北京城市副中心新建景观水体的水生态环境变化规律

张 蕾，郭 硕，晁春国，杨子超，楼春华，王培京

1. 北京市水科学技术研究院，北京 100048

2. 北京市水科学技术研究院，流域水环境与生态技术北京市重点实验室，北京 100048

3. 北京市水文总站，北京 100089

4. 北京市密云水库管理处，北京 101500

5. 北京市北运河管理处，北京 101100

水生态系统在提供自然生态环境和支撑社会发展中起到重要作用[1]，随着人类生活水平的不断提高，以美化环境、提升生态环境质量、服务大众为首要功能的城市水生态系统已逐渐成为城市生态化进程中的重要因素[2]. 以河流湖泊为主的城市景观水体，受人类活动的干扰较大，随着水体中营养物质的不断输入，水体的富营养化风险随之增强[3]. 研究[4]表明水体富营养化已成为城市景观水体的主要问题.

目前对于景观水体主要侧重于水生态健康管理与生态修复技术的研究. 城市景观水体管理在水量、水质基础上，水体水生态系统健康管理已成为主要内容. 国内外现有的水生态健康评价方法包括指示生物法、综合指标体系法[5-6]和数学模型法[7-11]等，而河流生境、水环境因子和水生生物是水生态系统的重要组成部分[12-14]，直接影响水生态系统的健康状态[14-16].因此，综合河湖形态、水文、水质、水生生物等指标的综合评价方法更能反映水生态系统的整体情况[17-20].2020年北京市发布了DB 11/T 1722-2020《水生态健康评价技术规范》，从生境指标、理化指标和生物指标三方面对河湖水生态健康水平进行综合评价. 在调查评价的基础上，开展水体的生态修复是提升城市生态景观的重要内容，其中利用水生植物的生态修复技术是“用生态办法解决生态问题”的有效手段[2]. 在水生植物生物修复技术的研究中，多为植物修复机理过程的研究和模型模拟分析[2,21-22]，而对于水生态系统的变化过程，缺乏相应的综合数据分析. 尤其对于新建景观水体，由于初期水生态系统不完善，自我净化能力较低，河流水文、水质等变化对水生态环境影响巨大，水环境变化过程复杂. 掌握新建景观水体水生态环境变化规律，对于河道生态保护和生态修复技术的提出至关重要[23-24].

根据2015年《京津冀协同发展规划纲要》，通州区正式成为北京城市副中心，镜河水生态环境保障对于副中心生态文明建设具有重要的政治意义. 通过对镜河水生态环境开展跟踪监测分析，揭示了水生态系统中各组成要素的时空演替规律和水生态系统变化过程，以期为河流生态环境的进一步提升提供技术措施和科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

镜河地处北京城市副中心，河道已建成长度为2.4 km，设计常水位为18 m，平均水深约2.0 m，水域面积约16×104m2，蓄水量25×104m3. 镜河2018年底建成通水时，河道内未布置水生植物，水生态系统不完整，水生态健康水平较低. 自2018年至2020年共开展16次监测，时间分别为2018年10月、11月，2019年2月、3月、5月、7月、8月、10月和2020年4-11月，河道自北向南设置5个采样点(见图1).

1.2 样品采集与处理

1.2.1水质样品采取

定量样品采集用采水器采表层水2.5 L. 按照HJ/T 91-2002《地表水和污水监测技术规范》要求开展水质监测，现场测定水温、pH、溶解氧、透明度指标，实验室检测叶绿素a、悬浮物、生化需氧量、高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮、全盐量指标.

1.2.2浮游植物定量样品

用采水器采表层水1 L，立即加入占水样量1%～1.5% (体积比)的鲁哥氏液固定. 将水样带回实验室，倒入沉淀瓶内，静置24～36 h. 用虹吸管缓慢吸去上层清液，保留瓶底部的沉淀浓缩液50 mL左右，倒入浓缩样品瓶，用少量蒸馏水冲洗沉淀瓶的内壁和底部2～3次，冲洗液均倒入浓缩样品瓶中，将浓缩样品瓶继续静置沉淀24 h以上，最后虹吸、定容至30 mL.样品处理后，在光学显微镜下采用计数框进行观察分析.

1.2.3浮游动物定量样品

用采水器采表层水10 L，用13号浮游生物网过滤浓缩后注入样品瓶中，加入约占水样量5% (体积比)的甲醛固定. 样品处理后，在光学显微镜下采用计数框进行观察分析.

1.2.4底栖动物定量样品

用改良式彼得森采泥器采集底泥，将底泥倒入盆内，经0.3 mm金属筛过滤，去除泥沙和杂物，将筛网上肉眼可见的底栖动物使用钟表镊子挑拣，立即放入盛有75%乙醇溶液的浓缩样品瓶内固定.

1.2.5水生植物监测

采用面积为0.25 m2的带网铁铗开展样方调查，将采集的植物洗净，装入标本袋内带回实验室. 去除根、枯枝、败叶和其他杂质，去除植物体多余的水分，鉴定种类，分别称重后取样品在65 ℃鼓风干燥箱内烘干，直至恒质量. 每个采样断面设置6个监测点.

1.2.6鱼类监测

采用地笼捕捞后放回的方法开展鱼类调查，将地笼网置于水中过夜，约14 h，渔获物按种类进行分类并拍照留存后放回.

1.3 分析与评价方法

按照GB 3838-2002《地表水环境质量标准》开展水质评价. 按照DB 11/T 1722-2020《水生态健康评价技术规范》要求，选取5项生境指标、11项理化指标和5项生物指标，依据指标权重对监测结果进行赋分，得到水生态健康综合指数，评价水生态健康等级.

2 结果与讨论

2.1 水质变化

镜河水温变化主要受时间影响，不受人为干扰.pH变化范围为7.96～9.27，随时间有增高趋势. 叶绿素a浓度逐年升高，2020年10月叶绿素a浓度(0.098 mg/L)约为通水初期同期(0.020 mg/L)的5倍，透明度由高于100 cm降至约40 cm (见图2). 总氮和氨氮浓度变化随时间波动，总磷浓度逐年升高，最高值(0.34 mg/L)比通水初期(0.11 mg/L)增长约2倍(见图3). 全盐量升高1.5倍，溶解氧浓度、生化需氧量和高锰酸盐指数在2020年4月达到最高值(见图4).

图 2 水温、pH、叶绿素a浓度、透明度指标变化Fig.2 Changes of water temperature, pH, concentration of chlorophyll a and transparency

2.2 浮游植物密度与组成变化

浮游植物种类最高为46种(2020年4月)，最低为9种(2019年2月)，其中4-7月种类数量升高，8月后下降(见图5). 浮游植物中绿藻门和硅藻门种类数高于其他门类.

2018年(秋冬季)、2019年、2020年浮游植物密度平均值分别为319×104、885×104和1 135×104个/L，总体看来浮游植物密度有所升高，以硅藻门为主要优势门类(见图6). 其中5月浮游植物密度最高，超过3 000×104个/L；7-10月蓝藻门逐渐占据优势，藻密度降至650×104个/L；随着11月水温降低，硅藻门种类呈增加趋势.

2.3 浮游动物密度与组成变化

2018年(秋冬季)、2019年、2020年浮游动物种类平均值分别为11、16和26种，种类数量逐年增高，其中最高为36种(2020年8月)，最低为4种(2019年2月). 浮游动物中轮虫和原生动物种类数高于其他门类(见图7).

图 3 总氮、氨氮、总磷浓度变化Fig.3 Changes of concentration of total nitrogen,ammonia nitrogen, and total phosphorus

2018年(秋冬季)、2019年、2020年浮游动物密度平均值分别为529、1 134和7 852 ind./L，呈显著增长趋势，2020年约为2018年(秋冬季)的14倍(见图8)，其中最高值为16 488 ind./L(2020年5月)，最低值为17 ind./L(2019年10月). 以轮虫和原生动物为主要优势门类，二者平均密度分别占总密度的34.17%和57.81%；枝角类和桡足类密度保持较低水平，除个别月份外，基本不足总密度的1%.

2.4 底栖动物密度与组成变化

底栖动物优势种为双翅目摇蚊亚科. 2018年(冬季)、2019年、2020年底栖动物Shannon-Wiener指数平均值分别为0.26、0.49、0.64，总体来看Shannon-Wiener指数升高(见图9). 从季节变化来看，春季优势种为多足摇蚊属，其他季节主要为摇蚊属和水丝蚓属. 夏秋季Shannon-Wiener指数较高，春季降低.

2.5 水生植物密度与组成变化

共调查得到水生植物13种，其中，沉水植物7种，分别为苦草、轮叶黑藻、狐尾藻、金鱼藻、竹叶眼子菜、菹草和大茨藻；挺水植物5种，分别为荷花、黄菖蒲、芦苇、香蒲和再力花；浮叶植物1种，为睡莲.

挺水植物和浮叶植物季节性较强，主要生长期为6-9月. 沉水植物优势种呈现随季节演替的现象，4-6月以菹草为主要优势种，夏季沉水植物种类有所增加，7-9月以大茨藻为主、苦草和狐尾藻为辅，随着气温降低，冬季以大茨藻和苦草为主要优势种(见图10).

2018年、2019年、2020年沉水植物生物量平均值分别为0、24.40和53.70 g/m2(以干质量计)，沉水植物覆盖度由0提升至40% (见图11).

2.6 鱼类种类变化

镜河自2019年5月出现鱼类，为单一种-鲫；

9月调查得到鱼类7种，为鲫、泥鳅、黄黝鱼、子陵吻虾虎鱼、麦穗鱼、红鳍原鲌和䱗. 2020年共调查得到鱼类14种，鱼类按摄食食性可分为植食性、动物食性、碎屑食性和杂食性. 以杂食性鱼类为主，共8种，分别为䱗、麦穗鱼、波氏吻虾虎鱼、鲫、黄黝鱼、泥鳅、大鳞副泥鳅和鲤；植食性鱼类主要为草鱼；动物性鱼类3种，分别为子陵吻虾虎鱼、红鳍原鲌、乌鳢；碎屑食性鱼类2种，为高体鳑鲏和彩石鳑鲏. 渔获物优势种主要为麦穗鱼、鲫，均属鲤形目，为对水域生态环境适应性较宽泛的鱼类.

2.7 水生态系统健康水平变化

2.7.1指标监测结果

图 4 全盐量、溶解氧浓度、生化需氧量、高锰酸盐指数变化Fig.4 Changes of total salt content, dissolved oxygen, biochemical oxygen demand and permanganate index

图 5 浮游植物种类变化Fig.5 Change of phytoplankton species

图 7 浮游动物种类变化Fig.7 Change of zooplankton species

图 8 浮游动物密度变化Fig.8 Change of zooplankton density

图 9 底栖动物Shannon-Wiener指数变化Fig.9 Change of Shannon-Wiener index of zoobenthos biodiversity

图 10 沉水植物生物量变化Fig.10 Change of submerged plant biomass

图 11 沉水植物生物量变化Fig.11 Change of Submerged plant biomass

根据监测结果(见表1)，从2018年到2020年，生境指标中湖滨带植被覆盖度由30%提升至95%；理化指标中，总磷浓度升高2倍，生化需氧量升高26.84%，高锰酸盐指数升高近2倍，全盐量升高49.18%，叶绿素a浓度升高3.5倍，与此同时透明度下降63.79%，而氨氮浓度降低40%；生物指标中鱼类种类由0种提升至14种，大型水生植物覆盖度由6%增至40%，浮游植物密度由319×104个/L增至1 135×104个/L，浮游动物密度由529 ind./L增至7 852 ind./L，底栖动物多样性指数由0.26升至0.64.

2.7.2水生态系统健康水平评价结果

根据指标监测结果及权重进行赋分(见表2)，结果表明，生境指标得分由于湖滨带植被覆盖度提升而增加3.00分；理化指标得分由于高锰酸盐指数和叶绿素a浓度升高、透明度下降而降低2.75分；生物指标得分由于鱼类种类和大型水生植物覆盖度提升、底栖动物多样性指数升高而增加，由于浮游植物和浮游动物密度升高而降低，最终增加13分. 总体看来，经过两年的水生态系统演变，镜河水生态健康综合指数由59.50提升至72.75，健康水平由不健康演变为亚健康.

2.8 镜河水生态系统演变

镜河补水水源为再生水厂高品质再生水和土壤渗滤净化水，但通水初期至2021年初，补水水量有所降低，且再生水补给占比逐渐降低. 根据监测结果，再生水厂出水水质基本达到GB 3838-2002 Ⅳ类标准，而土壤渗滤净化水中氨氮和总磷超过Ⅳ类标准. 河道下游补给交换频次低，水体流动性较弱. 水源水质中氮磷营养盐输入的增加，结合水动力条件欠佳，共同驱动河流水质下降[25-26].

浮游植物、浮游动物、底栖动物和鱼类等均为水体中重要的水生生物，在水生态系统中占有重要的营养级和生态位[27-30]. 有研究[14]表明，水生生物的种类和丰度变化能较好地反映水体水环境质量. 浮游植物和水生植物是水体中重要的初级生产者，研究表明，浮游植物能够对水环境变化，尤其是营养物含量做出快速反应[31]. 镜河在河道设计中缺乏沉水植物，在通水后浮游植物迅速占领初级生产者主要生态位，浮游植物密度增加4倍，浮游动物密度增加14倍，水环境压力随之增加，而迅速进入藻型浊水态[32-34]. 作为相对封闭的新生河道，镜河交换水量少、基本呈现缓流状态，且水生态结构不完整、水生态系统稳定性较低.水生植物在稳定基质、吸附悬浮物、抑制藻类生长方面具有重要作用，构建水生植物群落是河湖生态修复的重要技术[35]. 自2019年起，基于草型缓流水体的“水下森林”构建技术，优选苦草、轮叶黑藻和竹叶眼子菜为优势种群，在河道内开展沉水植物种植，以推动水体向草型清水态转换，目前已发展至藻-草共存态[36-38]. 经过人工修复与自然恢复共同作用，研究区域沉水植物种类增至7种，覆盖度超过40%，但由于营养盐的不断输入和累积，水体富营养化水平逐渐加深，进而引起水体透明度降低，导致底层光照急剧减小，而限制水生植物生长，这种负反馈机制制约着水生态系统向好发展[39-42].

表 1 水生态系统指标监测Table 1 Results of water ecosystem monitoring

随着镜河水生态系统演变，底栖动物多样性指数升高，表明水生态系统健康水平提升. 但底栖动物优势种主要为耐污能力较强的摇蚊亚科，这与北运河流域其他河流调查结果[43]一致，研究认为人类活动对底栖动物种类和多样性存在直接和间接影响[8,43]. 鱼类种类增至14种，包含草食性、杂食性、肉食性、碎屑食性鱼类，营养级完整. 其中最先出现鱼类为杂食性鲫，其他鱼类也均为对环境适应能力较宽泛、对水环境变化敏感性较低的种类[44].

镜河通水后至今，水生态健康综合指数由59.50(不健康水平)增至72.75 (亚健康水平)，水生态健康水平显著提升. 水生态健康综合指数的升高主要由湖滨带植被覆盖度、鱼类种类、大型水生植物覆盖度、底栖动物生物多样性的增加引起. “水下森林”构建技术的实施及挺水植物护岸带的打造，作为生态修复的重要手段，不仅提升了湖滨带植物和水生植物的覆盖度，更为鱼类和底栖动物提供了栖息地，丰富了水生态系统群落结构[21,45-47]. 但水体营养盐浓度和浮游植物密度偏高，以及水生植物覆盖度较低仍是制约水生态环境继续提升的关键因素. 研究表明，通过改善河道水文、水动力条件[48-50]均能加速水体向草型清水稳态转换的速度. 因此在河道设计中，应充分考虑沉水植物对水生态系统的重要作用，并在河道现有条件下降低水位，为沉水植物生长提供必要条件，同时应进一步提升水动力条件，以降低浮游植物的竞争优势.

表 2 水生态系统健康水平评价Table 2 Results of water ecosystem health evaluation

以镜河为代表的北方城市河流在生态管理中应优先调控水资源连通，保障水资源量配置，增强水动力调控，满足生态需水要求，以改善水环境质量[51-53]. 其次注重水生态治理的长效稳定，在河道设计、建设、运行过程中，加强生态护岸、水生植物等要素管理，保证生态系统状态提升[21,54-56].

3 结论

a) 镜河水体受补水水源和水量的变化及河道水生态系统自身演替规律共同影响，河道下游水动力欠佳区域水质指标升高，应采取措施改善下游水动力条件.

b) 浮游植物占领初级生产者主要生态位，造成水体透明度下降而影响水生植物生长，浮游植物已成为制约水生态系统向好的主要因素，应继续采取生态修复措施，结合水位调节，增强水生植物的竞争作用.

c) 经过两年的演替，镜河水生态系统日趋完善，群落结构完善，水生态健康水平显著提升.