強化生態浮床原位修復技術對污染河流浮游動物群落結構的影響*

楊鳳娟，楊 揚，2，＊＊，潘 鴻，阿 丹，李 麗，喬永民，鐘 錚

(1:暨南大學水生生物研究所，廣州510632)

(2:熱帶亞熱帶水生態工程教育部工程研究中心，廣州510632)

強化生態浮床原位修復技術對污染河流浮游動物群落結構的影響*

楊鳳娟1，楊 揚1，2，＊＊，潘 鴻1，阿 丹1，李 麗1，喬永民1，鐘 錚1

(1:暨南大學水生生物研究所，廣州510632)

(2:熱帶亞熱帶水生態工程教育部工程研究中心，廣州510632)

對強化生態浮床原位修復技術修復南方重污染感潮河流過程中浮游動物的種群動態變化進行研究，探討浮游動物群落結構變化特征與河流水質改善狀況的相互關系.結果顯示，經強化生態浮床處理后，重污染感潮河流水質得到改善，浮游動物的種類由修復工程實施前的5種增加到49種，且由單一耐污種轉變為多種種類共存;示范區各月浮游動物個體豐度較對照區都有極顯著增加(P＜0.01)，由修復前最低1.22ind./L，達到示范區最高47.19ind./L;示范區的多樣性指數也有顯著提高，其中Shannon-Wiener多樣性指數(H')、Margalef種類豐富度指數(D)由初始的1.27、2.22，分別提高到1.62和3.12.本研究中示范區表現出了比對照區更強的浮游動物多樣性恢復能力，表明強化生態浮床原位修復技術的應用在提升受污水體的生態恢復效能方面取得了顯著的功效.

浮游動物;群落結構;強化生態浮床;感潮河流

水體污染、斷流與生態破壞是我國河流面臨的主要生態環境問題［1］.珠江流域，尤其是珠江三角洲經濟發達地區和流經城鎮的河流，由于污染物的大量排放和不合理的土地利用方式，導致了河流水體的嚴重污染和生態破壞，河流的生態功能喪失或者無法正常發揮.同時，河道的水質惡化對供水水源地的水生生態系統產生了諸多有害影響，威脅著地區的飲用水安全.依據河流生態系統特性和污染物遷移轉化降解的機理，要治理河流污染和恢復河流生態系統功能，消除污染源或大量削減污染物的排放以及恢復河流應有的自然物理結構是最根本的措施［2］.因此，采用有效的技術措施，對污染河流水體進行直接凈化和修復，對于改善河流生態環境，恢復河流生態系統的功能顯得尤為迫切.

利用基質填料和水生植物構建的強化生態浮床工藝，是在人工濕地和植物浮床技術基礎上發展起來的一種比較新的生態工程化原位修復和控制技術［3］.其通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物代謝等多種途徑，不僅可以直接從水體中去除污染物;而且對廢水進行原位處理，緩解了土地緊張的矛盾;并因為其良好的漂浮性能和抗沖擊負荷能力，可適應各種水深和高污染水體，且投資運行費用低、維護管理方便，已引起人們廣泛關注［4］.目前，強化生態浮床系統在我國的研究和應用日益增多，其水質凈化效果也得到普遍認可［5-7］.生態浮床對受污染河流進行修復，強調的不僅是水質改善，更重要的是通過人工修復，達到恢復河流自有生態系統循環的目標.其中浮游動物作為河流生態系統食物鏈的中間環節，部分類群可以反映水體的污染狀況，在水體生態系統中起著重要作用［8］.Mialet等［9］對比利時斯凱爾特河口進行長達14年的監測，指出浮游動物的種類組成及豐度與水質狀況的優劣程度關系密切;吳振斌等［10］的研究顯示水質狀況的好轉，使得浮游動物群落發生由耐污種群(臂尾輪蟲類(Brachionus sp.)、龜甲輪蟲類(Keratella sp.))逐漸向寡污種群(羅氏腔輪蟲(Lecane ludwigii)、柱足腹尾輪蟲(Gastropus stylifer))轉變的過程.已有的研究多側重于浮游動物群落結構與水質狀況方面的評價，對于生態工程技術(尤其是浮床技術)修復重污染水體過程中浮游動物群落的動態變化及其響應，并以此預測生態修復效能的研究還鮮有報道.

本研究利用強化生態浮床技術對我國南方污染物濃度高，流速、流向、水位等發生周期性變化的感潮河流進行原位修復，通過對浮游動物群落結構和生物多樣性變化趨勢的研究，重點探討浮游動物種群變化與河流水質改善間的響應關系，并從浮游動物角度來評價水體修復措施的可行性和有效性.初步揭示河流由單純的水質恢復發展到對河流生態系統整體恢復的變化規律，為發展適合南方重污染感潮河流特點的水質改善和生態修復的新技術提供理論依據，為我國河流的管理從以改善水質為重點，拓展到河流生態系統恢復的策略性轉變提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 試驗系統

研究地點位于廣東省佛山市珠江上游汾江河南海 L河涌(23°03'－23°04'N，113°02'－113°03'E)，屬感潮型河流.河涌全長1700m，常水位時河涌上中游約寬18-20m，河水流速為0.02-0.06m/s.受到自然因素的影響，L涌枯水期基流量小，水流流向順逆不定，每天隨潮汐漲落;作為城市納污河的往復流，水體污染物濃度大，水動力不足，很難排入外江，實現與外界的交換，從而導致了該涌自凈時間和空間不足，生態系統極度脆弱，自凈能力基本喪失.

圖1 研究區域與采樣點Fig.1 Study area and sampling sites

從2009年4月初開始在L河涌上中游河段兩側放置浮床，開始實施兩岸各長350m、覆蓋率29%-33%的生態浮床原位修復工程.生態浮床由高密度聚乙烯材料制成的浮床單體構成，該單體面積為0.33m×0.33m，材料制作采取抗氧化抗紫外技術處理，具有使用壽命長(大于6年)，不易造成二次污染等特點;中間有一孔徑為0.12m，深 0.15m 的植物栽種籃(可拆卸)，向其中填加礫石等填料，固定植物之余可達到強化凈化效果的目的.每60個浮床單體以PVC管件拼裝為一個1.65m×3.96m的矩形床，按單個矩形浮床種植同種植物，在其中種植黃菖蒲(Irispseudacorus)，美人蕉(Cannaindica)，梭魚草(Pontederiacordata)，風車草(Cyperusalterniflius)和再力花(Thaliadealbata)等在室內預實驗中證實了在高濃度污水中均可存活的植物，植株種植密度為9株/m2，種植間距為0.3m.為增強浮床的污染物凈化能力和景觀效果，不同植物生態浮床進行不同排列組合方式串聯或并聯后，以固定錨固定于橋墩或河岸護欄上.試驗植物約2300株，其中美人蕉床占40%，梭魚草床占7%，再力花床占25%，風車草床占21%，黃菖蒲床占7%.

1.2 樣品采集與測試

采樣方法:從2009年5月至2009年11月，選擇河道中部長100m、河水流量變動范圍為76.0-135.0m3/h、面積為360m2的強化生態浮床開展水質凈化和生態修復試驗研究(圖1).試驗區每隔25m設置樣品采集點，共4組(S1、S2、S3、S4)，并以河道中間無浮床區作為試驗對照(S5、S6).每月中旬定點采集水樣進行水樣水質指標測定和浮游動物樣品分類鑒定.

測試方法:pH值測定采用Model AB15精密酸度計，溫度和溶解氧測定使用YSI-85便攜式溶解氧儀;水體理化指標測定參照文獻［11］;浮游動物的定性和定量采集和測定方法參照文獻［12-15］.

1.3 數據分析與統計

采用SPSS 13.0統計軟件分析對照區和示范區各種理化指標間、浮游動物種群間的差異以及浮游動物豐度與水質因子之間的相關關系.

2 結果與分析

2.1 污染物處理效果

對對照區和浮床示范區各主要理化指標進行定期監測(表1)，研究期間示范區污染物濃度均呈下降趨勢，總氮(TN)、銨態氮(-N)、總磷(TP)、化學需氧量(CODCr)、懸浮質(SS)去除負荷分別為5.75±2.25、5.93 ±1.65、0.15 ±0.05、50.37 ±10.67、17.20 ±6.15kg/(m2·a)，與對照區相比，強化型浮床對 N、P 及有機物均有顯著的去除作用(P＜0.05).同時示范區溶解氧(DO)較對照區有顯著提高(P＜0.05)，表明強化型浮床具有一定的增氧功能.

表1 對照區與示范區水質情況比較Tab.1 The survey result of chemical and physical index in control area and study area

2.2 浮游動物種類組成

對照區和示范區浮游動物種類組成結果顯示(表2)，示范區浮游動物的種類較對照區呈極顯著的增加(P＜0.01).示范區共鑒定浮游動物4類49種，以輪蟲類最多，總計33種，占種類總數的67.35%;原生動物次之，為6種，占種類總數的12.12%;枝角類和橈足類較少，各有5種，各占種類總數的10.20%.各門類浮游動物的數量與種類數，示范區均比對照區明顯增加，表明浮床置入后利于浮游動物的生長.河道內雖然仍以萼花臂尾輪蟲(Brachionus calyciflorus)、鐮狀臂尾輪蟲(Brachionus falcatus)和壺狀臂尾輪蟲(Brachionus urceus)等耐污的輪蟲類為主，但示范區的種類已趨于豐富，說明該區域水體正逐漸好轉.

2.3 浮游動物豐度變化

示范區的浮游動物豐度較對照區顯著增多(P＜0.05)，修復伊始(5月)其豐度就由對照區的1.22ind./L上升到4.34ind./L，這主要是因為浮床置入所帶來的光照、溶解氧、水流等環境條件改變為浮游動物的生長提供了更優越的環境，使示范區浮游動物的豐度保持持續上升趨勢，至8月豐度達到了最高峰，為47.19ind./L，并且主要以橈足類(30.92ind./L)為主.而從9月開始，示范區中浮游動物的豐度略呈下降趨勢，但仍顯著高于對照區(P＜0.05)(圖2).這可能與8月后浮床植物的定期收割所引起的水體復氧率降低及水體擾動有關，加之水溫開始逐漸下降，致使浮游動物豐度有所下降.

表2 對照區與示范區浮游動物種類組成Tab.2 Species composition of zooplankton in control area and study area

2.4 浮游動物多樣性指數變化

就示范區和對照區浮游動物的Shannon-Wiener多樣性指數(H')和Margalef種類豐富度指數(D)進行分析，結果具有較好的一致性.兩種指數均表現為示范區高于對照區(表3).ANOVA分析結果顯示，除 Shannon-Wiener多樣性指數8月份無顯著差異以外(P＞0.05)，其余各月兩種指數在對照區與示范區均存在顯著性差異(P＜0.05)，這表明隨著浮床系統的構建完成，示范區的水質得到了逐步的改善，浮游動物群落多樣性呈現逐步增加的趨勢.

圖2 示范區和對照區浮游動物豐度變化Fig.2 Dynamics of zooplankton abundance in control area and study eara

表3 浮游動物的生物多樣性指數變化Tab.3 Variation of diversity index of zooplankton

2.5 浮游動物豐度與水質的關系

水生生態系統是一個復雜的生態系統，浮游動物的群落結構變化受到多種環境因素影響.對示范區浮游動物平均豐度與水質指標均值進行相關性分析(表4)，結果顯示，浮游動物的豐度與DO、溫度分別呈極顯著(P ＜0.01)和顯著(P ＜0.05)正相關，與NH+4-N、CODCr呈顯著負相關(P ＜0.05).表明隨著水體復氧率的增加及污染物濃度的降低，浮游動物的豐度逐漸上升(圖2)，即隨著水體環境的改善，浮游動物的群落結構逐漸恢復.

表4 浮游動物豐度與理化因子相關性分析Tabl.4 The correlative analysis of physicochemical parameters and abundance of zooplankton

3 討論

3.1 浮游動物種類組成和群落結構的變化

作為水生生態系統的重要組成部分，浮游動物的種類組成及數量消長與水質密切相關［16］.通常在清潔型水體中浮游動物表現出種類多，數量少的特點;而在中度污染的水體中，往往是耐污種類形成優勢種群(以較高數量出現);重度污染(包括有機和重金屬污染)的水體，幾乎所有的水生生物(除了少數種類的細菌)都難以生存［12］.本文研究河流在開展修復工程前為重度污染河流，僅存在少數幾種喜好營有機污染水體生活、且極耐低氧的浮游動物種類，如萼花臂尾輪蟲、壺狀臂尾輪蟲、角突臂尾輪蟲(Brachionus angularis)及橈足類中的廣布種劍水蚤(Mesocyclops leuckarti)等，說明其是以有機污染為主要特征的污染生態系統.經采用強化生態浮床技術對河流水質修復后，浮游動物種類呈顯著增加趨勢，逐漸演變為原生動物、多種輪蟲、橈足類和枝角類為主的群落結構(表2).根據許木啟［17］關于浮游動物作為指示生物物種評價水環境質量研究結果可知，本研究河流的修復是一個從重度污染到清潔水體逐漸恢復的過程，浮游動物種類也隨著水質的逐漸好轉，從耐污的原生動物向清水種類轉變，表明利用浮游動物種類多樣性的變化開展水質監測具有較好的指示作用.

一般來說，健康群落的發展依賴于水質的改善，在環境脅迫(如污染)條件下的水生生物群落，其種類組成及種類豐度呈減少趨勢，反之則增加［18］.試驗初始，示范區浮游動物群落結構整體上呈現輪蟲＞原生動物＞橈足類＞枝角類的趨勢，但隨著水質的不斷改善，示范區原生動物和輪蟲的優勢地位已逐步弱化，而枝角類、橈足類的豐度值卻表現出明顯的增加趨勢(表2)，并逐步形成穩定的群落結構，這與許木啟、陳光榮等［19-20］研究結果基本一致.

3.2 浮游動物豐度的變化

低溶解氧會使浮游動物的生長和繁殖受到抑制［21］，水體中溶解氧濃度直接決定著大多數水生生物的生存狀況［22］.浮床系統中水生植物根系輸氧量遠大于空氣擴散所得氧量，輸氧速率也遠比依靠空氣向液面擴散速率大［23］.因此，根系輸氧可減輕污染水體因溶解氧不足所帶來的不利影響，有利于浮游動物的生長，使示范區浮游動物豐度較對照區明顯升高.同時，通過浮床植物根系生物膜的吸附、吸收以及生物代謝降解等作用，水體中氨氮及有機污染物濃度有效降低［24-25］，從而消減氨氮中非離子形式的氨對浮游動物的毒害作用［26-27］.浮游動物生境得到有效改善，進而引起浮游動物豐度發生顯著變化，顯示出浮游動物種群變化與河流水質改善間有著良好響應關系(表4).此外，水溫也是影響浮游動物數量變化的極為重要的環境因子［20］，黃加祺等［28］指出，浮游動物豐度與溫度有一定的相關性，在溫度較高時，總個體數也達到高峰.本研究溫度與浮游動物生長相關性分析結果顯示，橈足類豐度、浮游動物總豐度與溫度呈顯著正相關，其豐度隨著溫度的升高而升高，當溫度下降時也呈下降趨勢(圖2).但總體看來，由于本研究地處熱帶亞熱帶地區，采樣時平均水溫大于20℃，較適合浮游動物的生長［29］.

3.3 浮游動物多樣性指數的變化

H'是群落中物種的種類和數量分布的一個重要指標，多樣性指數越高，反映群落中物種越豐富、數量分布越均勻［30］.D值能夠較客觀地反映水體的污染程度及變化趨勢，D值越高，表示污染越輕;D值越低，表示污染越嚴重［19］.本文研究的示范區經浮床作用后，盡管水體污染未得到徹底改善，暫無寡污種類出現，但水質已表現出好轉趨勢，輪蟲、橈足類、枝角類和原生動物的種類和數量都明顯增加，使得無論是H'還是D值均較對照區高(表3).除了水質改善，高的水生植物生物量也會使浮游動物多樣性指數增加［31］，本研究浮床植物一直保持著良好的生長狀況，生物量增加，這可能也是導致浮游動物多樣性增高的原因之一.經浮床作用后，示范區H'和D的均值分別為3.12和1.62，運用Shannon-Wiener多樣性指數對水質等級進行評判［32］，當H'為1.0-2.0時水質為受到中度污染;而Margalef豐富度指數D為2-4時為中度污染，結果基本一致，表明水質尚屬中度污染［12］.結果顯示，利用強化型生態浮床對重度污染水體進行修復，已取得一定的效果;而且證實了利用浮游動物生物多樣性指數來評價水體修復措施的可行性和有效性.

綜上所述，利用強化生態浮床修復重污染河流，引起了水體理化、生物環境的變化，浮游生物對水體綜合環境的變化產生了積極的響應，表現出明顯的浮游動物恢復效能，雖然仍以耐污種類居多，但種類組成較修復前已經發生根本變化;浮游動物豐度與耗氧污染物(CODCr、NH+4-N)呈現顯著負相關(P＜0.05)，而與DO濃度、溫度分別呈極顯著(P＜0.01)和顯著(P＜0.05)正相關;利用兩種多樣性指數評價水質修復效果顯示，水體的污染程度正由重度污染向中度污染轉變.上述研究結果表明，以浮游動物群落結構變化的參數來分析水體修復效果具有可行性和有效性，一方面進一步證實應用強化生態浮床原位修復技術對改善污染河流的水體質量發揮了重要作用，另一方面明顯顯示了利用浮游動物群落變化特征能夠有效地監測和反映受損害水生生態系統的生態治理與恢復效能.這為我國河流的管理從以單純改善水質為重點，到河流整體生態系統恢復的策略性轉變提供了科學依據.要掌握生態修復工程作用下浮游動物群落結構的變化規律需要一個長期的過程，本研究將對強化生態浮床修復技術所引起的水質及浮游動物的變化進行持續監測，并對完全沒有浮床的區域進行設點采樣，以從更科學的角度評估、預測生態修復工程的有效性，為強化生態浮床技術修復重污染河流的可行性提供理論依據與指導.

致謝:本研究在野外采樣、理化因子測定及文章修改過程中得到李斌、于飛、陳純興、張曉萌、戴玉女、王銘等人的協作與幫助，在此向他們表示衷心的感謝!

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Effect of an enhanced ecological floating bed(EEFB)on zooplankton community in a polluted river

YANG Fengjuan，YANG Yang，PAN Hong，A Dan，LI Li，QIAO Yongmin ＆ZHONG Zheng
(1:Research Center of Hydrobiology，Jinan University，Guangzhou 510632，P.R.China)
(2:Ministry of Education Engineering Research Center of Tropical and Subtropical Aquatic Ecological Engineering，Guangzhou 510632，P.R.China)

This paper studied the dynamic variation of zooplankton population during the process of in-situ restoration of a heavily polluted tidal river in southern China by the technology of enhanced ecological floating bed(EEFB)and explored the changing characteristics of zooplankton community structure responding to the river water quality improvement.The results showed that the river water quality was improved after treated by EEFB，and the species of zooplankton increased from 5 to 49 and there occurred co-existence of multiple species instead of single pollution resistant species after implementing the restoration engineering.There was also a significant rise(P ＜ 0.01)of monthly zooplankton richness，namely，increasing from the lowest 1.22 ind./L to the highest 47.19 ind./L after the restoration work in the demonstration area comparing to the control area.The diversity index also achieved notable increase，of which Shannon-Wiener diversity index(H')and Margalef species richness index(D)increased from the original 1.27 and 2.22 to 1.62 and 3.12，respectively.In the demonstration area zooplankton diversity showed higher recovery ability than that in the control area which indicated that the employment of in-situ restoration technology of EEPB was effective in raising the ecological recovery efficiency of polluted water bodies.

Zooplankton;community structure;enhanced ecological floating bed;tidal river

＊ 國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07211-003，2009ZX07211-009)資助.2011-04-08收稿;2011-04-29收修改稿.楊鳳娟，女，1984年生，碩士研究生;E-mail:yangjuan0609@126.com.

＊＊ 通訊作者;E-mail:yangyang@scies.org.