北京城市副中心新建景觀水體的水生態環境變化規律

張 蕾，郭 碩，晁春國，楊子超，樓春華，王培京

1. 北京市水科學技術研究院，北京 100048

2. 北京市水科學技術研究院，流域水環境與生態技術北京市重點實驗室，北京 100048

3. 北京市水文總站，北京 100089

4. 北京市密云水庫管理處，北京 101500

5. 北京市北運河管理處，北京 101100

水生態系統在提供自然生態環境和支撐社會發展中起到重要作用[1]，隨著人類生活水平的不斷提高，以美化環境、提升生態環境質量、服務大眾為首要功能的城市水生態系統已逐漸成為城市生態化進程中的重要因素[2]. 以河流湖泊為主的城市景觀水體，受人類活動的干擾較大，隨著水體中營養物質的不斷輸入，水體的富營養化風險隨之增強[3]. 研究[4]表明水體富營養化已成為城市景觀水體的主要問題.

目前對于景觀水體主要側重于水生態健康管理與生態修復技術的研究. 城市景觀水體管理在水量、水質基礎上，水體水生態系統健康管理已成為主要內容. 國內外現有的水生態健康評價方法包括指示生物法、綜合指標體系法[5-6]和數學模型法[7-11]等，而河流生境、水環境因子和水生生物是水生態系統的重要組成部分[12-14]，直接影響水生態系統的健康狀態[14-16].因此，綜合河湖形態、水文、水質、水生生物等指標的綜合評價方法更能反映水生態系統的整體情況[17-20].2020年北京市發布了DB 11/T 1722-2020《水生態健康評價技術規范》，從生境指標、理化指標和生物指標三方面對河湖水生態健康水平進行綜合評價. 在調查評價的基礎上，開展水體的生態修復是提升城市生態景觀的重要內容，其中利用水生植物的生態修復技術是“用生態辦法解決生態問題”的有效手段[2]. 在水生植物生物修復技術的研究中，多為植物修復機理過程的研究和模型模擬分析[2,21-22]，而對于水生態系統的變化過程，缺乏相應的綜合數據分析. 尤其對于新建景觀水體，由于初期水生態系統不完善，自我凈化能力較低，河流水文、水質等變化對水生態環境影響巨大，水環境變化過程復雜. 掌握新建景觀水體水生態環境變化規律，對于河道生態保護和生態修復技術的提出至關重要[23-24].

根據2015年《京津冀協同發展規劃綱要》，通州區正式成為北京城市副中心，鏡河水生態環境保障對于副中心生態文明建設具有重要的政治意義. 通過對鏡河水生態環境開展跟蹤監測分析，揭示了水生態系統中各組成要素的時空演替規律和水生態系統變化過程，以期為河流生態環境的進一步提升提供技術措施和科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

鏡河地處北京城市副中心，河道已建成長度為2.4 km，設計常水位為18 m，平均水深約2.0 m，水域面積約16×104m2，蓄水量25×104m3. 鏡河2018年底建成通水時，河道內未布置水生植物，水生態系統不完整，水生態健康水平較低. 自2018年至2020年共開展16次監測，時間分別為2018年10月、11月，2019年2月、3月、5月、7月、8月、10月和2020年4-11月，河道自北向南設置5個采樣點(見圖1).

1.2 樣品采集與處理

1.2.1水質樣品采取

定量樣品采集用采水器采表層水2.5 L. 按照HJ/T 91-2002《地表水和污水監測技術規范》要求開展水質監測，現場測定水溫、pH、溶解氧、透明度指標，實驗室檢測葉綠素a、懸浮物、生化需氧量、高錳酸鹽指數、總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽氮、全鹽量指標.

1.2.2浮游植物定量樣品

用采水器采表層水1 L，立即加入占水樣量1%～1.5% (體積比)的魯哥氏液固定. 將水樣帶回實驗室，倒入沉淀瓶內，靜置24～36 h. 用虹吸管緩慢吸去上層清液，保留瓶底部的沉淀濃縮液50 mL左右，倒入濃縮樣品瓶，用少量蒸餾水沖洗沉淀瓶的內壁和底部2～3次，沖洗液均倒入濃縮樣品瓶中，將濃縮樣品瓶繼續靜置沉淀24 h以上，最后虹吸、定容至30 mL.樣品處理后，在光學顯微鏡下采用計數框進行觀察分析.

1.2.3浮游動物定量樣品

用采水器采表層水10 L，用13號浮游生物網過濾濃縮后注入樣品瓶中，加入約占水樣量5% (體積比)的甲醛固定. 樣品處理后，在光學顯微鏡下采用計數框進行觀察分析.

1.2.4底棲動物定量樣品

用改良式彼得森采泥器采集底泥，將底泥倒入盆內，經0.3 mm金屬篩過濾，去除泥沙和雜物，將篩網上肉眼可見的底棲動物使用鐘表鑷子挑揀，立即放入盛有75%乙醇溶液的濃縮樣品瓶內固定.

1.2.5水生植物監測

采用面積為0.25 m2的帶網鐵鋏開展樣方調查，將采集的植物洗凈，裝入標本袋內帶回實驗室. 去除根、枯枝、敗葉和其他雜質，去除植物體多余的水分，鑒定種類，分別稱重后取樣品在65 ℃鼓風干燥箱內烘干，直至恒質量. 每個采樣斷面設置6個監測點.

1.2.6魚類監測

采用地籠捕撈后放回的方法開展魚類調查，將地籠網置于水中過夜，約14 h，漁獲物按種類進行分類并拍照留存后放回.

1.3 分析與評價方法

按照GB 3838-2002《地表水環境質量標準》開展水質評價. 按照DB 11/T 1722-2020《水生態健康評價技術規范》要求，選取5項生境指標、11項理化指標和5項生物指標，依據指標權重對監測結果進行賦分，得到水生態健康綜合指數，評價水生態健康等級.

2 結果與討論

2.1 水質變化

鏡河水溫變化主要受時間影響，不受人為干擾.pH變化范圍為7.96～9.27，隨時間有增高趨勢. 葉綠素a濃度逐年升高，2020年10月葉綠素a濃度(0.098 mg/L)約為通水初期同期(0.020 mg/L)的5倍，透明度由高于100 cm降至約40 cm (見圖2). 總氮和氨氮濃度變化隨時間波動，總磷濃度逐年升高，最高值(0.34 mg/L)比通水初期(0.11 mg/L)增長約2倍(見圖3). 全鹽量升高1.5倍，溶解氧濃度、生化需氧量和高錳酸鹽指數在2020年4月達到最高值(見圖4).

圖 2 水溫、pH、葉綠素a濃度、透明度指標變化Fig.2 Changes of water temperature, pH, concentration of chlorophyll a and transparency

2.2 浮游植物密度與組成變化

浮游植物種類最高為46種(2020年4月)，最低為9種(2019年2月)，其中4-7月種類數量升高，8月后下降(見圖5). 浮游植物中綠藻門和硅藻門種類數高于其他門類.

2018年(秋冬季)、2019年、2020年浮游植物密度平均值分別為319×104、885×104和1 135×104個/L，總體看來浮游植物密度有所升高，以硅藻門為主要優勢門類(見圖6). 其中5月浮游植物密度最高，超過3 000×104個/L；7-10月藍藻門逐漸占據優勢，藻密度降至650×104個/L；隨著11月水溫降低，硅藻門種類呈增加趨勢.

2.3 浮游動物密度與組成變化

2018年(秋冬季)、2019年、2020年浮游動物種類平均值分別為11、16和26種，種類數量逐年增高，其中最高為36種(2020年8月)，最低為4種(2019年2月). 浮游動物中輪蟲和原生動物種類數高于其他門類(見圖7).

圖 3 總氮、氨氮、總磷濃度變化Fig.3 Changes of concentration of total nitrogen,ammonia nitrogen, and total phosphorus

2018年(秋冬季)、2019年、2020年浮游動物密度平均值分別為529、1 134和7 852 ind./L，呈顯著增長趨勢，2020年約為2018年(秋冬季)的14倍(見圖8)，其中最高值為16 488 ind./L(2020年5月)，最低值為17 ind./L(2019年10月). 以輪蟲和原生動物為主要優勢門類，二者平均密度分別占總密度的34.17%和57.81%；枝角類和橈足類密度保持較低水平，除個別月份外，基本不足總密度的1%.

2.4 底棲動物密度與組成變化

底棲動物優勢種為雙翅目搖蚊亞科. 2018年(冬季)、2019年、2020年底棲動物Shannon-Wiener指數平均值分別為0.26、0.49、0.64，總體來看Shannon-Wiener指數升高(見圖9). 從季節變化來看，春季優勢種為多足搖蚊屬，其他季節主要為搖蚊屬和水絲蚓屬. 夏秋季Shannon-Wiener指數較高，春季降低.

2.5 水生植物密度與組成變化

共調查得到水生植物13種，其中，沉水植物7種，分別為苦草、輪葉黑藻、狐尾藻、金魚藻、竹葉眼子菜、菹草和大茨藻；挺水植物5種，分別為荷花、黃菖蒲、蘆葦、香蒲和再力花；浮葉植物1種，為睡蓮.

挺水植物和浮葉植物季節性較強，主要生長期為6-9月. 沉水植物優勢種呈現隨季節演替的現象，4-6月以菹草為主要優勢種，夏季沉水植物種類有所增加，7-9月以大茨藻為主、苦草和狐尾藻為輔，隨著氣溫降低，冬季以大茨藻和苦草為主要優勢種(見圖10).

2018年、2019年、2020年沉水植物生物量平均值分別為0、24.40和53.70 g/m2(以干質量計)，沉水植物覆蓋度由0提升至40% (見圖11).

2.6 魚類種類變化

鏡河自2019年5月出現魚類，為單一種-鯽；

9月調查得到魚類7種，為鯽、泥鰍、黃黝魚、子陵吻蝦虎魚、麥穗魚、紅鰭原鲌和?. 2020年共調查得到魚類14種，魚類按攝食食性可分為植食性、動物食性、碎屑食性和雜食性. 以雜食性魚類為主，共8種，分別為?、麥穗魚、波氏吻蝦虎魚、鯽、黃黝魚、泥鰍、大鱗副泥鰍和鯉；植食性魚類主要為草魚；動物性魚類3種，分別為子陵吻蝦虎魚、紅鰭原鲌、烏鱧；碎屑食性魚類2種，為高體鳑鲏和彩石鳑鲏. 漁獲物優勢種主要為麥穗魚、鯽，均屬鯉形目，為對水域生態環境適應性較寬泛的魚類.

2.7 水生態系統健康水平變化

2.7.1指標監測結果

圖 4 全鹽量、溶解氧濃度、生化需氧量、高錳酸鹽指數變化Fig.4 Changes of total salt content, dissolved oxygen, biochemical oxygen demand and permanganate index

圖 5 浮游植物種類變化Fig.5 Change of phytoplankton species

圖 7 浮游動物種類變化Fig.7 Change of zooplankton species

圖 8 浮游動物密度變化Fig.8 Change of zooplankton density

圖 9 底棲動物Shannon-Wiener指數變化Fig.9 Change of Shannon-Wiener index of zoobenthos biodiversity

圖 10 沉水植物生物量變化Fig.10 Change of submerged plant biomass

圖 11 沉水植物生物量變化Fig.11 Change of Submerged plant biomass

根據監測結果(見表1)，從2018年到2020年，生境指標中湖濱帶植被覆蓋度由30%提升至95%；理化指標中，總磷濃度升高2倍，生化需氧量升高26.84%，高錳酸鹽指數升高近2倍，全鹽量升高49.18%，葉綠素a濃度升高3.5倍，與此同時透明度下降63.79%，而氨氮濃度降低40%；生物指標中魚類種類由0種提升至14種，大型水生植物覆蓋度由6%增至40%，浮游植物密度由319×104個/L增至1 135×104個/L，浮游動物密度由529 ind./L增至7 852 ind./L，底棲動物多樣性指數由0.26升至0.64.

2.7.2水生態系統健康水平評價結果

根據指標監測結果及權重進行賦分(見表2)，結果表明，生境指標得分由于湖濱帶植被覆蓋度提升而增加3.00分；理化指標得分由于高錳酸鹽指數和葉綠素a濃度升高、透明度下降而降低2.75分；生物指標得分由于魚類種類和大型水生植物覆蓋度提升、底棲動物多樣性指數升高而增加，由于浮游植物和浮游動物密度升高而降低，最終增加13分. 總體看來，經過兩年的水生態系統演變，鏡河水生態健康綜合指數由59.50提升至72.75，健康水平由不健康演變為亞健康.

2.8 鏡河水生態系統演變

鏡河補水水源為再生水廠高品質再生水和土壤滲濾凈化水，但通水初期至2021年初，補水水量有所降低，且再生水補給占比逐漸降低. 根據監測結果，再生水廠出水水質基本達到GB 3838-2002 Ⅳ類標準，而土壤滲濾凈化水中氨氮和總磷超過Ⅳ類標準. 河道下游補給交換頻次低，水體流動性較弱. 水源水質中氮磷營養鹽輸入的增加，結合水動力條件欠佳，共同驅動河流水質下降[25-26].

浮游植物、浮游動物、底棲動物和魚類等均為水體中重要的水生生物，在水生態系統中占有重要的營養級和生態位[27-30]. 有研究[14]表明，水生生物的種類和豐度變化能較好地反映水體水環境質量. 浮游植物和水生植物是水體中重要的初級生產者，研究表明，浮游植物能夠對水環境變化，尤其是營養物含量做出快速反應[31]. 鏡河在河道設計中缺乏沉水植物，在通水后浮游植物迅速占領初級生產者主要生態位，浮游植物密度增加4倍，浮游動物密度增加14倍，水環境壓力隨之增加，而迅速進入藻型濁水態[32-34]. 作為相對封閉的新生河道，鏡河交換水量少、基本呈現緩流狀態，且水生態結構不完整、水生態系統穩定性較低.水生植物在穩定基質、吸附懸浮物、抑制藻類生長方面具有重要作用，構建水生植物群落是河湖生態修復的重要技術[35]. 自2019年起，基于草型緩流水體的“水下森林”構建技術，優選苦草、輪葉黑藻和竹葉眼子菜為優勢種群，在河道內開展沉水植物種植，以推動水體向草型清水態轉換，目前已發展至藻-草共存態[36-38]. 經過人工修復與自然恢復共同作用，研究區域沉水植物種類增至7種，覆蓋度超過40%，但由于營養鹽的不斷輸入和累積，水體富營養化水平逐漸加深，進而引起水體透明度降低，導致底層光照急劇減小，而限制水生植物生長，這種負反饋機制制約著水生態系統向好發展[39-42].

表 1 水生態系統指標監測Table 1 Results of water ecosystem monitoring

隨著鏡河水生態系統演變，底棲動物多樣性指數升高，表明水生態系統健康水平提升. 但底棲動物優勢種主要為耐污能力較強的搖蚊亞科，這與北運河流域其他河流調查結果[43]一致，研究認為人類活動對底棲動物種類和多樣性存在直接和間接影響[8,43]. 魚類種類增至14種，包含草食性、雜食性、肉食性、碎屑食性魚類，營養級完整. 其中最先出現魚類為雜食性鯽，其他魚類也均為對環境適應能力較寬泛、對水環境變化敏感性較低的種類[44].

鏡河通水后至今，水生態健康綜合指數由59.50(不健康水平)增至72.75 (亞健康水平)，水生態健康水平顯著提升. 水生態健康綜合指數的升高主要由湖濱帶植被覆蓋度、魚類種類、大型水生植物覆蓋度、底棲動物生物多樣性的增加引起. “水下森林”構建技術的實施及挺水植物護岸帶的打造，作為生態修復的重要手段，不僅提升了湖濱帶植物和水生植物的覆蓋度，更為魚類和底棲動物提供了棲息地，豐富了水生態系統群落結構[21,45-47]. 但水體營養鹽濃度和浮游植物密度偏高，以及水生植物覆蓋度較低仍是制約水生態環境繼續提升的關鍵因素. 研究表明，通過改善河道水文、水動力條件[48-50]均能加速水體向草型清水穩態轉換的速度. 因此在河道設計中，應充分考慮沉水植物對水生態系統的重要作用，并在河道現有條件下降低水位，為沉水植物生長提供必要條件，同時應進一步提升水動力條件，以降低浮游植物的競爭優勢.

表 2 水生態系統健康水平評價Table 2 Results of water ecosystem health evaluation

以鏡河為代表的北方城市河流在生態管理中應優先調控水資源連通，保障水資源量配置，增強水動力調控，滿足生態需水要求，以改善水環境質量[51-53]. 其次注重水生態治理的長效穩定，在河道設計、建設、運行過程中，加強生態護岸、水生植物等要素管理，保證生態系統狀態提升[21,54-56].

3 結論

a) 鏡河水體受補水水源和水量的變化及河道水生態系統自身演替規律共同影響，河道下游水動力欠佳區域水質指標升高，應采取措施改善下游水動力條件.

b) 浮游植物占領初級生產者主要生態位，造成水體透明度下降而影響水生植物生長，浮游植物已成為制約水生態系統向好的主要因素，應繼續采取生態修復措施，結合水位調節，增強水生植物的競爭作用.

c) 經過兩年的演替，鏡河水生態系統日趨完善，群落結構完善，水生態健康水平顯著提升.