生物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果

孟婷婷, 董月群, 闻丞, 薛晓飞, 冒建华, 黄越, 李丹, 汪洋, 徐开翔

孟婷婷,董月群,闻丞,等.生物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果[J].环境工程技术学报,2023,13(4):1552-1561. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20221067
引用本文: 孟婷婷,董月群,闻丞,等.生物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果[J].环境工程技术学报,2023,13(4):1552-1561. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20221067
MENG T T,DONG Y Q,WEN C,et al.Biodiversity-oriented water ecological restoration effect in urban river with reclaimed water supply[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2023,13(4):1552-1561. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20221067
Citation: MENG T T,DONG Y Q,WEN C,et al.Biodiversity-oriented water ecological restoration effect in urban river with reclaimed water supply[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2023,13(4):1552-1561. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20221067

生物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果

基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07103-001)
详细信息
    作者简介:

    孟婷婷(1981—),女,博士,主要从事水环境治理、水生态修复研究,43601042@qq.com

    通讯作者:

    冒建华(1977—),男,博士,主要从事水环境治理、城镇水务先进技术研究,maojianhua@bewg.net.cn

  • 中图分类号: X171.4

Biodiversity-oriented water ecological restoration effect in urban river with reclaimed water supply

  • 摘要:

    在再生水补给型河道开展水生态修复并监测分析其效果,有助于提升再生水补给河道的生态健康水平。在北京市萧太后河老河道开展全营养级生态修复并进行为期1年的监测,通过生物群落结构、生物多样性指数、水质分析水生态系统变化。结果表明,虽然试验区经历了水质恶化、水量剧减的双重冲击,但河道水生态、水质仍表现出明显改善。生态修复实施后浮游动物、底栖动物、鱼类、鸟类的物种丰富度分别上升为修复前的6、2、3、2倍。浮游动物、底栖动物、鱼类优势种数量均明显增加,且表现出耐污型向健康指示型的变化。底栖动物、鱼类、鸟类的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数均有上升;鸟类的优势种表现出季节性变化且已出现猛禽。项目区内总磷浓度平均比项目区外低35%,氨氮浓度平均低31%,总氮浓度平均低30%。综合来看,结构完整的水生态系统具有抵抗外界水质、水量冲击的韧性,且能够起到良好的水质改善效果。各生物群落的多样性指数、群落结构均对水质变化有明显的反馈和指示作用,多个生物多样性指数的综合表征效果更全面、更客观。

    Abstract:

    The monitoring and analysis of water ecological restoration effects are useful to improve the ecosystem health of rivers replenished by reclaimed water. The water ecological restoration covering all trophic levels was conducted, and the community structure, biodiversity indices and water quality were monitored for one year to judge the change of ecosystem health in the old river section of Xiaotaihou River in Beijing. As the results showed, although both the water environmental quality and water quantity suffered great decreasing during the experiment, the water ecological health and water environmental quality in the experimental zone all improved. After ecological restoration, species richness of zooplankton, zoobenthos, fish and birds increased to 6, 2, 3 and 2 times of the previous, respectively. The numbers of dominant species of zooplankton, zoobenthos and fish all increased significantly and the dominant species changed from pollution-tolerant species to a health indicator type. Shannon-Wiener diversity index, Pielou evenness index and Margalef abundance index of zoobenthos, fish and bird all increased. The dominant bird species changed from season to season. The top species of the food chain appeared. The average contents of total phosphorus, ammonia nitrogen and total nitrogen in the experimental zone were 35%, 31% and 30%, respectively, lower than those outside the experimental zone. In a word, the water ecosystem with a complete structure could resist external disturbances such as water quantity and quality changes and improve water environmental quality. Biodiversity indexes and community structures of biological communities could respond and indicate the change of the water environment well. The comprehensive evaluation of multiple biodiversity indexes was more comprehensive and objective than the individual index.

  • 自2015年国务院颁布实施《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)至今,我国全国范围内黑臭水体治理任务已基本完成,城市河道水环境质量得到显著提升,但仍面临返黑返臭的风险,有研究证明经生态修复的河道返黑返臭风险明显低于未经生态修复的河道[1]。而且,随着污水处理规模、水资源循环利用规模的提升,再生水补给的河道、湖泊逐渐增多。2021年北京市再生水利用量达12亿m3,占北京年度水资源配置总量的近30%,使用总量居全国第一。但是再生水中相比于天然水较高的有机物、氮磷浓度及pH增加了河道爆发藻类水华的风险[2]

    在截污等岸上工程均已完成的情况下,水生态修复成为解决以上问题的必要、有效措施。水生态修复的措施多样,常见的包括曝气复氧、生境修复、生态岸线改造、沉水植物种植等。工程中通常采用2种或以上措施组合实施[3-7]。目前工程中所采取的生物群落构建措施往往以单纯的沉水植物种植为主,投放水生动物的工程基本以投放鲢、鳙、鲫、螺等物种为主,从而导致系统不够稳定、运行维护成本较高,较少有将水生植物、水生动物、浮游动物等生态系统全营养级恢复的案例。从工程效果持久性、运营维护难度上来看,只有完整的生态系统才能增强生态系统功能性和不良环境抵抗力,更好地发挥生态系统的营养物质吸收转移和净化能力,减轻后期运行维护压力[8]。另一方面,生物监测在水环境治理效果评估中也发挥越来越重要的作用。相比于传统的水体物理或化学指标的测定,生物群落监测不容易受到河道水流等瞬时因素的影响,且具有整合不同时间尺度上化学、物理和生物影响,能够反映多种生态胁迫对水环境的累积效应的优点[9-10]。利用水生生物群落结构、生物多样性指数监测等,可以直观评价工程效果,也可为后期水环境治理和运营提供预警和参考[3,5,11-14]。目前水生态监测多采用浮游动物、底栖动物多样性指数,少有各营养级生物、多指标全面监测评估的案例。

    综上,如何在再生水补给型河道中构建包含食物链各营养级的自稳定生态系统,实现水生态快速恢复和生物多样性快速提升,并凭借系统自稳定性实现水质净化效果的持续,是当前水生态修复工程的重点方向和主要挑战。研究水生态修复工程后的水生态指标变化,也可以更好地评价水生态修复工程效果,为后续工程设计提供参考。

    萧太后河是北京城市副中心文化旅游功能区的核心河道,串联起北京由西向东的南部城区。萧太后河也是北京市2017 年重点整治的 53 条黑臭水体之一,经过综合治理后已于 2017 年摘掉“黑臭水体”帽子。但由于北京环球度假区的建设,萧太后河老河道成为断头河,且由于部分补水水源的水质问题河道水质面临返黑返臭的风险。笔者选取北京城市副中心文化旅游功能区的核心河道——萧太后河老河道为研究区域,开展全营养级生态系统修复试验,以探索再生水补给型河道以生物多样性提升为导向的生态修复路径,并尝试根据水生态指标监测评价工程效果。

    研究区域位于萧太后河老河道因北京环球度假区建设截断后的断头处,面积约1万m2图1)。

    图  1  研究区域位置示意
    Figure  1.  Position of the study area

    本研究开展期间研究区域主要水源为位于西侧上游约500 m处的生活污水处理站,该处理站设计处理规模800 m3/d,实地监测出水水质低于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[15]中的Ⅴ类水质标准限值,河道平均水位维持在 30~50 cm。上游处理站出水化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)监测结果如表1所示。

    表  1  研究区域上游污水处理站出水水质
    Table  1.  Effluent quality of the upstream sewage treatment station of the study area mg/L 
    采样日期化学需氧量总氮浓度氨氮浓度总磷浓度
    2019-02-0119951.9943.424.08
    2019-11-14204.300.49810.10
    2019-12-012311.501.91016.40
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    研究区域虽已消除黑臭但仍不满足北京城市副中心要求的Ⅳ类水质标准,更无法满足副中心文化旅游核心功能区的生态品质要求,且河道因为断头河而出现返黑返臭趋势。

    2020年初开始,由于北京环球度假区外萧太后河上跨河桥梁的修建,南大沟来水被截断无法进入研究区域,上游生活污水处理站出水仅部分进入研究区域,导致2020年10月—2021年5月连续8个月水位严重下降至平均不足15 cm,甚至出现部分河床裸露的情况。2020年10月—2021年2月持续5个月上游生活污水处理站出水进一步恶化,导致研究区内水质持续恶化。因此,本研究区域内的生态修复,遭遇了水质、水量的双重考验。

    以提高水体生物多样性为导向,结合经典生物操纵,试验区域于2020年7月31日—10月15日开展水生态修复。具体措施包括在试验布置区(图1)设置里外2道透水性围网,形成物种修复种源区。首先在其中构建水生植物群落,种植轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、穗状狐尾藻(Myriophyllum spicatum);待水生植物系统稳定后,投放浮游动物和底栖动物,浮游动物物种包括隆线溞(Daphnia carinataking)和仙达溞(Limnosida frontosasars),底栖动物包括铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)、中华圆田螺(Cipangopaludina cathayensis)、背角无齿蚌(Anodonta woodianawoodiana)和黑壳虾(Atyoidae sp.);待上述系统稳定后,分批投放鱼类,包括中小型功能鱼类草金鱼(Carassius auratus)、餐条(Hemicculter Leuciclus)、鳑鲏(Rhodeinae sp.)和大型食肉鱼类黑鱼(Ophiocephalus argus)、鲶(Silurus asotus)。浮游动物、底栖动物和鱼类均选择幼体种苗,避免使用成体个体。物种投放后定期监测,避免物种大规模流失。本次试验过程中未发生该类情况。

    图1试验布置区及上游污水处理站出水口处分别设立水质监测点。2020年7月—2021年3月及2021年8月每月进行1次水质监测,监测指标包括城市黑臭水体指标氨氮、溶解氧(DO)、氧化还原电位及地表水常规水质指标总磷、总氮、化学需氧量。

    对浮游植物、浮游动物、大型底栖动物(不含水生昆虫)、鱼类、鸟类开展监测,方法如表2所示。对浮游植物、浮游动物、大型底栖动物在现场取样后将样品带回室内开展物种鉴定及密度检测工作。鱼类、鸟类开展现场物种鉴定和相对丰度估算。

    表  2  生物调查方法
    Table  2.  Methods of biological investigation
    生物类群监测方法监测内容
    浮游植物样点法现场取样、室内物种及密度检测
    浮游动物样点法现场取样、室内物种及密度检测
    底栖动物样点法/直接观察法现场取样、室内物种及密度检测
    鱼类样点法/直接观察法现场物种鉴定和密度调查
    鸟类样线法/直接观察法现场物种鉴定和密度调查
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    数据分析及相关图表制作在Excel软件中完成。

    通过计算藻类、浮游动物、底栖动物、鱼类和鸟类的物种丰度(S),即某一群落包含的物种种类数以及底栖动物、鱼类和鸟类的优势度(Y)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(J)和Margalef丰富度指数(D),对生态修复区的生物群落结构特征进行分析评价。计算公式如下:

    $$ Y=\left(n_i / N\right) \times f_i $$ (1)
    $$ H=-\sum^S_{i=1}\left[\left(n_i / N\right) \times \log _2\left(n_i / N\right)\right] $$ (2)
    $$ J=H/{\mathrm{log}}_{2}S $$ (3)
    $$ D=(S-1)/\mathrm{l}\mathrm{n} N $$ (4)

    式中:ni为群落中第i个物种的个体数;N为群落中总个体数,二者之比为物种i的丰富度;fi为该种在各位点中出现的频率。本研究中因每次调查均统计各样点每个物种的总数,或者采用样线法,因此fi均为1。Y>0.02时定义为优势种[16],鱼类、鸟类丰富度柱状图中将非优势种合并统称为其他。

    本研究表明,水生态系统逐步建立后,对水质具有很好的改善作用,尤其是对总磷、氨氮、总氮有明显的降低作用。在为期1年的水质监测期内,虽然试验区与上游来水的总磷、氨氮、总氮基本保持同样的变化趋势,但是在2020年10月生态系统基本建立后试验区内水质总体明显优于上游来水水质,其中总磷浓度平均低35%,氨氮浓度平均低31%,总氮浓度平均低30%(图2)。本研究中重建的水生态系统,不仅发挥了沉水植物通过生物吸附、富集作用去除氮、磷污染物并为底栖动物、小型鱼类提供避难所和栖息地的作用[3,4,17-22],而且通过水生植物—浮游动物—底栖动物—鱼类的序批式投放,能在2个月内快速建立稳定的生态系统,从而发挥整个生态系统更持久、有效的水质净化作用。

    图  2  试验区内外水体总磷、氨氮、总氮浓度变化
    Figure  2.  Changes of total phosphorus, ammonia nitrogen and total nitrogen in and out of the experimental area

    也有指标表现出相反趋势。试验区内的化学需氧量在2020年10月—2021年2月均高于上游来水,平均高15%,2021年3—8月均低于上游来水,平均低30%(图3),这可能是因为冬季鱼类生命活动不活跃而浮游动物相对较多,水体中出现大量浮游动物尸体而导致有机质含量升高。试验区内水体溶解氧浓度在2020年12月—2021年5月均低于上游来水,平均低23%(图3),可能是由于试验区水体水生动物丰富而消耗氧气导致[23]。因此,水生生物群落结构与水环境之间存在双向互馈作用。

    图  3  试验区内外水体化学需氧量、溶解氧浓度变化
    Figure  3.  Changes of chemical oxygen demand and dissolved oxygen in and out of the experimental area

    水生生物的变化是水环境质量变化的直观体现,具有高敏感性、长期性、富集性、综合性等优势[24]。各生物类群在2020年7月水生态修复工程开始后物种丰度均有明显上升。生态修复实施后浮游动物、底栖动物、鱼类物种丰度分别为之前的6、2、3倍。除鸟类外其他营养级物种丰度均在越冬后的春夏季节出现明显的跃升并高于前一个夏季。鸟类物种丰度在工程实施后的秋季迅速增长为实施前的2倍,虽然冬、春季由于水位下降严重导致鸟类数量减少,但仍在2021年5月监测到试验开始时的近2倍丰度(图4)。

    图  4  监测期间各类群物种丰度的变化
    Figure  4.  Change of the species richness during the monitoring

    浮游动物前期以试验投放的枝角类为主,后期除枝角类外还出现多种轮虫类并成为优势种。冬季浮游动物物种稀少,其中2021年1月、2月未监测到浮游动物,3月后物种丰度迅速上升。总体而言试验后浮游动物物种丰度和多样性均有明显的提升(表3)。

    表  3  历次监测中的浮游动物物种及相对丰度
    Table  3.  Species and relative abundance of zooplankton during the monitoring
    物种2020-062020-072020-082020-092020-102020-112020-122021-032021-042021-052021-06
    剑水蚤
    Cyclopoidea sp.)
    +++++++++++
    仙达溞
    Limnosida frontosasars
    +++++++++
    大型溞
    Daphnia sp.)
    ++++++++++
    隆线溞
    Daphnia carinataking
    +++++
    广布中剑水蚤
    Mesocyclops leuckarti
    ++++++++++
    无节幼虫
    nauplius sp.)
    +++++++
    壶状臂尾轮虫
    Brachionus urceus
    ++++++
    轮虫
    Rotifera sp.)
    ++
    萼花臂尾轮虫
    Brachionus calyciflorus Pallas
    ++++
    晶囊轮虫
    Asplanchna sp.)
    +++
    裸腹溞
    Moinidae sp.)
    +++++
    针簇多枝轮虫
    Polyarthra trigla
    ++++
    三肢轮虫
    Filinia sp.)
    +++
    其他 +1) +2)+3)
      注:+ 表示相对丰度,根据镜检结果划分为3个等级,+ 数量越多代表相对丰度越大。1)物种为象鼻溞 (Bosmina coregoni)、蚤状溞(Daphnia pulex Leydig);2)物种为秀体溞 (Diaphanosoma sp.)、疣毛轮虫(Synchacta sp.);3)物种为曲腿龟甲轮虫 (Keratella valga)等4种轮虫。
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    本研究中浮游动物物种丰度和群落结构的变化体现了季节规律性。多项研究表明水温通过影响浮游动物的体温、新陈代谢、生长发育及繁殖周期,进而影响浮游动物物种丰度及群落结构[15,25-27]。有研究表明,温暖水体适宜轮虫生活[28],而高温不利于枝角类部分物种的生长发育[29]。但涡河中的研究[30]得出了相反的结论。本研究中在第二年夏季,轮虫丰度和多样性明显高于枝角类,且在寒冷季节仅监测到枝角类,这与前者结论相符合。浮游动物的群落结构还受到营养盐、有机质、溶解氧等多重因素的影响。本研究中水体总磷、氨氮、总氮浓度及化学需氧量自2021年3月起均表现出下降趋势,而同期浮游动物丰度和多样性增加。在温瑞塘河的研究中浮游动物密度与COD呈负相关[31],在妫水河的研究中浮游动物多样性指数随水质变差而降低[27],这与本研究得出结论一致。因此,浮游动物的多样性指数可以在一定程度上反映出水环境的状况,也可作为环境质量评价的依据之一[27,32]

    底栖动物的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数分别最高提升108%、72%、87%,至1年监测期满时分别提升60%、32%、33%(图5)。多样性指数和丰富度指数在试验开始后均明显上升,但是在2021年3—4月均出现低谷值,这体现了底栖动物群落对2021年2—3月水体污染物浓度达到峰值的响应,证明底栖动物的多样性指数可随水质和栖息地条件恶化而下降[33]。群落结构也发生了明显变化,优势种明显地由耐污型物种向高水质要求、净化能力强的物种变化。前期以摇蚊幼虫(Chironomidae sp.)、水丝蚓(Limnodrilus sp.)为绝对优势种,之后随着生态系统逐渐健全二者优势度呈明显下降趋势。2020 年 8 月以后投放的螺类和黑壳虾逐渐成为底栖动物优势种,体现出二者对水质波动的耐受性和净化作用。但螺类优势度在2020年12月开始出现下降,主要是因为2020年12月—2021年5月河道水位严重下降甚至出现部分河底裸露的现象。有研究表明,水生植物可为大型底栖动物群落提供适宜生境,从而改善城市河流中底栖动物的营养层级关系[17]。本研究中底栖动物群落结构的变化也说明了这一点。

    图  5  底栖动物多样性指数及丰富度变化
    Figure  5.  Changes of diversity indices and abundance of zoobenthos

    鱼类的Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数均呈上升趋势,尤其是2021年3月以后更为明显,分别最高提升138%、113%且均出现在1年监测期满时。两指数的季节差异较小,而且即使在水质较差时期也未表现出明显下降,这说明鱼类的短时耐受性更强一些。Pielou均匀度指数最高提升43%,至1年监测期满时提升19%(图6)。鱼类群落结构的变化体现了水生态修复的效果,包括优势种向水质健康型转变和优势物种数量增加。原生鱼类主要为水质亚健康指示物种鲫、麦穗鱼。自试验投放后除2021年3月外每次监测都能采集到草金鱼,说明草金鱼已稳定繁殖。2021年起逐渐出现鳑鲏、鰕虎鱼、青鳉、棒花鱼等并且成为优势种(图6),其中鳑鲏、青鳉为水质健康指示物种。虽然鱼类能有效反映河流的综合生态条件,但已有研究中较少采用鱼类作为生态系统状态单一评价指标,而是常用作综合指标系统的一项[34-36]。有研究表明,采用单一类群的生物多样性指数进行生态系统健康评价可能存在偏差,采用多类群的综合指数则能够更好地反映客观情况[37]

    图  6  鱼类多样性指数及丰富度变化
    Figure  6.  Changes of diversity indices and abundance of fish

    鸟类作为水域生态系统食物链的顶端生物,其多样性受到食物、季节和栖息地环境等多种因素的综合影响。本研究中鸟类的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数均呈先下降后上升趋势,分别最高提升26%、73%,至1年监测期满时分别降低7%、2%(图7)。2020年8月、9月投放底栖动物和部分鱼类后鸟类多样性、丰富度有所上升,但随即进入下降趋势直至2021年5月重新回升,这可能与家燕等候鸟迁徙有关。从优势种来看,除麻雀外其他优势种呈现出比较明显的季节变化。2020年秋、冬以黑水鸡、喜鹊、珠颈斑鸠、小䴙䴘为优势种,2021年春以珠颈斑鸠、喜鹊、家燕、白鹡鸰等为优势种,优势种数量基本持平。白腰草鹬、红隼、短耳鸮、绿翅鸭仅出现在了冬季。

    图  7  鸟类多样性指数及丰富度变化
    Figure  7.  Changes of diversity indices and abundance of birds

    由分析可知,鸟类的丰富度、多样性指数与鱼类的丰富度和多样性指数并未表现出相同趋势,但与水环境质量表现出明显的相同趋势,即与水体污染程度呈负相关,这与罗莎等[38]的研究成果一致。此外,项目区自2020年10月起受到跨河桥梁施工的影响,河道水位下降、岸坡多处被破坏,导致了鸟类的食物及生境的变化。喜鹊、珠颈斑鸠逐渐成为优势种可能与滨水地带大量土地裸露有关。综合来看,鸟类对生态修复效果具有一定的综合指示性作用[39]。本研究中还在项目水域观测到猛禽短耳鸮、大鵟、红隼,说明区域生物多样性较高,生物链已接近顶端。

    水生态系统的健康持续性是水生态系统健康水平评判的最高层级,一个健康的水生态系统应该具有抵抗干扰、恢复自身结构和功能持续性的能力[40]

    试验期间虽然经历了长达7个月的上游来水水质水量的波动,甚至出现几近干涸的情况,但是从监测结果来看,所构建的生态系统经受住了水质水量波动的冲击,表现为物种丰度未出现明显下降、生物多样性指数在投放当年的冬季仍维持较高水平,且春季水质水量冲击缓解后均有明显回升,并且持续发挥水质净化效果。这证明了本试验构建的水生态系统具有较高的健康水平,可以抵抗一定程度的持续污染输入或水量波动[41]。从各类群的抗冲击能力差别来看,浮游植物、浮游动物、鱼类的抗冲击性比底栖动物、鸟类更强,表现为波动更小甚至未出现降低趋势,鱼类生物多样性指数还出现了较大幅度的提升。底栖动物的波动主要是因为水量水位的急剧下降,尤其是2021年4—5月出现部分河床裸露导致大量螺类死亡,但是从优势种的丰富度对比来看,黑壳虾、螺类仍然具有较强的抗冲击性,丰富度占比呈波动上升趋势,也证明了本项目投放物种的适宜性。因具有较强的迁徙能力,鸟类的波动则是食物、栖息地的综合作用,对系统抗冲击能力的体现作用较小。

    根据项目区生物多样性指数分析可知,本研究中构建的水生态系统不仅在初期发挥了快速恢复水体生物、提高生物多样性的作用,而且效果可持续1年甚至会继续上升。根据项目区水质变化分析可知,本研究中构建的生态系统不仅在1年内发挥了较强的水质净化作用而且在1年后仍保持较高的污染物削减率。

    以上综合说明本试验构建的生态系统可耐北方严寒季节考验、可在一定时期内持续发挥提升水生态系统健康的作用。根据已有研究,河流生态修复工程对施工河段生物多样性提升、水质改善的有效作用期为5年左右[5,11],因此本项目中生态修复措施的效果持续性还有待持续监测。

    (1)在再生水补给为主要水源的河道中,以生物多样性提升为导向的水生态修复具有较好的水质改善效果,尤其对氮磷削减效果明显,总磷削减率可达35%,氨氮削减率可达31%,总氮削减率可达30%。也有一些指标,如化学需氧量、溶解氧可能因水生生物的生长出现阶段性降低现象。总体来看生态修复对再生水水质的改善效果在1年内保持较高且稳定的水平。

    (2)通过构建完整生态系统可快速提升生物多样性并建立稳定、可持续系统。物种丰度提升2~6倍,底栖动物、鱼类、鸟类的Shannon-Wiener多样性指数分别最高提升108%、138%、26%,Margalef丰富度指数分别最高提升87%、112%、73%;底栖动物、鱼类的Pielou均匀度指数分别最高提升72%、43%,鸟类的Pielou均匀度指数则下降7%。鸟类生物多样性指数的变化体现出季节、食物、生境等因素的综合指示效果。底栖动物、鱼类群落的优势种呈现数量增多且由耐污型向健康指示型的转变。生物多样性指数结合优势种和群落结构可以更好地判断生态系统结构的变化。多个生物多样性指数的综合表征效果更全面、更客观。

    (3)完整的生态系统具有一定时期内抵抗水质、水量波动的韧性,有助于系统的水质恢复和生物系统重建。浮游植物、浮游动物、鱼类具有更强的抗水质、水量波动的能力,底栖动物受水位影响更明显。

  • 图  1   研究区域位置示意

    Figure  1.   Position of the study area

    图  2   试验区内外水体总磷、氨氮、总氮浓度变化

    Figure  2.   Changes of total phosphorus, ammonia nitrogen and total nitrogen in and out of the experimental area

    图  3   试验区内外水体化学需氧量、溶解氧浓度变化

    Figure  3.   Changes of chemical oxygen demand and dissolved oxygen in and out of the experimental area

    图  4   监测期间各类群物种丰度的变化

    Figure  4.   Change of the species richness during the monitoring

    图  5   底栖动物多样性指数及丰富度变化

    Figure  5.   Changes of diversity indices and abundance of zoobenthos

    图  6   鱼类多样性指数及丰富度变化

    Figure  6.   Changes of diversity indices and abundance of fish

    图  7   鸟类多样性指数及丰富度变化

    Figure  7.   Changes of diversity indices and abundance of birds

    表  1   研究区域上游污水处理站出水水质

    Table  1   Effluent quality of the upstream sewage treatment station of the study area mg/L 

    采样日期化学需氧量总氮浓度氨氮浓度总磷浓度
    2019-02-0119951.9943.424.08
    2019-11-14204.300.49810.10
    2019-12-012311.501.91016.40
    下载: 导出CSV

    表  2   生物调查方法

    Table  2   Methods of biological investigation

    生物类群监测方法监测内容
    浮游植物样点法现场取样、室内物种及密度检测
    浮游动物样点法现场取样、室内物种及密度检测
    底栖动物样点法/直接观察法现场取样、室内物种及密度检测
    鱼类样点法/直接观察法现场物种鉴定和密度调查
    鸟类样线法/直接观察法现场物种鉴定和密度调查
    下载: 导出CSV

    表  3   历次监测中的浮游动物物种及相对丰度

    Table  3   Species and relative abundance of zooplankton during the monitoring

    物种2020-062020-072020-082020-092020-102020-112020-122021-032021-042021-052021-06
    剑水蚤
    Cyclopoidea sp.)
    +++++++++++
    仙达溞
    Limnosida frontosasars
    +++++++++
    大型溞
    Daphnia sp.)
    ++++++++++
    隆线溞
    Daphnia carinataking
    +++++
    广布中剑水蚤
    Mesocyclops leuckarti
    ++++++++++
    无节幼虫
    nauplius sp.)
    +++++++
    壶状臂尾轮虫
    Brachionus urceus
    ++++++
    轮虫
    Rotifera sp.)
    ++
    萼花臂尾轮虫
    Brachionus calyciflorus Pallas
    ++++
    晶囊轮虫
    Asplanchna sp.)
    +++
    裸腹溞
    Moinidae sp.)
    +++++
    针簇多枝轮虫
    Polyarthra trigla
    ++++
    三肢轮虫
    Filinia sp.)
    +++
    其他 +1) +2)+3)
      注:+ 表示相对丰度,根据镜检结果划分为3个等级,+ 数量越多代表相对丰度越大。1)物种为象鼻溞 (Bosmina coregoni)、蚤状溞(Daphnia pulex Leydig);2)物种为秀体溞 (Diaphanosoma sp.)、疣毛轮虫(Synchacta sp.);3)物种为曲腿龟甲轮虫 (Keratella valga)等4种轮虫。
    下载: 导出CSV
  • [1] 李永新, 王威, 何妹, 等.基于连续监测的城市内河返黑返臭机制初探: 以南宁市二坑溪为例[J]. 环境科学,2020,41(5):2257-2263.

    LI Y X, WANG W, HE M, et al. Mechanism of urban black odorous water based on continuous monitoring: a case study of the Erkeng Stream in Nanning[J]. Environmental Science,2020,41(5):2257-2263.

    [2] 于汇洋, 徐志嫱, 龙怡静, 等.再生水补水的景观水体优势藻种水华爆发阈值条件的确定[J]. 水资源与水工程学报,2021,32(6):102-108. DOI: 10.11705/j.issn.1672-643X.2021.06.14

    YU H Y, XU Z Q, LONG Y J, et al. Determination of the threshold conditions for the outbreak of dominant algal blooms in landscape water bodies supplemented with reclaimed water[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering,2021,32(6):102-108. DOI: 10.11705/j.issn.1672-643X.2021.06.14

    [3] 张苗, 李明梦, 刘律, 等.超富营养城市湖泊原位生态修复效果分析: 以武汉南湖为例[J]. 海洋与湖沼,2021,52(6):1399-1407. DOI: 10.11693/hyhz20210500116

    ZHANG M, LI M M, LIU L, et al. Effects of in situ ecological restoration in Nanhu Lake, a hypertrophic urban lake, China[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica,2021,52(6):1399-1407. DOI: 10.11693/hyhz20210500116

    [4] 周严, 李士义, 蒋心诚, 等.城区河道生态修复治理工程: 以南京市金川河生态修复为例[J]. 湿地科学与管理,2019,15(4):4-6,66. DOI: 10.3969/j.issn.1673-3290.2019.04.01

    ZHOU Y, LI S Y, JIANG X C, et al. Ecological restoration and treatment project for urban river: a case study of Jinchuan River ecological restoration in Nanjing City[J]. Wetland Science & Management,2019,15(4):4-6,66. DOI: 10.3969/j.issn.1673-3290.2019.04.01

    [5] 宋立旺, 黄爱玲, 郝咪娜, 等.怀九河小型水体生态修复工程效果研究[J]. 水土保持研究,2016,23(4):368-371.

    SONG L W, HUANG A L, HAO M N, et al. Effects of ecological restoration project of small water body in the Huaijiu River[J]. Research of Soil and Water Conservation,2016,23(4):368-371.

    [6] 张晓红, 宋肖锋, 蔡国强, 等.生态修复综合技术在杭州虾龙圩河的应用[J]. 环境工程学报,2012,6(12):4535-4542.

    ZHANG X H, SONG X F, CAI G Q, et al. Application of comprehensive technique of ecological restoration in Xialongwei River, Hangzhou[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2012,6(12):4535-4542.

    [7] 袁鹏, 徐连奎, 可宝玲, 等.南京市月牙湖黑臭水体整治与生态修复[J]. 环境工程技术学报,2020,10(5):696-701. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20200111

    YUAN P, XU L K, KE B L, et al. Treatment and ecological restoration of black and odorous water body in Yueya Lake in Nanjing City[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2020,10(5):696-701. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20200111

    [8] 刘玉平, 万华伟, 彭羽, 等.生物多样性贡献人类福祉的研究进展[J]. 环境生态学,2021,3(5):43-48.

    LIU Y P, WAN H W, PENG Y, et al. Research progress on contribution of biodiversity to human well-being[J]. Environmental Ecology,2021,3(5):43-48.

    [9] 苏瑶, 许育新, 安文浩, 等.基于微生物生物完整性指数的城市河道生态系统健康评价[J]. 环境科学,2019,40(3):1270-1279.

    SU Y, XU Y X, AN W H, et al. Assessment of ecosystem health of an urban river based on the microbe index of biotic integrity (M-IBI)[J]. Environmental Science,2019,40(3):1270-1279.

    [10] 计叶, 吴雨蒙, 许秋瑾.水环境的生物监测方法及其应用[J]. 环境工程技术学报,2019,9(5):616-622. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.2019.04.150

    JI Y, WU Y M, XU Q J. Biological monitoring method of water environment and its application[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2019,9(5):616-622. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.2019.04.150

    [11] 齐建春, 韩朋, 齐春花, 等.北京市怀柔区琉璃河生态修复工程的成效[J]. 水土保持通报,2016,36(6):146-149.

    QI J C, HAN P, QI C H, et al. Effects of ecological restoration project of glass river in Huairou District of Beijing City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2016,36(6):146-149.

    [12] 解莹, 张海萍, 彭文启, 等.永定河上游河流健康评价[J]. 环境科学与技术,2021,44(S1):319-324.

    XIE Y, ZHANG H P, PENG W Q, et al. Evaluation of water ecological health in the upstream of Yongding River[J]. Environmental Science & Technology,2021,44(S1):319-324.

    [13] 董婧, 卢少奇, 伍娟丽, 等.基于微生物生物完整性指数的北京市城市河道生态系统健康评价[J]. 环境工程技术学报,2022,12(5):1411-1419. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210368

    DONG J, LU S Q, WU J L, et al. Evaluation of urban river ecosystem health in Beijing based on the microbial index of biotic integrity[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2022,12(5):1411-1419. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210368

    [14] 曹家乐, 张亚辉, 张瑾, 等.国内外水生态健康评价研究进展[J]. 环境工程技术学报,2022,12(5):1402-1410. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210425

    CAO J L, ZHANG Y H, ZHANG J, et al. Research progress of water ecological health assessment at home and abroad[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2022,12(5):1402-1410. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210425

    [15] 环境保护部. 地表水环境质量标准: GB 3838—2002[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2002.
    [16] 陈红, 刘清, 潘建雄, 等.灞河城市段浮游生物群落结构时空变化及其与环境因子的关系[J]. 生态学报,2019,39(1):173-184.

    CHEN H, LIU Q, PAN J X, et al. Spatial and temporal variation of the plankton community and its relationship with environmental factors in the city section of the Ba River[J]. Acta Ecologica Sinica,2019,39(1):173-184.

    [17] 渠晓东, 余杨, 张敏, 等.城市河流沉水植物与大型底栖动物群落的关系[J]. 环境科学,2018,39(2):783-791. DOI: 10.13227/j.hjkx.201708082

    QU X D, YU Y, ZHANG M, et al. Relationship between macrophyte communities and macroinvertebrate communities in an urban stream[J]. Environmental Science,2018,39(2):783-791. DOI: 10.13227/j.hjkx.201708082

    [18]

    CARACO N F, COLE J J. Contrasting impacts of anative and alien macrophyteon dissolved oxygenina large river[J]. Ecological Applications,2002,12(5):1496-1509. DOI: 10.1890/1051-0761(2002)012[1496:CIOANA]2.0.CO;2

    [19] 朱琳, 张远, 渠晓东, 等.北京清河水体及水生生物体内抗生素污染特征[J]. 环境科学研究,2014,27(2):139-146.

    ZHU L, ZHANG Y, QU X D, et al. Occurrence of antibiotics in aquatic plants and organisms from Qing River, Beijing[J]. Research of Environmental Science,2014,27(2):139-146.

    [20]

    WALKER P D, WIJNHOVEN S, vander VELDE G. Macrophyte presence and growth form influence macroinvertebrate community structure[J]. Aquatic Botany,2013,104:80-87. DOI: 10.1016/j.aquabot.2012.09.003

    [21]

    WARFE D M, BARMUTA L A. Habitat structural complexity mediates the foraging success of multiple predator- species[J]. Oecologia,2004,141(1):171-178. DOI: 10.1007/s00442-004-1644-x

    [22] 葛义武, 韩岳.城区内河水环境的生物治理: 以池州市清溪河为例[J]. 安徽建筑工业学院学报,2013,21(6):71-75.

    GE Y W, HAN Y. Bioremediation of river environment in urban areas: in case of Qingxi River in Chizhou[J]. Journal of Anhui Institute of Architecture & Industry,2013,21(6):71-75.

    [23] 文刚, 王硕, 曹瑞华, 等.湖库温跃层溶解氧最小值的形成原因、衍生的生态风险及控制研究进展[J]. 湖泊科学,2022,34(3):711-726. DOI: 10.18307/2022.0301

    WEN G, WANG S, CAO R H, et al. A review of the formation causes, ecological risks and water quality responses of metalimnetic oxygen minimum in lakes and reservoirs[J]. Journal of Lake Sciences,2022,34(3):711-726. DOI: 10.18307/2022.0301

    [24] 王春香, 李媛媛, 徐顺清.生物监测及其在环境监测中的应用[J]. 生态毒理学报,2010,5(5):628-638.

    WANG C X, LI Y Y, XU S Q. Biological monitoring and its application in environmental monitoring[J]. Asian Journal of Ecotoxicology,2010,5(5):628-638.

    [25]

    DEVREKER D, SOUISSI S, SEURONT L. Effects of chlorophyll concentration and temperature variation on the reproduction and survival of Temora longicornis (Copepoda, Calanoida) in the Eastern English Channel[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology,2005,318(2):145-162. DOI: 10.1016/j.jembe.2004.12.011

    [26]

    LENZ P H, HOWER A E, HARTLINE D K. Temperature compensation in the escape response of a marine copepod, Calanus finmarchicus (Crustacea)[J]. The Biological Bulletin,2005,209(1):75-85. DOI: 10.2307/3593143

    [27] 林海, 王源, 李冰.北京市妫水河浮游动物群落结构与水质评价[J]. 生态学报,2019,39(20):7583-7591.

    LIN H, WANG Y, LI B. Evaluation of zooplankton community structure and water quality of Guishui River, Beijing[J]. Acta Ecologica Sinica,2019,39(20):7583-7591.

    [28] 杨亮杰, 吕光汉, 竺俊全, 等.横山水库浮游动物群落结构特征及水质评价[J]. 水生生物学报,2014,38(4):720-728. DOI: 10.7541/2014.102

    YANG L J, LÜ G H, ZHU J Q, et al. Characteristics of zooplankton community in Hengshan Reservoir and water quality assessment[J]. Acta Hydrobiologica Sinica,2014,38(4):720-728. DOI: 10.7541/2014.102

    [29] 徐梅, 吴芳仪, 刘靓靓, 等.焦岗湖浮游甲壳动物群落结构的季节动态[J]. 生态学杂志,2016,35(5):1254-1262. DOI: 10.13292/j.1000-4890.201605.010

    XU M, WU F Y, LIU LL, et al. Seasonal variation of community structure of crustacean zooplanktons in Lake Jiaoganghu[J]. Chinese Journal of Ecology,2016,35(5):1254-1262. DOI: 10.13292/j.1000-4890.201605.010

    [30] 梁建, 路伟亭.涡河中下游浮游动物群落结构及水生态评价[J]. 水生态学杂志,2021,42(4):50-58.

    LIANG J, LU W T. Zooplankton community structure and aquatic ecological evaluation in the middle and lower Guohe River[J]. Journal of Hydroecology,2021,42(4):50-58.

    [31] 肖佰财, 孙陆宇, 冯德祥, 等. 温瑞塘河后生浮游动物群落结构及其与环境因子的关系[J]. 水生态学杂志, 2012, 33(4): 14-20.

    XIAO B C, SUN L Y, FENG D X, et al. Meta-zooplankton community structure and its relationship with environmental factors in Wenruitang River[J]. Journal of Hydroecology, 33(4): 14-20.

    [32] 刘超, 禹娜, 陈立侨, 等.上海市西南城郊河道春季的浮游生物组成及水质评价[J]. 复旦学报(自然科学版),2007,46(6):913-919.

    LIU C, YU N, CHEN L Q, et al. Zooplankton communities and bio-assessment of five rivers in the outskirts unit of southwest Shanghai[J]. Journal of Fudan University (Natural Science),2007,46(6):913-919.

    [33] 宋劼, 赵娜, 李志威, 等.基于底栖动物的城市内河水生态状况评价: 以圭塘河为例[J]. 中国农村水利水电,2017,11(11):51-57. DOI: 10.3969/j.issn.1007-2284.2017.11.011

    SONG J, ZHAO N, LI Z W, et al. Water Ecological evaluation of urbanizing river based on macroinvertebrates: a case of the Guitang River in Changsha City[J]. China Rural Water and Hydropower,2017,11(11):51-57. DOI: 10.3969/j.issn.1007-2284.2017.11.011

    [34]

    KARR J R. Assessment of biotic integrity using fish communities[J]. Fisheries,2011,6(6):21-27.

    [35] 高欣, 丁森, 张远, 等.鱼类生物群落对太子河流域土地利用、河岸带栖息地质量的响应[J]. 生态学报,2015,35(21):7198-7206.

    GAO X, DING S, ZHANG Y, et al. Exploring the relationship among land-use, riparian habitat quality, and biological integrity of a fish community[J]. Acta Ecologica Sinica,2015,35(21):7198-7206.

    [36] 张美竹, 秦趣, 周琳.城市河流生态系统健康评价研究: 以六盘水市水城河为例[J]. 节水灌溉,2014(2):52-54. DOI: 10.3969/j.issn.1007-4929.2014.04.013

    ZHANG M Z, QIN Q, ZHOU L. Assessment of urban river ecosystem health: a case study of Shuicheng River in Liupanshui City[J]. Water Saving Irrigation,2014(2):52-54. DOI: 10.3969/j.issn.1007-4929.2014.04.013

    [37] 杨蓉, 刘波, 王东霞, 等.基于不同方法的水生态健康评估: 以北京市典型水体为例[J]. 中国环境监测,2022,38(1):165-174.

    YANG R, LIU B, WANG D X, et al. Aquatic ecosystem health assessment based on different methods: a case study of typical surface water in Beijing[J]. Environmental Monitoring in China,2022,38(1):165-174.

    [38] 罗莎, 胡鸿兴, 成水平, 等.武汉市金银湖水鸟多样性及其与水环境关系的初步研究[J]. 长江流域资源与环境,2010,19(6):671-677.

    LUO S, HU H X, CHENG S P, et al. A primary study on species diversity of water birds and its relationship to water environment at lake Jinyinhu, Wuhan[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin,2010,19(6):671-677.

    [39] 冷玉波, 张华.基于鸟类生物多样的深圳河四期工程生态修复效果评价[J]. 水力发电,2019,45(5):7-11. DOI: 10.3969/j.issn.0559-9342.2019.05.003

    LENG Y B, ZHANG H. Assessment of ecological restoration effect of Shenzhen River phase Ⅳ project based on bird biodiversity[J]. Water Power,2019,45(5):7-11. DOI: 10.3969/j.issn.0559-9342.2019.05.003

    [40] 左其亭.国家多层水生态健康保障体系构建[J]. 水利学报,2021,52(11):1347-1354.

    ZUO Q T. National multi-level guarantee system for the water ecological health[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2021,52(11):1347-1354.

    [41] 陈奋飞, 马骏超, 李华斌, 等.持续污染条件下的小微水体生态治理研究: 以浙江大学华家池校区无名塘为例[J]. 江苏林业科技,2022,49(3):28-34. DOI: 10.3969/j.issn.1001-7380.2022.03.005

    CHEN F F, MA J C, LI H B, et al. Study on ecological remediation of micro-water body with constant pollution inflow: taking Wumingtang of Huajiachi Campus of Zhejiang University as an examlpe[J]. Journal of Jiangsu Forestry Science & Technology,2022,49(3):28-34. ⊕ DOI: 10.3969/j.issn.1001-7380.2022.03.005

  • 期刊类型引用(5)

    1. 郑荣伟,宋永芳. 课程思政与高校“水生态修复技术”课程教学融合探究. 成才之路. 2025(02): 13-16 . 百度学术
    2. 刘小芳,沈剑,殷雪梅,封吉猛,王欣泽. 污水处理厂再生水排放及回用的环境与生态影响研究进展. 环境工程技术学报. 2025(01): 249-258 . 本站查看
    3. 陈鸿芳,余波平,卢星星,陈何曦,谢林伸,黄毅,陈瑛. 芯片行业再生水灌溉矮牵牛的植物毒理效应及环境风险评价. 环境工程技术学报. 2024(03): 921-932 . 本站查看
    4. 李黛青,夏莎莎,张镇松,李洁,李红华. 再生水补给型城市河道水生态环境质量评价方法研究. 环境化学. 2024(12): 4112-4120 . 百度学术
    5. 陈楚江,廖佳卉,裘鸿菲,周海燕. 城市水系生态多尺度评估与调控方法. 长江技术经济. 2023(05): 53-63 . 百度学术

    其他类型引用(1)

图(7)  /  表(3)
计量
  • 文章访问数:  783
  • HTML全文浏览量:  331
  • PDF下载量:  134
  • 被引次数: 6
出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-26
  • 修回日期:  2023-02-05
  • 录用日期:  2023-03-26
  • 网络出版日期:  2023-05-15
  • 刊出日期:  2023-07-19

目录

/

返回文章
返回