北京城市副中心新建景觀水體的水生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律

張 蕾，郭 碩，晁春國，楊子超，樓春華，王培京

1. 北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048

2. 北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，流域水環(huán)境與生態(tài)技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100048

3. 北京市水文總站，北京 100089

4. 北京市密云水庫管理處，北京 101500

5. 北京市北運河管理處，北京 101100

水生態(tài)系統(tǒng)在提供自然生態(tài)環(huán)境和支撐社會發(fā)展中起到重要作用[1]，隨著人類生活水平的不斷提高，以美化環(huán)境、提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、服務(wù)大眾為首要功能的城市水生態(tài)系統(tǒng)已逐漸成為城市生態(tài)化進程中的重要因素[2]. 以河流湖泊為主的城市景觀水體，受人類活動的干擾較大，隨著水體中營養(yǎng)物質(zhì)的不斷輸入，水體的富營養(yǎng)化風險隨之增強[3]. 研究[4]表明水體富營養(yǎng)化已成為城市景觀水體的主要問題.

目前對于景觀水體主要側(cè)重于水生態(tài)健康管理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研究. 城市景觀水體管理在水量、水質(zhì)基礎(chǔ)上，水體水生態(tài)系統(tǒng)健康管理已成為主要內(nèi)容. 國內(nèi)外現(xiàn)有的水生態(tài)健康評價方法包括指示生物法、綜合指標體系法[5-6]和數(shù)學(xué)模型法[7-11]等，而河流生境、水環(huán)境因子和水生生物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[12-14]，直接影響水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)[14-16].因此，綜合河湖形態(tài)、水文、水質(zhì)、水生生物等指標的綜合評價方法更能反映水生態(tài)系統(tǒng)的整體情況[17-20].2020年北京市發(fā)布了DB 11/T 1722-2020《水生態(tài)健康評價技術(shù)規(guī)范》，從生境指標、理化指標和生物指標三方面對河湖水生態(tài)健康水平進行綜合評價. 在調(diào)查評價的基礎(chǔ)上，開展水體的生態(tài)修復(fù)是提升城市生態(tài)景觀的重要內(nèi)容，其中利用水生植物的生態(tài)修復(fù)技術(shù)是“用生態(tài)辦法解決生態(tài)問題”的有效手段[2]. 在水生植物生物修復(fù)技術(shù)的研究中，多為植物修復(fù)機理過程的研究和模型模擬分析[2,21-22]，而對于水生態(tài)系統(tǒng)的變化過程，缺乏相應(yīng)的綜合數(shù)據(jù)分析. 尤其對于新建景觀水體，由于初期水生態(tài)系統(tǒng)不完善，自我凈化能力較低，河流水文、水質(zhì)等變化對水生態(tài)環(huán)境影響巨大，水環(huán)境變化過程復(fù)雜. 掌握新建景觀水體水生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律，對于河道生態(tài)保護和生態(tài)修復(fù)技術(shù)的提出至關(guān)重要[23-24].

根據(jù)2015年《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》，通州區(qū)正式成為北京城市副中心，鏡河水生態(tài)環(huán)境保障對于副中心生態(tài)文明建設(shè)具有重要的政治意義. 通過對鏡河水生態(tài)環(huán)境開展跟蹤監(jiān)測分析，揭示了水生態(tài)系統(tǒng)中各組成要素的時空演替規(guī)律和水生態(tài)系統(tǒng)變化過程，以期為河流生態(tài)環(huán)境的進一步提升提供技術(shù)措施和科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

鏡河地處北京城市副中心，河道已建成長度為2.4 km，設(shè)計常水位為18 m，平均水深約2.0 m，水域面積約16×104m2，蓄水量25×104m3. 鏡河2018年底建成通水時，河道內(nèi)未布置水生植物，水生態(tài)系統(tǒng)不完整，水生態(tài)健康水平較低. 自2018年至2020年共開展16次監(jiān)測，時間分別為2018年10月、11月，2019年2月、3月、5月、7月、8月、10月和2020年4-11月，河道自北向南設(shè)置5個采樣點(見圖1).

1.2 樣品采集與處理

1.2.1水質(zhì)樣品采取

定量樣品采集用采水器采表層水2.5 L. 按照HJ/T 91-2002《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求開展水質(zhì)監(jiān)測，現(xiàn)場測定水溫、pH、溶解氧、透明度指標，實驗室檢測葉綠素a、懸浮物、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽氮、全鹽量指標.

1.2.2浮游植物定量樣品

用采水器采表層水1 L，立即加入占水樣量1%～1.5% (體積比)的魯哥氏液固定. 將水樣帶回實驗室，倒入沉淀瓶內(nèi)，靜置24～36 h. 用虹吸管緩慢吸去上層清液，保留瓶底部的沉淀濃縮液50 mL左右，倒入濃縮樣品瓶，用少量蒸餾水沖洗沉淀瓶的內(nèi)壁和底部2～3次，沖洗液均倒入濃縮樣品瓶中，將濃縮樣品瓶繼續(xù)靜置沉淀24 h以上，最后虹吸、定容至30 mL.樣品處理后，在光學(xué)顯微鏡下采用計數(shù)框進行觀察分析.

1.2.3浮游動物定量樣品

用采水器采表層水10 L，用13號浮游生物網(wǎng)過濾濃縮后注入樣品瓶中，加入約占水樣量5% (體積比)的甲醛固定. 樣品處理后，在光學(xué)顯微鏡下采用計數(shù)框進行觀察分析.

1.2.4底棲動物定量樣品

用改良式彼得森采泥器采集底泥，將底泥倒入盆內(nèi)，經(jīng)0.3 mm金屬篩過濾，去除泥沙和雜物，將篩網(wǎng)上肉眼可見的底棲動物使用鐘表鑷子挑揀，立即放入盛有75%乙醇溶液的濃縮樣品瓶內(nèi)固定.

1.2.5水生植物監(jiān)測

采用面積為0.25 m2的帶網(wǎng)鐵鋏開展樣方調(diào)查，將采集的植物洗凈，裝入標本袋內(nèi)帶回實驗室. 去除根、枯枝、敗葉和其他雜質(zhì)，去除植物體多余的水分，鑒定種類，分別稱重后取樣品在65 ℃鼓風干燥箱內(nèi)烘干，直至恒質(zhì)量. 每個采樣斷面設(shè)置6個監(jiān)測點.

1.2.6魚類監(jiān)測

采用地籠捕撈后放回的方法開展魚類調(diào)查，將地籠網(wǎng)置于水中過夜，約14 h，漁獲物按種類進行分類并拍照留存后放回.

1.3 分析與評價方法

按照GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》開展水質(zhì)評價. 按照DB 11/T 1722-2020《水生態(tài)健康評價技術(shù)規(guī)范》要求，選取5項生境指標、11項理化指標和5項生物指標，依據(jù)指標權(quán)重對監(jiān)測結(jié)果進行賦分，得到水生態(tài)健康綜合指數(shù)，評價水生態(tài)健康等級.

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)變化

鏡河水溫變化主要受時間影響，不受人為干擾.pH變化范圍為7.96～9.27，隨時間有增高趨勢. 葉綠素a濃度逐年升高，2020年10月葉綠素a濃度(0.098 mg/L)約為通水初期同期(0.020 mg/L)的5倍，透明度由高于100 cm降至約40 cm (見圖2). 總氮和氨氮濃度變化隨時間波動，總磷濃度逐年升高，最高值(0.34 mg/L)比通水初期(0.11 mg/L)增長約2倍(見圖3). 全鹽量升高1.5倍，溶解氧濃度、生化需氧量和高錳酸鹽指數(shù)在2020年4月達到最高值(見圖4).

圖 2 水溫、pH、葉綠素a濃度、透明度指標變化Fig.2 Changes of water temperature, pH, concentration of chlorophyll a and transparency

2.2 浮游植物密度與組成變化

浮游植物種類最高為46種(2020年4月)，最低為9種(2019年2月)，其中4-7月種類數(shù)量升高，8月后下降(見圖5). 浮游植物中綠藻門和硅藻門種類數(shù)高于其他門類.

2018年(秋冬季)、2019年、2020年浮游植物密度平均值分別為319×104、885×104和1 135×104個/L，總體看來浮游植物密度有所升高，以硅藻門為主要優(yōu)勢門類(見圖6). 其中5月浮游植物密度最高，超過3 000×104個/L；7-10月藍藻門逐漸占據(jù)優(yōu)勢，藻密度降至650×104個/L；隨著11月水溫降低，硅藻門種類呈增加趨勢.

2.3 浮游動物密度與組成變化

2018年(秋冬季)、2019年、2020年浮游動物種類平均值分別為11、16和26種，種類數(shù)量逐年增高，其中最高為36種(2020年8月)，最低為4種(2019年2月). 浮游動物中輪蟲和原生動物種類數(shù)高于其他門類(見圖7).

圖 3 總氮、氨氮、總磷濃度變化Fig.3 Changes of concentration of total nitrogen,ammonia nitrogen, and total phosphorus

2018年(秋冬季)、2019年、2020年浮游動物密度平均值分別為529、1 134和7 852 ind./L，呈顯著增長趨勢，2020年約為2018年(秋冬季)的14倍(見圖8)，其中最高值為16 488 ind./L(2020年5月)，最低值為17 ind./L(2019年10月). 以輪蟲和原生動物為主要優(yōu)勢門類，二者平均密度分別占總密度的34.17%和57.81%；枝角類和橈足類密度保持較低水平，除個別月份外，基本不足總密度的1%.

2.4 底棲動物密度與組成變化

底棲動物優(yōu)勢種為雙翅目搖蚊亞科. 2018年(冬季)、2019年、2020年底棲動物Shannon-Wiener指數(shù)平均值分別為0.26、0.49、0.64，總體來看Shannon-Wiener指數(shù)升高(見圖9). 從季節(jié)變化來看，春季優(yōu)勢種為多足搖蚊屬，其他季節(jié)主要為搖蚊屬和水絲蚓屬. 夏秋季Shannon-Wiener指數(shù)較高，春季降低.

2.5 水生植物密度與組成變化

共調(diào)查得到水生植物13種，其中，沉水植物7種，分別為苦草、輪葉黑藻、狐尾藻、金魚藻、竹葉眼子菜、菹草和大茨藻；挺水植物5種，分別為荷花、黃菖蒲、蘆葦、香蒲和再力花；浮葉植物1種，為睡蓮.

挺水植物和浮葉植物季節(jié)性較強，主要生長期為6-9月. 沉水植物優(yōu)勢種呈現(xiàn)隨季節(jié)演替的現(xiàn)象，4-6月以菹草為主要優(yōu)勢種，夏季沉水植物種類有所增加，7-9月以大茨藻為主、苦草和狐尾藻為輔，隨著氣溫降低，冬季以大茨藻和苦草為主要優(yōu)勢種(見圖10).

2018年、2019年、2020年沉水植物生物量平均值分別為0、24.40和53.70 g/m2(以干質(zhì)量計)，沉水植物覆蓋度由0提升至40% (見圖11).

2.6 魚類種類變化

鏡河自2019年5月出現(xiàn)魚類，為單一種-鯽；

9月調(diào)查得到魚類7種，為鯽、泥鰍、黃黝魚、子陵吻蝦虎魚、麥穗魚、紅鰭原鲌和?. 2020年共調(diào)查得到魚類14種，魚類按攝食食性可分為植食性、動物食性、碎屑食性和雜食性. 以雜食性魚類為主，共8種，分別為?、麥穗魚、波氏吻蝦虎魚、鯽、黃黝魚、泥鰍、大鱗副泥鰍和鯉；植食性魚類主要為草魚；動物性魚類3種，分別為子陵吻蝦虎魚、紅鰭原鲌、烏鱧；碎屑食性魚類2種，為高體鳑鲏和彩石鳑鲏. 漁獲物優(yōu)勢種主要為麥穗魚、鯽，均屬鯉形目，為對水域生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性較寬泛的魚類.

2.7 水生態(tài)系統(tǒng)健康水平變化

2.7.1指標監(jiān)測結(jié)果

圖 4 全鹽量、溶解氧濃度、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)變化Fig.4 Changes of total salt content, dissolved oxygen, biochemical oxygen demand and permanganate index

圖 5 浮游植物種類變化Fig.5 Change of phytoplankton species

圖 7 浮游動物種類變化Fig.7 Change of zooplankton species

圖 8 浮游動物密度變化Fig.8 Change of zooplankton density

圖 9 底棲動物Shannon-Wiener指數(shù)變化Fig.9 Change of Shannon-Wiener index of zoobenthos biodiversity

圖 10 沉水植物生物量變化Fig.10 Change of submerged plant biomass

圖 11 沉水植物生物量變化Fig.11 Change of Submerged plant biomass

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果(見表1)，從2018年到2020年，生境指標中湖濱帶植被覆蓋度由30%提升至95%；理化指標中，總磷濃度升高2倍，生化需氧量升高26.84%，高錳酸鹽指數(shù)升高近2倍，全鹽量升高49.18%，葉綠素a濃度升高3.5倍，與此同時透明度下降63.79%，而氨氮濃度降低40%；生物指標中魚類種類由0種提升至14種，大型水生植物覆蓋度由6%增至40%，浮游植物密度由319×104個/L增至1 135×104個/L，浮游動物密度由529 ind./L增至7 852 ind./L，底棲動物多樣性指數(shù)由0.26升至0.64.

2.7.2水生態(tài)系統(tǒng)健康水平評價結(jié)果

根據(jù)指標監(jiān)測結(jié)果及權(quán)重進行賦分(見表2)，結(jié)果表明，生境指標得分由于湖濱帶植被覆蓋度提升而增加3.00分；理化指標得分由于高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素a濃度升高、透明度下降而降低2.75分；生物指標得分由于魚類種類和大型水生植物覆蓋度提升、底棲動物多樣性指數(shù)升高而增加，由于浮游植物和浮游動物密度升高而降低，最終增加13分. 總體看來，經(jīng)過兩年的水生態(tài)系統(tǒng)演變，鏡河水生態(tài)健康綜合指數(shù)由59.50提升至72.75，健康水平由不健康演變?yōu)閬喗】?

2.8 鏡河水生態(tài)系統(tǒng)演變

鏡河補水水源為再生水廠高品質(zhì)再生水和土壤滲濾凈化水，但通水初期至2021年初，補水水量有所降低，且再生水補給占比逐漸降低. 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，再生水廠出水水質(zhì)基本達到GB 3838-2002 Ⅳ類標準，而土壤滲濾凈化水中氨氮和總磷超過Ⅳ類標準. 河道下游補給交換頻次低，水體流動性較弱. 水源水質(zhì)中氮磷營養(yǎng)鹽輸入的增加，結(jié)合水動力條件欠佳，共同驅(qū)動河流水質(zhì)下降[25-26].

浮游植物、浮游動物、底棲動物和魚類等均為水體中重要的水生生物，在水生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的營養(yǎng)級和生態(tài)位[27-30]. 有研究[14]表明，水生生物的種類和豐度變化能較好地反映水體水環(huán)境質(zhì)量. 浮游植物和水生植物是水體中重要的初級生產(chǎn)者，研究表明，浮游植物能夠?qū)λh(huán)境變化，尤其是營養(yǎng)物含量做出快速反應(yīng)[31]. 鏡河在河道設(shè)計中缺乏沉水植物，在通水后浮游植物迅速占領(lǐng)初級生產(chǎn)者主要生態(tài)位，浮游植物密度增加4倍，浮游動物密度增加14倍，水環(huán)境壓力隨之增加，而迅速進入藻型濁水態(tài)[32-34]. 作為相對封閉的新生河道，鏡河交換水量少、基本呈現(xiàn)緩流狀態(tài)，且水生態(tài)結(jié)構(gòu)不完整、水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較低.水生植物在穩(wěn)定基質(zhì)、吸附懸浮物、抑制藻類生長方面具有重要作用，構(gòu)建水生植物群落是河湖生態(tài)修復(fù)的重要技術(shù)[35]. 自2019年起，基于草型緩流水體的“水下森林”構(gòu)建技術(shù)，優(yōu)選苦草、輪葉黑藻和竹葉眼子菜為優(yōu)勢種群，在河道內(nèi)開展沉水植物種植，以推動水體向草型清水態(tài)轉(zhuǎn)換，目前已發(fā)展至藻-草共存態(tài)[36-38]. 經(jīng)過人工修復(fù)與自然恢復(fù)共同作用，研究區(qū)域沉水植物種類增至7種，覆蓋度超過40%，但由于營養(yǎng)鹽的不斷輸入和累積，水體富營養(yǎng)化水平逐漸加深，進而引起水體透明度降低，導(dǎo)致底層光照急劇減小，而限制水生植物生長，這種負反饋機制制約著水生態(tài)系統(tǒng)向好發(fā)展[39-42].

表 1 水生態(tài)系統(tǒng)指標監(jiān)測Table 1 Results of water ecosystem monitoring

隨著鏡河水生態(tài)系統(tǒng)演變，底棲動物多樣性指數(shù)升高，表明水生態(tài)系統(tǒng)健康水平提升. 但底棲動物優(yōu)勢種主要為耐污能力較強的搖蚊亞科，這與北運河流域其他河流調(diào)查結(jié)果[43]一致，研究認為人類活動對底棲動物種類和多樣性存在直接和間接影響[8,43]. 魚類種類增至14種，包含草食性、雜食性、肉食性、碎屑食性魚類，營養(yǎng)級完整. 其中最先出現(xiàn)魚類為雜食性鯽，其他魚類也均為對環(huán)境適應(yīng)能力較寬泛、對水環(huán)境變化敏感性較低的種類[44].

鏡河通水后至今，水生態(tài)健康綜合指數(shù)由59.50(不健康水平)增至72.75 (亞健康水平)，水生態(tài)健康水平顯著提升. 水生態(tài)健康綜合指數(shù)的升高主要由湖濱帶植被覆蓋度、魚類種類、大型水生植物覆蓋度、底棲動物生物多樣性的增加引起. “水下森林”構(gòu)建技術(shù)的實施及挺水植物護岸帶的打造，作為生態(tài)修復(fù)的重要手段，不僅提升了湖濱帶植物和水生植物的覆蓋度，更為魚類和底棲動物提供了棲息地，豐富了水生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)[21,45-47]. 但水體營養(yǎng)鹽濃度和浮游植物密度偏高，以及水生植物覆蓋度較低仍是制約水生態(tài)環(huán)境繼續(xù)提升的關(guān)鍵因素. 研究表明，通過改善河道水文、水動力條件[48-50]均能加速水體向草型清水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的速度. 因此在河道設(shè)計中，應(yīng)充分考慮沉水植物對水生態(tài)系統(tǒng)的重要作用，并在河道現(xiàn)有條件下降低水位，為沉水植物生長提供必要條件，同時應(yīng)進一步提升水動力條件，以降低浮游植物的競爭優(yōu)勢.

表 2 水生態(tài)系統(tǒng)健康水平評價Table 2 Results of water ecosystem health evaluation

以鏡河為代表的北方城市河流在生態(tài)管理中應(yīng)優(yōu)先調(diào)控水資源連通，保障水資源量配置，增強水動力調(diào)控，滿足生態(tài)需水要求，以改善水環(huán)境質(zhì)量[51-53]. 其次注重水生態(tài)治理的長效穩(wěn)定，在河道設(shè)計、建設(shè)、運行過程中，加強生態(tài)護岸、水生植物等要素管理，保證生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)提升[21,54-56].

3 結(jié)論

a) 鏡河水體受補水水源和水量的變化及河道水生態(tài)系統(tǒng)自身演替規(guī)律共同影響，河道下游水動力欠佳區(qū)域水質(zhì)指標升高，應(yīng)采取措施改善下游水動力條件.

b) 浮游植物占領(lǐng)初級生產(chǎn)者主要生態(tài)位，造成水體透明度下降而影響水生植物生長，浮游植物已成為制約水生態(tài)系統(tǒng)向好的主要因素，應(yīng)繼續(xù)采取生態(tài)修復(fù)措施，結(jié)合水位調(diào)節(jié)，增強水生植物的競爭作用.

c) 經(jīng)過兩年的演替，鏡河水生態(tài)系統(tǒng)日趨完善，群落結(jié)構(gòu)完善，水生態(tài)健康水平顯著提升.