002年由主排干排入的水量统计平均 4.6 ³10m，矿化度平均 1.586 g/l，排入盐量平均75.13³10t。河套灌区农田化肥用量已由1978年的7³10t迅速上升到1997年的43.8³10t, 至2002年化肥用量已经超过50³10t，化肥利用率仅为30%，大量流失的化肥随农田退水进入乌梁素海。据1970—2002年入海口水质监测，总氮含量平均1.74mg/l，总磷含量平均0.07mg/l，分别为国际通用判断富营养水平标准的8倍与3.5倍，已使乌梁素海成为十分典型的富营养化的草型湖泊。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目（30160022）；国家科技成果重点推广计划项目（2002EC000128）。 作者简介：尚士友（1943—），男，辽宁沈阳人，教授，从事湖泊环境保护工作。

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乌梁素海富营养化主要表征是大型水生植物过量生长，以适应微咸水质的芦苇和龙须眼子菜为优势种。目前，乌梁素海挺水植物分布面积122km，生产量约24³10tDW²a，平均生物量1967gDW² m；沉水植物分布面积约97.5km，群落盖度100%, 生产量8.5³10tDW²a，平均生物量872gDW²m。

乌梁素海每年自生自灭沉积湖底的沉水植物残骸与芦苇水下部分残骸腐败分解后向水中释放氮、磷营养盐，冬季水下NH3—N含量高达2.58 mg/L，非离子氨浓度远高于鱼类致死浓度，1973至2002年几乎每年在初春解冻时均发生大面积死鱼现象，甚至2002年7月也开始发生大面积死鱼现象。目前，青鱼、草鱼、瓦氏雅罗鱼等19种水产品均已绝种，渔产量已由60年代的3600t骤减至2002年的50t。

乌梁素海共有鸟类192种另4亚种，属国家一、二类保护的鸟类30种，其中有黑鹳、玉带海雕、白尾海鸥、大鸨、白琵鹭和遗鸥6种世界濒危乌类。乌梁素海湿地面临着各种污染和破坏，直接威胁着数百万只鸟类的生存。由于水草充塞水体空间不得不使用网箔捕鱼，常使善于潜水取食的赤嘴潜鸭、白骨顶等水鸟误入网箔死亡，据样方统计每年这样死去的水鸟可达50,949±23,652只。近年来，喜磷的草虾大量繁殖，捕食虾类的黑翅长脚鹬等水鸟随之明显增多，这是磷含量增加的一个显著的信号，TP含量有时高达0.677 mg/L。 1.2 乌梁素海的演化进程

当前，乌梁素海每年沉积湖底的大型水生植物残骸约为20.5³10 tDW，生物填平作用9~13 mm²a，湖底淤积的底质厚度平均360 mm。对比1975年与2001年卫星遥感影像图，当芦苇产量由2.3³10t增加到11³10t时，芦苇区面积扩大了约7倍。乌梁素海的面积已由50年代的660 km缩减为293 km，虽然缩减的原因是多方面的，但是乌梁素海的演化进程已呈明显的沼泽化特征，如不治理在30年内将完全演变成为芦苇沼泽地。乌梁素海1987年与1996年TM卫星遥感各类地貌解析见表1。

表1 乌粱素海1987与1996年TM卫星遥感各种地类解析分析 (面积：km)

Tab.1 The Analysis of Different Satellite Remote Sensing Regions in Lake

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Wuliangsuhai( 1987 and 1996 ) (area:km)

接收日期 1987年4月6日 1996年9月5日

对比结果

明水区 128.31 107.13 -21.18

芦苇区 94.88 112.97 +18.09

湖中沼泽区 26.19 28.46 十2.27

湖周沼泽区 21.03 24.76 十3.73

洪积扇区

0 1.10 十1.10

人造芦苇区 7.76 22.69 +14.93

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乌梁素海沿岸植物较多，以碱蓬群落为主，近百年来黄灌排水难于控制地下水位，土壤植被无法保持根系层土壤处于良好的盐分平衡状态，加上蒸发量大，加速了盐渍化过程，地表显示盐碱化特征。碱蓬群落外围已呈荒漠特征，植物主要为白刺，群落宽度已达1100m, 面积超过30km。乌梁素海湿地演化进程为芦苇沼泽—碱蓬盐化草甸—白刺荒漠，在我国干旱区湖泊湿地演化进程中具有代表性。

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2 乌梁素海营养元素的积累与转化

2.1乌梁素海营养元素的积累

每年排入乌梁素海氮、磷的途径包括农田排水、地下水、山洪、灌渠退水、降水等，近年来平均每年入湖总氮约1088.59t，总磷约65.75t；每年排出乌梁素海氮、磷的途径包括排入黄河、收割芦苇、捕鱼、鸟类取食等，平均每年出湖总氮约759.9t，总磷约37.8t，每年留在湖中参与积累的总氮约328.7t，总磷约27.9t。乌梁素海处于蒙新高原，全年日照时数3185h，日照率72%，太阳辐射量年均值627600J²cma, 蒸发强度1502mm,为降雨量的7倍，水面蒸发和植物蒸腾达4.23³10m,占入湖水量的63.52%，造成了水体营养元素强烈

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的浓缩作用，加剧了氮、磷营养元素的积累，使乌梁素海内源性营养物污染潜力相当大。

据近年水质分析，乌梁素海总氮平均含量2.03mg/l，总磷平均含量0.38mg/l, 以湖水库容量2.8³10m计，目前水体中总氮储备量约568.4t，总磷储备量约106.4t。据叶雪梅等关于中国主要湖泊营养氮沉降临界负荷的研究，乌梁素海氮沉降临界负荷应为40.295t, 现在乌梁素海水体中总氮储备量已达临界负荷的14倍。按国际通用水质营养标准氮0.2mg/l，磷0.02mg/l计算，乌梁素海水体中氮超负荷储备512.4t，磷超负荷储备53.8t。近年来乌梁素海水质监测结果见表2（4个样本），乌梁素海总氮、总磷平衡及收割水草转移氮、磷的计算见表3。

表2 2001年乌梁素海水质监测结果统计表 单位：mg/L（pH除外）

Tab.2 Statistics Table of Water Quality Supervisor Result of Lake Wuliangsuhai in 2001 Unit: mg/L (except the value of

总硬度 亚硝酸溶解氧 (CaO) 盐氮 6.3 13.7 9.4 硝酸 盐氮 [3]

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PH 总氮 总磷 COD BOD 氨氮

最小值 7.73 386.3 最大值 9.17 989.3 平均值 8.19 684.5 0.0101 1.14 0.080 26.7 3.2 0.17 0.071 0.2486 3.36 0.769 303.0 131.7 4.29 1.64 0.0978 2.03 0.381 100.7 35.7 1.28 0.469

表 3 近年乌梁素海水体中总氮、总磷平衡及收割水草转移氮、磷的计算（t） Tab.3 The Balance of TN,TP of Lake Wuliangsuhai s Water Body and the

Calculation of Transferring N,P by Harvesting Aquatic Plant in Recent Years (t) 项目 TN TP

现水体中储量 568.4 59.4

每年合计输入 1088.6 65.8

每年合计输出 759.9 37.8

每年留湖中参与积累 328.7 28.0

按营养标准超负荷储备 512.4 53.8

维持良性循环应转移 841.1 81.8

收割5³10t水草可转移

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2.2 乌梁素海营养元素的转化

乌梁素海水体中各种形态氮、磷的转化关系见图1。

收获 （氮、磷转移） 芦苇氮、磷 降雨降尘 地表径流 入湖河道 农田退水 厂矿污水 生活污水

水草氮、磷 吸 吸 收死 吸 吸 死 收正磷酸 态磷 亡 收硝酸盐 态氮 氧化 还原 亚硝酸 氮 氧化 收 亡 蒸发蒸腾 农田用水 渗漏 其它流失

Fig.1 the Hinting Chart of Different Form Nitrogen and phosphorus Transformation in Water Body

近年来，乌梁素海水体中NO3—N浓度平均0.705 mg/L，NH3—N浓度平均1.345 mg/L，NO2—N含量平均 0.0161 mg/L。各种水生生物在水体中的代谢产物为有机氮，有机氮可以矿

释沉放降 矿化 矿化 有机态 氨态氮 氮、磷 释沉放降 底 质 氮 磷

图1 乌梁素海水体中各种形态氮、磷的转化示意图

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化成为无机氮或沉降底质。水体与底质间氮的交换是水体氮的来源与去向的主要过程之一，当外部营养盐输入较少时，从底质中释放的营养盐可成为满足生产力需要的重要营养源，底质中氮的释放主要是氨态氮的释放。底质是乌梁素海的重要内源性污染源，乌梁素海底质表层所积累的总氮和有机氮的含量较高，在0-30mm厚的表层底质中，有机氮含量高达1985 mg/kg。由于风浪、生物等的搅动底质也会向湖泊水体中释放氨态氮，具有很大的污染潜力。

大型水生植物的根和营养体都有吸收矿质营养的能力，底质吸收是植物组织矿质营养的主要来源。大型水生植物所固定的矿质营养在整个生长期中不会被明显释放，这对控制营养物的循环速度有明显作用。除根部以外，沉水植物的叶片对水层中的营养物也有很强的吸收功能，对藻类生长可起到抑制作用。大型水生植物主要吸收水体中的氨氮（NH3—N）和硝酸盐氮（NO3—N），乌梁素海芦苇区和沉水植物茂密区的硝酸盐氮含量平均0.324 mg/L，氨氮含量平均0.432 mg/L，底质中有机氮 (TON) 含量2.5 g/kg，均高于明水面及深水区1～3倍，说明大型水生植物沉积腐烂后以有机氮的形式存于底泥中，体现了大型水生植物的生长与底质生物填平作用的关系。综上所述，如果以机械化方式收获大型水生植物转移营养负荷，可减少有机氮向底质的沉降，阻断底质氮的来源，从而有效控制湖泊内源性营养物负荷的积累，并可逐步削减底质氮的储备数量。

3 乌梁素海生态恢复的主要途径

综合分析乌梁素海的有效保护、资源最大程度的利用以及维护湿地生态系统良性循环的需要，对乌梁素海进行生态治理的主要技术措施是：有计划、合理地收割水草与阻止芦苇蔓延。生态恢复机理是：（1）减少大型水生植物有机氮、磷向底质的沉降；（2）减少大型水生植物死亡后矿化成氨态氮；（3）控制底质中有机氮向水体中释放形成氨态氮。其技术关键是使乌梁素海氮、磷营养盐的积累效应得到抑制，使输入与输出的氮、磷营养盐趋于平衡，并将生物填平作用减少到最小程度。 3.1 有计划、合理地收割沉水植物

乌梁素海龙须眼子菜中氮平均含量1.65%，磷平均含量为0.17%，收割5³10tDW龙须眼子菜即可向湖外转移825t氮、85t磷。据宋福等在“常见沉水植物对草海水体（含底泥）总氮去除率的研究”中的报道，沉水植物对水体中总氮和总磷的去除率分别为80.31%和89.82%，通过收割沉水植物可以有效地转移和控制乌梁素海内源性营养物负荷。

根据三年生态工程实践验证，沉水植物合理的收割方式是：在给水入湖口区1000³1000m距离内保留所有的沉水植物和挺水植物，以充分利用其净化水质和拦截固体颗粒物质的作用，在水鸟栖息取食区以及产粘性鱼卵的鱼类活动区保留足够的水草，收割量为全湖生产量的60%，在水深0.7m以下的水面不作收割，在其余湖面采用分条或分块间隔收割的方法顺序收割，暂时保留30%水草，在水草沉落之前则全部收割。这种收割方式可以显著改善水体环境，并将生物填平速率由7mm²a～13mm²a减少到2mm²a～3mm²a。

收割沉水植物对比试验结果表明：（1）虽然机械收割导致顶枝丧失，但是不会破坏它们的繁殖体系，龙须眼子菜根系发达，呈匍伏状，许多生长点仍可在当年发芽生枝，通常在收割之后55～60天即可恢复到较高的生物量，而且第2年的生产量不受任何影响。收割沉水植物对富营养化进行适度控制的生物治理技术可以长期连续地进行，直至将乌梁素海湖内氮、磷营养盐的储备量降低到合理的状态。与此同时，在实施生态工程的过程中还可以保证持续进行沉水植物资源的开发利用，当湖泊进入良性循环后每年仍然能够收获一定数量的高蛋白水草饲料；（2）在水深0.7m以上的湖面采用分条或分块间隔收割的方法顺序收割，保留一定数量沉水植物不会造成蓝藻泛滥。另外，收割沉水植物是在每年6～10月份间断进行

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的，收割总量控制在沉水植物生产量的60%以内，沉水植物的保有量足以抑制蓝藻和绿藻，可以保证沉水植物长期净化水质的功能。 3.2 对芦苇实施园田化生态管理

乌梁素海芦苇水上部分与水下部分质量比为1:1，芦苇水下部分近20年共计留在湖内约110³10tDW,一部分氮、磷向水体释放，一部分氮、磷沉积在底质中，现在芦苇区底质中有机氮已达2.5g/kg、有机磷已达0.547g/kg。乌梁素海芦苇区现有面积122km，蔓延速度0.6m²a，芦苇增产将导致乌梁素海迅速衰亡。因芦苇造纸的经济效益很高，维持现有面积，进行园田化管理是科学的明智之举。

芦苇园田化生态管理是采用机械化方式从芦苇根部收割，或挖出芦苇根部，阻断芦苇匍伏根向外蔓延的线路,阻止芦苇蔓延以及打开芦苇区通风道和通水道。打开芦苇区通风道、通水道后水循环状况会得到明显改善，芦苇获得更多的营养，加速光合作用，防止病、虫害，通风道、通水道两侧芦苇的生物量比芦苇区深处的生物量约高20%。通过全湖生态规划，对芦苇区进行园田化管理，不仅可以控制内源性营养物负荷的储备，还可以重建绿色自然景观，加快湖水循环更新，改善水质，长期保证河套灌区农田排水和洗盐工程正常运行。

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4 讨论

4.1 防治湖泊富营养化通常比较重视外源性营养物的输入，但是对许多湖泊来说，当内源性营养物负荷储备已经很高的情况下，控制外源性营养物输入的恢复效应要在很长时间以后才能体现出来，而且耗资巨大，在这种情况下有效地抑制内源性营养物负荷的积累和释放可能更为重要。乌梁素海控制外源性营养物质的输入需要处理净化4.6 ³10m补给水源是十分困难的，即使能够控制外源性营养物质的输入，留在湖中超负荷的氮、磷储备仍在湖中自身循环，对生态系统的影响依然存在。目前，乌梁素海水体中超负荷氮、磷储备分别为512.4t、53.8t，而且每年仍有328.7t氮、28t磷不断地参与积累，继续给乌梁素海生态系统施加生态压力。每年收获5³10tDW沉水植物从水体中转移去除氮825t、磷85t，可以有效地削弱内源性营养物负荷的积累与储备，在现有芦苇收割数量的基础上，大约13年可使输入与输出的营养盐趋于平衡，乌梁素海生态系统有可能进入良性循环状态。

4.2 乌梁素海芦苇生产与生态恢复需要合理定位，芦苇区向外扩展蔓延速度为0.4 m²a～0.6m²a，芦苇持续增产将导致乌梁素海迅速衰亡，因芦苇造纸的经济效益很高，维持现有面积, 进行园田化生态管理是科学的明智之举。关于乌梁素海芦苇区面积与明水区面积的比例怎样确定，关系到内源性营养物负荷储备库的污染潜力及全湖生态系统的结构，直接影响着湖泊的演化方向和演化速度，同时也关系到乌梁素海环境与资源的可持续发展，在进行湖泊生态规划时需要深入探讨研究。

参 考 文 献

[1] 金相灿，刘鸿亮，屠清瑛等．中国湖泊富营养化［M］．北京：中国环境科学出版社，1998. 509～512. [2] 邢莲莲，杨贵生．内蒙古乌梁素海鸟类志［M］．呼和浩特：内蒙古大学出版社，1996.22～23. [3] 叶雪梅等.中国主要湖泊营养氮沉降临界负荷的研究[J].环境污染与防治.2002,24(1) 54-58. [4] 宋福, 陈艳卿. 常见沉水植物对草海水体（含底泥）总氮去除速率的研究[J].环境科学研究,1997.7, 第10卷,4期,47～50.

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Study on the Technology and Mechanism of Ecological

Recovery in Lake Wuliangsuhai

SHANG Shi-you DU Jian-min HOU Fu-xiang SHEN Qing-tai WANG Li-min

( college of mechanical and electronic engineering Inner Mongolia Agricultural University, hohhot 010018)

Abstract

The experiment base was built in the lake Wuliangsuhai, a typical grass type Lake, in the drought region of China. The study on the experiment of ecological recovery project was carried out in it. The study indicated that the lake are changing into the Phragmites australis marsh, Suaeda glauca salinization meadow, Nitraria sibirica desert, because of the impact of eutrophication. The ecological recovery mechanism are as following:(1) to lessen the precipitation of organic nitrogen and organic phosphorus from macrophyte, cut back the accumulation of internal nutrient load; (2) to decrease the organic nitrogen from dieing of macrophyte to transfer ammonia nitrogen; (3) to control the release of ammonia nitrogen from sediment. It is a crucial technology of ecological recovery to harvest macrophyte to transfer the nutrient salts, restrict the impact of life filling and carry out the gardening management of reed region. Meanwhile, it is a core problem of sustainable development of environment and resource of Lake Wuliangsuhai.

Key word: lake Wuliangsuhai, eutrophication, mechanism of ecological

recovery, ecological project technology, sustainable development