城市河流治理前后水生态影响因素研究

毛雪慧

(深圳市碧园环保技术有限公司，深圳市水务规划设计院有限公司，广东 深圳 518000)

1 引言

浮游植物、浮游动物、底栖动物等水生生物作为江河湖库等是水体生态系统的主要初期生产者，同时也是水生态系统中能量流动和物质循环的驱动因子[1]，在一定程度上可决定物质循环和能量流动的方式[2,3]。水生生物对水质变化敏感，环境因子变化对其生理活动及其群落结构和功能的影响很大，其群落结构特征可以较准确地反映水体的水质状况及其动态变化，是水环境质量的重要指示类群及其评价的重要指标[4～6]。浮游动物、浮游植物、底栖动物群落结构变化是环境因子综合作用的结果，研究其中的变化规律对于水生态修复领域具有实际意义。

我国在河流的生态整治中已经取得广泛的共识，从2005～2010年，一批科研工作者将生态治河理念输入水利届[7]，且随着生态治河的各种论文相继发表、专著《生态水利工程原理与技术》《生态水工学探索》[8]的出版，大大推动了生态治河的力度。重视水生植物的应用、呼吁恢复河流的蜿蜒性、保护河曲、重视生物多样性和生物栖息地、重视河流中各类生物的恢复和品种的增加，重视动植物的生物量监测等在水利单位初步落实。深圳市城市河流综合整治工程包括沿河建设截污管网、新建污水处理厂作为河道补水设施、设施生物飘带、纳米曝气等水质净化设施、种植水生植物营造河滩生境、设置砾石床为底栖生物提供栖息场所、改造生态护岸工程等措施。通过评价河流整治工程前后的效果与水生态因子之间的关联性，为继续推进生态脆弱河流和地区水生态修复，为下一步开展生态清洁型小流域建设提供数据支撑。

2 材料与方法

深圳河湾包括深圳河流域和深圳湾流域，其中深圳河流域主要支流有深圳河、深圳水库排洪河、布吉河、福田河；深圳湾流域主要支流包括新洲河和大沙河[9]。选取深圳湾的6条典型河流，每条河流选取一个典型断面。分别在2006年(整治前)和2012年(整治后)对其环境指标(溶解氧、总氮、叶绿素a、化学需氧量、磷酸盐、总磷、生化需氧量、电导率、亚硝氮、硝氮、温度)和生物指标(浮游植物优势种、浮游动物种类、底栖动物种类)进行采样分析。监测分析方法原则上选用国家和环境保护行业监测分析方法标准。

为了判断河流治理前后水环境和水生态因子的关系，应用除趋势对应分析(detrended correspondence analysis，DCA)，对生物指标数据进行样点分类。用典型对应分析方法(canonical correspondence analysis，CCA)研究生物的分布格局与环境因子间的相互关系。用冗余分析(redundancy analysis，RDA)研究生物的分布格局与环境因子间的相互关系。

3 结果与分析

3.1 河流治理对生态系统结构的影响

3.1.1 大沙河生态修复的水质-水生态影响

化学指标对比：如图1所示，大沙河经过综合治理后，溶解氧浓度升高；除TN浓度升高外，其他水质指标的浓度均明显下降(包括COD、叶绿素a、磷酸盐、TP、BOD)，说明大沙河水质与整治之前相比明显好转。

图1 大沙河整治前后各项水化指标

生物指标对比：图2显示了大沙河整治前后的各项生物指标，大沙河经过综合治理后，浮游植物种类数减少，浮游动物种类数减少，底栖动物种类数增加。说明水质好转后，水生态在修复之中，有所好转但尚不明显。

图2 大沙河整治前后各项生物指标

3.1.2 新洲河河生态修复的水质-水生态影响

化学指标对比：图3显示了新洲河整治前后的各项水化指标，经过综合治理后，溶解氧浓度升高；除叶绿素a浓度略微升高外，其他水质指标的浓度均明显下降(包括COD、TN、磷酸盐、TP、BOD)，说明水质与整治之前相比明显好转。2007年8月叶绿素a浓度略微低于2012年9月；参考淡水水库富营养化评价分级标准，2007年8月和2012年9月新洲河均属于中营养型，且透明度高，说明新洲河水体富营养氧化程度低，水质较好。2007年水体透明度(SD)为15 cm且水浅，2012年水体透明度为30 cm见底，水体的透明度与水体的叶绿素a浓度呈现一定的相关性，整治前后，河流水体水深都很浅，且透明度高，不利于浮游植物的生长，该结果与叶绿素a浓度的变化一致。

图3 新洲河整治前后各项水化指标

生物指标对比：图4显示了新洲河整治前后的各项生物指标，新洲河经过综合治理后，浮游植物、浮游动物、底栖动物种类总体上有所下降，但部分类别生物有所增加。说明水质好转后，水生态在修复之中，有所好转但尚不明显。

图4 新洲河整治前后各项生物指标

3.1.3 福田河河生态修复的水质-水生态影响

化学指标对比：图5显示了福田河整治前后的各项水化指标，经过综合治理后，溶解氧浓度升高；其他水质指标的浓度均明显下降(包括COD、TN、磷酸盐、TP、BOD)，说明水质与整治之前相比明显好转。下图显示了福田河整治前后的叶绿素a浓度。2007年8月叶绿素a浓度略微低于2012年9月；参考淡水水库富营养化评价分级标准，2007年8月和2012年9月新洲河均属于中营养型，且透明度高，说明新洲河水体富营养氧化程度低，水质较好。2007年水体透明度(SD)为15 cm且水浅，2012年水体透明度为30 cm见底，水体的透明度与水体的叶绿素a浓度呈现一定的相关性，整治前后，河流水体水深都很浅，且透明度高，不利于浮游植物的生长，该结果与叶绿素a浓度的变化一致。2012年8月叶绿素a浓度大大低于2007年8月；参考淡水水库富营养化评价分级标准，2007年8月福田河属于富营养型，而2012年9月福田河属于中营养型，说明经过综合整治之后，福田河水体水质状况明显好转。2007年水体透明度(SD)为45 cm，2012年水体透明度为30 cm见底，水体的透明度与水体的叶绿素a浓度呈现一定的相关性，整治后，水体透明度变好，该结果与叶绿素a浓度的变化一致。

图5 福田河整治前后各项水化指标

生物指标对比：图6显示了福田河整治前后的各项生物指标，经过综合治理后，浮游植物、浮游动物、底栖动物种类总体上有所下降，但部分类别生物有所增加。说明水质好转后，水生态在修复之中，有所好转但尚不明显。

图6 福田河整治前后各项生物指标

3.1.4 排洪河河生态修复的水质-水生态影响

化学指标对比：图7显示了排洪河整治前后的各项水化指标，经过综合治理后，溶解氧浓度升高；其他水质指标的浓度均明显下降(包括COD、TN、磷酸盐、TP、BOD)，说明水质与整治之前相比明显好转。2012年9月叶绿素a浓度大大低于2007年8月；参考淡水水库富营养化评价分级标准，2007年8月属于重富营养型，而2012年9月福田河属于富营养型，说明排洪河仍存在严重的富营养化问题，但水体水质较整治之前有较大改善。2007年水体透明度(SD)为40 cm，2012年水体透明度为35 cm见底，水体的透明度与水体的叶绿素a浓度呈现一定的相关性，整治后，水体透明度变好，该结果与叶绿素a浓度的变化一致。

图7 排洪河整治前后各项水化指标

生物指标对比：图8显示了排洪河整治前后的各项生物指标，经过综合治理后，浮游植物、浮游动物、底栖动物种类总体上有所下降，但部分类别生物有所增加。说明水质好转后，水生态在修复之中，有所好转但尚不明显。

图8 排洪河整治前后各项生物指标

3.1.5 布吉河河生态修复的水质-水生态影响

化学指标对比：图9为布吉河整治前后的各项水化指标，经过综合治理后，溶解氧浓度升高；其他水质指标的浓度均明显下降(包括COD、TN、磷酸盐、TP、BOD)，说明水质与整治之前相比明显好转。

图9 布吉河整治前后的各项水化指标

生物指标对比：图10显示了布吉河整治前后的各项生物指标，经过综合治理后，浮游植物、浮游动物、底栖动物种类总体上有所下降，但部分类别生物有所增加。说明水质好转后，水生态在修复之中，有所好转但尚不明显。

图10 布吉河整治前后各项生物指标

3.1.6 深圳河生态修复水质-水生态影响

化学指标对比：图11显示了深圳河整治前后的各项水化指标。如图所示，深圳河支流经过综合治理后，干流溶解氧浓度升高；所有水质指标的浓度均明显下降(包括COD、TN、磷酸盐、TP、BOD、叶绿素a)，说明水质与整治之前相比明显好转。

图11 深圳河整治前后各项水化指标

生物指标对比：图12显示了深圳河整治前后的各项生物指标，经过综合治理后，浮游植物、浮游动物、底栖动物种类总体上有所下降，但部分类别生物有所增加。说明水质好转后，水生态在修复之中，有所好转但尚不明显。

图12 深圳河整治前后各项生物指标

3.2 河流治理前后水环境和水生态因子的关系

3.2.1 浮游植物群落与环境因子的关系

在对6条河流浮游植物种类与环境因子的CCA分析中，选择优势度达到5%的种类列入物种矩阵中。首先对浮游植物种类的DCA排序，最长的排序轴长度(Lengths of gradient)为11.0，因此选择单峰模型对浮游植物群落与环境因子的直接梯度排序分析(CCA)。在所有排序轴轴1和轴2对物种的累积解释率为34%，对物种一环境关系的累积解释率为34%，解释量较低，但前4个轴对物种一环境关系的累积解释变量为61.5%，因此前4个排序轴才能很好的代表和解释浮游植物群落与环境变量之间的关系。在所有n个排序的环境因子中，各因子对物种的解释量在总解释量中的比例分别为：化学需氧量，94.9%；pH值，93.1%；氨氮，90.1%；温度，85.1%；硝氮，76.5%；生化需氧量，75.8%；电导率，58.8；%；总磷，56.7%；溶解氧，49.7%；亚硝氮，46.6%；磷酸盐，41.6%；总氮，27.7%(图14)。蒙地卡罗置换检验结果表明所有环境指标与浮游植物群落的变化有显著相关性(p<0.05)。

研究发现，化学需氧量是影响治理前河流浮游植物群落的最主要的环境因子；氨氮是影响治理后河流浮游植物群落的最主要的环境因子(图13、图14)。河流治理前，最常见的优势种为脆杆藻，它与磷酸盐有较强的正相关性；河流治理后，最常见的优势种为小环藻和菱形藻，小环藻与溶解氧有较强的正相关性，菱形藻与亚硝氮有较强的正相关性。

1：排洪河治理前；2：布吉河治理前；3：福田河治理前；4：深圳河治理前；5：新洲河治理前；6：大沙河治理前；7：排洪河治理后；8：布吉河治理后；9：福田河治理后；10：深圳河治理后；11：新洲河治理后；12：大沙河治理后

PO3：磷酸盐；TP:总磷；TN:总氮；NO3:硝氮；NO2:亚硝氮；NH3:氨氮；COD:化学需氧量；BOD:生化需氧量；PH:pH值；DO:溶解氧；cond：电导率；WT:温度；S1:裸藻；S2:脆杆藻;S3:泽丝藻;S4:假鱼腥藻;S5:浮鞘丝藻;S6:衣藻;S7:月牙藻;S8:斜生栅藻;S9:空星藻;S10:湖生卵囊藻;S11:十字藻;S12:绿球藻;S13:二尾栅藻;S14:颤藻;S15:单针藻;S16:微芒藻;S17:颗粒直链藻;S18:优美平裂藻;S19:四尾栅藻;S20:小环藻;S21:隐藻;S22:菱形藻;S23:浮球藻;S24:湖丝藻;S25:扁裸藻;S26:卵形藻

3.2.2 浮游动物群落与环境因子的关系

对6条河流浮游动物种类与环境因子的RDA分析, 选择优势度达到10%的种类列入物种矩阵中。首先对浮游植物种类的DCA排序，最长的排序轴长度(Lengths of gradient)为0，因此选择线性模型对浮游植物群落与环境因子的直接梯度排序分析(RDA)。前4个轴对物种一环境关系的累积解释变量为95.1%，因此前4个排序轴能很好的代表和解释浮游植物群落与环境变量之间的关系。在所有n个排序的环境因子中，各因子对物种的解释量在总解释量中的比例分别为：总氮，72.8%；电导率，64.9%；磷酸盐，53.0%；总磷，44.7%；氨氮，19.6%；溶解氧，19.2%；化学需氧量，19.1%；硝氮，18.5%；pH值，11.9%；温度，16.1%；生化需氧量，7.5%；亚硝氮，4.37%；(图15)。蒙地卡罗置换检验结果表明除亚硝氮外，其余所有环境指标与浮游植物群落的变化有显著相关性(p<0.05)。

物种和环境因子之间的相互关系显示，总氮、电导率、磷酸盐和总磷是影响深圳河流浮游动物群落的最主要的环境因子，且河流治理前后差异性不大；其中磷元素是影响11种浮游动物分布最主要的影响因子，具体物种为盖式晶囊轮虫、大肚须足轮虫、长足轮虫、腔轮虫、腹棘管轮虫、基合溞、微型裸腹蚤、秀体蚤、镰角秀体蚤、北培中剑水蚤、锯缘真剑水蚤(图15)。研究发现，河流治理前，最常见的优势种为微型裸腹蚤，它与磷酸盐有较强的正相关性；河流治理后，最常见的优势种为无节幼体，它与溶解氧有较强的正相关性。

PO3：磷酸盐；TP:总磷；TN:总氮；NO3:硝氮；NO2:亚硝氮；NH3:氨氮；COD:化学需氧量；BOD:生化需氧量；PH:pH值；DO:溶解氧；cond：电导率；WT:温度；D1:萼花臂尾轮虫;D2:热带龟甲轮虫;D3:盖式晶囊轮虫;D4:前节晶囊轮虫;D5:大肚须足轮虫;D6:长足轮虫;D7:腔轮虫;D8：腹棘管轮虫；D9: 广布多肢轮虫;D10: 基合溞;D11: 微型裸腹蚤;D12: 秀体蚤;D13: 镰角秀体蚤;D14: 北培中剑水蚤;D15: 温中剑水蚤;D16: 锯缘真剑水蚤;D17: 无节幼体

3.2.3 底栖动物群落与环境因子的关系

对6条河流底栖动物种类与环境因子的CCA分析。首先对浮游植物种类的DCA排序，最长的排序轴长度(Lengths of gradient)为4.2，因此选择单峰模型对浮游植物群落与环境因子的直接梯度排序分析(CCA)。前4个轴对物种一环境关系的累积解释变量为95.1%，因此前4个排序轴能很好的代表和解释浮游植物群落与环境变量之间的关系。在所有n个排序的环境因子中，各因子对物种的解释量在总解释量中的比例分别为：磷酸盐，67.7%；总磷，52.3%；总氮，51.2%；化学需氧量，42.1%；生化需氧量，24.1%；氨氮，23.9%；温度，19.1%；硝氮，11.4%；pH值，10.6%；电导率，9.03%；溶解氧，4.31%；亚硝氮，4.25%；(图3～16)。蒙地卡罗置换检验结果表明，除亚硝氮和溶解氧外，其余所有环境指标与浮游植物群落的变化有显著相关性(p<0.05)。

物种和环境因子之间的相互关系显示，磷酸盐、总磷总氮和化学需氧量是影响深圳河流浮游动物群落的最主要的环境因子。研究发现，河流治理前后，最常见的优势种为摇蚊属，它与生化需氧量有较强的正相关性(图16)。

PO3：磷酸盐；TP:总磷；TN:总氮；NO3:硝氮；NO2:亚硝氮；NH3:氨氮；COD:化学需氧量；BOD:生化需氧量；PH:pH值；DO:溶解氧；cond：电导率；WT:温度；P1:微红萝卜螺;P2:福寿螺;P3:梨形环棱螺;P4:大脐圆扁螺;P5:瘤拟黑螺;P6:铜锈环棱螺;P7:多棱角螺;P8:摇蚊属;P9:水丝蚓;P10:扁蛭

4 结论

(1)6条河流经过综合治理后，水体化学污染物浓度明显下降；浮游植物、浮游动物、底栖动物种类总体上有所下降，但部分类别生物有所增加。

(2)化学需氧量是影响治理前河流浮游植物群落的最主要的环境因子；氨氮是影响治理后河流浮游植物群落的最主要的环境因子。河流治理前，优势种脆杆藻与磷酸盐有较强的正相关性；河流治理后，优势种小环藻与溶解氧有较强的正相关性，优势种菱形藻与亚硝氮有较强的正相关性。

(3)总氮、电导率、磷酸盐和总磷是影响深圳河流浮游动物群落的最主要的环境因子，且河流治理前后差异性不大；其中磷元素是影响11种浮游动物分布最主要的影响因子。河流治理前，优势种微型裸腹蚤与磷酸盐有较强的正相关性；河流治理后，优势种无节幼体溶解氧有较强的正相关性。

(4)磷酸盐、总磷总氮和化学需氧量是影响深圳河流浮游动物群落的最主要的环境因子。河流治理前后，优势种摇蚊属与生化需氧量有较强的正相关性。