漢石橋濕地南部核心區富營養化成因及防治對策

張 勇 董 雪 蔡春軼* 顏 泓 黨永峰 季世琛 王雪瑞

(1 北京市順義區漢石橋濕地自然保護區管理中心，北京 101309；2 國家林業和草原局調查規劃設計院，北京 100714；3 北京圣海林生態環境科技股份有限公司，北京 100083)

水體富營養化是一種因水生態系統中氮、磷營養鹽過多而造成的水污染現象，國內外研究主要集中在水體富營養化成因、評價、危害和防治等幾個方面。20世紀下半葉，國外學者發現河流(湖、庫)受水文和水系特征、沉積物性質、地形地貌和周邊植被特征等因素影響，易處于富營養狀態，但極少發生自然富營養化；而人類活動產生的生活污水、工業廢水、農田肥料等才是引發水體富營養化的主要原因(Prepas et al, 2003)。在水體監測評價方面，早期以透明度、營養鹽、葉綠素a等水體理化指標為主(Ritter, 1985)，近年來衛星遙感監測、大數據在線監測等方法在監測預警方面得到廣泛應用。國內對富營養化水體的評價方法以綜合指數法、主成分分析法、人工神經網絡法等統計學方法為主，國外以綜合評價法(ASSETS)、河口營養狀況評價法(OSPAR-COMPP)等為主(黃徐等, 2020; Bricker et al, 2003)。水體富營養化會造成水生態系統退化、損害養殖經濟收益、威脅飲用水安全等(Silbergeld et al, 2000; 高愛環等, 2005)。截至2020年，我國110個重要的湖泊(水庫)中，有29%的湖泊(水庫)處于輕度富營養及以上狀態(中華人民共和國生態環境部，2021)，富營養化水體的治理仍是未來水生態建設工作的重點之一。

漢石橋濕地是北京市的大型蘆葦沼澤濕地之一，素有京郊“小白洋淀”之稱。濕地南部核心區水體近幾年出現富營養化現象，對濕地生態環境造成一定破壞。本研究對南部核心區富營養化成因進行分析，并提出水體富營養化防治策略，旨在為濕地保護和修復工作提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

漢石橋濕地位于潮白河水系箭桿河支流蔡家河下游，實際控制面積5.74 km2，平均地表徑流量4.4×108m3，地下水位一般在1.5～2.5 m，儲水量約1×107～2×107m3/km2(閆子, 2021)。濕地水域主要由核心區和游覽區組成(圖1)，蘆葦保護區主要在北部核心區，直接接收再生水補水，與其他水域相對隔離；南部核心區與游覽區互相聯通，兩處水域中水生植物群落較少。濕地平均水深1.2 m，主要水源為再生水，其次為自然降水，年平均水深1.2 m。

圖1 采樣站點位置圖Fig.1 Sampling site location

漢石橋再生水廠處理楊鎮鎮區的生活污水與工業廢水，處理工藝為“人工格柵-破碎機-WWRR曝氣塘-砂濾罐”，再生水排放標準為《城鎮污水處理廠排放標準DB11 890-2012》B級，日均排放量約3 600 m3(汛期約4 500 m3)。再生水在進入北部核心區前，通過再生水廠西側面積為13 hm2的潛流濕地進行深度處理，使水質達到總氮≤1.5 mg/L，總磷≤0.1 mg/L標準。近幾年由于再生水廠內曝氣塘處理效率低、冬季進水水質超標，以及潛流濕地凈化效果受溫度影響等問題(李偉等, 2019)，進入北部核心區的再生水無法穩定達到上述設計標準。

2019年3—9月以南部核心區為研究區域，每月進行1次調查采樣工作，在南部核心區范圍內共設置5個采樣站點，其中1#、2#、3#站點位于東側水域，4#、5#站點位于西側水域，站點分布如圖1所示。

1.2 水質采樣與檢測

使用有機玻璃采水器在水面下0.5 m處采集1 L水質樣品、1 L葉綠素a(Chl.a)樣品(加入1 mL 1%碳酸鎂懸濁液)，所有樣品裝入聚乙烯樣品瓶中置于4℃保溫箱內儲存運輸，并在12 h內完成檢測。使用HACH SL1000型便攜式多參數水質快速檢測儀現場測定水體溫度(WT)、pH值和溶解氧(DO)，使用黑白盤現場測定透明度(SD)，使用艾沃斯AS-V5型數字照度計現場測定光照強度(Lux)。使用重鉻酸鉀法測定化學需氧量(COD)、酸性高錳酸鉀法測定高錳酸鹽指數(CODMn)、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮(TN)、鉬酸銨分光光度法測定總磷(TP)、丙酮提取分光光度法測定葉綠素a(Chl.a)，具體方法參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》(國家環境保護總局, 2002)進行。

1.3 數據分析與作圖

選取SD、TN、TP、CODMn、Chl.a5項指標，采用綜合營養狀態指數(Trophic Level Index,TLI)對水體的營養狀態進行評價(武瑾等, 2021)。將計算結果TLI進行分級 ：貧營養(0＜TLI(∑)≤30)、中營養(30＜TLI(∑)≤50)、輕度富營養(50＜TLI(∑)≤60)、中度富營養(60＜TLI(∑)≤70)和重度富營養(70＜TLI(∑)≤100)。為直觀表現各月水體富營養狀態差異，利用ArcGis10.2軟件對TLI數據進行繪圖。

利用SPSS 19.0軟件對各項水質指標進行Pearson相關性分析及主成分分析(PCA)，相關分析用于研究葉綠素a與各項水質指標之間的相關性。在主成分分析前，將各項水質數據進行Z-Scorre標準化處理，以解決各指標綱量不同的問題(武瑾等, 2021)，同時利用KMO-Bartlett 球形檢驗對各個變量的相關性進行檢驗，當KMO值＞0.6、P值＜0.05時，表明該組水質因子之間相互獨立，可以進行主成分分析。

2 結果與討論

2.1 水體富營養化評價

由圖2可知，2019年3—9月南部核心區TLI變化范圍為45.70～67.95，均值為59.33±6.03，最低值出現在3月，最高值出現在9月。南部核心區水體處于輕度-中度富營養狀態。以均值來看，調查期間5個站點富營養化程度由低到高分別為4#、5#、1#、2#、3#，其中4#與5#呈輕度富營養狀態，1#、2#與3#呈中度富營養狀態。東側水域富營養化程度高于西側，原因是兩處水域相對隔離，而再生水自1#站點附近進入南部核心區，TN＞0.3 mg/L、TP＞0.02 mg/L的水體為富營養化水體(余林康, 2013)，輸入過量的營養鹽加重了東側水域的富營養化程度。東側水域水生植物數量少、化感作用削弱、充足的光照與營養鹽共同促進了藻類的生長(Zhang et al,2018)。各月富營養化程度由低到高依次為：3月、5月、4月、6月、7月、9月、8月，其中僅3月呈中營養狀態，4—5月為輕度富營養狀態，而6—9月均為中度富營養狀態。6—9月南部核心區月平均水溫為25.57～33.59℃，是多數藻類的最適生長溫度(柴小穎, 2009)，同時蘆葦濕地表層土壤中有機質含量高(趙同謙等， 2008)，汛期集中降雨形成的地表徑流會攜帶大量有機質進入水體，加重了水體污染程度。流動水體會降低藻類密度(Tang et al, 2018)，而濕地內各水域之間聯通性差、水體不流動，懸浮物和顆粒態營養鹽逐漸沉積，增加了上層水體透明度與溶解性營養鹽含量(湯顯強, 2020)，由于水體更新周期長，營養鹽逐年積累(鄭劍鋒等，2014)，多種因素共同促進了藻類生長。對各月TLI進行單因素方差分析發現，TLI隨時間變化并未表現出顯著性差異(P＞0.05)，在一定程度上說明南部核心區水體富營養化程度較為穩定。武士蓉等(2015)研究發現2013年南部核心區除4月與10月處于中營養狀態外，5月至9月均為富營養狀態，與本次調查結果相似。

圖2 漢石橋濕地南部核心區水體富營養化狀態Fig.2 Eutrophication status in the southern core area of Hanshiqiao wetland

2.2 葉綠素a與水質因子的相關性分析

Chl.a反映水體中浮游植物的生物量特征，與各項水質因子的相關關系復雜，利用相關性分析研究Chl.a與SD、Lux、pH值、WT、DO、COD、TN、TP 8項水質因子之間的關系，結果如表1所示，Chl.a與SD、pH值、DO呈極顯著負相關，Chl.a與Lux、WT、COD、TN呈極顯著正相關。

表1 Pearson相關系數Table 1 Pearson correlation coefficient

在一定范圍內，浮游植物的光合作用速率與光照強度和水溫成正比。春季隨著光照時間與強度的增加、水溫的回升，浮游植物大量繁殖，懸浮在水體中，降低了水體透明度。已有文獻報道Chl.a通常與DO、pH值呈正相關(劉毛亞等, 2020; 吳阿娜等, 2011)，但在富營養化水體中浮游植物過度繁殖造成有機質增多，生物呼吸與有機質氧化會消耗大量氧氣；同時水生植物數量稀少限制了水體溶解氧的主要來源，最終導致溶解氧含量降低，因此Chl.a與DO呈極顯著負相關，此結果與賈振睿等(2015)的研究結果一致。藻類衰亡分解會釋放溶解性有機碳(DOC)，使水體COD升高，因此Chl.a與COD呈極顯著正相關(阮曉紅等, 2008)。多數研究表明Chl.a與pH值呈正相關(羅宜富等, 2017; 李蒙等, 2009)，原因是浮游植物光合作用會吸收水體中的CO2，使HCO3-減少、pH值上升，但此類研究結果多出自未發生嚴重水體富營養化或水華的水域。本研究中由藻類衰亡分解產生的DOC會在微生物的作用下轉變為溶解無機碳(DIC，包括無機碳酸鹽、碳酸氫鹽、H2CO3及CO2)，造成水體pH值降低，Chl.a與pH值呈極顯著負相關，與李翔等(2021)的研究結果一致。

浮游植物的相關指標與氮、磷營養鹽的關系復雜，一方面浮游植物在生長過程中會吸收氮、磷營養鹽，在衰亡過程中又會釋放氮、磷營養鹽(吳怡等, 2013)；另一方面其群落特征也會受到其他環境和生物因素的影響。浮游植物生長過程中吸收氮與磷的原子比為16/1(Redfield,1958)，本次調查中TN/TP值均小于16，說明南部核心區的浮游植物磷元素充足但缺少氮元素，而TN與Chl.a呈正相關，TP與Chl.a無相關性，綜合推斷TN是南部核心區浮游植物生長的限制性因素。

2.3 水體富營養化驅動因子分析

利用主成分分析在眾多水質數據中剔除具有相關性的因子，篩選出幾個獨立的綜合因子對研究結果進行充分解釋(蔡金傍等, 2007; 方紅衛等, 200; 林晶, 2017)。將3—9月的SD、Lux、pH值、WT、DO、COD、TN、TP、Chl.a水質數據進行標準化處理，并進行KMO-Bartlett 球形檢驗，檢驗結果KMO為0.631(P＜0.05)，表明可以進行主成分分析，結果如表2所示。

表2 主成分提取結果及載荷系數Table 2 Principal component extraction results and load coefficient

主成分分析共提取出3個特征根值大于1的主成分，方差解釋率分別為48.16%、17.866%、12.301%，累積方差解釋率為78.327%。主成分1與主成分2的方差解釋率大、包含信息量多，將與主成分1相關聯的水質因子作為影響水體富營養化的主要驅動因子，與主成分2相關聯的水質因子作為次要驅動因子。

主 成 分1中，Lux、pH值、WT、DO、COD、Chl.a等載荷系數絕對值大于0.6，主成分1反映了光照條件、溫度與溶解氧等水體的物理特征、酸堿特征、有機質特征及浮游植物生物量特征，其中Lux、WT、COD、Chl.a等與主成分1呈正相關，pH值、DO與主成分1呈負相關。主成分2中，TN和TP的載荷系數的絕對值＞0.6，主成分2反映的是水體中氮、磷營養鹽特征，二者均與主成分2呈正相關關系。由前文分析與王震等(2014)的研究可知，pH值、DO、COD是影響Chl.a的被動因子，因此造成南部核心區水體富營養化主要驅動因子為Lux、WT、Chl.a，次要驅動因子為TN與TP。

3 水體富營養化防治對策

3.1 再生水利用

調查期間南部核心區平均水位為1.1 m，其中6月平均水位最低，為0.96 m。再生水是濕地的主要水源，日常水量不足造成南部核心區常年處于低水位狀態。淺水水體與底泥之間強烈的物質交換，加速了沉積物中的氮、磷營養鹽向水體中釋放，降低了水體污染負荷能力，易造成水體發生富營養化。為滿足楊鎮鎮區日益增長的污水處理需求，2018年7月—2020年7月，漢石橋再生水廠進行改擴建工程，每年可為漢石橋濕地提供4.2×106m3的合格再生水，約占漢石橋濕地待恢復區及現狀濕地核心區最少需水量的69.58%(中國科學院生態環境研究中心, 2017)。在此基礎上，加強濕地水資源規劃利用與楊鎮海綿城市建設、北京城市學院二期建設的密切聯系，使再生水補水量達到濕地生態需水量。

3.2 水動力條件改善

合格的再生水可以稀釋污染物，但再生水的引入需要結合南部核心區水動力分布特征，因地制宜地設置進水口、出水口與流動路徑，必要時可通過一定的工程措施進行引導(邢廣彥等, 2006)。在現有河湖富營養化治理的案例中，設置過水通道進行引水稀釋、構建水系循環等措施均取得了良好的效果(李安峰等, 2013; 吳菊珍等, 2011; 姚云輝等, 2019)。北部核心區是再生水的主要儲存凈化區，僅在春、秋季通過1處管道向南部核心區補水，水流路徑過于單一(北部核心區-南部核心區-游覽區)，日常水體流動性差，加劇濕地水體的富營養化程度。在現有高程及再生水充足的情況下，利用3處水域及周邊自然和人工溝渠，結合新建、改建輸水管道，重新構建多樣化的調水路徑。再生水在不同位置進入北部核心區，經蘆葦群落進一步凈化后，再通過多條管道與溝渠分別進入南部核心區與游覽區的不同區域，形成“一區凈化，多線調水”的格局，同時提升3處水域的水體流動性。

3.3 水生生物調控

當前漢石橋濕地有23種魚類，包括植食性、肉食性、雜食性和濾食性魚類，減少植食性魚類(尤其是草魚)的數量是水體由藻型向草型轉變的重要前提。增加肉食性魚類的數量可以通過下行效應間接減少藻類數量，提升水體透明度(李傳紅等, 2008)。以鯉(Cyprinus carpio)、黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)為主的底棲雜食性魚類日常活動會攪動底泥再懸浮，使沉積物中的營養物質重新進入水體(趙文等, 2000)，加劇水體富營養化，也會造成下層水體渾濁影響沉水植物生長，因此需要減少鯉、黃顙魚等雜食性底棲魚類的數量。濾食性魚類可以有效降低藻類總生物量，但會使藻類向小型化轉變、物種多樣性降低(阮景榮等, 1995)，因此是否需要調控濾食性魚類數量有待進一步研究。

2007—2008年南部核心區擁有豐富的水生植物群落，受水位變化、魚類啃食等因素影響，至2011年以后水生植物群落基本消失。水體富營養化成因的分析結果顯示，在有效控制植食性魚類的前提下，亟需重建豐富的水生植物群落。水生植物在遮蔽水面光照、降低水下溫度、減少底泥再懸浮及污染物釋放、吸收氮磷營養鹽、抑制藻類生長等方面具有良好作用(朱元欽等, 2021)，水生植物種類應優先選擇對總氮吸收能力強的本地物種，如蘆葦(Phragmites communis)、水蔥(Scirpus validus)、香 蒲(Typha orientalis)、金魚藻(Ceratophyllum demersum)等(馬國強等, 2020)。

水體富營養化會破壞底部生境，降低大型底棲動物多樣性(龔志軍等, 2001)，當前南部核心區底棲動物以耐污類搖蚊幼蟲(Chironomus)為主，而背角無齒蚌(Anodonta woodiana)、圓頂珠蚌(Unio douglasiae)、梨形環棱螺(Bellamya purificata)等濾食性底棲動物數量較少。蚌、螺類主要濾食水體中藻類及有機顆粒可有效控制藻類與懸浮物數量、提升水體透明度(孟順龍等, 2009)。根據南部核心區生境特征選擇適宜的物種，在底質改良或水生植物群落初步恢復之后再進行投放，以保障底棲動物的成活率。

4 結論

(1)漢石橋濕地南部核心區TLI為45.70～67.95， 均值為59.33±6.03，水體處于輕度—中度富營養狀態。水體富營養化的主要驅動因子為光照強度、水溫、葉綠素a，其次為總氮與總磷。

(2)葉綠素a與透明度、pH值、溶解氧呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.473、-0.576、-0.502；與光照強度、水溫、化學需氧量、總氮等呈極顯著正相關，相關系數分別為0.661、0.539、0.486、0.630，TN是藻類生長的限制因子。

(3)依據調查分析結果，提出再生水利用、水動力條件改善、水生生物調控等水體富營養化治理措施。