小型湖泊修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)對(duì)生態(tài)修復(fù)的響應(yīng)與評(píng)價(jià)

蘇小妹,薛慶舉,萬(wàn) 翔,謝麗強(qiáng)*

小型湖泊修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)對(duì)生態(tài)修復(fù)的響應(yīng)與評(píng)價(jià)

蘇小妹1,2,薛慶舉2,萬(wàn) 翔3,謝麗強(qiáng)2*

(1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院,江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210036；2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008；3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042)

為研究湖泊生態(tài)修復(fù)后小型城市湖泊不同區(qū)域水生態(tài)狀況的長(zhǎng)期響應(yīng)特征,并探討利用不同水生生物類(lèi)群評(píng)價(jià)水體水生態(tài)狀況的適用性,于2018年1月～2019年5月,對(duì)湖南小型城市湖泊松雅湖水質(zhì)及不同水生生物類(lèi)群分別進(jìn)行了逐月和季度監(jiān)測(cè),并對(duì)其水生態(tài)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià).結(jié)果顯示,與生態(tài)修復(fù)之前相比,修復(fù)后松雅湖全湖相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于修復(fù)前,其中Chl-a和CODMn下降比例均接近90%,而TP降幅亦超過(guò)70%.對(duì)于不同水域,修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)TN、NH3-N和TP濃度均呈下降趨勢(shì),其他水質(zhì)指標(biāo)亦處于較低水平,變化相對(duì)較小,但大部分指標(biāo)均以修復(fù)區(qū)為更優(yōu);其中,修復(fù)區(qū)CODMn含量較高可能與入湖水體輸入和沉水植物殘?bào)w較多有關(guān).此外,修復(fù)區(qū)浮游植物、浮游動(dòng)物以及底棲動(dòng)物物種數(shù)和生物多樣性指數(shù)均高于未修復(fù)區(qū),其中浮游植物和浮游動(dòng)物的密度亦高于未修復(fù)區(qū).水生態(tài)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)的水生態(tài)狀況在大部分時(shí)間均表現(xiàn)為良好,而不同生物評(píng)價(jià)指標(biāo)中以浮游動(dòng)物指示種對(duì)松雅湖的評(píng)價(jià)結(jié)果最為準(zhǔn)確,這也表明在利用單一水生生物群落對(duì)水體水生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)目的,并充分考慮不同生物類(lèi)群以及水域環(huán)境的特點(diǎn)等來(lái)選取合適的生物類(lèi)群進(jìn)行評(píng)價(jià).

水質(zhì)；浮游植物；浮游動(dòng)物；底棲動(dòng)物；松雅湖

針對(duì)湖泊出現(xiàn)的突出水環(huán)境問(wèn)題,如何恢復(fù)或修復(fù)其水生態(tài)系統(tǒng)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn).自二十世紀(jì)八九十年代開(kāi)始,國(guó)內(nèi)學(xué)者便已開(kāi)始了湖泊生態(tài)修復(fù)實(shí)踐研究[1-2],比如在無(wú)錫太湖馬山水廠和五里湖等水域利用水生植被的恢復(fù)來(lái)改善水質(zhì),大部分項(xiàng)目在實(shí)施期間均取得了一定的效果[3-4].經(jīng)過(guò)近40a的發(fā)展,不管是湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化等水環(huán)境問(wèn)題的機(jī)理研究[5-7],還是湖泊水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用[8-9],均已取得了較多的成果.其中,關(guān)于水體水生態(tài)狀況對(duì)生態(tài)修復(fù)的響應(yīng)方面的研究也已較多,眾多研究結(jié)果表明,以水生植被構(gòu)建為主的生態(tài)修復(fù)工程可以有效改善原有水體的水生態(tài)狀況[7,10-11].

然而,在針對(duì)小型城市湖泊生態(tài)修復(fù)的研究中,同時(shí)關(guān)注生態(tài)修復(fù)后修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)的長(zhǎng)時(shí)間水生態(tài)狀況變化的研究仍然較少.此外,作為湖泊水生態(tài)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)中的常見(jiàn)水生生物類(lèi)群,浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物單一類(lèi)群在不同水體水生態(tài)現(xiàn)狀研究中均被廣泛應(yīng)用[12-14],但在利用不同生物類(lèi)群評(píng)價(jià)水體水生態(tài)狀況時(shí)會(huì)存在適用性的問(wèn)題,其適用條件卻很少被提及.因此,本文通過(guò)對(duì)小型城市湖泊松雅湖生態(tài)修復(fù)前后修復(fù)區(qū)和未修復(fù)區(qū)水生態(tài)狀況的長(zhǎng)時(shí)間調(diào)研,分析了水體修復(fù)區(qū)和未修復(fù)區(qū)水生態(tài)條件對(duì)生態(tài)修復(fù)工程的響應(yīng)特征,并利用不同水生生物群落對(duì)水體水生態(tài)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià),探討了其適用性,以期為今后的水體生態(tài)修復(fù)工程實(shí)踐及水生態(tài)評(píng)價(jià)提供參考和依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

松雅湖為典型的小型城市湖泊,位于湖南省長(zhǎng)沙縣,地理坐標(biāo)為113.085°～113.115°E,28.260°～ 28.288°N.2009年12月正式蓄水,到2014年9月,水面面積已接近2.4km2,平均水深3.2m,目前已成為湖南省最大的城市湖泊[15-16].松雅湖北部與撈刀河相鄰,其主要入水口亦分布于湖區(qū)北部,次要入水口由東南部進(jìn)入主湖區(qū),而出水口位于西岸中部[17].在經(jīng)過(guò)蓄水之后,由于農(nóng)業(yè)面源污染、生活污水排放和工業(yè)用水影響等問(wèn)題,松雅湖內(nèi)水生態(tài)狀況仍然較差,水生植物群落也以耐污能力較強(qiáng)的馬來(lái)眼子菜和輪葉黑藻為主,并在部分區(qū)域出現(xiàn)藍(lán)藻堆積等現(xiàn)象.2016年4月,松雅湖實(shí)施了一系列的水生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目,通過(guò)基底改良、懸浮物攔截以及水生生物恢復(fù)等措施,建成3個(gè)生態(tài)修復(fù)示范區(qū).其中,東、西部示范區(qū)的面積均為5萬(wàn)m2,而北部示范區(qū)為31萬(wàn)m2(圖1).最新研究結(jié)果顯示,松雅湖水生態(tài)狀況已得到一定程度的改善[18].

圖1 采樣點(diǎn)位分布

☆采樣點(diǎn)

1.2 樣品采集與處理

松雅湖水生態(tài)調(diào)查點(diǎn)位分布情況如圖1所示,全湖共設(shè)置10個(gè)點(diǎn)位,其中7個(gè)點(diǎn)位分布在修復(fù)示范區(qū),3個(gè)點(diǎn)位分布在湖中未修復(fù)區(qū).調(diào)查時(shí)間從2018年1月開(kāi)始,在2019年5月時(shí)結(jié)束,水質(zhì)調(diào)查每2個(gè)月開(kāi)展1次,共計(jì)9次,生物樣品采集每季度開(kāi)展1次,共計(jì)5次.用于檢測(cè)水體理化指標(biāo)、浮游植物以及浮游動(dòng)物的水樣均使用混合水,即表層、中層及底層3層的混合水樣,水樣采集使用2.5L有機(jī)玻璃采水器.其中,500mL水樣用于檢測(cè)水體的相關(guān)理化指標(biāo),1L混合水樣在經(jīng)魯哥試劑固定后用于浮游植物物種的鑒定,20L水樣在經(jīng)25#浮游生物網(wǎng)過(guò)濾之后濃縮于50mL白色方瓶?jī)?nèi)用于浮游動(dòng)物物種鑒定.底棲動(dòng)物樣品使用1/16m2彼得森采泥器進(jìn)行采集,使用60目孔徑篩網(wǎng)對(duì)采集的表層沉積物篩洗之后,將殘留物保存在自封袋內(nèi)并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析.

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研時(shí),使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI 6600V2)在原位監(jiān)測(cè)各點(diǎn)位的水溫(WT)、溶解氧(DO)以及pH值等各項(xiàng)指標(biāo),使用黑白盤(pán)法監(jiān)測(cè)水體的透明度(SD).其他水體理化指標(biāo),包括總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、正磷酸鹽(PO43--P)、化學(xué)需氧量(CODMn)、葉綠素a(Chl-a)等指標(biāo)均按照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》第二版[19]中的描述進(jìn)行檢測(cè).浮游植物、浮游動(dòng)物以及底棲動(dòng)物等生物的物種鑒定方法與顧毓蓉等[18]文獻(xiàn)中的描述一致.

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

水質(zhì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)[20].利用湖泊綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI(∑))法評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度,本文中主要是基于對(duì)TN、TP、Chl-a、CODMn以及SD等幾個(gè)參數(shù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計(jì)算來(lái)獲取TLI(∑)值,具體計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[21]中的描述.

不同水生生物的Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)()以及優(yōu)勢(shì)度()的計(jì)算公式如下[22-23]:

式中:為物種數(shù);P=n/(n是第個(gè)物種的個(gè)體數(shù),是全部物種的個(gè)體數(shù));f為該物種在各點(diǎn)位出現(xiàn)的頻率,物種優(yōu)勢(shì)度>0.02的物種為優(yōu)勢(shì)種.

另外,利用TLI(∑)、Chl-a、浮游植物營(yíng)養(yǎng)指數(shù)(PP)、浮游動(dòng)物指示種(ZP)以及底棲動(dòng)物污染指數(shù)(IBP)等參數(shù)對(duì)松雅湖水生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法及參照標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[24]中的描述.文中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(或Kruskal-Wallis ANOVA)和圖形的處理均在軟件OriginPro 2016中進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)響應(yīng)特征

如圖2所示,在調(diào)查期間,水溫變化范圍為5.45～ 34.46℃,DO變化規(guī)律與水溫相反,在溫度較低時(shí)含量相對(duì)更高,變化范圍為6.22～12.85mg/L,修復(fù)區(qū)均值為9.91mg/L,而未修復(fù)區(qū)均值為9.20mg/L,Ⅰ類(lèi)水比例可達(dá)86%以上,在7月時(shí)修復(fù)區(qū)DO含量要明顯高于相鄰月份,是未修復(fù)區(qū)DO含量的1.36倍.pH值的變化范圍為6.44～10.04,其在7月時(shí)最高,其他月份變化不大,修復(fù)區(qū)和未修復(fù)區(qū)均值分別為7.65和7.26.修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)SD的變化規(guī)律基本一致,均在9月時(shí)明顯低于相鄰月份,變化范圍為0.10～ 2.40m,平均值分別為1.14和0.43m.

圖2 修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)水質(zhì)變化特征

修復(fù)區(qū)和未修復(fù)區(qū)TN和NH3-N濃度均呈波動(dòng)下降趨勢(shì),濃度均值分別為0.73, 0.07mg/L和0.86, 0.09mg/L,其中TN的Ⅲ類(lèi)水達(dá)標(biāo)率分別為76.19%和74.07%,而NH3-N的Ⅰ類(lèi)水達(dá)標(biāo)率分別為93.65%和88.89%.調(diào)查期間,TP濃度整體呈緩慢降低趨勢(shì),修復(fù)區(qū)和未修復(fù)區(qū)均在9月時(shí)表現(xiàn)為異常升高,平均值分別為0.023和0.038mg/L,Ⅱ類(lèi)水達(dá)標(biāo)率分別達(dá)100%和96.30%.PO43--P濃度整體表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì),濃度平均值均為0.003mg/L.修復(fù)區(qū)和未修復(fù)區(qū)Chl-a含量均表現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì),但未修復(fù)區(qū)下降趨勢(shì)更為明顯,其值均在溫度較高時(shí)達(dá)到最大值,平均值分別為2.87和4.68μg/L. CODMn均表現(xiàn)出緩慢升高后降低的趨勢(shì),含量均值分別為2.71和2.43mg/L,Ⅱ類(lèi)水達(dá)標(biāo)率分別達(dá)到96.83%和100%.

顯著性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),各指標(biāo)中僅TP、CODMn和SD在修復(fù)區(qū)和未修復(fù)區(qū)之間存在顯著性差異(<0.05),其中SD表現(xiàn)為極限著差異(<0.01).所有指標(biāo)中,TN、NH3-N、TP、PO43--P和Chl-a在修復(fù)區(qū)內(nèi)要低于未修復(fù)區(qū),與未修復(fù)區(qū)相比,它們的濃度在修復(fù)區(qū)內(nèi)分別下降了13.33%、17.07%、39.29%、25.44%和38.55%,而修復(fù)區(qū)內(nèi)的DO、pH值、SD以及CODMn則要高于未修復(fù)區(qū),分別升高了7.8%、5.16%、168.16%和11.22%.另外,3處修復(fù)區(qū)內(nèi)各指標(biāo)也存在較為明顯的差異,像北部修復(fù)區(qū)水體TN、CODMn和TP等指標(biāo)在大部分時(shí)間均高于其他2個(gè)修復(fù)區(qū).

2.2 主要生物群落結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征

2.2.1 浮游植物 調(diào)查期間,共檢出浮游植物物種115種,分屬7個(gè)門(mén)類(lèi).其中,綠藻門(mén)物種數(shù)最多,為49種,其次為硅藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén),分別為28種和18種,金藻門(mén)、隱藻門(mén)、甲藻門(mén)和裸藻門(mén)物種數(shù)分別為4, 3, 4和9種.從空間上看,修復(fù)區(qū)物種數(shù)明顯高于未修復(fù)區(qū),分別為108種和82種.從時(shí)間變化上看,總物種數(shù)、修復(fù)區(qū)以及未修復(fù)區(qū)物種數(shù)均在9月時(shí)達(dá)到最大值,分別為77, 72和49種,其次為5月,1月時(shí)最低;2018年不同月份,修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)物種數(shù)均隨時(shí)間變化呈增加趨勢(shì),而將2019年與2018年的相同月份進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn),2019年不同區(qū)域相同物種的數(shù)量占比相對(duì)2018年時(shí)均明顯增加,這說(shuō)明修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)生境條件的差異可能在變小.在1月時(shí),修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)均以硅藻門(mén)物種數(shù)最高,其次為綠藻門(mén)和隱藻門(mén),其他門(mén)類(lèi)物種均較少.5月時(shí),綠藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)物種數(shù)量增加明顯,此時(shí)綠藻門(mén)物種數(shù)量明顯高于其他門(mén)類(lèi).在8月時(shí),藍(lán)藻門(mén)和硅藻門(mén)數(shù)量繼續(xù)增加,但綠藻門(mén)物種數(shù)量仍為最高.修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)浮游植物生物多樣性均呈上升趨勢(shì),生物多樣性指數(shù)均值分別為2.11和2.08,不同區(qū)域生物多樣性指數(shù)均值在2019年時(shí)均高于2018年.

浮游植物的密度和生物量存在明顯的時(shí)間變化特征(圖3).其中,修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)浮游植物總密度均值分別為1.34×106和1.02×106ind./L,均在1月時(shí)最低,9月時(shí)最高,未修復(fù)區(qū)浮游植物密度僅在2018年1月時(shí)高于修復(fù)區(qū).不同區(qū)域浮游植物組成變化規(guī)律基本相似,在2018年時(shí)均由隱藻門(mén)占比最高變?yōu)榫G藻門(mén),然后在9月時(shí)變?yōu)樗{(lán)藻門(mén),但在2019年時(shí)硅藻門(mén)的最初占比明顯增加.浮游植物優(yōu)勢(shì)種也發(fā)生了比較明顯的變化,優(yōu)勢(shì)度最高的物種也由2018年1月的隱藻門(mén)尖尾藍(lán)隱藻()變?yōu)?019年1月的硅藻門(mén)尖針桿藻(, 修復(fù)區(qū))和顆粒直鏈藻(, 未修復(fù)區(qū)),由2018年5月的綠藻門(mén)雙對(duì)柵藻(, 修復(fù)區(qū))和隱藻門(mén)尖尾藍(lán)隱藻(, 未修復(fù)區(qū))變?yōu)?019年5月的硅藻門(mén)曲殼藻(sp.),在9月時(shí),優(yōu)勢(shì)度最高的物種為藍(lán)藻門(mén)的偽魚(yú)腥藻().修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)生物量均在5月時(shí)最高,分別為0.39和0.35mg/L.修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)生物量組成的變化基本一致,在2019年同樣表現(xiàn)為硅藻門(mén)生物量占比增高的現(xiàn)象,藍(lán)藻門(mén)在9月時(shí)占比最高.

2.2.2 浮游動(dòng)物 與浮游植物物種數(shù)變化相似,浮游動(dòng)物物種數(shù)亦在9月時(shí)達(dá)到最大值37種,其次為2019年5月時(shí)最多,為33種,2018年1月時(shí)最少,為24種.調(diào)查期間,共檢出浮游動(dòng)物物種80種,其中修復(fù)區(qū)檢出76種,而未修復(fù)區(qū)僅檢出31種,在不同時(shí)間修復(fù)區(qū)物種數(shù)均明顯高于未修復(fù)區(qū).另外,修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)均以輪蟲(chóng)的物種數(shù)變化最大,且物種數(shù)量最多,在修復(fù)區(qū)枝角類(lèi)物種數(shù)量要高于橈足類(lèi),而未修復(fù)區(qū)內(nèi)橈足類(lèi)物種數(shù)量略高.修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)生物多樣性指數(shù)均值分別為1.75和1.52,均在9月時(shí)最高;相對(duì)修復(fù)區(qū),未修復(fù)區(qū)生物多樣性指數(shù)波動(dòng)更為明顯,且存在更為明顯的下降趨勢(shì).

圖3 浮游植物密度和生物量變化特征

同一時(shí)間處,左:修復(fù)區(qū),右:未修復(fù)區(qū)

修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)浮游動(dòng)物密度均在5月時(shí)達(dá)到最大值(圖4),調(diào)查期間平均值分別為278.37和185.95ind./L.輪蟲(chóng)密度在大部分時(shí)間均最高,僅在2018年和2019年1月時(shí)的未修復(fù)區(qū)內(nèi)橈足類(lèi)密度最高.修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)枝角類(lèi)、橈足類(lèi)和輪蟲(chóng)的平均密度分別為2.15, 10.12, 266.10ind./L和4.17, 19.02, 162.76ind./L.在不同月份,修復(fù)區(qū)優(yōu)勢(shì)度最高的物種大部分時(shí)間均為針簇多肢輪蟲(chóng)(),僅在9月時(shí)略低于有棘螺形龜甲輪蟲(chóng)(),未修復(fù)區(qū)在1月時(shí)均為橈足類(lèi)的無(wú)節(jié)幼體和哲水蚤幼體優(yōu)勢(shì)度最高,5月時(shí)均為針簇多肢輪蟲(chóng)優(yōu)勢(shì)度最高,而9月時(shí)與修復(fù)區(qū)相同均為有棘螺形龜甲輪蟲(chóng)優(yōu)勢(shì)度最高.修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)浮游動(dòng)物生物量平均值分別為0.10和0.26mg/L,均在2018年5月時(shí)達(dá)到最大值,分別為0.19和0.62mg/L.修復(fù)區(qū)浮游動(dòng)物生物量?jī)H在2018年5月時(shí)由枝角類(lèi)占比最高,其他時(shí)間均以輪蟲(chóng)生物量占比最高;而未修復(fù)區(qū)在2018年5月時(shí)同樣由枝角類(lèi)生物量占比最高,輪蟲(chóng)僅在2019年5月時(shí)占比最高,其他時(shí)間均以橈足類(lèi)生物量占比最高.

圖4 浮游動(dòng)物密度和生物量變化特征

同一時(shí)間處,左:修復(fù)區(qū),右:未修復(fù)區(qū)

2.2.3 底棲動(dòng)物 Kruskal-Wallis ANOVA由于底棲動(dòng)物受采樣過(guò)程及環(huán)境變化影響較大,調(diào)查期間僅檢出20種底棲動(dòng)物,修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)分別檢出20種和9種,在不同時(shí)間修復(fù)區(qū)底棲動(dòng)物物種數(shù)均明顯高于未修復(fù)區(qū).修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)物種數(shù)的變化規(guī)律基本一致,均在1月時(shí)最高,9月時(shí)最低.修復(fù)區(qū)生物多樣性指數(shù)在不同時(shí)間均明顯高于未修復(fù)區(qū),平均值分別為1.56和0.98,均在2018年1月時(shí)最高.

修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)底棲動(dòng)物平均密度分別為226.14和373.33ind./m2.其中,修復(fù)區(qū)僅在2018年1月和9月時(shí)分別以腹足綱和寡毛綱生物密度占比最高,其他時(shí)間均以搖蚊幼蟲(chóng)占比最高;而未修復(fù)區(qū)僅發(fā)現(xiàn)兩類(lèi)底棲動(dòng)物,在整個(gè)調(diào)查期間均以寡毛綱密度占比最高(圖5).修復(fù)區(qū)寡毛綱、搖蚊幼蟲(chóng)和腹足綱的平均密度分別為69.43, 98.37和53.91ind./m2,而未修復(fù)區(qū)寡毛綱和搖蚊幼蟲(chóng)密度的平均值分別為241.33和132ind./m2.在不同時(shí)間,未修復(fù)區(qū)優(yōu)勢(shì)度最高的物種均為霍甫水絲蚓();在修復(fù)區(qū)內(nèi),霍甫水絲蚓僅在2018年5月和9月時(shí)優(yōu)勢(shì)度最高,而在2018年1月時(shí)以紋沼螺()的優(yōu)勢(shì)度為最高,其他時(shí)間以多巴小搖蚊()的優(yōu)勢(shì)度最高.調(diào)查期間,修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)底棲動(dòng)物生物量平均值分別為34.06和1.21g/m2,均在1月時(shí)達(dá)到最高值,分別為133.7和2.41g/m2.與密度占比情況不同,修復(fù)區(qū)生物量在大部分時(shí)間均以腹足綱生物量占比最高,僅在9月時(shí)以搖蚊幼蟲(chóng)的生物量占比最高;而未修復(fù)區(qū)內(nèi),搖蚊幼蟲(chóng)在大部分時(shí)間生物量占比最高,僅在9月時(shí)以寡毛綱生物占比略高.

圖5 底棲動(dòng)物密度和生物量變化特征

同一時(shí)間處,左:修復(fù)區(qū),右:未修復(fù)區(qū)

2.3 水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)

本研究中利用5項(xiàng)指標(biāo)對(duì)松雅湖不同時(shí)間的水生態(tài)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià),由于5個(gè)指標(biāo)之間相互獨(dú)立,所以選取了出現(xiàn)頻率最高的結(jié)果作為評(píng)價(jià)的最終結(jié)果.結(jié)果表明,調(diào)查期間修復(fù)區(qū)水生態(tài)狀況的變化為一般→良好/一般→良好→良好→一般;而未修復(fù)區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果為良好→良好→一般→良好→良好(表1).

表1 基于不同方法對(duì)松雅湖水生態(tài)狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果

從表1中可以看出,在修復(fù)區(qū)內(nèi),TLI和Chl-a對(duì)水生態(tài)狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致,ZP和IBP的評(píng)價(jià)結(jié)果較一致,而PP的評(píng)價(jià)結(jié)果與以上幾種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果均存在較大差異.在未修復(fù)區(qū)內(nèi),TLI、Chl-a和ZP的評(píng)價(jià)結(jié)果相似,而剩余2種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果與其他4種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果均存在差異.通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn),因TLI和Chl-a 2個(gè)指標(biāo)能夠直接、快速的反應(yīng)水質(zhì)及相關(guān)生物群落的變化,這使得其對(duì)水生態(tài)狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果與松雅湖水生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際狀況更為符合.所以,將3種水生生物類(lèi)群的評(píng)價(jià)結(jié)果與對(duì)應(yīng)的TLI和Chl-a評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),對(duì)于修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū),均以浮游動(dòng)物的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況更為接近,而其他2種水生生物類(lèi)群的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況則相差較大.

3 討論

3.1 水質(zhì)對(duì)生態(tài)修復(fù)的響應(yīng)特征

作為常規(guī)的傳統(tǒng)水生態(tài)修復(fù)技術(shù),以大型水生植被群落構(gòu)建為主的水生態(tài)修復(fù)技術(shù)對(duì)水體中的重金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽以及其他有機(jī)與無(wú)機(jī)污染物均具有較好的去除效果,對(duì)水體水質(zhì)可以起到較好的改善作用[25-27].如謝季遙等[7]對(duì)蘇州市城市湖泊潛龍渠的研究發(fā)現(xiàn),生態(tài)修復(fù)后,TP、TN、NH3-N以及CODMn4種污染物濃度均有下降,潛龍渠水質(zhì)得到顯著提升,但其指出不同污染物對(duì)生態(tài)修復(fù)措施的響應(yīng)程度不同.對(duì)湖北洋瀾湖的生態(tài)修復(fù)研究[11]亦發(fā)現(xiàn),修復(fù)區(qū)除TN和TP出現(xiàn)降低之外,Chl-a濃度也顯著低于未修復(fù)區(qū),同時(shí)修復(fù)區(qū)的水體透明度亦顯著高于未修復(fù)區(qū).而對(duì)于松雅湖,在2016年生態(tài)修復(fù)之前,其水體主要理化參數(shù)情況如表2所示.從表中可以看出,在生態(tài)修復(fù)之前,松雅湖內(nèi)水體以TN、TP以及CODMn等指標(biāo)均屬于Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi),僅NH3-N達(dá)到Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn).修復(fù)后,松雅湖修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)TN分別降低了46.53%和38.3%,TP分別降低了79.21%和65.76%,CODMn分別降低了89.85%和90.88%,NH3-N分別下降了53.16%和43.52%,且均達(dá)到Ⅲ類(lèi)水及以上水平.除以上幾項(xiàng)指標(biāo)之外,Chl-a等指標(biāo)也得到明顯改善,其中Chl-a降低了接近90%.同時(shí),未修復(fù)區(qū)水質(zhì)也得到明顯改善,但其中TP和SD要顯著差于修復(fù)區(qū),特別是SD.另外,修復(fù)區(qū)內(nèi)CODMn含量要顯著高于未修復(fù)區(qū),這可能與修復(fù)區(qū)內(nèi)主要入水口入湖水體攜帶外源輸入有機(jī)物質(zhì)含量較高,以及修復(fù)區(qū)內(nèi)水生植物殘?bào)w較多等原因有關(guān)[28].

表2 2016年松雅湖生態(tài)修復(fù)之前水體各項(xiàng)指標(biāo)狀況

注:“/”表示《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中不包含此分類(lèi)參數(shù).

3.2 水生生物群落變化

水生植物群落的構(gòu)建等生態(tài)修復(fù)措施不僅可以改善水體水質(zhì),對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)中的不同水生生物類(lèi)群的結(jié)構(gòu)也存在重要影響[5,10,29].首先,水生植被群落構(gòu)建和修復(fù)等措施可以增加浮游植物群落的生物多樣性,降低其生物量和細(xì)胞豐度,并改變其優(yōu)勢(shì)種[30].在2013年和2014年9月,張瑋等[15]對(duì)松雅湖浮游植物群落特征進(jìn)行了研究,共檢出118種浮游植物,與本研究結(jié)果基本一致,這可能與2014年松雅湖的蓄水有關(guān),水量的增加對(duì)水體的惡化起到了一定的緩解作用.但本次調(diào)研中修復(fù)區(qū)物種數(shù)要顯著高于未修復(fù)區(qū),說(shuō)明生態(tài)修復(fù)對(duì)浮游植物群落物種數(shù)的增加起到了積極影響.與前期調(diào)研結(jié)果相比,兩次調(diào)研中浮游植物優(yōu)勢(shì)種的變化相對(duì)較小,但藍(lán)藻門(mén)優(yōu)勢(shì)種由微囊藻屬變?yōu)轭澰鍖?另外,夏季時(shí)水體中浮游植物密度顯著下降,由4.59×106ind./L降至2.20×106ind./L(均為9月時(shí)調(diào)查結(jié)果),Shannon- Wiener多樣性指數(shù)也有所升高.生態(tài)修復(fù)后浮游植物群落的變化可能主要與水體中營(yíng)養(yǎng)鹽含量以及大型水生植物分布情況的變化有關(guān),高健等[31]對(duì)惠州西湖的研究結(jié)果指出,生態(tài)修復(fù)后營(yíng)養(yǎng)鹽含量的降低和沉水植物的出現(xiàn)是影響浮游植物群落發(fā)生改變的主要環(huán)境因子.

其次,湖泊生態(tài)修復(fù)對(duì)浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)也具有重要影響.曾海逸等[29]對(duì)暨大南湖的研究發(fā)現(xiàn),在湖泊修復(fù)后浮游動(dòng)物枝角類(lèi)的豐度和生物量均顯著增加,后生浮游動(dòng)物的生物量也顯著增加.而苗滕等[32]的研究發(fā)現(xiàn),修復(fù)后的元妙觀湖和南南湖,浮游甲殼動(dòng)物的物種數(shù)、豐度和生物多樣性均高于未修復(fù)的平湖.在本研究中,修復(fù)區(qū)在不同時(shí)間獲取的浮游動(dòng)物物種數(shù)均明顯高于未修復(fù)區(qū),而豐度及生物多樣性指數(shù)等參數(shù)亦高于未修復(fù)區(qū).此外,前期調(diào)查結(jié)果顯示,在松雅湖開(kāi)展生態(tài)修復(fù)之前,其水體中浮游動(dòng)物物種數(shù)在2013年和2014年夏季分別為49種和30種,而本研究中2018年夏季共檢出37種,說(shuō)明在生態(tài)修復(fù)之前松雅湖浮游動(dòng)物物種數(shù)可能已呈降低趨勢(shì),但在經(jīng)過(guò)生態(tài)修復(fù)之后松雅湖的浮游動(dòng)物物種數(shù)又出現(xiàn)一定程度的增加.已有研究表明,浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的變化一般主要受浮游植物以及魚(yú)類(lèi)群落組成變化的影響.一方面,浮游動(dòng)物中的一些物種是浮游植物的主要捕食者,所以,浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響[33],而水質(zhì)的變化也會(huì)通過(guò)影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)來(lái)影響浮游動(dòng)物的群落組成;另一方面,魚(yú)類(lèi)作為浮游動(dòng)物的主要捕食者,是影響浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)組成的主要因素[29,34].

最后,由于底棲動(dòng)物具有生活周期長(zhǎng)、遷徙能力差、對(duì)環(huán)境變化敏感等特點(diǎn)[35-36],其對(duì)湖泊水生態(tài)修復(fù)措施也存在顯著的響應(yīng).劉保元等[37]通過(guò)圍隔實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水生植被恢復(fù)后,底棲動(dòng)物的物種數(shù)、密度以及生物量均有增加,軟體動(dòng)物也再次出現(xiàn),生物多樣性也得到提高.吳家樂(lè)等[11]對(duì)湖北洋瀾湖治理效果的研究也發(fā)現(xiàn),修復(fù)區(qū)底棲動(dòng)物的物種數(shù)、密度均高于未修復(fù)區(qū),特別是軟體動(dòng)物的密度和生物量,修復(fù)區(qū)均顯著高于未修復(fù)區(qū).然而,在本研究中修復(fù)區(qū)底棲動(dòng)物的密度要低于未修復(fù)區(qū),這可能與未修復(fù)區(qū)中寡毛綱和搖蚊幼蟲(chóng)等耐污種的密度仍較高有關(guān),而未修復(fù)區(qū)物種數(shù)遠(yuǎn)低于修復(fù)區(qū)可能也在一定程度上與未修復(fù)區(qū)的水深相對(duì)較深有關(guān).但與前期張瑋等[15]對(duì)松雅湖的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),本次調(diào)查中修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)底棲動(dòng)物物種數(shù)和密度均明顯高于2013年和2014年時(shí)的調(diào)查結(jié)果.從以上結(jié)果可以看出,湖泊富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)底棲動(dòng)物的豐度、生物量和物種組成等均存在較為明顯的負(fù)面影響,而生態(tài)修復(fù)后水生植物的存在可為底棲動(dòng)物提供良好的棲息生境,并有利于其躲避敵害,對(duì)其群落的穩(wěn)定發(fā)展具有積極作用[38-39].

3.3 水生態(tài)狀況

從以上分析可以看出,松雅湖生態(tài)修復(fù)示范區(qū)的建設(shè)對(duì)松雅湖水質(zhì)和不同水生生物群落結(jié)構(gòu)的發(fā)展均起到了良好的改善作用,增加了松雅湖水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而沉水植物等大型水生植物的恢復(fù)也增加了水體生境的多樣性,為不同水生生物物種的生存提供了良好生境.所以,從另一方面來(lái)看,湖泊中不同水生生物類(lèi)群群落的結(jié)構(gòu)特征也可以反映湖泊的水生態(tài)健康狀況[40-42].本文中選取TLI(∑)、Chl-a、PP、ZP以及IBP等5個(gè)指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)松雅湖的水生態(tài)狀況,其中,后4項(xiàng)指標(biāo)均可表征湖泊中的水生生物狀況.從綜合評(píng)價(jià)的最終結(jié)果看,松雅湖修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)水生態(tài)狀況相似,在大部分時(shí)間均為良好.但其中3項(xiàng)生物指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果相差較大,這可能與3個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法有關(guān),雖然修復(fù)區(qū)中不同生物的物種數(shù)均有明顯增加,但仍包含一些耐污種,所以3項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果仍然相對(duì)較差.以上結(jié)果也說(shuō)明,水體中不同生物類(lèi)群對(duì)水質(zhì)以及生境變化的響應(yīng)存在較大差別,這可能與不同水生生物類(lèi)群所處的生態(tài)位與營(yíng)養(yǎng)級(jí)不同有關(guān).已有研究表明,不同的生物類(lèi)群結(jié)構(gòu)的變化反映的是水體中不同層次水環(huán)境狀況的變化[43].因此,在利用生物類(lèi)群指標(biāo)對(duì)水體水生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)估時(shí),應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)目的(如水質(zhì)、底質(zhì)或其他生境條件狀況評(píng)估等),并充分考慮不同生物類(lèi)群(如生活史及對(duì)污染物或者生境變化的敏感程度不同等)以及水域環(huán)境的特點(diǎn)(如水深、水動(dòng)力以及人為干預(yù)程度不同等)來(lái)選取適宜的水生生物類(lèi)群開(kāi)展評(píng)估.比如,浮游植物與浮游動(dòng)物適用于較為短期的環(huán)境監(jiān)測(cè),而大型底棲動(dòng)物適用于時(shí)間尺度較長(zhǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè);浮游植物與浮游動(dòng)物對(duì)水質(zhì)變化的評(píng)價(jià)效果較好,大型底棲動(dòng)物對(duì)生境條件的評(píng)價(jià)效果較好[44-45].在本研究中,從水生生物評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出,與浮游植物相比,浮游動(dòng)物對(duì)松雅湖水生態(tài)狀況變化的響應(yīng)更為迅速,也更適于在小型城市湖泊水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)中應(yīng)用.另外,通過(guò)底棲動(dòng)物的評(píng)價(jià)結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn),松雅湖修復(fù)區(qū)的生境條件在一定程度上要優(yōu)于未修復(fù)區(qū).

綜上所述,湖泊生態(tài)修復(fù)示范區(qū)的建立不僅對(duì)松雅湖示范區(qū)內(nèi)的水質(zhì)及水生態(tài)條件起到了良好的改善作用,未修復(fù)區(qū)內(nèi)水生態(tài)狀況也得到了一定程度的改善,特別是水質(zhì),其各項(xiàng)指標(biāo)與修復(fù)區(qū)均不存在顯著差異(TP與SD除外).然而,結(jié)合國(guó)內(nèi)外湖泊生態(tài)修復(fù)研究現(xiàn)狀,可以發(fā)現(xiàn)迄今為止能夠成功修復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的案例仍然較少,特別是在一些較大型的湖泊之中[1].就算是修復(fù)成功的案例一般也需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程,并耗費(fèi)巨大的人力、財(cái)力和物力[46-47].究其原因,除與污染源控制與生境變化等條件有關(guān)之外,生態(tài)修復(fù)工程及后期管理等過(guò)程的成本過(guò)高也是其中的重要原因,但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水體生態(tài)修復(fù)工程中成本控制這一方面的研究仍然較少.而本研究中多塊生態(tài)修復(fù)示范區(qū)的成功建立及示范也為今后小型湖泊生態(tài)修復(fù)成本控制提供了重要思路,即通過(guò)優(yōu)化生態(tài)修復(fù)示范區(qū)的數(shù)量、位置和大小等方法,在達(dá)到應(yīng)有效果的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)成本的最優(yōu)控制.

4 結(jié)論

4.1 生態(tài)修復(fù)后,松雅湖生態(tài)修復(fù)示范區(qū)與未修復(fù)區(qū)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于修復(fù)之前,其中Chl-a和CODMn下降比例均接近90%,而TP降幅亦超過(guò)70%,均達(dá)到Ⅲ類(lèi)水及以上水平;修復(fù)區(qū)的大部分水質(zhì)指標(biāo)也要優(yōu)于未修復(fù)區(qū),其中TP和Chl-a均下降了接近40%,而SD升高了接近1.7倍.

4.2 修復(fù)區(qū)浮游植物、浮游動(dòng)物以及底棲動(dòng)物物種數(shù)和生物多樣性指數(shù)均高于未修復(fù)區(qū),其中浮游植物和浮游動(dòng)物的密度亦高于未修復(fù)區(qū),底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種也發(fā)生了明顯變化,說(shuō)明修復(fù)區(qū)生境條件要優(yōu)于未修復(fù)區(qū).

4.3 水生態(tài)狀況綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)在大部分時(shí)間均表現(xiàn)為良好,而生物指標(biāo)中以浮游動(dòng)物對(duì)松雅湖水生態(tài)狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果最為準(zhǔn)確.

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Responses and assessment of water ecological state in restored and unrestored areas of a small urban lake after ecological restoration.

SU Xiao-mei1,2, XUE Qing-ju2, WAN Xiang3, XIE Li-qiang2*

(1.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering, Jiangsu Provincial Academy of Environmental Sciences, Nanjing 210036, China；2.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；3.Nanjing Institute of Environmental Science, MEE, Nanjing 210042, China)., 2022,42(1)：302～312

s：This research aims to study the long-term variations on aquatic ecological state in different regions of a small urban lake after ecological restoration, and the applicability of using different aquatic organisms to evaluate water ecological state, the water quality and different aquatic communities in Songya Lake, a small urban lake in Hunan Province, this monitoring was performance monthly and quarterly from January 2018 to May 2019, and the water ecological state was evaluated. After restoration, the results showed that the water ecological status of the whole lake was better than that of before restoration. The decrease rates of Chl-a and CODMnwere nearly to 90%, and for TP it was more than 70%. The concentrations of TN, NH3-N and TP in the restored area and the un-restored area, all showed a decreasing trend, and the others water quality indexes were also at a low level with relatively small variation during the survey; However, most of the indexes were better in the restored area. The higher contents of CODMnin the restored area were probably related to the exogenous input and more submerged plant residues. In addition, the numbers of species and biodiversity indexes of phytoplankton, zooplankton and zoobenthos in the restoration area were higher than those in the un-restored area, and the densities of phytoplankton and zooplankton were also higher than those in the un-restored area. The evaluated results of water ecology showed that the restored area and the un-restored area performed well in most of the time. Among the different biological indexes, the zooplankton species indicators were the most accurate in Songya Lake, this finding suggested that in order to use a single aquatic biota to evaluate the water ecological state of the water body, an appropriate biota should be selected for this evaluation according to the characteristics of the water environment and the objectives pursued.

water quality；phytoplankton；zooplankton；zoobenthos；Songya Lake

X826

A

1000-6923(2022)01-0302-11

蘇小妹(1989-),女,河南安陽(yáng)人,工程師,博士,主要從事湖泊生物學(xué)和環(huán)境毒理學(xué)研究.發(fā)表論文6篇.

2021-05-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41907326, 31930074);中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃區(qū)域重點(diǎn)項(xiàng)目(KFJ-STS-QYZD-156);中國(guó)博士后科學(xué)基金(2019M651754);江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(ZX2018007);2018年太湖水污染治理省級(jí)專(zhuān)項(xiàng)資金科研課題(TH2018402)

* 責(zé)任作者, 研究員, lqxie@niglas.ac.cn