面向管理的城区河流生态修复监测

康丽娟

（上海市环境科学研究院，上海 200233）

0 引言

河流先于城市而在，伴于城市而生，塑造着城市生态景观，体现着城市的整体外在面貌。20世纪以来，城市化快速发展，全球60%的河流随着城市化进程而改变[1]，结构上由复杂到简单、由多元到单一，功能上调蓄能力下降、自净能力不足，水生态问题显著[2]。“十三五”期间，我国先后实施和修订了《水污染防治行动计划》和《水污染防治法》，河流建设从单一目标线性治理走向社会、经济、生态的多目标综合协同。上海市共计完成了3 520 km 中小河道综合整治，水生态环境质量得到持续改善，Ⅱ～Ⅲ类的河流断面占比由16.2%增至74.1%，劣Ⅴ类断面由34.0%降至基本消除[3-4]。在消黑除劣过程中，对生态严重退化河段开展生态修复项目，短期内不仅提升了河岸植被，而且改善了河道栖息地质量和人居环境，提高了居民的满意度、获得感和安全感，更进一步消除了河段水生生物胁迫因素，为水生态系统结构和功能的恢复创造了良好条件。上海市属于河网地区，河网增强了河道生态廊道的连通性，也提高了水生态系统管理的不确定性。目前上海市大规模水体生态修复项目进入运维管理阶段，河流生境更迭，水生态系统的支撑和胁迫因子随之发生变化，亟需开展河流水生态的适应性管理[5]。

城市是承载现代国家建设和治理的战略空间，城市河流管理是城市治理现代化实践的重要载体。在河流生态系统管理过程中，多样性指数、完整性指数等“综合生态系统评价”常作为指导性框架，但对生态严重退化，处于生态修复进程初期的河流生态系统不具备指导性[6]。在全球气候变化加剧的情景下，河流生态系统管理的核心在于认识和评价生态系统。本文以河流生态修复项目为例，对面向管理需求的河流生态监测指标进行探讨，以期识别水生态系统的动态变化和关键生态过程，降低水生态系统崩溃风险，为“十四五”期间生态修复管理决策提供依据。

1 河流生态修复工程概况

典型河流位于上海市中心城区。1983年以前，河流处于农村地区，之后区域快速城市化改变了河流自然形态，河流逐步丧失原有的功能，更多地承担着污染汇集、输送和转化渠道的作用；到1993年，由于受工业废水入河影响，河流严重污染[7]；至1999年，水体进入黑臭阶段[8]。期间对河流水体及周边区域实施了一系列水污染防治行动，但河流水环境质量并未发生根本性变化。2018年随着典型河流“一河一策”方案发布，围绕“水质提升、环境改善、景观美化”的治理目标，开展了市政泵站污染治理、排水系统雨污混接改造、河道疏浚、水体生态修复、生态补水、沿河拆违、桥下与沿岸景观提升等一系列工程与管理措施。在全流域水环境综合整治的大背景下，典型河流污染治理达到了预期的工程目标，河流水环境发生了转折性变化；2019年至今，水体基本消除劣Ⅴ类，达到功能区水质目标[9]。

在2018年～2020年的工程建设与维护期内，典型河流生态修复工程合计建设129 000 m2（包括软围隔、挂膜、曝气、沉水植物群落构建与生态浮岛），总体实现了预期的建设目标，为河流水生态系统的自我恢复创造了条件，从根本上改变了河流面貌，提升了河流功能。2020年，河流水体生态修复工程全面进入运维阶段，参照《上海市中小河道综合整治与长效管理导则》，《上海市河湖长效管理养护工作考核办法》，《上海市河道维修养护技术规程》及其它水利设施养护细则，河流养护以“河畅、水清、岸洁、景美”为总目标，在保洁、应急管理、设施与绿化养护、水质监测等方面制定了具体规定。目前在污染来源上，直接入河污染威胁基本消除；形态结构上，河流物理生境与区域发展达到动态平衡；水动力方面，受区域河网引排水影响，作为主要排水通道，河流在引排水期间水动力条件与平时差异大；景观上，增加了河面与岸带绿化面积，提高了河岸的观赏性与岸沿生物的多样性。

2 生态修复项目管理目标

河流生态系统管理是实现和改善生态系统健康，使其持续不断提供生态系统服务，提高人类福祉的过程[10]。典型河流在实施生态修复工程前长期处于黑臭状态，生态系统受损超越了受生物或者非生物因子控制的不可逆阈值，水生态系统恢复必然要经历由人工修复逐步到自然恢复的多阶段过程[11]。“消除干扰威胁-调节环境背景-优化物种结构-提升系统功能-促再野化进程”5 个阶段是生态系统性功能重建的一般轨迹，生态修复过程的阶段递进性意味着每个阶段的规划和行动步骤的实施都必须考虑资源的逐步积累。国际生态修复的经验表明，非生物环境的改变需要数年，而特征植物的存活则需要更长的时间。

1998年WAGNER 等[12]将生态系统管理定义为一种适应性系统方法，即通过持续的监测和循环的管理周期，对生态系统进行学习，不断地探索出最适宜的管理方案，取得最大的生态、经济、社会效益。《山水林田湖草生态保护修复工程指南（试行）》指出将适应性管理贯穿到生态保护与修复的各个环节中，通过学习、调整、再学习、再调整实现生态保护与修复的目标。进程的递进性是系统性的一个侧面，分阶段是实现管理目标的必经之路。典型河流目前处于生态修复的初级阶段，制约水质提升的物理干扰基本消除，水质年均值大幅改善，但年内主要水质指标离散度高。植物数量上，岸带及浮床绿化面积逐步上升，但面临着沉水植物难以成活、浮床植物沤根等棘手问题；植物配置质量上，本土物种没有得到有效保护，生物配置不符合生态学原理下的植物群落构建，为满足景观需求，部分生态浮床沦为“水上花坛”，导致这些“修复”性质的景观绿化无法发挥应有的生态服务价值，依赖高昂的人力成本维护；在大型底栖动物及鱼类等消费者构建方面，本土物种成活率低，福寿螺等恶性外来物种入侵严重[13]。“十三五”期间，依托技术集成，典型河流完成了污染治理向生态管理的转变，从根本上消除了水生态系统恢复的水质制约，并营造了良好的视觉景观，但应充分认识到河流仍处于非生物控制功能水平阶段，保持水质稳定和本土植物成活率仍是第一要务。“十四五”期间，项目管理目标不应仅仅限于“河畅、水清、岸洁、景美”，在绿化美化的过程中，应遵循生态学原理，通过人工强化的长效管理措施协助原生物种适应各种干扰，实现生境的可持续性。

3 生态修复项目监测指标

典型河流已开展了长期化学指标和物理指标监测以应对断面的水质考核、区域防洪排涝需求及指导下阶段治理技术的选择。溶解氧、氮、磷营养物等化学指标及护岸类型、水深、流量等物理指标便于测定和容易验证，在下一阶段的生态修复监测中仍具有重要指导意义，需持续跟踪监测。在生态指标方面，源于科研项目监测需求，对典型河流零散的开展了微生物、大型底栖动物等指标的监测，监测目标和指标杂乱，未能形成科学完善的监测体系，难以满足长效管理需求[14-15]。

监测是适应性管理过程中的关键环节，生态指标无论是在评估生态系统健康还是治理效果上均占重要地位。基于河流生态属性、功能属性、管理成效等，研究人员从水文水资源、物理结构、水质、水生物、社会服务等维度对河流生态修复评价指标进行了广泛探讨，评价结果多以生态功能健全程度、河流健康状况、预期目标完成情况等表示[16-19]。河流生态修复项目长效管理目标的实现依赖于大量监测数据和信息的支持，在不同的生态修复阶段，因制约因子不同，需监测的指标也不同。已有的生态指标体系对河流生态修复工程长效管理有一定的指导意义，由于涉及的指标体系种类众多，对典型河流生态修复工程的适应性管理缺乏实用性。

根据典型河流相关文献研究成果及运维人员与周边居民访谈资料进行梳理。在区域尺度上，典型河流为区域引排水的主要通道，是沿岸数个雨水排水系统的受纳河道，直接影响区域调、蓄洪能力，水文调节是其不可忽略的生态过程；在景观尺度上，典型河流位于中心城区，周边人口密度大，前期水质不佳、景观破碎化，景观重塑亦是其主要任务；在生态系统尺度上，生态演替是关键的生态过程，目前典型河流生态系统处于重建的初级阶段，初级生产力是生态系统状况的重要表征；在种群尺度上，原生物种的缺失为外来物种的入侵提供了便利。非生物特征、生物特征、生态过程及三者间的相互作用构成了生态系统服务形成的基础[20]。综合对典型河流非生物特征、生物特征及关键生态过程的识别，面对典型河流水质不稳定、沉水植物难以成活、浮床植物沤根，恶性外来入侵物种暴发等亟需解决的问题，保持水质稳定和本土植物成活率是下一阶段的主要任务，面向管理需求，在现有物理指标与化学指标监测的基础上，在生态监测方面建议开展初级生产力与有害入侵物种监测。

3.1 浮游植物初级生产力

浮游植物是食物网的重要组成部分，不仅是水域生态系统的初级生产者，还是滤食性鱼类等渔业生物的重要饵料来源，是水域生态系统的物质循环和能量流动中不可或缺的角色，是水域生态系统服务功能的关键支撑者[21]。浮游植物的生物量直接影响到生态系统生产力水平，其分布和时空演变过程深刻影响着水域生物资源潜力，同时具有生命周期短、对环境变化敏感等特点，是水生态系统水质保护、健康状态评价、渔业资源评估等领域中广泛应用的指标。

浮游植物初级生产力常用检测方法有黑白瓶法、生物量法、14C 法、叶绿素a 法等[22]，其中叶绿素a法估算的初级生产力结果稳定，也是目前常用的生态监测指标。叶绿素a 法采用标准的监测方法（HJ 897—2017），各监测机构均能开展该指标的监测，另外在典型河流中开展叶绿素a 的监测也有利于河湖间指标的统一。

3.2 大型水生植物种类和生物量

大型水生植物也是水域生态系统重要的初级生产者，在不同类型的水域，浮游植物与大型水生植物的重要性不同。在浅水区域，人工种植大型水生植物是水体富营养化生物治理措施之一，对大型水生植物种类和生物量的监测，在动态评估生态系统的结构和健康状况同时，还可对水体透明度、河流富营养程度、河流生境起到同步协同调控作用。在生态恢复工程中，大型水生植物不仅是水生态系统中生产力控制的关键节点，其光合作用还表现出巨大的固碳潜力[23]；不仅是维持水体生物多样性的重要因素之一，更是河流景观的重要载体，足够多的大型水生植物面积是满足居民视觉需求，改善人居环境的重要手段。

“十三五”期间，典型河流面临着沉水植物难以成活、浮床植物沤根等棘手问题，目前水域内大型水生植物基本依靠浮床盆栽保持生物量，参照《重点流域水生生物多样性保护方案》 等对水生生物多样性保护的要求，基于对本土物种的保护及景观绿化美化的需求，大型水生植物种类与生物量均应成为下一阶段监测的指标，用以指引治理措施的选择，保证本土植物成活率，为生态系统现有生物和有可能迁入的其它生物类群提供栖息环境，实现生态环境的可持续性。动态监测河流大型水生植物生物量还有利于平衡河流防洪排涝需求与景观需求。在监测方法上，HJ 710.12—2016 《生物多样性观测技术导则水生维管植物》 为河流大型水生植物调查提供了标准指南，便于该监测指标的推广。

3.3 有害入侵物种

入侵生物被认为是仅次于栖息地破坏导致生物多样性减少的第二大原因，入侵生物往往在生态系统中占据优势地位，进而改变生态系统的运行过程[24]。在国内外的生态修复实践中，外来物种入侵一直是工程维护和管理面临的重要挑战。在典型河流中，福寿螺的泛滥也是生态修复工程中引入的大型水生生物难以成活的主要原因之一。入侵物种渐进式生态影响及多途径扩散方式导致入侵生物早期识别、早期控制异常困难。因此建议针对典型河流现状，一方面持续加强对福寿螺等外来入侵物种的清除，另一方面，参照外来入侵生物名录，筛选区域主要成灾外来物种，基于日益成熟的环境DNA 技术[25]，开展外来入侵物种的早期防控，降低生态系统崩溃风险。

4 结果与讨论

河流是城市重要的生态资产，河流生态系统服务功能和价值与人类的福祉密切相关，是开展生态修复项目的核心和落脚点。河流生态属性的异质性是河流分类管控的重要依据，目前以河流断面水质目标为依据的水环境功能区划分是水环境分区管理的主要手段，随着水环境管理从水质目标管理向水生态健康管理拓展，以水生态功能和价值为中心的分类分级管理愈加迫切。有研究者以降水、地形、植被覆盖程度、土地利用类型等为主的“生态健康指数”，形成了区域层面的水生态功能分区管理架构，确定了水生态环境分类分级保护目标[26]。也有研究者以生物完整性理论为基础，在流域层面构建了水生态环境功能区质量评价方法[27]。

按照分区、分级、分类、分期的水生态环境功能管理要求，河流生态监测指标应能敏感清晰地反映生态系统基本特征及生态环境变化趋势。“十三五”期间，上海市消除34%的劣Ⅴ类河流断面，并开展了不同规模的水体生态修复工程，以上河流与2016年前断面水质即为Ⅱ～Ⅲ类河流（16.2%）的生系统基本特征差异巨大，管理重点亦不同，难以以统一的生态监测指标进行评价。从数据上看，目前以上的河流断面与典型河流相仿，水生态系统处于类似的发展阶段，虽然面临的主要生态环境问题可能有差异，但“协助原生物种适应各种干扰，实现生境的可持续性”的水生态系统管理目标是相同的。因此基于相同的管理目标，针对这类水生态系统发育仍处于初级阶段的河流，下一阶段在原有的物理和化学指标基础上，应对浮游植物初级生产力、大型水生植物种类和生物量及有害入侵物种开展定期监测，以巩固河流生态修复成效，启动水生态系统的自组织能力，促进水生态系统由人工修复逐步过渡到自然恢复阶段。

河长制将管理责任充分落实到单一主体上，为河流开展基于特定需求的生态监测提供了制度保障。“河长”们面临着完不成任务就要被“一票否决”的压力，从而倒逼制定“一河一测”，切实掌握河流水生态系统特征，对症下药[28]。巩固水环境治理成效，建设幸福河湖是《上海市水系统治理“十四五”规划》的主要任务，河流生态修复项目作为河流长效管理的措施在实现人居环境改善、人与自然和谐共处方面起到了积极作用。生态监测是河流生态修复项目适应性管理的关键环节，直接影响管理目标的实现和下一步管理决策的制定，针对典型河流生态修复项目，保证足够的初级生产力是水生态系健康演替的基础，杜绝有害入侵物种是防止生态系统崩溃的关键，为保障生态修复项目的成效，调控受控生态系统演替轨迹，需开展该指标的监测。

5 结论

城区河流退化生态系统的恢复是一个长期和复杂的过程，在全球气候变化加剧的背景下，生态修复项目的长周期反馈性要求对河流生态进行分类管控。在生态监测指标上，为满足河流水生态的分类管控需求，依据典型河流生态修复阶段递进性特征，对处于非生物控制功能水平阶段的河流生态系统，保持水质稳定和本土植物成活率是其首要任务。管理者在化学指标和物理指标监测的基础上，应开展叶绿素a、大型水生植物种类和生物量、有害入侵物种的定期监测，以应对管理过程中的不确定性，协助原生物种适应各种干扰，降低生态系统崩溃风险，实现生境的可持续性。