SUDS水健康與底棲無脊椎動物的關系研究

嚴明渝，劉惠清，王靈芝，2

（1.東北師范大學城市與環(huán)境科學學院，吉林長春130024；2.吉林大學地球科學學院，吉林長春130061）

SUDS水健康與底棲無脊椎動物的關系研究

嚴明渝1，劉惠清1，王靈芝1，2

（1.東北師范大學城市與環(huán)境科學學院，吉林長春130024；2.吉林大學地球科學學院，吉林長春130061）

對蘇格蘭鄧佛姆林郡4個城市可持續(xù)排水系統(tǒng)（sustainable urban drainage system，SUDS）的理化指標及底棲無脊椎動物群落結(jié)構(gòu)的時空變化特征進行了分析.結(jié)果表明：底棲無脊椎動物的豐富度及敏感種比重為人工濕地＞3號滯留池＞2號滯留池＞1號滯留池，底棲無脊椎動物的豐富度與敏感種比重與環(huán)境要素顯著相關，SUDS的深度、流域內(nèi)透水斑塊比重和污染物輸入量對底棲動物群落結(jié)構(gòu)及污染物的移除率有顯著影響.隨時間的延長，外來種逐漸替代了人工濕地的本地種.

底棲無脊椎動物；城市可持續(xù)排水系統(tǒng)（SUDS）；生物多樣性

城市可持續(xù)排水系統(tǒng)（sustainable urban drainage systems，SUDS）是將城市不透入地表的雨水通過城市雨排管線匯入城市可持續(xù)排水系統(tǒng)，通過人工濕地或滯留池滯留城市污水、經(jīng)沉降及生物吸收后使大部分污染物在到達受納水體前能被有效移除［1－2］，降低了城市面源污染對受納水體的潛在威脅，使其在環(huán)境、生態(tài)及社會美感方面保持可持續(xù)性.

SUDS主要應用于英國、美國和澳大利亞.國外眾多學者已就SUDS池沉積物沉積速率、沉積物重金屬含量、植物調(diào)查、水文特征、維護費用等問題進行了大量研究，表明SUDS能有效地減弱洪峰、改善水質(zhì)，降低維護費用.然而，也有學者對SUDS的環(huán)境效益提出了質(zhì)疑，部分SUDS中的元素含量有增加趨勢且建設初期的SUDS對生物多樣性有抑制作用.

我國的城市排水系統(tǒng)雖已推行雨污分流模式，但對城市不透入地表的降雨基本不做凈化處理［3］.目前，我國松花江、淮河為輕度污染，黃河、遼河為中度污染，海河為重度污染［4］.SUDS雖能改善水質(zhì)，但造價十分昂貴.要維護我國城市的水環(huán)境健康，推廣SUDS不失為一種舉措，但必須以其可持續(xù)的有效論證作為依據(jù).

20世紀90年代初期，歐美等國就開始采用底棲動物類群的耐污性和生物指數(shù)來評價水質(zhì)［5］.與其他生物相比，底棲動物的生命周期長，在水域和濕地兩種生境中完成生命過程［6］，可見證水域和濕地的質(zhì)量及變化［7－8］；其分布范圍廣、活動性差、易采集［9］，是水質(zhì)快速評價的理想指示生物［10］.

1993年，蘇格蘭鄧佛姆林郡東部新城區(qū)建立了SUDS，它被視為控制英國城市面源污染的典范［11］.因此，本文以鄧佛姆林郡的3個SUDS滯留池及1個SUDS人工濕地為研究對象，在2010年采集SUDS的底棲無脊椎動物，并結(jié)合已有的2007—2009年的野外數(shù)據(jù)，分析了其時空變化及其與水質(zhì)、周圍土地利用變化的關系，評價SUDS的生態(tài)可持續(xù)性及效率，以為我國SUDS的設計和建設提供立論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于蘇格蘭鄧佛姆琳郡（56°04′17″N，3°27′42″W）的東部新城區(qū)（見圖1），該區(qū)屬溫帶海洋性氣候，夏季涼爽濕潤、冬季較為溫暖，年均溫9℃～18℃，年均降水量870mm，夏季易發(fā)生洪澇.研究區(qū)總面積354hm2，區(qū)內(nèi)居民區(qū)占地100hm2、休閑公園占地18hm2、地區(qū)公園占地59hm2、工業(yè)區(qū)占地100hm2、未開發(fā)綠地77hm2，擁有7個可有效降解污染物的SUDS.本文研究的4個SUDS目前正在使用，其他3個未被使用.

圖1 研究區(qū)及4個SUDS的分布圖

本文選取3個滯留池（1號池、2號池、3號池）和人工濕地作為SUDS的研究對象.SUDS的進污口匯集了來自SUDS所在流域內(nèi)的城市徑流和處理后的城市廢水，通過生物過濾、沉淀和吸收（主要為蘆葦）凈化水質(zhì)，凈化周期約21d.各SUDS及周邊的具體情況見表1.

表1 各SUDS的具體情況

2 研究方法

在1號池、2號池、3號池和人工濕地的主進水口和出水口各設置1個采樣點（見圖2），于2010年6月采集了3次水樣和1次無脊椎動物樣品.底棲無脊椎動物的采集采用3min抄網(wǎng)法，即將3min分為6個30s，做6次30s的平行重復采樣.2007年至2009年的理化指標及無脊椎動物類群數(shù)據(jù)源自英國龍比亞大學6—7月的野外實習數(shù)據(jù).

圖2 采樣點分布圖

在每一采樣點用手持式溶解氧測定儀測定溶解氧含量及水溫，并在各樣點水深30cm處采集水樣.采集的水樣經(jīng)過濾后帶回實驗室冷藏，使用pH測量儀（Ross pH meter）和電導儀3次重復測定水樣的pH值和電導率.使用自動分析儀（Seal AQ2）利用水化學測量標準法測定營養(yǎng)鹽（銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽和活性磷酸鹽）的質(zhì)量濃度.大型無脊椎動物利用手撿法快速分離并儲存于70%的酒精中，對分離后的大型無脊椎動物使用顯微鏡鑒定到科并記錄每類的個體數(shù)量.

利用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理及多樣性指數(shù)（Margalef指數(shù)、Shannon－Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)）分析，相關分析采用SPSS15.0軟件.

3 研究結(jié)果與分析

3.1 SUDS池大型底棲無脊椎動類群

4個SUDS共采集到底棲無脊椎動物34類，隸屬5門8綱34科（見表2）.2號池的底棲無脊椎動物類群最少（進水口14科，出水口10科）；人工濕地的類群最多（進水口23科，出水口處25科）.

各樣點的優(yōu)勢種群差異明顯：1號池的優(yōu)勢種為耐污能力較強（BMWP分數(shù)較低）的寡毛綱、雙翅目幽蚊科和甲殼綱櫛水虱科.人工濕地的種群構(gòu)成較復雜，優(yōu)勢種含敏感物種；3號池和2號池的優(yōu)勢種由半翅目劃蝽科和甲殼目鉤蝦科等中度敏感物種構(gòu)成，其敏感性高于1號池.每一SUDS池都有獨特的底棲無脊椎動物類群，人工濕地擁有的獨特物種類群最多，而1號池擁有的獨特物種類群最少.

表2 SUDS底棲無脊椎動物采集物種統(tǒng)計

續(xù)表2

生物監(jiān)測工作組（biological monitoring working party，BMWP）計分系統(tǒng)是通過將樣品中每一科的敏感度（最敏感的種類如蜉蝣若蟲賦10分，最耐污的種類賦1分，將不同科的底棲動物賦1～10的分數(shù)）相加獲得，它以整合的方式反映水體的有機污染水平.分類單元平均得分（the average score per taxon，ASPT）由BMWP除以有機體出現(xiàn)的科數(shù)得出，它反映了此樣點出現(xiàn)的所有科的敏感性.類群數(shù)反映了一個樣點底棲無脊椎動物類群的多樣性.

SUDS底棲無脊椎動物的類群數(shù)、BMWP和ASPT顯著正相關（P＜0.01）（見表3），說明底棲無脊椎動物類群的敏感種比重與其多樣性有顯著的正相關關系.人工濕地的類群數(shù)、BMWP和ASPT都高于其他3個SUDS池，而1號池擁有較低的類群數(shù)、BMWP和ASPT；3號池的底棲無脊椎動物類群較2號池豐富（見圖3）.人工濕地的Margalef豐富度指數(shù)和Shannon－Wiener指數(shù)都高于其他3個SUDS池，說明人工濕地的底棲無脊椎動物類群豐富（見圖4）.但SUDS的均勻度相差不大.

圖3 各SUDS底棲無脊椎動物數(shù)量特征 圖4 各SUDS底棲無脊椎動物多樣性特征

3.2 SUDS池底棲無脊椎動物與環(huán)境因子相關分析

SUDS中底棲無脊椎動物的ASPT與硝酸鹽含量在0.05的水平上呈顯著負相關，BMWP、ASPT及類群數(shù)與電導率在0.05的水平上呈顯著負相關.亞硝酸鹽與硝酸鹽在0.01水平上呈顯著負相關，活性磷酸鹽與銨鹽在0.05水平上呈顯著負相關（見表3）.說明底棲無脊椎動物敏感類群所占比重與硝酸鹽含量呈顯著負相關；底棲無脊椎動物的類群數(shù)及敏感類群比重均與水體的離子濃度呈顯著負相關.亞硝酸鹽和活性磷酸鹽在水體中的含量受多反應、多要素的綜合影響，變幅大，因此與底棲無脊椎動物的類群未構(gòu)成顯著的直接聯(lián)系，但可以通過轉(zhuǎn)化或影響水體其他營養(yǎng)元素而對底棲無脊椎動物類群產(chǎn)生間接影響.

表3 SUDS中底棲無脊椎動物與環(huán)境因子的相關分析

1號池與2號池出水口的銨鹽濃度明顯高于其進水口濃度，而其出水口的BMWP值明顯低于進水口；3號池和人工濕地的情況與1號池和2號池的情況剛好相反（見圖5），說明SUDS池底棲動物類群受銨鹽質(zhì)量濃度影響顯著，當銨鹽質(zhì)量濃度上升時，底棲無脊椎動物類群的敏感種比例下降，耐污種比例上升；當銨鹽質(zhì)量濃度超過600μg/L時，無脊椎動物群落發(fā)生顯著變化，其敏感物種所占比重開始明顯下降.

圖5 各SUDS的理化指標及底棲動物數(shù)量特征值

以上結(jié)果說明，水體理化性質(zhì)直接或間接影響底棲無脊椎動物類群的多樣性和敏感種比重：隨著硝酸鹽和銨鹽質(zhì)量濃度升高及離子間交換作用的增強，底棲無脊椎動物的多樣性和敏感種比重下降.亞硝酸鹽作為水體氮循環(huán)的中間產(chǎn)物，對水體的硝酸鹽和銨鹽質(zhì)量濃度有顯著影響，進而對底棲無脊椎動物有間接影響.活性磷酸鹽在水體中的富集會促進水中藻類對氮、碳等營養(yǎng)元素的吸收，促進藻類的大量繁殖，進而限制底棲無脊椎動物的多樣性.

SUDS中底棲無脊椎動物的多樣性和敏感種比重還與SUDS的深度及SUDS流域內(nèi)透水斑塊所占比重有關（見圖6）.擁有較小深度及較大透水斑塊比重的人工濕地和3號池，其底棲動物多樣性及敏感種比重高于其他兩池.Beauger等認為，對于深度大于50cm的河流或湖泊，隨著深度的減小底棲無脊椎動物的多樣性及敏感類群增多［12］，較淺的深度，增加了單位體積水與底質(zhì)及水生植物的作用面積.透水斑塊比重的增加，加大了流域內(nèi)地表水與土壤的交互作用，增強了對營養(yǎng)元素的截留作用.

圖6 各SUDS水深、透水斑塊比重與底棲無脊椎動物類群結(jié)構(gòu)的關系

3.3 SUDS池底棲無脊椎動物及理化性質(zhì)的動態(tài)變化特征

分析2007—2010年SUDS的BMWP及ASPT表明，1號池環(huán)境質(zhì)量基本無變化，2號池和3號池的環(huán)境質(zhì)量有所改善，人工濕地的環(huán)境質(zhì)量略有下降（見圖7）.這可能由于近年來輸入2號池的經(jīng)初級處理過的尾水質(zhì)量得到改善，降低了2號池污染物的輸入，其環(huán)境質(zhì)量得以改善.而人工濕地近年來受外來種Potamopyrgus antipodarum的影響導致環(huán)境質(zhì)量下降，Potamopyrgus antipodarum為角崔螺科的一種，在人工濕地入水口和出水口的比重分別超過30%和50%，有逐漸取代人工濕地中原有物種的趨勢，對人工濕地的生物多樣性有負面影響.

圖7 各樣點營養(yǎng)元素含量、BMWP分值及ASPT分值的時間變化特征

底棲動物與亞硝酸鹽和銨鹽的年際變化同步.從進水口到出水口，1號池及2號池的銨鹽與亞硝酸鹽含量沒有顯著降低，兩池的BMWP和ASPT得分也無顯著升高；3號池和人工濕地，從進水口到出水口，銨鹽和亞硝酸鹽含量略有降低，因此BMWP和ASPT都有所升高.說明營養(yǎng)元素含量，尤其是銨鹽和亞硝酸鹽，對SUDS池的底棲動物類群構(gòu)成有顯著影響.

4 結(jié)論與討論

正在使用的SUDS中，人工濕地擁有最豐富、敏感類群比重最高的底棲無脊椎動物類群，這與其流域內(nèi)透水斑塊比重最大及深度最小有關，透水斑塊對營養(yǎng)元素有截留作用，較淺的深度保障了SUDS內(nèi)的初級生產(chǎn)力，同時增加了水體與水生植物的交互作用，有利于污染物的移除.未來的SUDS建設應盡量保證其具有較小的深度，并在SUDS周邊保留足夠?qū)挼闹脖痪彌_帶.

SUDS的理化因子對底棲無脊椎動物類群影響明顯.底棲無脊椎動物類群與硝酸鹽、電導率呈顯著負相關，當銨鹽質(zhì)量濃度超過600μg/L時，銨鹽與底棲無脊椎動物呈顯著負相關，亞硝酸鹽及活性磷酸鹽通過轉(zhuǎn)化或影響其他營養(yǎng)元素含量而間接影響底棲無脊椎動物類群.對SUDS的理化指標和生物指標做定期監(jiān)測，控制SUDS池營養(yǎng)元素濃度，可確保受納水體的生態(tài)安全.

SUDS的底棲無脊椎動物多樣性還取決于其污染物的輸入量及外來物種的影響.外來種通常是在SUDS建設時隨河岸植物及大型浮水植物的入侵而來的，SUDS建設之初，要嚴格防范外來種的移入.

SUDS主要是用來處理不透水斑塊雨水的一種可持續(xù)排水系統(tǒng)，因此，不要過分依賴SUDS處理各種生活、生產(chǎn)的初級及二次處理污水，以避免污染物過量輸入對SUDS功能的破壞.在應用SUDS的基礎上，控制流域內(nèi)點源、面源污染，從而使SUDS發(fā)揮最大的潛力.

SUDS最適宜建造在我國濕潤及半濕潤地區(qū)，尤其是靠近河流上游或靠近重要水源地的城市.應將SUDS池和濕地建造在主要工業(yè)區(qū)、居民區(qū)及高速公路附近低地勢處，以降低管線布設費用.

由于研究時間和研究經(jīng)費的限制，本文僅分析了營養(yǎng)鹽濃度、水深、透水斑塊比重和外來種入侵對底棲無脊椎動物群落結(jié)構(gòu)的影響，未對所有環(huán)境因子及SUDS池的內(nèi)部細節(jié)構(gòu)造加以分析，建議以后的研究注重探究極端天氣（如暴雨）、枯水期、污染物輸入流速、棲息地植物多樣性以及SUDS內(nèi)部構(gòu)造對SUDS內(nèi)底棲無脊椎動物群落結(jié)構(gòu)的影響.

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Abstract：The temporal and spatial features of physio－chemical indies and the structure of benthic invertebrates of 4SUDS ponds within Dunfermline were analyzed，which provided suggestions for the SUDS design and construction of China.Results showed that diversity and the ratio of sensitive of benthic invertebrates were Wetland＞Pond 3＞Pond 2＞Pond 1.The structure of benthic invertebrates was significantly negative correlated with total organic nitrogen and conductivity.Moreover，benthic invertebrates were significantly correlated with environmental factors.The depth，nutrient input and pervious patch ratio of SUDS had great influences on the structure of benthic invertebrates.In wetland，exotic species would gradually replace native species.

Keywords：benthic invertebrates；SUDS；biodiversity；Dunfermline

（責任編輯：方 林）

Research on the relationship between benthic invertebrates and aquatic ecosystem health of SUDS

YAN Ming－yu1，LIU Hui－qing1，WANG Ling－zhi1，2
（1.College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.College of Earth and Science，Jilin University，Changchun 130061，China）

X820.2［學科代碼］610·1035

A

2011－12－26

國家自然科學基金資助項目（40871005）.

嚴明渝（1988—），女，博士研究生，主要從事自然地理學研究；通訊作者：劉惠清（1949—），女，教授，博士研究生導師，主要從事景觀生態(tài)學研究.

1000－1832（2012）02－0107－07