城市河流治理前后水生態(tài)影響因素研究

毛雪慧

(深圳市碧園環(huán)保技術有限公司，深圳市水務規(guī)劃設計院有限公司，廣東 深圳 518000)

1 引言

浮游植物、浮游動物、底棲動物等水生生物作為江河湖庫等是水體生態(tài)系統(tǒng)的主要初期生產者，同時也是水生態(tài)系統(tǒng)中能量流動和物質循環(huán)的驅動因子[1]，在一定程度上可決定物質循環(huán)和能量流動的方式[2,3]。水生生物對水質變化敏感，環(huán)境因子變化對其生理活動及其群落結構和功能的影響很大，其群落結構特征可以較準確地反映水體的水質狀況及其動態(tài)變化，是水環(huán)境質量的重要指示類群及其評價的重要指標[4～6]。浮游動物、浮游植物、底棲動物群落結構變化是環(huán)境因子綜合作用的結果，研究其中的變化規(guī)律對于水生態(tài)修復領域具有實際意義。

我國在河流的生態(tài)整治中已經取得廣泛的共識，從2005～2010年，一批科研工作者將生態(tài)治河理念輸入水利屆[7]，且隨著生態(tài)治河的各種論文相繼發(fā)表、專著《生態(tài)水利工程原理與技術》《生態(tài)水工學探索》[8]的出版，大大推動了生態(tài)治河的力度。重視水生植物的應用、呼吁恢復河流的蜿蜒性、保護河曲、重視生物多樣性和生物棲息地、重視河流中各類生物的恢復和品種的增加，重視動植物的生物量監(jiān)測等在水利單位初步落實。深圳市城市河流綜合整治工程包括沿河建設截污管網、新建污水處理廠作為河道補水設施、設施生物飄帶、納米曝氣等水質凈化設施、種植水生植物營造河灘生境、設置礫石床為底棲生物提供棲息場所、改造生態(tài)護岸工程等措施。通過評價河流整治工程前后的效果與水生態(tài)因子之間的關聯性，為繼續(xù)推進生態(tài)脆弱河流和地區(qū)水生態(tài)修復，為下一步開展生態(tài)清潔型小流域建設提供數據支撐。

2 材料與方法

深圳河灣包括深圳河流域和深圳灣流域，其中深圳河流域主要支流有深圳河、深圳水庫排洪河、布吉河、福田河；深圳灣流域主要支流包括新洲河和大沙河[9]。選取深圳灣的6條典型河流，每條河流選取一個典型斷面。分別在2006年(整治前)和2012年(整治后)對其環(huán)境指標(溶解氧、總氮、葉綠素a、化學需氧量、磷酸鹽、總磷、生化需氧量、電導率、亞硝氮、硝氮、溫度)和生物指標(浮游植物優(yōu)勢種、浮游動物種類、底棲動物種類)進行采樣分析。監(jiān)測分析方法原則上選用國家和環(huán)境保護行業(yè)監(jiān)測分析方法標準。

為了判斷河流治理前后水環(huán)境和水生態(tài)因子的關系，應用除趨勢對應分析(detrended correspondence analysis，DCA)，對生物指標數據進行樣點分類。用典型對應分析方法(canonical correspondence analysis，CCA)研究生物的分布格局與環(huán)境因子間的相互關系。用冗余分析(redundancy analysis，RDA)研究生物的分布格局與環(huán)境因子間的相互關系。

3 結果與分析

3.1 河流治理對生態(tài)系統(tǒng)結構的影響

3.1.1 大沙河生態(tài)修復的水質-水生態(tài)影響

化學指標對比：如圖1所示，大沙河經過綜合治理后，溶解氧濃度升高；除TN濃度升高外，其他水質指標的濃度均明顯下降(包括COD、葉綠素a、磷酸鹽、TP、BOD)，說明大沙河水質與整治之前相比明顯好轉。

圖1 大沙河整治前后各項水化指標

生物指標對比：圖2顯示了大沙河整治前后的各項生物指標，大沙河經過綜合治理后，浮游植物種類數減少，浮游動物種類數減少，底棲動物種類數增加。說明水質好轉后，水生態(tài)在修復之中，有所好轉但尚不明顯。

圖2 大沙河整治前后各項生物指標

3.1.2 新洲河河生態(tài)修復的水質-水生態(tài)影響

化學指標對比：圖3顯示了新洲河整治前后的各項水化指標，經過綜合治理后，溶解氧濃度升高；除葉綠素a濃度略微升高外，其他水質指標的濃度均明顯下降(包括COD、TN、磷酸鹽、TP、BOD)，說明水質與整治之前相比明顯好轉。2007年8月葉綠素a濃度略微低于2012年9月；參考淡水水庫富營養(yǎng)化評價分級標準，2007年8月和2012年9月新洲河均屬于中營養(yǎng)型，且透明度高，說明新洲河水體富營養(yǎng)氧化程度低，水質較好。2007年水體透明度(SD)為15 cm且水淺，2012年水體透明度為30 cm見底，水體的透明度與水體的葉綠素a濃度呈現一定的相關性，整治前后，河流水體水深都很淺，且透明度高，不利于浮游植物的生長，該結果與葉綠素a濃度的變化一致。

圖3 新洲河整治前后各項水化指標

生物指標對比：圖4顯示了新洲河整治前后的各項生物指標，新洲河經過綜合治理后，浮游植物、浮游動物、底棲動物種類總體上有所下降，但部分類別生物有所增加。說明水質好轉后，水生態(tài)在修復之中，有所好轉但尚不明顯。

圖4 新洲河整治前后各項生物指標

3.1.3 福田河河生態(tài)修復的水質-水生態(tài)影響

化學指標對比：圖5顯示了福田河整治前后的各項水化指標，經過綜合治理后，溶解氧濃度升高；其他水質指標的濃度均明顯下降(包括COD、TN、磷酸鹽、TP、BOD)，說明水質與整治之前相比明顯好轉。下圖顯示了福田河整治前后的葉綠素a濃度。2007年8月葉綠素a濃度略微低于2012年9月；參考淡水水庫富營養(yǎng)化評價分級標準，2007年8月和2012年9月新洲河均屬于中營養(yǎng)型，且透明度高，說明新洲河水體富營養(yǎng)氧化程度低，水質較好。2007年水體透明度(SD)為15 cm且水淺，2012年水體透明度為30 cm見底，水體的透明度與水體的葉綠素a濃度呈現一定的相關性，整治前后，河流水體水深都很淺，且透明度高，不利于浮游植物的生長，該結果與葉綠素a濃度的變化一致。2012年8月葉綠素a濃度大大低于2007年8月；參考淡水水庫富營養(yǎng)化評價分級標準，2007年8月福田河屬于富營養(yǎng)型，而2012年9月福田河屬于中營養(yǎng)型，說明經過綜合整治之后，福田河水體水質狀況明顯好轉。2007年水體透明度(SD)為45 cm，2012年水體透明度為30 cm見底，水體的透明度與水體的葉綠素a濃度呈現一定的相關性，整治后，水體透明度變好，該結果與葉綠素a濃度的變化一致。

圖5 福田河整治前后各項水化指標

生物指標對比：圖6顯示了福田河整治前后的各項生物指標，經過綜合治理后，浮游植物、浮游動物、底棲動物種類總體上有所下降，但部分類別生物有所增加。說明水質好轉后，水生態(tài)在修復之中，有所好轉但尚不明顯。

圖6 福田河整治前后各項生物指標

3.1.4 排洪河河生態(tài)修復的水質-水生態(tài)影響

化學指標對比：圖7顯示了排洪河整治前后的各項水化指標，經過綜合治理后，溶解氧濃度升高；其他水質指標的濃度均明顯下降(包括COD、TN、磷酸鹽、TP、BOD)，說明水質與整治之前相比明顯好轉。2012年9月葉綠素a濃度大大低于2007年8月；參考淡水水庫富營養(yǎng)化評價分級標準，2007年8月屬于重富營養(yǎng)型，而2012年9月福田河屬于富營養(yǎng)型，說明排洪河仍存在嚴重的富營養(yǎng)化問題，但水體水質較整治之前有較大改善。2007年水體透明度(SD)為40 cm，2012年水體透明度為35 cm見底，水體的透明度與水體的葉綠素a濃度呈現一定的相關性，整治后，水體透明度變好，該結果與葉綠素a濃度的變化一致。

圖7 排洪河整治前后各項水化指標

生物指標對比：圖8顯示了排洪河整治前后的各項生物指標，經過綜合治理后，浮游植物、浮游動物、底棲動物種類總體上有所下降，但部分類別生物有所增加。說明水質好轉后，水生態(tài)在修復之中，有所好轉但尚不明顯。

圖8 排洪河整治前后各項生物指標

3.1.5 布吉河河生態(tài)修復的水質-水生態(tài)影響

化學指標對比：圖9為布吉河整治前后的各項水化指標，經過綜合治理后，溶解氧濃度升高；其他水質指標的濃度均明顯下降(包括COD、TN、磷酸鹽、TP、BOD)，說明水質與整治之前相比明顯好轉。

圖9 布吉河整治前后的各項水化指標

生物指標對比：圖10顯示了布吉河整治前后的各項生物指標，經過綜合治理后，浮游植物、浮游動物、底棲動物種類總體上有所下降，但部分類別生物有所增加。說明水質好轉后，水生態(tài)在修復之中，有所好轉但尚不明顯。

圖10 布吉河整治前后各項生物指標

3.1.6 深圳河生態(tài)修復水質-水生態(tài)影響

化學指標對比：圖11顯示了深圳河整治前后的各項水化指標。如圖所示，深圳河支流經過綜合治理后，干流溶解氧濃度升高；所有水質指標的濃度均明顯下降(包括COD、TN、磷酸鹽、TP、BOD、葉綠素a)，說明水質與整治之前相比明顯好轉。

圖11 深圳河整治前后各項水化指標

生物指標對比：圖12顯示了深圳河整治前后的各項生物指標，經過綜合治理后，浮游植物、浮游動物、底棲動物種類總體上有所下降，但部分類別生物有所增加。說明水質好轉后，水生態(tài)在修復之中，有所好轉但尚不明顯。

圖12 深圳河整治前后各項生物指標

3.2 河流治理前后水環(huán)境和水生態(tài)因子的關系

3.2.1 浮游植物群落與環(huán)境因子的關系

在對6條河流浮游植物種類與環(huán)境因子的CCA分析中，選擇優(yōu)勢度達到5%的種類列入物種矩陣中。首先對浮游植物種類的DCA排序，最長的排序軸長度(Lengths of gradient)為11.0，因此選擇單峰模型對浮游植物群落與環(huán)境因子的直接梯度排序分析(CCA)。在所有排序軸軸1和軸2對物種的累積解釋率為34%，對物種一環(huán)境關系的累積解釋率為34%，解釋量較低，但前4個軸對物種一環(huán)境關系的累積解釋變量為61.5%，因此前4個排序軸才能很好的代表和解釋浮游植物群落與環(huán)境變量之間的關系。在所有n個排序的環(huán)境因子中，各因子對物種的解釋量在總解釋量中的比例分別為：化學需氧量，94.9%；pH值，93.1%；氨氮，90.1%；溫度，85.1%；硝氮，76.5%；生化需氧量，75.8%；電導率，58.8；%；總磷，56.7%；溶解氧，49.7%；亞硝氮，46.6%；磷酸鹽，41.6%；總氮，27.7%(圖14)。蒙地卡羅置換檢驗結果表明所有環(huán)境指標與浮游植物群落的變化有顯著相關性(p<0.05)。

研究發(fā)現，化學需氧量是影響治理前河流浮游植物群落的最主要的環(huán)境因子；氨氮是影響治理后河流浮游植物群落的最主要的環(huán)境因子(圖13、圖14)。河流治理前，最常見的優(yōu)勢種為脆桿藻，它與磷酸鹽有較強的正相關性；河流治理后，最常見的優(yōu)勢種為小環(huán)藻和菱形藻，小環(huán)藻與溶解氧有較強的正相關性，菱形藻與亞硝氮有較強的正相關性。

1：排洪河治理前；2：布吉河治理前；3：福田河治理前；4：深圳河治理前；5：新洲河治理前；6：大沙河治理前；7：排洪河治理后；8：布吉河治理后；9：福田河治理后；10：深圳河治理后；11：新洲河治理后；12：大沙河治理后

PO3：磷酸鹽；TP:總磷；TN:總氮；NO3:硝氮；NO2:亞硝氮；NH3:氨氮；COD:化學需氧量；BOD:生化需氧量；PH:pH值；DO:溶解氧；cond：電導率；WT:溫度；S1:裸藻；S2:脆桿藻;S3:澤絲藻;S4:假魚腥藻;S5:浮鞘絲藻;S6:衣藻;S7:月牙藻;S8:斜生柵藻;S9:空星藻;S10:湖生卵囊藻;S11:十字藻;S12:綠球藻;S13:二尾柵藻;S14:顫藻;S15:單針藻;S16:微芒藻;S17:顆粒直鏈藻;S18:優(yōu)美平裂藻;S19:四尾柵藻;S20:小環(huán)藻;S21:隱藻;S22:菱形藻;S23:浮球藻;S24:湖絲藻;S25:扁裸藻;S26:卵形藻

3.2.2 浮游動物群落與環(huán)境因子的關系

對6條河流浮游動物種類與環(huán)境因子的RDA分析, 選擇優(yōu)勢度達到10%的種類列入物種矩陣中。首先對浮游植物種類的DCA排序，最長的排序軸長度(Lengths of gradient)為0，因此選擇線性模型對浮游植物群落與環(huán)境因子的直接梯度排序分析(RDA)。前4個軸對物種一環(huán)境關系的累積解釋變量為95.1%，因此前4個排序軸能很好的代表和解釋浮游植物群落與環(huán)境變量之間的關系。在所有n個排序的環(huán)境因子中，各因子對物種的解釋量在總解釋量中的比例分別為：總氮，72.8%；電導率，64.9%；磷酸鹽，53.0%；總磷，44.7%；氨氮，19.6%；溶解氧，19.2%；化學需氧量，19.1%；硝氮，18.5%；pH值，11.9%；溫度，16.1%；生化需氧量，7.5%；亞硝氮，4.37%；(圖15)。蒙地卡羅置換檢驗結果表明除亞硝氮外，其余所有環(huán)境指標與浮游植物群落的變化有顯著相關性(p<0.05)。

物種和環(huán)境因子之間的相互關系顯示，總氮、電導率、磷酸鹽和總磷是影響深圳河流浮游動物群落的最主要的環(huán)境因子，且河流治理前后差異性不大；其中磷元素是影響11種浮游動物分布最主要的影響因子，具體物種為蓋式晶囊輪蟲、大肚須足輪蟲、長足輪蟲、腔輪蟲、腹棘管輪蟲、基合溞、微型裸腹蚤、秀體蚤、鐮角秀體蚤、北培中劍水蚤、鋸緣真劍水蚤(圖15)。研究發(fā)現，河流治理前，最常見的優(yōu)勢種為微型裸腹蚤，它與磷酸鹽有較強的正相關性；河流治理后，最常見的優(yōu)勢種為無節(jié)幼體，它與溶解氧有較強的正相關性。

PO3：磷酸鹽；TP:總磷；TN:總氮；NO3:硝氮；NO2:亞硝氮；NH3:氨氮；COD:化學需氧量；BOD:生化需氧量；PH:pH值；DO:溶解氧；cond：電導率；WT:溫度；D1:萼花臂尾輪蟲;D2:熱帶龜甲輪蟲;D3:蓋式晶囊輪蟲;D4:前節(jié)晶囊輪蟲;D5:大肚須足輪蟲;D6:長足輪蟲;D7:腔輪蟲;D8：腹棘管輪蟲；D9: 廣布多肢輪蟲;D10: 基合溞;D11: 微型裸腹蚤;D12: 秀體蚤;D13: 鐮角秀體蚤;D14: 北培中劍水蚤;D15: 溫中劍水蚤;D16: 鋸緣真劍水蚤;D17: 無節(jié)幼體

3.2.3 底棲動物群落與環(huán)境因子的關系

對6條河流底棲動物種類與環(huán)境因子的CCA分析。首先對浮游植物種類的DCA排序，最長的排序軸長度(Lengths of gradient)為4.2，因此選擇單峰模型對浮游植物群落與環(huán)境因子的直接梯度排序分析(CCA)。前4個軸對物種一環(huán)境關系的累積解釋變量為95.1%，因此前4個排序軸能很好的代表和解釋浮游植物群落與環(huán)境變量之間的關系。在所有n個排序的環(huán)境因子中，各因子對物種的解釋量在總解釋量中的比例分別為：磷酸鹽，67.7%；總磷，52.3%；總氮，51.2%；化學需氧量，42.1%；生化需氧量，24.1%；氨氮，23.9%；溫度，19.1%；硝氮，11.4%；pH值，10.6%；電導率，9.03%；溶解氧，4.31%；亞硝氮，4.25%；(圖3～16)。蒙地卡羅置換檢驗結果表明，除亞硝氮和溶解氧外，其余所有環(huán)境指標與浮游植物群落的變化有顯著相關性(p<0.05)。

物種和環(huán)境因子之間的相互關系顯示，磷酸鹽、總磷總氮和化學需氧量是影響深圳河流浮游動物群落的最主要的環(huán)境因子。研究發(fā)現，河流治理前后，最常見的優(yōu)勢種為搖蚊屬，它與生化需氧量有較強的正相關性(圖16)。

PO3：磷酸鹽；TP:總磷；TN:總氮；NO3:硝氮；NO2:亞硝氮；NH3:氨氮；COD:化學需氧量；BOD:生化需氧量；PH:pH值；DO:溶解氧；cond：電導率；WT:溫度；P1:微紅蘿卜螺;P2:福壽螺;P3:梨形環(huán)棱螺;P4:大臍圓扁螺;P5:瘤擬黑螺;P6:銅銹環(huán)棱螺;P7:多棱角螺;P8:搖蚊屬;P9:水絲蚓;P10:扁蛭

4 結論

(1)6條河流經過綜合治理后，水體化學污染物濃度明顯下降；浮游植物、浮游動物、底棲動物種類總體上有所下降，但部分類別生物有所增加。

(2)化學需氧量是影響治理前河流浮游植物群落的最主要的環(huán)境因子；氨氮是影響治理后河流浮游植物群落的最主要的環(huán)境因子。河流治理前，優(yōu)勢種脆桿藻與磷酸鹽有較強的正相關性；河流治理后，優(yōu)勢種小環(huán)藻與溶解氧有較強的正相關性，優(yōu)勢種菱形藻與亞硝氮有較強的正相關性。

(3)總氮、電導率、磷酸鹽和總磷是影響深圳河流浮游動物群落的最主要的環(huán)境因子，且河流治理前后差異性不大；其中磷元素是影響11種浮游動物分布最主要的影響因子。河流治理前，優(yōu)勢種微型裸腹蚤與磷酸鹽有較強的正相關性；河流治理后，優(yōu)勢種無節(jié)幼體溶解氧有較強的正相關性。

(4)磷酸鹽、總磷總氮和化學需氧量是影響深圳河流浮游動物群落的最主要的環(huán)境因子。河流治理前后，優(yōu)勢種搖蚊屬與生化需氧量有較強的正相關性。