低水位运行形成的边滩湿地对南沙河水质及水生态的影响

2022-05-23于文泽王国强朱争明国全伟

皮革制作与环保科技 2022年7期

于文泽，王国强，曲丹，朱争明，国全伟

（1.北京市水体污染源控制技术重点实验室，北京 100083；2.北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083；3.昌平区水务局，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区苏家坨镇西山农场，向东流经苏家坨、上庄后进入昌平区，最后汇入沙河水库，其主河道长22.21 km，流域面积约为200 km2。该河流同时兼具海淀北部新区和昌平区的景观、排水和防洪的重要功能[1]。南沙河是一条典型的排水型河道，承接着沿岸多个排水口和排水渠。通常情况下，会有大量的生活、生产、雨污合流水等排入南沙河，根据2015年的统计数据显示，年污水入河量为2 964.32万m3，从而导致南沙河的水环境质量不佳。在2017年以前其水质为劣Ⅴ类，未达到该河流相应的Ⅳ类功能水体水质标准[2-3]。

（2）随着沿河排口截污工程的陆续开展，南沙河的入河污染负荷大幅削减。在2018年6月，南沙河下游沙河水库实施低水位运行，库区水位由35.7 m降至34.1 m[4]，所以，在南沙河（G6-入沙河水库口）段形成了大面积的边滩湿地，其面积约为6.5 公顷。通常，河道浅滩湿地是由陆生生态系统向水生生态系统的过渡地带，是重要的环境资源，也具有重要的生态功能[5]。边滩湿地可以通过自身的自然生态过程和物质循环作用，将水体中的污染物质（如氮、磷等富营养化物质）予以吸收、转化、再分配，从而使水体得以净化[6]。因此，国内外学者普遍认为，作为河道湿地核心的浅滩带在水质净化方面有着无法替代的作用[7]。

（3）本研究对2017～2020南沙河水质及浮游生物进行了持续性调查和监测，并系统对比了边滩湿地的形成前后，南沙河（G6-入库口）的河段水质、水生态改善情况以及富营养化程度变化情况，同时，进一步阐明了边滩湿地的形成对水质改善及水生态提升的影响，期望能为南沙河后续的生态修复和健康评价提供一定支撑。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况及样点设置

在南沙河（G6-沙河水库入库口）共设置7个采样点，分别为：南沙河G6断面（S-1），南沙河北岸边滩湿地入口及出口（SN1、SN2），南沙河南岸边滩湿地进口及出口（S-2、S-3），南沙河入库口（S-4、S-5），其采样点具体分布情况如图1所示。

图1 南沙河采样点分布

2.2 样品采集及分析

2.2.1 水样采集

利用有机玻璃采水器取样2.5 L，采样位置位于水面下0.5 m，其水样保存在贴有标签的聚乙烯瓶中，送回实验室立即检测相关指标，其具体监测指标及方法详见表1。

表1 水质指标测定方法

2.2.2 浮游植物

用1 L的采水器采集上、中、下各层水样等量混合，取混合水样1 L，立即加入10～15 mL卢戈氏液固定。水样经两次24 h沉淀后浓缩定容至30～50 mL，再使用光学显微镜在0.1 mL计数室中对浓缩样品进行计数，每个样品计数两片。如果两片计数结果相差超过15%，则需再次计数，最后取其中细胞数相近两次计数的平均值[8]。

2.2.3 浮游动物

浮游动物中枝角类和挠足类定量样品的采集方法同浮游植物。

轮虫类和原生动物类定量样品是采集表层水和水面0.5 m处的水样各5 L，混合后通过25号浮游生物网（网孔0.064 mm）过滤、浓缩至30～50 mL保存，用浮游生物计数框（1 ml体积）进行计数，每次取样之前要将样品充分摇匀，每样品计数两片，全片计数。如果两片计数结果相差超过15%，则需再次计数，最后取其中细胞数相近两次计数的平均值[9]。

2.3 数据处理方法

浮游生物的多样性指数及优势度：基于浮游植物和浮游动物的采样分析结果，分别采用 Shannon-Wiener多样性指数（H’）、Pieluo均匀度指数（J）来反映边滩湿地形成前后南沙河河道浮游生物多样性的变化。采用优势度指数（Y）描述对比分析边滩湿地形成前后南沙河浮游生物群落优势种的变化，各指数的计算方法见式（1）～（4）。

①Shannon-Wiener多样性指数：

②Pieluo均匀度指数：

③优势度指数：

式中，ni为第i种的个体数；N为所有种类总个体数；Pi为第i种的个体数与所有种类总个体数比值；S为样品总种类数；fi为第i中藻类在各点位出现的频率；Y为优势度，当Y≥0.02时为优势种。Shannon-Wiener多样性指数（H’）、Pieluo均匀度指数（J）评价标准详表2[10]。

表2 基于浮游生物多样性指数的水质评价标准

3 结果与讨论

3.1 边滩湿地形成前后主要污染物的沿程衰减对比

在2017～2020年，南沙河（G6-沙河水库）段主要污染物的削减对比如图2所示。监测数据表明，2017年各污染物入库口浓度均高于G6断面，这与南沙河沿岸合流制溢流污染密切相关[11]。随着昌平区截污和排口整治工程的开展，溢流污染得到了一定程度的控制。在2018年5月，沙河水库开始实施低水位运行，南沙河（G6-沙河水库）段形成大面积边滩湿地，河道的自净能力逐年提高，至2020年，CODcr、NH4+-N、TP、TN等主要污染指标的沿程削减率分别提升至32.14%、35.06%、34.78%和33.78%。

图2 2017～2020年南沙河（G6高速-沙河水库）主要污染物沿程削减

3.2 边滩湿地形成前后浮游生物的多样性变化

（1）边滩湿地形成前后南沙河（G6高速-沙河水库）段浮游生物的多样性变化如图3所示。在低水位运行前（2017～2018年），南沙河的浮游植物Shannon-Wiener指数为1.95±0.24，Pieluo均匀度指数为0.49±0.06，此时该河段的水质为β-中污型[12-14]。而在边滩湿地形成后，该河段Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数分别上升至2.28±0.14和0.72±0.07，这表明水质污染类型由β-中污型向寡污型过渡。且浮游动物多样性的指数变化规律与浮游植物一致，低水位运行后多样性及均匀度逐渐升高，Shannon-Wiener指数由1.8±0.24上升至2.0±0.16，Pieluo均匀度指数由0.42±0.04升至0.58±0.03。

图3 边滩湿地形成前后南沙河（G6高速-沙河水库）段浮游生物多样性变化

（2）边滩湿地的形成丰富了南沙河（G6高速-沙河水库）段的原有生境，为不同类型浮游生物提供了生长环境，因此，浮游生物的多样性和均匀度均有显著提升，这进一步反映出了边滩湿地的形成对南沙河河道水质和水生态的提升有一定作用。此外，从以上数据可以看出，浮游植物均匀度（0.72±0.07）高于浮游动物（0.58±0.03），这表明浮游植物群落相比于浮游动物群落分布得更加均匀。监测结果表明，浮游植物群落由边滩湿地形成前的蓝藻-绿藻型向蓝藻-硅藻-绿藻型过渡，而浮游动物仍主要以轮虫为主，相对较为单一。

3.3 浮游生物优势种变化

（1）边滩湿地形成前后南沙河（G6高速-沙河水库）段浮游生物优势种变化详见表3。当高水位运行大水面时，该河段浮游植物主要以蓝藻和绿藻为主（见表3），优势种包括蓝藻门的颤藻（Oscillatoria sp.）、鱼腥藻（Anabaena sp）、平裂藻（Merismopedia sp.），硅藻门的直链藻（Melosira sp.）和小环藻（Cyclotella），以及绿藻门的衣藻（Chlamydomonas sp.）和栅藻（Scenedesmus sp.），其中颤藻（Oscillatoria sp.）、微囊藻（Microcystis）、鱼腥藻（Anabaena sp）、衣藻（Chlamydomonas sp.）和栅藻（Scenedesmus sp.），上述藻种多为重度污染水体（α-ms）及重度富营养化水体指示藻种[15]。而当低水位运行边滩湿地形成后，浮游植物优势种发生变化，微囊藻、鱼腥藻等重度富营养化指示藻种的消失，一些中度富营养化甚至是寡污水体指示藻种，如小环藻（Cyclotella meneghiniana）、针杆藻（Synedra sp.）、盘星藻（Pediastrum）和韦斯藻（Westellopsis）等出现[16]。

表3 边滩湿地形成前后南沙河（G6高速-沙河水库）浮游生物优势种变化

（2）在浮游动物方面，边滩湿地形成前浮游动物优势群落主要为轮虫和原生动物，且轮虫类作为绝对优势种，优势种包括裂足臂尾轮虫（Brachionus diversicornis）、萼花臂尾轮虫（Brachionus calyciflorus Pallas）等，其中臂尾轮虫属多出现在重污染水体及重度富营养化水体中，为重度污染水体（α-ms）有指示物种[17]。在边滩湿地形成后，轮虫仍为绝对优势种，但整体优势种组成发生了变化，出现了中污型和寡污型水体的指示物种，如曲腿龟甲轮虫（Anuraeopsis fissa）和多肢轮虫（Filinia longiseta），这些物种均适宜生活在β-中污至寡污型的水体中，而晶囊轮虫（Asplanchna）适宜生活在寡污型的水体中[18]。此外，优势种中还出现了枝角类和桡足类，如圆形盘肠溞（Chydorus sphaericus）、裸腹溞（Moina sp.）和透明温剑水蚤（Thermocyclops hyalinus）[19]。由于枝角类和桡足类对水环境较为敏感，其出现也表明了南沙河水质逐渐转优。

（3）从浮游生物多样性和优势种的变化可以看出，边滩湿地形成后南沙河（G6高速-沙河水库）段水生态得到显著提升，这与低水位运行后本河段水质和水动力的变化密切相关。当低水位运行后，南沙河水流速度加快，进而破坏了蓝绿藻等富营养化藻种适宜的生境，此外，湿地植物还可以通过与藻类竞争氮磷等营养元素以及化感作用，从而进一步抑制了蓝藻的生长[20]。