張 勇 董 雪 蔡春軼* 顏 泓 黨永峰 季世琛 王雪瑞
(1 北京市順義區(qū)漢石橋濕地自然保護(hù)區(qū)管理中心,北京 101309;2 國(guó)家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,北京 100714;3 北京圣海林生態(tài)環(huán)境科技股份有限公司,北京 100083)
水體富營(yíng)養(yǎng)化是一種因水生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽過多而造成的水污染現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)外研究主要集中在水體富營(yíng)養(yǎng)化成因、評(píng)價(jià)、危害和防治等幾個(gè)方面。20世紀(jì)下半葉,國(guó)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)河流(湖、庫(kù))受水文和水系特征、沉積物性質(zhì)、地形地貌和周邊植被特征等因素影響,易處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),但極少發(fā)生自然富營(yíng)養(yǎng)化;而人類活動(dòng)產(chǎn)生的生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田肥料等才是引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因(Prepas et al, 2003)。在水體監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方面,早期以透明度、營(yíng)養(yǎng)鹽、葉綠素a等水體理化指標(biāo)為主(Ritter, 1985),近年來衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)等方法在監(jiān)測(cè)預(yù)警方面得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的評(píng)價(jià)方法以綜合指數(shù)法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法為主,國(guó)外以綜合評(píng)價(jià)法(ASSETS)、河口營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)法(OSPAR-COMPP)等為主(黃徐等, 2020; Bricker et al, 2003)。水體富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)造成水生態(tài)系統(tǒng)退化、損害養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)收益、威脅飲用水安全等(Silbergeld et al, 2000; 高愛環(huán)等, 2005)。截至2020年,我國(guó)110個(gè)重要的湖泊(水庫(kù))中,有29%的湖泊(水庫(kù))處于輕度富營(yíng)養(yǎng)及以上狀態(tài)(中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部,2021),富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理仍是未來水生態(tài)建設(shè)工作的重點(diǎn)之一。
漢石橋濕地是北京市的大型蘆葦沼澤濕地之一,素有京郊“小白洋淀”之稱。濕地南部核心區(qū)水體近幾年出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象,對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境造成一定破壞。本研究對(duì)南部核心區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化成因進(jìn)行分析,并提出水體富營(yíng)養(yǎng)化防治策略,旨在為濕地保護(hù)和修復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)。
漢石橋濕地位于潮白河水系箭桿河支流蔡家河下游,實(shí)際控制面積5.74 km2,平均地表徑流量4.4×108m3,地下水位一般在1.5~2.5 m,儲(chǔ)水量約1×107~2×107m3/km2(閆子, 2021)。濕地水域主要由核心區(qū)和游覽區(qū)組成(圖1),蘆葦保護(hù)區(qū)主要在北部核心區(qū),直接接收再生水補(bǔ)水,與其他水域相對(duì)隔離;南部核心區(qū)與游覽區(qū)互相聯(lián)通,兩處水域中水生植物群落較少。濕地平均水深1.2 m,主要水源為再生水,其次為自然降水,年平均水深1.2 m。
圖1 采樣站點(diǎn)位置圖Fig.1 Sampling site location
漢石橋再生水廠處理?xiàng)铈?zhèn)鎮(zhèn)區(qū)的生活污水與工業(yè)廢水,處理工藝為“人工格柵-破碎機(jī)-WWRR曝氣塘-砂濾罐”,再生水排放標(biāo)準(zhǔn)為《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)DB11 890-2012》B級(jí),日均排放量約3 600 m3(汛期約4 500 m3)。再生水在進(jìn)入北部核心區(qū)前,通過再生水廠西側(cè)面積為13 hm2的潛流濕地進(jìn)行深度處理,使水質(zhì)達(dá)到總氮≤1.5 mg/L,總磷≤0.1 mg/L標(biāo)準(zhǔn)。近幾年由于再生水廠內(nèi)曝氣塘處理效率低、冬季進(jìn)水水質(zhì)超標(biāo),以及潛流濕地凈化效果受溫度影響等問題(李偉等, 2019),進(jìn)入北部核心區(qū)的再生水無法穩(wěn)定達(dá)到上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
2019年3—9月以南部核心區(qū)為研究區(qū)域,每月進(jìn)行1次調(diào)查采樣工作,在南部核心區(qū)范圍內(nèi)共設(shè)置5個(gè)采樣站點(diǎn),其中1#、2#、3#站點(diǎn)位于東側(cè)水域,4#、5#站點(diǎn)位于西側(cè)水域,站點(diǎn)分布如圖1所示。
使用有機(jī)玻璃采水器在水面下0.5 m處采集1 L水質(zhì)樣品、1 L葉綠素a(Chl.a)樣品(加入1 mL 1%碳酸鎂懸濁液),所有樣品裝入聚乙烯樣品瓶中置于4℃保溫箱內(nèi)儲(chǔ)存運(yùn)輸,并在12 h內(nèi)完成檢測(cè)。使用HACH SL1000型便攜式多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體溫度(WT)、pH值和溶解氧(DO),使用黑白盤現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定透明度(SD),使用艾沃斯AS-V5型數(shù)字照度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定光照強(qiáng)度(Lux)。使用重鉻酸鉀法測(cè)定化學(xué)需氧量(COD)、酸性高錳酸鉀法測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定總氮(TN)、鉬酸銨分光光度法測(cè)定總磷(TP)、丙酮提取分光光度法測(cè)定葉綠素a(Chl.a),具體方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》(國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局, 2002)進(jìn)行。
選取SD、TN、TP、CODMn、Chl.a5項(xiàng)指標(biāo),采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(Trophic Level Index,TLI)對(duì)水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)(武瑾等, 2021)。將計(jì)算結(jié)果TLI進(jìn)行分級(jí) :貧營(yíng)養(yǎng)(0<TLI(∑)≤30)、中營(yíng)養(yǎng)(30<TLI(∑)≤50)、輕度富營(yíng)養(yǎng)(50<TLI(∑)≤60)、中度富營(yíng)養(yǎng)(60<TLI(∑)≤70)和重度富營(yíng)養(yǎng)(70<TLI(∑)≤100)。為直觀表現(xiàn)各月水體富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)差異,利用ArcGis10.2軟件對(duì)TLI數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。
利用SPSS 19.0軟件對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析及主成分分析(PCA),相關(guān)分析用于研究葉綠素a與各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性。在主成分分析前,將各項(xiàng)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-Scorre標(biāo)準(zhǔn)化處理,以解決各指標(biāo)綱量不同的問題(武瑾等, 2021),同時(shí)利用KMO-Bartlett 球形檢驗(yàn)對(duì)各個(gè)變量的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn),當(dāng)KMO值>0.6、P值<0.05時(shí),表明該組水質(zhì)因子之間相互獨(dú)立,可以進(jìn)行主成分分析。
由圖2可知,2019年3—9月南部核心區(qū)TLI變化范圍為45.70~67.95,均值為59.33±6.03,最低值出現(xiàn)在3月,最高值出現(xiàn)在9月。南部核心區(qū)水體處于輕度-中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。以均值來看,調(diào)查期間5個(gè)站點(diǎn)富營(yíng)養(yǎng)化程度由低到高分別為4#、5#、1#、2#、3#,其中4#與5#呈輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),1#、2#與3#呈中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。東側(cè)水域富營(yíng)養(yǎng)化程度高于西側(cè),原因是兩處水域相對(duì)隔離,而再生水自1#站點(diǎn)附近進(jìn)入南部核心區(qū),TN>0.3 mg/L、TP>0.02 mg/L的水體為富營(yíng)養(yǎng)化水體(余林康, 2013),輸入過量的營(yíng)養(yǎng)鹽加重了東側(cè)水域的富營(yíng)養(yǎng)化程度。東側(cè)水域水生植物數(shù)量少、化感作用削弱、充足的光照與營(yíng)養(yǎng)鹽共同促進(jìn)了藻類的生長(zhǎng)(Zhang et al,2018)。各月富營(yíng)養(yǎng)化程度由低到高依次為:3月、5月、4月、6月、7月、9月、8月,其中僅3月呈中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),4—5月為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),而6—9月均為中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。6—9月南部核心區(qū)月平均水溫為25.57~33.59℃,是多數(shù)藻類的最適生長(zhǎng)溫度(柴小穎, 2009),同時(shí)蘆葦濕地表層土壤中有機(jī)質(zhì)含量高(趙同謙等, 2008),汛期集中降雨形成的地表徑流會(huì)攜帶大量有機(jī)質(zhì)進(jìn)入水體,加重了水體污染程度。流動(dòng)水體會(huì)降低藻類密度(Tang et al, 2018),而濕地內(nèi)各水域之間聯(lián)通性差、水體不流動(dòng),懸浮物和顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽逐漸沉積,增加了上層水體透明度與溶解性營(yíng)養(yǎng)鹽含量(湯顯強(qiáng), 2020),由于水體更新周期長(zhǎng),營(yíng)養(yǎng)鹽逐年積累(鄭劍鋒等,2014),多種因素共同促進(jìn)了藻類生長(zhǎng)。對(duì)各月TLI進(jìn)行單因素方差分析發(fā)現(xiàn),TLI隨時(shí)間變化并未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05),在一定程度上說明南部核心區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較為穩(wěn)定。武士蓉等(2015)研究發(fā)現(xiàn)2013年南部核心區(qū)除4月與10月處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)外,5月至9月均為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),與本次調(diào)查結(jié)果相似。
圖2 漢石橋濕地南部核心區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)Fig.2 Eutrophication status in the southern core area of Hanshiqiao wetland
Chl.a反映水體中浮游植物的生物量特征,與各項(xiàng)水質(zhì)因子的相關(guān)關(guān)系復(fù)雜,利用相關(guān)性分析研究Chl.a與SD、Lux、pH值、WT、DO、COD、TN、TP 8項(xiàng)水質(zhì)因子之間的關(guān)系,結(jié)果如表1所示,Chl.a與SD、pH值、DO呈極顯著負(fù)相關(guān),Chl.a與Lux、WT、COD、TN呈極顯著正相關(guān)。
表1 Pearson相關(guān)系數(shù)Table 1 Pearson correlation coefficient
在一定范圍內(nèi),浮游植物的光合作用速率與光照強(qiáng)度和水溫成正比。春季隨著光照時(shí)間與強(qiáng)度的增加、水溫的回升,浮游植物大量繁殖,懸浮在水體中,降低了水體透明度。已有文獻(xiàn)報(bào)道Chl.a通常與DO、pH值呈正相關(guān)(劉毛亞等, 2020; 吳阿娜等, 2011),但在富營(yíng)養(yǎng)化水體中浮游植物過度繁殖造成有機(jī)質(zhì)增多,生物呼吸與有機(jī)質(zhì)氧化會(huì)消耗大量氧氣;同時(shí)水生植物數(shù)量稀少限制了水體溶解氧的主要來源,最終導(dǎo)致溶解氧含量降低,因此Chl.a與DO呈極顯著負(fù)相關(guān),此結(jié)果與賈振睿等(2015)的研究結(jié)果一致。藻類衰亡分解會(huì)釋放溶解性有機(jī)碳(DOC),使水體COD升高,因此Chl.a與COD呈極顯著正相關(guān)(阮曉紅等, 2008)。多數(shù)研究表明Chl.a與pH值呈正相關(guān)(羅宜富等, 2017; 李蒙等, 2009),原因是浮游植物光合作用會(huì)吸收水體中的CO2,使HCO3-減少、pH值上升,但此類研究結(jié)果多出自未發(fā)生嚴(yán)重水體富營(yíng)養(yǎng)化或水華的水域。本研究中由藻類衰亡分解產(chǎn)生的DOC會(huì)在微生物的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鉄o機(jī)碳(DIC,包括無機(jī)碳酸鹽、碳酸氫鹽、H2CO3及CO2),造成水體pH值降低,Chl.a與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān),與李翔等(2021)的研究結(jié)果一致。
浮游植物的相關(guān)指標(biāo)與氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的關(guān)系復(fù)雜,一方面浮游植物在生長(zhǎng)過程中會(huì)吸收氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽,在衰亡過程中又會(huì)釋放氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽(吳怡等, 2013);另一方面其群落特征也會(huì)受到其他環(huán)境和生物因素的影響。浮游植物生長(zhǎng)過程中吸收氮與磷的原子比為16/1(Redfield,1958),本次調(diào)查中TN/TP值均小于16,說明南部核心區(qū)的浮游植物磷元素充足但缺少氮元素,而TN與Chl.a呈正相關(guān),TP與Chl.a無相關(guān)性,綜合推斷TN是南部核心區(qū)浮游植物生長(zhǎng)的限制性因素。
利用主成分分析在眾多水質(zhì)數(shù)據(jù)中剔除具有相關(guān)性的因子,篩選出幾個(gè)獨(dú)立的綜合因子對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行充分解釋(蔡金傍等, 2007; 方紅衛(wèi)等, 200; 林晶, 2017)。將3—9月的SD、Lux、pH值、WT、DO、COD、TN、TP、Chl.a水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,并進(jìn)行KMO-Bartlett 球形檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果KMO為0.631(P<0.05),表明可以進(jìn)行主成分分析,結(jié)果如表2所示。
表2 主成分提取結(jié)果及載荷系數(shù)Table 2 Principal component extraction results and load coefficient
主成分分析共提取出3個(gè)特征根值大于1的主成分,方差解釋率分別為48.16%、17.866%、12.301%,累積方差解釋率為78.327%。主成分1與主成分2的方差解釋率大、包含信息量多,將與主成分1相關(guān)聯(lián)的水質(zhì)因子作為影響水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)因子,與主成分2相關(guān)聯(lián)的水質(zhì)因子作為次要驅(qū)動(dòng)因子。
主 成 分1中,Lux、pH值、WT、DO、COD、Chl.a等載荷系數(shù)絕對(duì)值大于0.6,主成分1反映了光照條件、溫度與溶解氧等水體的物理特征、酸堿特征、有機(jī)質(zhì)特征及浮游植物生物量特征,其中Lux、WT、COD、Chl.a等與主成分1呈正相關(guān),pH值、DO與主成分1呈負(fù)相關(guān)。主成分2中,TN和TP的載荷系數(shù)的絕對(duì)值>0.6,主成分2反映的是水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽特征,二者均與主成分2呈正相關(guān)關(guān)系。由前文分析與王震等(2014)的研究可知,pH值、DO、COD是影響Chl.a的被動(dòng)因子,因此造成南部核心區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化主要驅(qū)動(dòng)因子為L(zhǎng)ux、WT、Chl.a,次要驅(qū)動(dòng)因子為TN與TP。
調(diào)查期間南部核心區(qū)平均水位為1.1 m,其中6月平均水位最低,為0.96 m。再生水是濕地的主要水源,日常水量不足造成南部核心區(qū)常年處于低水位狀態(tài)。淺水水體與底泥之間強(qiáng)烈的物質(zhì)交換,加速了沉積物中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽向水體中釋放,降低了水體污染負(fù)荷能力,易造成水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。為滿足楊鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)日益增長(zhǎng)的污水處理需求,2018年7月—2020年7月,漢石橋再生水廠進(jìn)行改擴(kuò)建工程,每年可為漢石橋濕地提供4.2×106m3的合格再生水,約占漢石橋濕地待恢復(fù)區(qū)及現(xiàn)狀濕地核心區(qū)最少需水量的69.58%(中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 2017)。在此基礎(chǔ)上,加強(qiáng)濕地水資源規(guī)劃利用與楊鎮(zhèn)海綿城市建設(shè)、北京城市學(xué)院二期建設(shè)的密切聯(lián)系,使再生水補(bǔ)水量達(dá)到濕地生態(tài)需水量。
合格的再生水可以稀釋污染物,但再生水的引入需要結(jié)合南部核心區(qū)水動(dòng)力分布特征,因地制宜地設(shè)置進(jìn)水口、出水口與流動(dòng)路徑,必要時(shí)可通過一定的工程措施進(jìn)行引導(dǎo)(邢廣彥等, 2006)。在現(xiàn)有河湖富營(yíng)養(yǎng)化治理的案例中,設(shè)置過水通道進(jìn)行引水稀釋、構(gòu)建水系循環(huán)等措施均取得了良好的效果(李安峰等, 2013; 吳菊珍等, 2011; 姚云輝等, 2019)。北部核心區(qū)是再生水的主要儲(chǔ)存凈化區(qū),僅在春、秋季通過1處管道向南部核心區(qū)補(bǔ)水,水流路徑過于單一(北部核心區(qū)-南部核心區(qū)-游覽區(qū)),日常水體流動(dòng)性差,加劇濕地水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度。在現(xiàn)有高程及再生水充足的情況下,利用3處水域及周邊自然和人工溝渠,結(jié)合新建、改建輸水管道,重新構(gòu)建多樣化的調(diào)水路徑。再生水在不同位置進(jìn)入北部核心區(qū),經(jīng)蘆葦群落進(jìn)一步凈化后,再通過多條管道與溝渠分別進(jìn)入南部核心區(qū)與游覽區(qū)的不同區(qū)域,形成“一區(qū)凈化,多線調(diào)水”的格局,同時(shí)提升3處水域的水體流動(dòng)性。
當(dāng)前漢石橋濕地有23種魚類,包括植食性、肉食性、雜食性和濾食性魚類,減少植食性魚類(尤其是草魚)的數(shù)量是水體由藻型向草型轉(zhuǎn)變的重要前提。增加肉食性魚類的數(shù)量可以通過下行效應(yīng)間接減少藻類數(shù)量,提升水體透明度(李傳紅等, 2008)。以鯉(Cyprinus carpio)、黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)為主的底棲雜食性魚類日?;顒?dòng)會(huì)攪動(dòng)底泥再懸浮,使沉積物中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)重新進(jìn)入水體(趙文等, 2000),加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化,也會(huì)造成下層水體渾濁影響沉水植物生長(zhǎng),因此需要減少鯉、黃顙魚等雜食性底棲魚類的數(shù)量。濾食性魚類可以有效降低藻類總生物量,但會(huì)使藻類向小型化轉(zhuǎn)變、物種多樣性降低(阮景榮等, 1995),因此是否需要調(diào)控濾食性魚類數(shù)量有待進(jìn)一步研究。
2007—2008年南部核心區(qū)擁有豐富的水生植物群落,受水位變化、魚類啃食等因素影響,至2011年以后水生植物群落基本消失。水體富營(yíng)養(yǎng)化成因的分析結(jié)果顯示,在有效控制植食性魚類的前提下,亟需重建豐富的水生植物群落。水生植物在遮蔽水面光照、降低水下溫度、減少底泥再懸浮及污染物釋放、吸收氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、抑制藻類生長(zhǎng)等方面具有良好作用(朱元?dú)J等, 2021),水生植物種類應(yīng)優(yōu)先選擇對(duì)總氮吸收能力強(qiáng)的本地物種,如蘆葦(Phragmites communis)、水蔥(Scirpus validus)、香 蒲(Typha orientalis)、金魚藻(Ceratophyllum demersum)等(馬國(guó)強(qiáng)等, 2020)。
水體富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)破壞底部生境,降低大型底棲動(dòng)物多樣性(龔志軍等, 2001),當(dāng)前南部核心區(qū)底棲動(dòng)物以耐污類搖蚊幼蟲(Chironomus)為主,而背角無齒蚌(Anodonta woodiana)、圓頂珠蚌(Unio douglasiae)、梨形環(huán)棱螺(Bellamya purificata)等濾食性底棲動(dòng)物數(shù)量較少。蚌、螺類主要濾食水體中藻類及有機(jī)顆??捎行Э刂圃孱惻c懸浮物數(shù)量、提升水體透明度(孟順龍等, 2009)。根據(jù)南部核心區(qū)生境特征選擇適宜的物種,在底質(zhì)改良或水生植物群落初步恢復(fù)之后再進(jìn)行投放,以保障底棲動(dòng)物的成活率。
(1)漢石橋濕地南部核心區(qū)TLI為45.70~67.95, 均值為59.33±6.03,水體處于輕度—中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)因子為光照強(qiáng)度、水溫、葉綠素a,其次為總氮與總磷。
(2)葉綠素a與透明度、pH值、溶解氧呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.473、-0.576、-0.502;與光照強(qiáng)度、水溫、化學(xué)需氧量、總氮等呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.661、0.539、0.486、0.630,TN是藻類生長(zhǎng)的限制因子。
(3)依據(jù)調(diào)查分析結(jié)果,提出再生水利用、水動(dòng)力條件改善、水生生物調(diào)控等水體富營(yíng)養(yǎng)化治理措施。