SUDS水健康与底栖无脊椎动物的关系研究

严明渝，刘惠清，王灵芝，2

（1.东北师范大学城市与环境科学学院，吉林长春130024；2.吉林大学地球科学学院，吉林长春130061）

SUDS水健康与底栖无脊椎动物的关系研究

严明渝1，刘惠清1，王灵芝1，2

（1.东北师范大学城市与环境科学学院，吉林长春130024；2.吉林大学地球科学学院，吉林长春130061）

对苏格兰邓佛姆林郡4个城市可持续排水系统（sustainable urban drainage system，SUDS）的理化指标及底栖无脊椎动物群落结构的时空变化特征进行了分析.结果表明：底栖无脊椎动物的丰富度及敏感种比重为人工湿地＞3号滞留池＞2号滞留池＞1号滞留池，底栖无脊椎动物的丰富度与敏感种比重与环境要素显著相关，SUDS的深度、流域内透水斑块比重和污染物输入量对底栖动物群落结构及污染物的移除率有显著影响.随时间的延长，外来种逐渐替代了人工湿地的本地种.

底栖无脊椎动物；城市可持续排水系统（SUDS）；生物多样性

城市可持续排水系统（sustainable urban drainage systems，SUDS）是将城市不透入地表的雨水通过城市雨排管线汇入城市可持续排水系统，通过人工湿地或滞留池滞留城市污水、经沉降及生物吸收后使大部分污染物在到达受纳水体前能被有效移除［1－2］，降低了城市面源污染对受纳水体的潜在威胁，使其在环境、生态及社会美感方面保持可持续性.

SUDS主要应用于英国、美国和澳大利亚.国外众多学者已就SUDS池沉积物沉积速率、沉积物重金属含量、植物调查、水文特征、维护费用等问题进行了大量研究，表明SUDS能有效地减弱洪峰、改善水质，降低维护费用.然而，也有学者对SUDS的环境效益提出了质疑，部分SUDS中的元素含量有增加趋势且建设初期的SUDS对生物多样性有抑制作用.

我国的城市排水系统虽已推行雨污分流模式，但对城市不透入地表的降雨基本不做净化处理［3］.目前，我国松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度污染［4］.SUDS虽能改善水质，但造价十分昂贵.要维护我国城市的水环境健康，推广SUDS不失为一种举措，但必须以其可持续的有效论证作为依据.

20世纪90年代初期，欧美等国就开始采用底栖动物类群的耐污性和生物指数来评价水质［5］.与其他生物相比，底栖动物的生命周期长，在水域和湿地两种生境中完成生命过程［6］，可见证水域和湿地的质量及变化［7－8］；其分布范围广、活动性差、易采集［9］，是水质快速评价的理想指示生物［10］.

1993年，苏格兰邓佛姆林郡东部新城区建立了SUDS，它被视为控制英国城市面源污染的典范［11］.因此，本文以邓佛姆林郡的3个SUDS滞留池及1个SUDS人工湿地为研究对象，在2010年采集SUDS的底栖无脊椎动物，并结合已有的2007—2009年的野外数据，分析了其时空变化及其与水质、周围土地利用变化的关系，评价SUDS的生态可持续性及效率，以为我国SUDS的设计和建设提供立论依据.

1 研究区概况

研究区位于苏格兰邓佛姆琳郡（56°04′17″N，3°27′42″W）的东部新城区（见图1），该区属温带海洋性气候，夏季凉爽湿润、冬季较为温暖，年均温9℃～18℃，年均降水量870mm，夏季易发生洪涝.研究区总面积354hm2，区内居民区占地100hm2、休闲公园占地18hm2、地区公园占地59hm2、工业区占地100hm2、未开发绿地77hm2，拥有7个可有效降解污染物的SUDS.本文研究的4个SUDS目前正在使用，其他3个未被使用.

图1 研究区及4个SUDS的分布图

本文选取3个滞留池（1号池、2号池、3号池）和人工湿地作为SUDS的研究对象.SUDS的进污口汇集了来自SUDS所在流域内的城市径流和处理后的城市废水，通过生物过滤、沉淀和吸收（主要为芦苇）净化水质，净化周期约21d.各SUDS及周边的具体情况见表1.

表1 各SUDS的具体情况

2 研究方法

在1号池、2号池、3号池和人工湿地的主进水口和出水口各设置1个采样点（见图2），于2010年6月采集了3次水样和1次无脊椎动物样品.底栖无脊椎动物的采集采用3min抄网法，即将3min分为6个30s，做6次30s的平行重复采样.2007年至2009年的理化指标及无脊椎动物类群数据源自英国龙比亚大学6—7月的野外实习数据.

图2 采样点分布图

在每一采样点用手持式溶解氧测定仪测定溶解氧含量及水温，并在各样点水深30cm处采集水样.采集的水样经过滤后带回实验室冷藏，使用pH测量仪（Ross pH meter）和电导仪3次重复测定水样的pH值和电导率.使用自动分析仪（Seal AQ2）利用水化学测量标准法测定营养盐（铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐和活性磷酸盐）的质量浓度.大型无脊椎动物利用手捡法快速分离并储存于70%的酒精中，对分离后的大型无脊椎动物使用显微镜鉴定到科并记录每类的个体数量.

利用Excel软件进行数据处理及多样性指数（Margalef指数、Shannon－Wiener指数和Pielou指数）分析，相关分析采用SPSS15.0软件.

3 研究结果与分析

3.1 SUDS池大型底栖无脊椎动类群

4个SUDS共采集到底栖无脊椎动物34类，隶属5门8纲34科（见表2）.2号池的底栖无脊椎动物类群最少（进水口14科，出水口10科）；人工湿地的类群最多（进水口23科，出水口处25科）.

各样点的优势种群差异明显：1号池的优势种为耐污能力较强（BMWP分数较低）的寡毛纲、双翅目幽蚊科和甲壳纲栉水虱科.人工湿地的种群构成较复杂，优势种含敏感物种；3号池和2号池的优势种由半翅目划蝽科和甲壳目钩虾科等中度敏感物种构成，其敏感性高于1号池.每一SUDS池都有独特的底栖无脊椎动物类群，人工湿地拥有的独特物种类群最多，而1号池拥有的独特物种类群最少.

表2 SUDS底栖无脊椎动物采集物种统计

续表2

生物监测工作组（biological monitoring working party，BMWP）计分系统是通过将样品中每一科的敏感度（最敏感的种类如蜉蝣若虫赋10分，最耐污的种类赋1分，将不同科的底栖动物赋1～10的分数）相加获得，它以整合的方式反映水体的有机污染水平.分类单元平均得分（the average score per taxon，ASPT）由BMWP除以有机体出现的科数得出，它反映了此样点出现的所有科的敏感性.类群数反映了一个样点底栖无脊椎动物类群的多样性.

SUDS底栖无脊椎动物的类群数、BMWP和ASPT显著正相关（P＜0.01）（见表3），说明底栖无脊椎动物类群的敏感种比重与其多样性有显著的正相关关系.人工湿地的类群数、BMWP和ASPT都高于其他3个SUDS池，而1号池拥有较低的类群数、BMWP和ASPT；3号池的底栖无脊椎动物类群较2号池丰富（见图3）.人工湿地的Margalef丰富度指数和Shannon－Wiener指数都高于其他3个SUDS池，说明人工湿地的底栖无脊椎动物类群丰富（见图4）.但SUDS的均匀度相差不大.

图3 各SUDS底栖无脊椎动物数量特征 图4 各SUDS底栖无脊椎动物多样性特征

3.2 SUDS池底栖无脊椎动物与环境因子相关分析

SUDS中底栖无脊椎动物的ASPT与硝酸盐含量在0.05的水平上呈显著负相关，BMWP、ASPT及类群数与电导率在0.05的水平上呈显著负相关.亚硝酸盐与硝酸盐在0.01水平上呈显著负相关，活性磷酸盐与铵盐在0.05水平上呈显著负相关（见表3）.说明底栖无脊椎动物敏感类群所占比重与硝酸盐含量呈显著负相关；底栖无脊椎动物的类群数及敏感类群比重均与水体的离子浓度呈显著负相关.亚硝酸盐和活性磷酸盐在水体中的含量受多反应、多要素的综合影响，变幅大，因此与底栖无脊椎动物的类群未构成显著的直接联系，但可以通过转化或影响水体其他营养元素而对底栖无脊椎动物类群产生间接影响.

表3 SUDS中底栖无脊椎动物与环境因子的相关分析

1号池与2号池出水口的铵盐浓度明显高于其进水口浓度，而其出水口的BMWP值明显低于进水口；3号池和人工湿地的情况与1号池和2号池的情况刚好相反（见图5），说明SUDS池底栖动物类群受铵盐质量浓度影响显著，当铵盐质量浓度上升时，底栖无脊椎动物类群的敏感种比例下降，耐污种比例上升；当铵盐质量浓度超过600μg/L时，无脊椎动物群落发生显著变化，其敏感物种所占比重开始明显下降.

图5 各SUDS的理化指标及底栖动物数量特征值

以上结果说明，水体理化性质直接或间接影响底栖无脊椎动物类群的多样性和敏感种比重：随着硝酸盐和铵盐质量浓度升高及离子间交换作用的增强，底栖无脊椎动物的多样性和敏感种比重下降.亚硝酸盐作为水体氮循环的中间产物，对水体的硝酸盐和铵盐质量浓度有显著影响，进而对底栖无脊椎动物有间接影响.活性磷酸盐在水体中的富集会促进水中藻类对氮、碳等营养元素的吸收，促进藻类的大量繁殖，进而限制底栖无脊椎动物的多样性.

SUDS中底栖无脊椎动物的多样性和敏感种比重还与SUDS的深度及SUDS流域内透水斑块所占比重有关（见图6）.拥有较小深度及较大透水斑块比重的人工湿地和3号池，其底栖动物多样性及敏感种比重高于其他两池.Beauger等认为，对于深度大于50cm的河流或湖泊，随着深度的减小底栖无脊椎动物的多样性及敏感类群增多［12］，较浅的深度，增加了单位体积水与底质及水生植物的作用面积.透水斑块比重的增加，加大了流域内地表水与土壤的交互作用，增强了对营养元素的截留作用.

图6 各SUDS水深、透水斑块比重与底栖无脊椎动物类群结构的关系

3.3 SUDS池底栖无脊椎动物及理化性质的动态变化特征

分析2007—2010年SUDS的BMWP及ASPT表明，1号池环境质量基本无变化，2号池和3号池的环境质量有所改善，人工湿地的环境质量略有下降（见图7）.这可能由于近年来输入2号池的经初级处理过的尾水质量得到改善，降低了2号池污染物的输入，其环境质量得以改善.而人工湿地近年来受外来种Potamopyrgus antipodarum的影响导致环境质量下降，Potamopyrgus antipodarum为角崔螺科的一种，在人工湿地入水口和出水口的比重分别超过30%和50%，有逐渐取代人工湿地中原有物种的趋势，对人工湿地的生物多样性有负面影响.

图7 各样点营养元素含量、BMWP分值及ASPT分值的时间变化特征

底栖动物与亚硝酸盐和铵盐的年际变化同步.从进水口到出水口，1号池及2号池的铵盐与亚硝酸盐含量没有显著降低，两池的BMWP和ASPT得分也无显著升高；3号池和人工湿地，从进水口到出水口，铵盐和亚硝酸盐含量略有降低，因此BMWP和ASPT都有所升高.说明营养元素含量，尤其是铵盐和亚硝酸盐，对SUDS池的底栖动物类群构成有显著影响.

4 结论与讨论

正在使用的SUDS中，人工湿地拥有最丰富、敏感类群比重最高的底栖无脊椎动物类群，这与其流域内透水斑块比重最大及深度最小有关，透水斑块对营养元素有截留作用，较浅的深度保障了SUDS内的初级生产力，同时增加了水体与水生植物的交互作用，有利于污染物的移除.未来的SUDS建设应尽量保证其具有较小的深度，并在SUDS周边保留足够宽的植被缓冲带.

SUDS的理化因子对底栖无脊椎动物类群影响明显.底栖无脊椎动物类群与硝酸盐、电导率呈显著负相关，当铵盐质量浓度超过600μg/L时，铵盐与底栖无脊椎动物呈显著负相关，亚硝酸盐及活性磷酸盐通过转化或影响其他营养元素含量而间接影响底栖无脊椎动物类群.对SUDS的理化指标和生物指标做定期监测，控制SUDS池营养元素浓度，可确保受纳水体的生态安全.

SUDS的底栖无脊椎动物多样性还取决于其污染物的输入量及外来物种的影响.外来种通常是在SUDS建设时随河岸植物及大型浮水植物的入侵而来的，SUDS建设之初，要严格防范外来种的移入.

SUDS主要是用来处理不透水斑块雨水的一种可持续排水系统，因此，不要过分依赖SUDS处理各种生活、生产的初级及二次处理污水，以避免污染物过量输入对SUDS功能的破坏.在应用SUDS的基础上，控制流域内点源、面源污染，从而使SUDS发挥最大的潜力.

SUDS最适宜建造在我国湿润及半湿润地区，尤其是靠近河流上游或靠近重要水源地的城市.应将SUDS池和湿地建造在主要工业区、居民区及高速公路附近低地势处，以降低管线布设费用.

由于研究时间和研究经费的限制，本文仅分析了营养盐浓度、水深、透水斑块比重和外来种入侵对底栖无脊椎动物群落结构的影响，未对所有环境因子及SUDS池的内部细节构造加以分析，建议以后的研究注重探究极端天气（如暴雨）、枯水期、污染物输入流速、栖息地植物多样性以及SUDS内部构造对SUDS内底栖无脊椎动物群落结构的影响.

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Abstract：The temporal and spatial features of physio－chemical indies and the structure of benthic invertebrates of 4SUDS ponds within Dunfermline were analyzed，which provided suggestions for the SUDS design and construction of China.Results showed that diversity and the ratio of sensitive of benthic invertebrates were Wetland＞Pond 3＞Pond 2＞Pond 1.The structure of benthic invertebrates was significantly negative correlated with total organic nitrogen and conductivity.Moreover，benthic invertebrates were significantly correlated with environmental factors.The depth，nutrient input and pervious patch ratio of SUDS had great influences on the structure of benthic invertebrates.In wetland，exotic species would gradually replace native species.

Keywords：benthic invertebrates；SUDS；biodiversity；Dunfermline

（责任编辑：方 林）

Research on the relationship between benthic invertebrates and aquatic ecosystem health of SUDS

YAN Ming－yu1，LIU Hui－qing1，WANG Ling－zhi1，2
（1.College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.College of Earth and Science，Jilin University，Changchun 130061，China）

X820.2［学科代码］610·1035

A

2011－12－26

国家自然科学基金资助项目（40871005）.

严明渝（1988—），女，博士研究生，主要从事自然地理学研究；通讯作者：刘惠清（1949—），女，教授，博士研究生导师，主要从事景观生态学研究.

1000－1832（2012）02－0107－07