水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

何新杰

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著城市化進(jìn)程和工業(yè)化的發(fā)展，人類對(duì)于自然資源的需求越來越大，水環(huán)境污染和破壞日益嚴(yán)重，黨十九大報(bào)告指出，要加快生態(tài)文明體制改革，水生態(tài)保護(hù)迫在眉睫[1]。水生態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)作為了解水生態(tài)穩(wěn)定性狀況和污染程度的方法，為水生態(tài)穩(wěn)定性研究、污染治理和水生態(tài)管理提供了具有科學(xué)依據(jù)的手段和方法。本研究通過對(duì)水體健康進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[2-4]。為水生態(tài)建設(shè)和修復(fù)提供技術(shù)指引，進(jìn)而推進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

1 方法

1.1 試驗(yàn)地概況

選取東莞橋頭鎮(zhèn)試驗(yàn)地項(xiàng)目1～5號(hào)塘進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)周期為2021年3—9月，水塘具體情況如表1所示。試驗(yàn)開始后觀察生態(tài)系統(tǒng)狀況，定期測(cè)定水質(zhì)pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷、葉綠素a和透明度指標(biāo)，水質(zhì)分析方法如表2所示。溶解氧采用溶解氧儀、高錳酸鹽指數(shù)采用酸性高錳酸鉀法、氨氮利用納氏試劑光度法、化學(xué)需氧量采用重鉻酸鉀法、總氮采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、總磷采用鉬酸銨分光光度法、葉綠素a采用丙酮萃取-分光光度法、透明度采用塞氏盤法測(cè)定。

表1 1～5號(hào)塘概況

浮游植物定性樣品使用25號(hào)浮游生物網(wǎng)進(jìn)行采集，加入4%的甲醛溶液進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)固定；定量樣品使用1L有機(jī)玻璃采水器采集后現(xiàn)場(chǎng)加入15mL魯哥試液固定，實(shí)驗(yàn)室靜置48h后濃縮至30mL，進(jìn)行樣品鑒定[5]。浮游動(dòng)物用25號(hào)浮游生物網(wǎng)在垂直和水平方向上拖網(wǎng)數(shù)次后采集樣品裝入60mL采樣瓶中，現(xiàn)場(chǎng)加5%的甲醛溶液固定，帶回實(shí)驗(yàn)室在光學(xué)顯微鏡下鑒定浮游動(dòng)物種類并進(jìn)行定性分析；定量樣品利用采水器采集10L水，用25號(hào)浮游生物網(wǎng)過濾濃縮至30mL，加入5%甲醛固定[6]。

1.2 水體水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及分級(jí)方法

水質(zhì)評(píng)價(jià)用單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)水質(zhì)污染情況。把水質(zhì)最差的單項(xiàng)指標(biāo)所屬的水質(zhì)類別作為判定水體綜合水質(zhì)類別的標(biāo)準(zhǔn)基本方式，在所有的水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，如有一項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)超過，那么這個(gè)水體就不能滿足某個(gè)功能的需求，則要根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)的結(jié)果選取最差的類別來作為該水體的水質(zhì)污染類別。參照表2。

表2 水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 水體營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及分級(jí)方法

采用線性插值法將水質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換為賦分值En。結(jié)合研究區(qū)各評(píng)價(jià)因子實(shí)際情況，將各指標(biāo)分成5個(gè)等級(jí)，賦值區(qū)間為10～100，見表3。賦值越高，指標(biāo)狀態(tài)越差。水體營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)參照《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》。

表3 水體富營養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)地1～5號(hào)塘水質(zhì)結(jié)果分析

如表4所示，3—9月期間，1號(hào)塘總氮含量為0.23～0.47mg·L-1，2號(hào)塘總氮含量為0.34～1.09mg·L-1，3號(hào)塘總氮含量為0.49～0.68mg·L-1，4號(hào)塘總氮含量為0.36～0.88mg·L-1，5號(hào)塘總氮含量為0.38～0.41mg·L-1。其中，1號(hào)塘、4號(hào)塘總氮含量在不同月份呈降低趨勢(shì)，2號(hào)塘總氮含量在不同月份呈先降低后升高趨勢(shì)，3號(hào)塘總氮含量在不同月份呈升高趨勢(shì)，5號(hào)塘總氮含量在不同月份變化不大。1號(hào)塘、3號(hào)塘、4號(hào)塘和5號(hào)塘總氮含量在地表水Ⅱ類～地表水Ⅲ類，2號(hào)塘總氮含量最差，接近地表水Ⅳ類。

表4 各水塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

總磷是水體富營養(yǎng)化的決定因素，由表3數(shù)據(jù)顯示，1號(hào)塘總磷含量為0.02～0.03mg·L-1，2號(hào)塘總磷含量為0.02～0.13mg·L-1，3號(hào)塘總磷含量為0.04～0.07mg·L-1，4號(hào)塘總磷含量為0.02～0.12mg·L-1，5號(hào)塘總磷含量為0.02～0.04mg·L-1。其中，1號(hào)塘、3號(hào)塘、5號(hào)塘總磷含量在不同月份變化不大，2號(hào)塘總磷含量在不同月份呈先降低后升高趨勢(shì)，4號(hào)塘總磷含量在不同月份呈先升高后降低趨勢(shì)?？偭缀吭诘乇硭蝾愔恋乇硭箢?。

3—9月期間，1號(hào)塘氨氮含量為0.16～0.24mg·L-1，2號(hào)塘氨氮含量為0.22～0.52mg·L-1，3號(hào)塘氨氮含量為0.29～0.53mg·L-1，4號(hào)塘氨氮含量為0.17～0.34mg·L-1，5號(hào)塘氨氮含量為0.12～0.26mg·L-1。其中，1號(hào)塘氨氮含量在不同月份呈降低趨勢(shì)，2號(hào)塘、3號(hào)塘氨氮含量在不同月份呈降低趨勢(shì)，4號(hào)塘、5號(hào)塘氨氮含量在不同月份呈先升高后降低趨勢(shì)。整體氨氮含量在地表水Ⅱ類左右。

影響化學(xué)需氧量的指標(biāo)主要是有機(jī)污染物。1號(hào)塘化學(xué)需氧量含量為10.83～13.12mg·L-1，2號(hào)塘化學(xué)需氧量含量為12.25～18.33mg·L-1，3號(hào)塘化學(xué)需氧量含量為12.37～24.32mg·L-1，4號(hào)塘化學(xué)需氧量含量為19.34～23.98mg·L-1，5號(hào)塘化學(xué)需氧量含量為13.21～15.20mg·L-1。1號(hào)塘化學(xué)需氧量含量最低，其次為2號(hào)塘、5號(hào)塘，3號(hào)塘、4號(hào)塘化學(xué)需氧量在地表水Ⅳ類。

3—9月期間，1號(hào)塘高錳酸鹽指數(shù)含量為4.15～4.92mg·L-1，2號(hào)塘高錳酸鹽指數(shù)含量為5.10～7.40mg·L-1，3號(hào)塘高錳酸鹽指數(shù)含量為4.06～4.50mg·L-1。4號(hào)塘高錳酸鹽指數(shù)含量為3.04～4.20mg·L-1，5號(hào)塘高錳酸鹽指數(shù)含量為2.30～4.10mg·L-1。1～5號(hào)塘高錳酸鹽指數(shù)整體變化不大，在地表水Ⅲ類～地表水Ⅳ類。

3—9月期間，1號(hào)塘葉綠素a含量為4.42～6.37mg·L-1，2號(hào)塘葉綠素a含量為6.19～9.73mg·L-1，3號(hào)塘葉綠素a含量為2.02～4.35mg·L-1，4號(hào)塘葉綠素a含量為4.26～11.58mg·L-1，5號(hào)塘葉綠素a含量為2.10～3.78mg·L-1。其中，4號(hào)塘葉綠素a含量在不同月份呈升高趨勢(shì)。

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)劃分可知，各水塘評(píng)價(jià)結(jié)果為試驗(yàn)地1號(hào)塘、5號(hào)塘：地表水Ⅱ類～地表水Ⅲ類。試驗(yàn)地2號(hào)塘、3號(hào)塘、4號(hào)塘：地表水Ⅲ類～地表水Ⅳ類。

2.2 試驗(yàn)地1～5號(hào)塘水體營養(yǎng)狀態(tài)分析

對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行富營養(yǎng)化評(píng)分，結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5可知，各水系評(píng)價(jià)結(jié)果：試驗(yàn)地1號(hào)塘，中營養(yǎng)水平；試驗(yàn)地2號(hào)塘，中營養(yǎng)至輕度富營養(yǎng)之間；試驗(yàn)地3號(hào)塘，中營養(yǎng)至輕度富營養(yǎng)之間；試驗(yàn)地4號(hào)塘，由輕度富營養(yǎng)慢慢變?yōu)橹袪I養(yǎng)；試驗(yàn)地5號(hào)塘，中營養(yǎng)水平。

表5 富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 試驗(yàn)地1～5號(hào)塘水體浮游植物分析

2.3.1 試驗(yàn)地1號(hào)塘

1號(hào)塘浮游植物前3季度監(jiān)測(cè)共檢出7門42屬。3月浮游植物豐度遠(yuǎn)低于6月、9月，以甲藻和金藻為主，分別是具有廣適性的多甲藻屬和適應(yīng)貧營養(yǎng)的錐囊藻屬、魚鱗藻屬；6月浮游植物豐度明顯增加，綠藻、藍(lán)藻種類比例增大，除了多甲藻屬，其他適應(yīng)較高營養(yǎng)、渾濁水體的綠藻、藍(lán)藻和硅藻種類都有所增加或者成為優(yōu)勢(shì)種屬；9月浮游植物豐度依然保持較高水平，藍(lán)藻門種類占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，由適應(yīng)富營養(yǎng)淺水的色球藻屬和耐受低光照、渾濁水體的絲狀藍(lán)藻組成。

結(jié)合優(yōu)勢(shì)浮游植物功能群顯示的環(huán)境信息可以看出，隨著氣溫升高、降雨天氣增多，1號(hào)塘水體受到更加頻繁的攪動(dòng)和更多營養(yǎng)鹽的輸入，其渾濁度和營養(yǎng)水平都有一定程度的增加。雖然水質(zhì)的變化導(dǎo)致浮游植物豐度上升、藍(lán)藻種類增多，但自6月浮游植物豐度達(dá)到1500cells·mL-1以來，就沒再有更明顯的增長趨勢(shì)，說明1號(hào)塘生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，可以將浮游植物生物量控制在一定范圍而不易產(chǎn)生水華現(xiàn)象。

2.3.2 試驗(yàn)地2號(hào)塘

2號(hào)塘浮游植物前3季度監(jiān)測(cè)共檢出7門40屬。3—9月，6月浮游植物豐度最低、9月豐度最高，藍(lán)藻比例不斷增加，其他藻類類群比例下降，浮游植物多樣性降低、優(yōu)勢(shì)種類單一化。

3月浮游植物，以硅藻和綠藻為主，優(yōu)勢(shì)屬有適應(yīng)含營養(yǎng)鹽、流動(dòng)性差渾濁水體的針桿藻、小環(huán)藻和團(tuán)藻；6月藍(lán)藻豐度上升，組成比例與硅藻、綠藻種類相當(dāng)，優(yōu)勢(shì)屬為適應(yīng)富營養(yǎng)的空球藻、色球藻和適應(yīng)低透明度渾濁水體的假魚腥藻和小環(huán)藻；9月藍(lán)藻豐度占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)屬為單個(gè)的色球藻屬。

結(jié)合優(yōu)勢(shì)浮游植物功能群顯示的環(huán)境信息可以看出，2號(hào)塘多為富營養(yǎng)的渾濁性水體，流動(dòng)性差。高溫、降雨攜帶入營養(yǎng)等因素的影響，水質(zhì)的惡化程度較嚴(yán)重。

2.3.3 試驗(yàn)地3號(hào)塘和4號(hào)塘

試驗(yàn)地3號(hào)塘和4號(hào)塘浮游植物監(jiān)測(cè)共檢出7門53屬。4號(hào)塘浮游植物豐度和組成的變化是最明顯的，9月的豐度降為6月的1/10，從6743.75cells·mL-1降低至721.15cells·mL-1；種類也從原來耐受低光照、混合性水體的假魚腥藻屬、平裂藻屬占優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)中富營養(yǎng)的小環(huán)藻占優(yōu)勢(shì)，說明4號(hào)塘富營養(yǎng)化程度和水體渾濁度都在逐漸降低。3號(hào)塘浮游植物豐度較前1個(gè)季度有增加趨勢(shì)，從假魚腥藻屬單個(gè)占優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠搅言鍖?、藍(lán)纖維藻屬、假魚腥藻屬多個(gè)種類占優(yōu)勢(shì)，說明3號(hào)塘水質(zhì)惡化問題依然存在，富營養(yǎng)、渾濁等問題還未得到解決。

2.3.4 試驗(yàn)地5號(hào)塘

試驗(yàn)地5號(hào)塘6月和9月共檢出6門22屬的浮游植物種類。6—9月，浮游植物豐度顯著降低，植物組成由單一綠藻(柵藻屬)占優(yōu)勢(shì)的群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)藻(色球藻屬)和綠藻(柵藻屬、小球藻屬等)共同占優(yōu)勢(shì)、多樣性更高的群落結(jié)構(gòu)。

從以上分析可以看出，水生態(tài)系統(tǒng)與藻種無明顯關(guān)系，但與藻類數(shù)量有顯著相關(guān)性，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)藻類的數(shù)量小于2000cells·mL-1。

2.4 福壽螺、羅非魚對(duì)試驗(yàn)地1～5號(hào)塘生態(tài)系統(tǒng)影響分析

2.4.1 羅非魚(以試驗(yàn)地1號(hào)塘為例)

羅非魚為雜食性魚類，當(dāng)水體潔凈時(shí)優(yōu)先吃黑藻，黑藻吃完后，小羅非魚優(yōu)先刮食苦草葉片上附著的藻類及碎屑，大羅非魚吃苦草斷葉。繁殖季節(jié)，羅非魚會(huì)打洞筑巢，一定程度上影響植物覆蓋率。綜合來看，羅非魚不會(huì)影響水體的透明度，并且有助于水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的流通，但需采用生物以及人工調(diào)控措施控制種群數(shù)量。

羅非魚生長迅速，自然生長情況下，1齡羅非魚可達(dá)300～500g，2齡羅非魚可達(dá)到500～700g。水系內(nèi)的羅非魚通體金黃、肉質(zhì)鮮美，維護(hù)時(shí)可作為經(jīng)濟(jì)魚類捕撈。

2.4.2 福壽螺

2.4.2.1 試驗(yàn)地1號(hào)塘

福壽螺主要啃食苦草，造成大量苦草斷葉，影響水質(zhì)凈化功能及水體景觀。經(jīng)過1.5a左右的生物調(diào)控，1號(hào)塘的福壽螺種群數(shù)量大大減少，福壽螺以大螺為主，重量100～200g，小福壽螺數(shù)量大大減少。

繁殖季節(jié)，1號(hào)塘內(nèi)挺水植物及駁岸邊仍會(huì)有大量福壽螺卵(大螺繁殖)，但是小螺數(shù)量未見增多，另外水面仍有一定數(shù)量的苦草斷葉。

2.4.2.2 試驗(yàn)地5號(hào)塘

試驗(yàn)地5號(hào)塘沉水植物9月福壽螺泛濫，投放青魚進(jìn)行生物調(diào)控，受限于青魚個(gè)體大小，生物調(diào)控措施并不明顯，仍然有大量螺卵和斷葉。因此系統(tǒng)仍然需要進(jìn)行調(diào)控，目前采用人工方法清除水系福壽螺及螺卵[7]。

3 結(jié)論

綜合水質(zhì)、富營養(yǎng)化程度、浮游植物、沉水植物和水生動(dòng)物等評(píng)價(jià)指標(biāo)，1～5號(hào)塘的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性從高到低依次為1號(hào)塘、5號(hào)塘最佳，2～4號(hào)塘較差。水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)滿足以下條件較佳，水質(zhì)在Ⅲ類以上，營養(yǎng)狀況在中營養(yǎng)及以上水平，浮游植物不超過2000cells·mL-1，沉水植物以苦草為主，覆蓋率>80%，無大量斷葉，水生動(dòng)物青魚重量超過5kg/條，福壽螺以大螺為主，無明顯小螺。

穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)能每日容納5%容積的地表徑流負(fù)荷，暴雨時(shí)水系會(huì)受到影響，暴雨結(jié)束后14～30d恢復(fù)至正常狀態(tài)。為了進(jìn)一步完善生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系還應(yīng)綜合考慮地表徑流負(fù)荷。