低水位運(yùn)行形成的邊灘濕地對南沙河水質(zhì)及水生態(tài)的影響

于文澤，王國強(qiáng)，曲 丹 ，朱爭明，國全偉

（1.北京市水體污染源控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；3.昌平區(qū)水務(wù)局，北京 102200；4.北京昌水建筑有限公司，北京 102200）

1 引言

（1）北京市南沙河起源于海淀區(qū)蘇家坨鎮(zhèn)西山農(nóng)場，向東流經(jīng)蘇家坨、上莊后進(jìn)入昌平區(qū)，最后匯入沙河水庫，其主河道長22.21 km，流域面積約為200 km2。該河流同時兼具海淀北部新區(qū)和昌平區(qū)的景觀、排水和防洪的重要功能[1]。南沙河是一條典型的排水型河道，承接著沿岸多個排水口和排水渠。通常情況下，會有大量的生活、生產(chǎn)、雨污合流水等排入南沙河，根據(jù)2015年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，年污水入河量為2 964.32萬m3，從而導(dǎo)致南沙河的水環(huán)境質(zhì)量不佳。在2017年以前其水質(zhì)為劣Ⅴ類，未達(dá)到該河流相應(yīng)的Ⅳ類功能水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。

（2）隨著沿河排口截污工程的陸續(xù)開展，南沙河的入河污染負(fù)荷大幅削減。在2018年6月，南沙河下游沙河水庫實(shí)施低水位運(yùn)行，庫區(qū)水位由35.7 m降至34.1 m[4]，所以，在南沙河（G6-入沙河水庫口）段形成了大面積的邊灘濕地，其面積約為6.5 公頃。通常，河道淺灘濕地是由陸生生態(tài)系統(tǒng)向水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡地帶，是重要的環(huán)境資源，也具有重要的生態(tài)功能[5]。邊灘濕地可以通過自身的自然生態(tài)過程和物質(zhì)循環(huán)作用，將水體中的污染物質(zhì)（如氮、磷等富營養(yǎng)化物質(zhì)）予以吸收、轉(zhuǎn)化、再分配，從而使水體得以凈化[6]。因此，國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，作為河道濕地核心的淺灘帶在水質(zhì)凈化方面有著無法替代的作用[7]。

（3）本研究對2017～2020南沙河水質(zhì)及浮游生物進(jìn)行了持續(xù)性調(diào)查和監(jiān)測，并系統(tǒng)對比了邊灘濕地的形成前后，南沙河（G6-入庫口）的河段水質(zhì)、水生態(tài)改善情況以及富營養(yǎng)化程度變化情況，同時，進(jìn)一步闡明了邊灘濕地的形成對水質(zhì)改善及水生態(tài)提升的影響，期望能為南沙河后續(xù)的生態(tài)修復(fù)和健康評價提供一定支撐。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況及樣點(diǎn)設(shè)置

在南沙河（G6-沙河水庫入庫口）共設(shè)置7個采樣點(diǎn)，分別為：南沙河G6斷面（S-1），南沙河北岸邊灘濕地入口及出口（SN1、SN2），南沙河南岸邊灘濕地進(jìn)口及出口（S-2、S-3），南沙河入庫口（S-4、S-5），其采樣點(diǎn)具體分布情況如圖1所示。

圖1 南沙河采樣點(diǎn)分布

2.2 樣品采集及分析

2.2.1 水樣采集

利用有機(jī)玻璃采水器取樣2.5 L，采樣位置位于水面下0.5 m，其水樣保存在貼有標(biāo)簽的聚乙烯瓶中，送回實(shí)驗(yàn)室立即檢測相關(guān)指標(biāo)，其具體監(jiān)測指標(biāo)及方法詳見表1。

表1 水質(zhì)指標(biāo)測定方法

2.2.2 浮游植物

用1 L的采水器采集上、中、下各層水樣等量混合，取混合水樣1 L，立即加入10～15 mL盧戈氏液固定。水樣經(jīng)兩次24 h沉淀后濃縮定容至30～50 mL，再使用光學(xué)顯微鏡在0.1 mL計(jì)數(shù)室中對濃縮樣品進(jìn)行計(jì)數(shù)，每個樣品計(jì)數(shù)兩片。如果兩片計(jì)數(shù)結(jié)果相差超過15%，則需再次計(jì)數(shù)，最后取其中細(xì)胞數(shù)相近兩次計(jì)數(shù)的平均值[8]。

2.2.3 浮游動物

浮游動物中枝角類和撓足類定量樣品的采集方法同浮游植物。

輪蟲類和原生動物類定量樣品是采集表層水和水面0.5 m處的水樣各5 L，混合后通過25號浮游生物網(wǎng)（網(wǎng)孔0.064 mm）過濾、濃縮至30～50 mL保存，用浮游生物計(jì)數(shù)框（1 ml體積）進(jìn)行計(jì)數(shù)，每次取樣之前要將樣品充分搖勻，每樣品計(jì)數(shù)兩片，全片計(jì)數(shù)。如果兩片計(jì)數(shù)結(jié)果相差超過15%，則需再次計(jì)數(shù)，最后取其中細(xì)胞數(shù)相近兩次計(jì)數(shù)的平均值[9]。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

浮游生物的多樣性指數(shù)及優(yōu)勢度：基于浮游植物和浮游動物的采樣分析結(jié)果，分別采用 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H’）、Pieluo均勻度指數(shù)（J）來反映邊灘濕地形成前后南沙河河道浮游生物多樣性的變化。采用優(yōu)勢度指數(shù)（Y）描述對比分析邊灘濕地形成前后南沙河浮游生物群落優(yōu)勢種的變化，各指數(shù)的計(jì)算方法見式（1）～（4）。

①Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：

②Pieluo均勻度指數(shù)：

③優(yōu)勢度指數(shù)：

式中，ni為第i種的個體數(shù)；N為所有種類總個體數(shù)；Pi為第i種的個體數(shù)與所有種類總個體數(shù)比值；S為樣品總種類數(shù)；fi為第i中藻類在各點(diǎn)位出現(xiàn)的頻率；Y為優(yōu)勢度，當(dāng)Y≥0.02時為優(yōu)勢種。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H’）、Pieluo均勻度指數(shù)（J）評價標(biāo)準(zhǔn)詳表2[10]。

表2 基于浮游生物多樣性指數(shù)的水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與討論

3.1 邊灘濕地形成前后主要污染物的沿程衰減對比

在2017～2020年，南沙河（G6-沙河水庫）段主要污染物的削減對比如圖2所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，2017年各污染物入庫口濃度均高于G6斷面，這與南沙河沿岸合流制溢流污染密切相關(guān)[11]。隨著昌平區(qū)截污和排口整治工程的開展，溢流污染得到了一定程度的控制。在2018年5月，沙河水庫開始實(shí)施低水位運(yùn)行，南沙河（G6-沙河水庫）段形成大面積邊灘濕地，河道的自凈能力逐年提高，至2020年，CODcr、NH4+-N、TP、TN等主要污染指標(biāo)的沿程削減率分別提升至32.14%、35.06%、34.78%和33.78%。

圖2 2017～2020年南沙河（G6高速-沙河水庫）主要污染物沿程削減

3.2 邊灘濕地形成前后浮游生物的多樣性變化

（1）邊灘濕地形成前后南沙河（G6高速-沙河水庫）段浮游生物的多樣性變化如圖3所示。在低水位運(yùn)行前（2017～2018年），南沙河的浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)為1.95±0.24，Pieluo均勻度指數(shù)為0.49±0.06，此時該河段的水質(zhì)為β-中污型[12-14]。而在邊灘濕地形成后，該河段Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)分別上升至2.28±0.14和0.72±0.07，這表明水質(zhì)污染類型由β-中污型向寡污型過渡。且浮游動物多樣性的指數(shù)變化規(guī)律與浮游植物一致，低水位運(yùn)行后多樣性及均勻度逐漸升高，Shannon-Wiener指數(shù)由1.8±0.24上升至2.0±0.16，Pieluo均勻度指數(shù)由0.42±0.04升至0.58±0.03。

圖3 邊灘濕地形成前后南沙河（G6高速-沙河水庫）段浮游生物多樣性變化

（2）邊灘濕地的形成豐富了南沙河（G6高速-沙河水庫）段的原有生境，為不同類型浮游生物提供了生長環(huán)境，因此，浮游生物的多樣性和均勻度均有顯著提升，這進(jìn)一步反映出了邊灘濕地的形成對南沙河河道水質(zhì)和水生態(tài)的提升有一定作用。此外，從以上數(shù)據(jù)可以看出，浮游植物均勻度（0.72±0.07）高于浮游動物（0.58±0.03），這表明浮游植物群落相比于浮游動物群落分布得更加均勻。監(jiān)測結(jié)果表明，浮游植物群落由邊灘濕地形成前的藍(lán)藻-綠藻型向藍(lán)藻-硅藻-綠藻型過渡，而浮游動物仍主要以輪蟲為主，相對較為單一。

3.3 浮游生物優(yōu)勢種變化

（1）邊灘濕地形成前后南沙河（G6高速-沙河水庫）段浮游生物優(yōu)勢種變化詳見表3。當(dāng)高水位運(yùn)行大水面時，該河段浮游植物主要以藍(lán)藻和綠藻為主（見表3），優(yōu)勢種包括藍(lán)藻門的顫藻（Oscillatoria sp.）、魚腥藻（Anabaena sp）、平裂藻（Merismopedia sp.），硅藻門的直鏈藻（Melosira sp.）和小環(huán)藻（Cyclotella），以及綠藻門的衣藻（Chlamydomonas sp.）和柵藻（Scenedesmus sp.），其中顫藻（Oscillatoria sp.）、微囊藻（Microcystis）、魚腥藻（Anabaena sp）、衣藻（Chlamydomonas sp.）和柵藻（Scenedesmus sp.），上述藻種多為重度污染水體（α-ms）及重度富營養(yǎng)化水體指示藻種[15]。而當(dāng)?shù)退贿\(yùn)行邊灘濕地形成后，浮游植物優(yōu)勢種發(fā)生變化，微囊藻、魚腥藻等重度富營養(yǎng)化指示藻種的消失，一些中度富營養(yǎng)化甚至是寡污水體指示藻種，如小環(huán)藻（Cyclotella meneghiniana）、針桿藻（Synedra sp.）、盤星藻（Pediastrum）和韋斯藻（Westellopsis）等出現(xiàn)[16]。

表3 邊灘濕地形成前后南沙河（G6高速-沙河水庫）浮游生物優(yōu)勢種變化

（2）在浮游動物方面，邊灘濕地形成前浮游動物優(yōu)勢群落主要為輪蟲和原生動物，且輪蟲類作為絕對優(yōu)勢種，優(yōu)勢種包括裂足臂尾輪蟲（Brachionus diversicornis）、萼花臂尾輪蟲（Brachionus calyciflorus Pallas）等，其中臂尾輪蟲屬多出現(xiàn)在重污染水體及重度富營養(yǎng)化水體中，為重度污染水體（α-ms）有指示物種[17]。在邊灘濕地形成后，輪蟲仍為絕對優(yōu)勢種，但整體優(yōu)勢種組成發(fā)生了變化，出現(xiàn)了中污型和寡污型水體的指示物種，如曲腿龜甲輪蟲（Anuraeopsis fissa）和多肢輪蟲（Filinia longiseta），這些物種均適宜生活在β-中污至寡污型的水體中，而晶囊輪蟲（Asplanchna）適宜生活在寡污型的水體中[18]。此外，優(yōu)勢種中還出現(xiàn)了枝角類和橈足類，如圓形盤腸溞（Chydorus sphaericus）、裸腹溞（Moina sp.）和透明溫劍水蚤（Thermocyclops hyalinus）[19]。由于枝角類和橈足類對水環(huán)境較為敏感，其出現(xiàn)也表明了南沙河水質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)優(yōu)。

（3）從浮游生物多樣性和優(yōu)勢種的變化可以看出，邊灘濕地形成后南沙河（G6高速-沙河水庫）段水生態(tài)得到顯著提升，這與低水位運(yùn)行后本河段水質(zhì)和水動力的變化密切相關(guān)。當(dāng)?shù)退贿\(yùn)行后，南沙河水流速度加快，進(jìn)而破壞了藍(lán)綠藻等富營養(yǎng)化藻種適宜的生境，此外，濕地植物還可以通過與藻類競爭氮磷等營養(yǎng)元素以及化感作用，從而進(jìn)一步抑制了藍(lán)藻的生長[20]。

4 結(jié)論

本研究通過對邊灘濕地形成前后南沙河（G6高速-沙河水庫）段水質(zhì)和水生態(tài)的對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）邊灘濕地形成后，南沙河（G6高速-沙河水庫）段自凈能力顯著提高，CODcr、NH4+-N、TP、TN的沿程削減率分別提升至32.14%、35.06%、34.78%和33.78%。

（2）邊灘濕地形成后，浮游生物的多樣性和均勻度均有一定程度的提高，浮游植物和浮游動物Shannon-Wiener指數(shù)分別提升至2.28±0.14和2.0±0.16；浮游植物和浮游動物Pieluo均勻度指數(shù)分別提升至0.72±0.07和0.58±0.03，這表明該河段的水質(zhì)由β-中污型向寡污型過渡。