水源地人工濕地水質凈化效果及其對浮游植物的影響

葉之穎，蘇營營，張海平,*

(1. 同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2. 浙江省嘉興生態環境監測中心，浙江嘉興 314001)

浮游植物是水生態系統的初級生產力，其群落結構對水體環境變化響應非常靈敏，能夠用來反映水體的水質特征[1]。通常認為，浮游植物生長主要受到營養鹽、水溫、光照和水動力的影響，其群落結構更是會受到水體中各種理化因子和生物因子，甚至是人工措施的影響[2-3]。浮游植物功能類群分類法由Reynolds等[4]提出，Padisák等[5]完善，劃分出若干個功能類群，可以區別大部分淡水藻類的適宜生境。該方法在研究河流、湖泊、水庫的浮游植物群落結構特征時被廣泛應用[1,6-7]。

近年來我國富營養化問題日益嚴重，在2018年監測營養狀態的107個湖泊(水庫)中，輕度富營養狀態占23.4%，中度富營養狀態占5.6%[8]。水體富營養化不僅對水域生態系統產生嚴重危害，藻類在水源地大量繁殖還會對飲用水安全產生威脅[9]。人工濕地作為飲用水源地的凈化措施已有許多應用實例[10]。人工濕地對懸浮顆粒物的去除效果很好，可以達到90%以上，氮磷去除效率相對較低，一般接近50%，在適宜的條件下可以達到更高[11]，但人工濕地也存在水力停留時間較長的問題，對水體內浮游植物的生長也有多方面的影響。在中小試驗系統研究中發現，人工濕地對浮游植物有一定的去除效果[12-13]，特定條件下的除藻率可達到80%[14]。濕地內的浮游植物豐度和群落結構變化能夠反映出人工濕地的凈化效果和對生境的改變。目前，關于人工濕地的水質凈化效果和對浮游植物影響的研究大多是在中小尺度的試驗控制下進行，但在工程應用中的大型人工濕地水源地的研究較少。

本研究以嘉興市水源地石臼漾濕地和貫涇港濕地兩個人工濕地為研究對象，分析濕地內的水質變化特征和浮游植物分布特征，探究人工濕地凈化對浮游植物生長和群落結構的影響，為人工濕地水源地的建設和管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

石臼漾濕地和貫涇港濕地位于浙江省嘉興市境內，均為人工濕地，是嘉興市的重要水源地。石臼漾濕地占地約1.1 km2，從新塍塘取水，供給石臼漾水廠[15]；貫涇港濕地占地約為2.5 km2，從南郊河內取水，供給南郊貫涇港水廠[16]。兩個人工濕地的凈化流程可分為4個功能區塊，即預處理區、濕地根孔凈化區、深度凈化區及引水區。

1.2 采樣點和采樣時間

2019年3月—5月，分別在濕地的進水處、根孔凈化區出水處和深度凈化區出水處設置采樣點。S1～S3為石臼漾濕地采樣點，如圖1(a)所示，其中，S1位于進水處，S2位于濕地根孔凈化區出水處，S3位于水廠取水處；G1和G2為貫涇港濕地采樣點，如圖1(b)所示，其中，G1位于濕地進水處，G2位于根孔凈化區出水處。水質采樣的時間為3月27日—5月27日，每周1次，共采樣10次。浮游植物的采樣日期為3月27日、4月2日、4月17日和5月22日。

圖1 石臼漾濕地采樣點布設(a)和貫涇港濕地采樣點布設(b)Fig.1 Map and Sampling Sites in Shijiuyang Wetland (a) and Guanjinggang Wetland (b)

1.3 樣品采集與分析

浮游植物的測定指標包括豐度和群落結構。采集離水面0.5 m處的表層水樣1 L，用15 mL魯哥氏液固定，避光保存帶回實驗室分析。靜置48 h后使用虹吸法濃縮至50 mL，使用Motic BA310顯微鏡和0.1 mL浮游植物計數框，使用視野法，在10×40倍鏡下計數。浮游植物鑒別參考《中國淡水藻類——系統、分類及生態》[17]、《中國淡水生物圖譜》[18]。浮游植物均鑒別到屬。

2 結果與分析

2.1 氮磷營養鹽濃度

圖2 人工濕地凈化前后氮營養鹽濃度變化Fig.2 Change of Nitrogen Nutrient Concentration in Constructed Wetlands

兩個濕地各監測點的氮營養鹽濃度變化如圖2所示。S1的平均TN質量濃度為2.81 mg/L，S2為2.76 mg/L，S3為2.78 mg/L，總體而言，石臼漾濕地進出水TN濃度變化不大，TN的凈化效果不明顯。貫涇港濕地進水區G1的平均TN質量濃度為3.43 mg/L，G2為3.04 mg/L，平均去除率為10.9%。

兩個濕地各監測點的磷營養鹽濃度變化如圖3所示。石臼漾濕地S1平均TP質量濃度為0.23 mg/L，S2為0.18 mg/L，S3為0.12 mg/L，平均去除率為45.3%；貫涇港濕地G1的平均TP質量濃度為0.18 mg/L，G2為0.14 mg/L，平均去除率為21.4%。水流經過S1→S2→S3，TP濃度逐漸降低，根孔凈化區和深度凈化區均對TP有較好的去除效果。

圖3 人工濕地凈化前后磷營養鹽濃度變化Fig.3 Change of Phosphorus Nutrient Concentration in Constructed Wetlands

2.2 濁度

濁度是影響水體富營養化的重要光學指標，主要受到水中懸浮顆粒物、浮游植物、浮游動物等影響。由圖4可知，石臼漾濕地的進水濁度較高，經過人工濕地凈化后，濁度大幅度下降。石臼漾濕地S1的濁度為34～102 NTU，S2的濁度為27～61 NTU，S3的濁度為17～37 NTU，平均去除率為57.0%。水流經過S1→S2→S3，水體濁度逐步降低，根孔凈化區和深度凈化區均對濁度有較好的凈化效果。貫涇港濕地的進水濁度比石臼漾濕地低，經過濕地凈化后濁度也在一定程度上降低。G1的濁度為11～33 NTU，G2的濁度為14～21 NTU，平均去除率為22.5%。

2.3 葉綠素a

葉綠素a是表征水體中浮游植物數量的重要指標。如圖5所示，在石臼漾濕地中，S1和S2的葉綠素a濃度相近，而S3的葉綠素a濃度則明顯高于S1和S2，最高達到了25.4 μg/L。在貫涇港濕地中， 由于深度凈化區水域較小，G1和G2的葉綠素濃度相近。總體而言，兩個人工濕地的葉綠素a濃度呈現出“深度凈化區>根孔凈化區≈進水區”的特征。

2.4 浮游植物群落結構

在石臼漾濕地中共鑒定出藻類7門71屬，其中，綠藻門最多，有28屬，占總屬數的39.4%；硅藻門次之，有20屬，占28.2%；再之后為藍藻門10屬，裸藻門5屬，金藻門4屬，隱藻門2屬，甲藻門2屬。在貫涇港濕地中共鑒定出藻類7門62屬，其中，綠藻門最多，有24屬，占總屬數的38.7%；硅藻門次之，有18屬，占29.0%；再之后為藍藻門8屬，裸藻門5屬，金藻門3屬，隱藻門2屬，甲藻門2屬。兩個人工濕地的浮游植物種屬構成基本一致。

兩個人工濕地的5個采樣點在4個采樣日期的藻類優勢種如表1所示。兩個人工濕地的優勢種屬基本一致，主要優勢種屬為隱藻屬(Cryptomonassp.)、藍隱藻屬(Chroomonassp.)、小環藻屬(Cyclotellasp.)、四星藻屬(Tetrastrumsp.)和衣藻屬(Chlamydomonassp.)。除3月27日和4月17日的G1外，第一優勢種均為隱藻門的隱藻屬或藍隱藻屬，這說明隱藻門在兩個人工濕地相比其他藻類占更大的優勢。3月27日G1的第一優勢種為黃群藻，相對豐度為20.9%；第二優勢種席藻的相對豐度為17.6%；第三優勢種隱藻的相對豐度為12.5%。4月17日G1的第一優勢種為束絲藻，相對豐度為22.0%；第二優勢種隱藻的相對豐度為18.4%。G1位于人工濕地進水區，該處的浮游植物群落結構易受到上游來水的影響，但經過濕地凈化后，G2的第一優勢種分別為藍隱藻和隱藻，這表明經過人工濕地凈化，浮游植物群落結構發生了改變。

3 討論

3.1 影響浮游植物生長的水質因子

氮磷營養鹽是藻類生長的物質基礎，但營養鹽對藻類生長的促進作用有濃度上限，超過一定濃度后，藻類生長已有足夠的營養，營養鹽不再是藻類生長的限制條件。在太湖，氮的閾值為1.8 mg/L，磷的閾值為0.2 mg/L[19]。5個采樣點的TN濃度范圍均高于氮的濃度閾值1.8 mg/L，不受氮營養鹽濃度限制。石臼漾濕地和貫涇港濕地進水的TP質量濃度分別為0.15～0.31 mg/L和0.12～0.31 mg/L，對藻類生長的影響表現為磷限制與不受磷限制間波動；經過人工濕地凈化后，TP質量濃度分別是0.08～0.15 mg/L和0.10～0.19 mg/L，可以認為，兩個濕地出水的藻類生長都表現為磷營養鹽限制。因此，從營養鹽角度來看，經過人工濕地凈化后藻類的營養限制類型由“磷限制與不受磷限制間波動”轉變為“磷限制”。

兩個人工濕地的氮磷營養鹽濃度都是出水低于進水，而葉綠素a濃度卻呈現出“深度凈化區>根孔凈化區≈進水區”的特征。一般而言，影響浮游植物生長的主要因素包括營養鹽、水溫、光照和水流條件。在營養鹽降低的不利條件下，葉綠素濃度和藻類數量反而增加，這說明其他因素在人工濕地中對藻類生長產生了更大的影響。經過人工濕地凈化后，水體濁度大幅降低，透明度提高，水體中的浮游植物可接收到的光照強度增大。另外，深度凈化區水域寬廣，流速放緩，水力停留時間更長。現有研究表明，較長的水力停留時間有利于藻類生長[20-21]。因此，人工濕地建設中應關注藻類增殖問題，合理控制水力停留時間。

3.2 浮游植物群落對人工濕地水質處理的響應

兩個濕地的主要優勢種屬為隱藻、藍隱藻、小環藻、四星藻、衣藻。根據Reynolds等[4]和Padisák等[5]的浮游植物功能群分類法，隱藻屬于Y，適宜靜水環境，對不同生境有廣泛的適應性；藍隱藻和衣藻均屬于X2，適宜中、富營養的淺水水體；小環藻屬以梅尼小環藻為主，屬于C，適宜中小型富營養淺水湖泊；四星藻屬于J，適宜高營養的混合淺水。S3監測點的隱藻和藍隱藻均為第一和第二優勢種，這說明該區域適宜這兩種藻類生長，符合功能類群生境描述的靜水環境和中、富營養的淺水水體。使用綜合營養狀態指數法評價2017年和2018年兩個人工濕地的營養狀態發現，在春季兩個濕地均處于中營養狀態，符合X2類群的棲息地生境特征。梅尼小環藻和四星藻的類群棲息地生境特征也可與淺水中營養狀態的人工濕地對應。除了3月27日和4月17日的G1外，其余時間的各采樣點第一優勢種均為隱藻或藍隱藻，這兩種藻類在這兩個濕地水域范圍內有較好的適應性。

表1 各采樣點的浮游植物的優勢種及其百分比Tab.1 Dominant Species and Percentage at Each Sampling Site

3月27日G1的第一優勢種為束絲藻，屬于H1，適合富營養的低氮淺水湖泊；4月17日G1的第一優勢種為黃群藻，屬于WS，適合高有機物濃度的小型水體。G1位于濕地進水區，受進水水質的影響較大，但經過濕地凈化后，G2處藍隱藻和隱藻的豐度百分比變大，分別成為3月27日和4月17日的第一優勢種，生境向中、富營養的低流速淺水水體轉變。人工濕地凈化改變了水體生境，影響藻類群落結構，促使石臼漾濕地和貫涇港濕地的優勢種屬向藍隱藻和隱藻轉變。

4 結論

(2)經濕地凈化后，水體營養鹽濃度降低，但由于水體透明體提升，深度凈化區水流緩慢，水力停留時間長，出水處的葉綠素a濃度和藻類數量都明顯增加。因此，人工濕地建設中應關注藻類增殖問題，合理控制水力停留時間。

(3)從浮游植物功能群的適宜生境來看，兩個濕地總體上為中、富營養狀態的低流速淺水水體。濕地進水區的浮游植物群落易受到上游來水的影響，但人工濕地凈化可改變水體生境，影響藻類群落結構，促使石臼漾和貫涇港濕地的優勢種屬向藍隱藻和隱藻轉變。