低水位運行形成的邊灘濕地對南沙河水質及水生態的影響

于文澤，王國強，曲 丹 ，朱爭明，國全偉

（1.北京市水體污染源控制技術重點實驗室，北京 100083；2.北京林業大學環境科學與工程學院，北京 100083；3.昌平區水務局，北京 102200；4.北京昌水建筑有限公司，北京 102200）

1 引言

（1）北京市南沙河起源于海淀區蘇家坨鎮西山農場，向東流經蘇家坨、上莊后進入昌平區，最后匯入沙河水庫，其主河道長22.21 km，流域面積約為200 km2。該河流同時兼具海淀北部新區和昌平區的景觀、排水和防洪的重要功能[1]。南沙河是一條典型的排水型河道，承接著沿岸多個排水口和排水渠。通常情況下，會有大量的生活、生產、雨污合流水等排入南沙河，根據2015年的統計數據顯示，年污水入河量為2 964.32萬m3，從而導致南沙河的水環境質量不佳。在2017年以前其水質為劣Ⅴ類，未達到該河流相應的Ⅳ類功能水體水質標準[2-3]。

（2）隨著沿河排口截污工程的陸續開展，南沙河的入河污染負荷大幅削減。在2018年6月，南沙河下游沙河水庫實施低水位運行，庫區水位由35.7 m降至34.1 m[4]，所以，在南沙河（G6-入沙河水庫口）段形成了大面積的邊灘濕地，其面積約為6.5 公頃。通常，河道淺灘濕地是由陸生生態系統向水生生態系統的過渡地帶，是重要的環境資源，也具有重要的生態功能[5]。邊灘濕地可以通過自身的自然生態過程和物質循環作用，將水體中的污染物質（如氮、磷等富營養化物質）予以吸收、轉化、再分配，從而使水體得以凈化[6]。因此，國內外學者普遍認為，作為河道濕地核心的淺灘帶在水質凈化方面有著無法替代的作用[7]。

（3）本研究對2017～2020南沙河水質及浮游生物進行了持續性調查和監測，并系統對比了邊灘濕地的形成前后，南沙河（G6-入庫口）的河段水質、水生態改善情況以及富營養化程度變化情況，同時，進一步闡明了邊灘濕地的形成對水質改善及水生態提升的影響，期望能為南沙河后續的生態修復和健康評價提供一定支撐。

2 材料與方法

2.1 研究區域概況及樣點設置

在南沙河（G6-沙河水庫入庫口）共設置7個采樣點，分別為：南沙河G6斷面（S-1），南沙河北岸邊灘濕地入口及出口（SN1、SN2），南沙河南岸邊灘濕地進口及出口（S-2、S-3），南沙河入庫口（S-4、S-5），其采樣點具體分布情況如圖1所示。

圖1 南沙河采樣點分布

2.2 樣品采集及分析

2.2.1 水樣采集

利用有機玻璃采水器取樣2.5 L，采樣位置位于水面下0.5 m，其水樣保存在貼有標簽的聚乙烯瓶中，送回實驗室立即檢測相關指標，其具體監測指標及方法詳見表1。

表1 水質指標測定方法

2.2.2 浮游植物

用1 L的采水器采集上、中、下各層水樣等量混合，取混合水樣1 L，立即加入10～15 mL盧戈氏液固定。水樣經兩次24 h沉淀后濃縮定容至30～50 mL，再使用光學顯微鏡在0.1 mL計數室中對濃縮樣品進行計數，每個樣品計數兩片。如果兩片計數結果相差超過15%，則需再次計數，最后取其中細胞數相近兩次計數的平均值[8]。

2.2.3 浮游動物

浮游動物中枝角類和撓足類定量樣品的采集方法同浮游植物。

輪蟲類和原生動物類定量樣品是采集表層水和水面0.5 m處的水樣各5 L，混合后通過25號浮游生物網（網孔0.064 mm）過濾、濃縮至30～50 mL保存，用浮游生物計數框（1 ml體積）進行計數，每次取樣之前要將樣品充分搖勻，每樣品計數兩片，全片計數。如果兩片計數結果相差超過15%，則需再次計數，最后取其中細胞數相近兩次計數的平均值[9]。

2.3 數據處理方法

浮游生物的多樣性指數及優勢度：基于浮游植物和浮游動物的采樣分析結果，分別采用 Shannon-Wiener多樣性指數（H’）、Pieluo均勻度指數（J）來反映邊灘濕地形成前后南沙河河道浮游生物多樣性的變化。采用優勢度指數（Y）描述對比分析邊灘濕地形成前后南沙河浮游生物群落優勢種的變化，各指數的計算方法見式（1）～（4）。

①Shannon-Wiener多樣性指數：

②Pieluo均勻度指數：

③優勢度指數：

式中，ni為第i種的個體數；N為所有種類總個體數；Pi為第i種的個體數與所有種類總個體數比值；S為樣品總種類數；fi為第i中藻類在各點位出現的頻率；Y為優勢度，當Y≥0.02時為優勢種。Shannon-Wiener多樣性指數（H’）、Pieluo均勻度指數（J）評價標準詳表2[10]。

表2 基于浮游生物多樣性指數的水質評價標準

3 結果與討論

3.1 邊灘濕地形成前后主要污染物的沿程衰減對比

在2017～2020年，南沙河（G6-沙河水庫）段主要污染物的削減對比如圖2所示。監測數據表明，2017年各污染物入庫口濃度均高于G6斷面，這與南沙河沿岸合流制溢流污染密切相關[11]。隨著昌平區截污和排口整治工程的開展，溢流污染得到了一定程度的控制。在2018年5月，沙河水庫開始實施低水位運行，南沙河（G6-沙河水庫）段形成大面積邊灘濕地，河道的自凈能力逐年提高，至2020年，CODcr、NH4+-N、TP、TN等主要污染指標的沿程削減率分別提升至32.14%、35.06%、34.78%和33.78%。

圖2 2017～2020年南沙河（G6高速-沙河水庫）主要污染物沿程削減

3.2 邊灘濕地形成前后浮游生物的多樣性變化

（1）邊灘濕地形成前后南沙河（G6高速-沙河水庫）段浮游生物的多樣性變化如圖3所示。在低水位運行前（2017～2018年），南沙河的浮游植物Shannon-Wiener指數為1.95±0.24，Pieluo均勻度指數為0.49±0.06，此時該河段的水質為β-中污型[12-14]。而在邊灘濕地形成后，該河段Shannon-Wiener指數和Pielou均勻度指數分別上升至2.28±0.14和0.72±0.07，這表明水質污染類型由β-中污型向寡污型過渡。且浮游動物多樣性的指數變化規律與浮游植物一致，低水位運行后多樣性及均勻度逐漸升高，Shannon-Wiener指數由1.8±0.24上升至2.0±0.16，Pieluo均勻度指數由0.42±0.04升至0.58±0.03。

圖3 邊灘濕地形成前后南沙河（G6高速-沙河水庫）段浮游生物多樣性變化

（2）邊灘濕地的形成豐富了南沙河（G6高速-沙河水庫）段的原有生境，為不同類型浮游生物提供了生長環境，因此，浮游生物的多樣性和均勻度均有顯著提升，這進一步反映出了邊灘濕地的形成對南沙河河道水質和水生態的提升有一定作用。此外，從以上數據可以看出，浮游植物均勻度（0.72±0.07）高于浮游動物（0.58±0.03），這表明浮游植物群落相比于浮游動物群落分布得更加均勻。監測結果表明，浮游植物群落由邊灘濕地形成前的藍藻-綠藻型向藍藻-硅藻-綠藻型過渡，而浮游動物仍主要以輪蟲為主，相對較為單一。

3.3 浮游生物優勢種變化

（1）邊灘濕地形成前后南沙河（G6高速-沙河水庫）段浮游生物優勢種變化詳見表3。當高水位運行大水面時，該河段浮游植物主要以藍藻和綠藻為主（見表3），優勢種包括藍藻門的顫藻（Oscillatoria sp.）、魚腥藻（Anabaena sp）、平裂藻（Merismopedia sp.），硅藻門的直鏈藻（Melosira sp.）和小環藻（Cyclotella），以及綠藻門的衣藻（Chlamydomonas sp.）和柵藻（Scenedesmus sp.），其中顫藻（Oscillatoria sp.）、微囊藻（Microcystis）、魚腥藻（Anabaena sp）、衣藻（Chlamydomonas sp.）和柵藻（Scenedesmus sp.），上述藻種多為重度污染水體（α-ms）及重度富營養化水體指示藻種[15]。而當低水位運行邊灘濕地形成后，浮游植物優勢種發生變化，微囊藻、魚腥藻等重度富營養化指示藻種的消失，一些中度富營養化甚至是寡污水體指示藻種，如小環藻（Cyclotella meneghiniana）、針桿藻（Synedra sp.）、盤星藻（Pediastrum）和韋斯藻（Westellopsis）等出現[16]。

表3 邊灘濕地形成前后南沙河（G6高速-沙河水庫）浮游生物優勢種變化

（2）在浮游動物方面，邊灘濕地形成前浮游動物優勢群落主要為輪蟲和原生動物，且輪蟲類作為絕對優勢種，優勢種包括裂足臂尾輪蟲（Brachionus diversicornis）、萼花臂尾輪蟲（Brachionus calyciflorus Pallas）等，其中臂尾輪蟲屬多出現在重污染水體及重度富營養化水體中，為重度污染水體（α-ms）有指示物種[17]。在邊灘濕地形成后，輪蟲仍為絕對優勢種，但整體優勢種組成發生了變化，出現了中污型和寡污型水體的指示物種，如曲腿龜甲輪蟲（Anuraeopsis fissa）和多肢輪蟲（Filinia longiseta），這些物種均適宜生活在β-中污至寡污型的水體中，而晶囊輪蟲（Asplanchna）適宜生活在寡污型的水體中[18]。此外，優勢種中還出現了枝角類和橈足類，如圓形盤腸溞（Chydorus sphaericus）、裸腹溞（Moina sp.）和透明溫劍水蚤（Thermocyclops hyalinus）[19]。由于枝角類和橈足類對水環境較為敏感，其出現也表明了南沙河水質逐漸轉優。

（3）從浮游生物多樣性和優勢種的變化可以看出，邊灘濕地形成后南沙河（G6高速-沙河水庫）段水生態得到顯著提升，這與低水位運行后本河段水質和水動力的變化密切相關。當低水位運行后，南沙河水流速度加快，進而破壞了藍綠藻等富營養化藻種適宜的生境，此外，濕地植物還可以通過與藻類競爭氮磷等營養元素以及化感作用，從而進一步抑制了藍藻的生長[20]。

4 結論

本研究通過對邊灘濕地形成前后南沙河（G6高速-沙河水庫）段水質和水生態的對比分析，得到以下結論：

（1）邊灘濕地形成后，南沙河（G6高速-沙河水庫）段自凈能力顯著提高，CODcr、NH4+-N、TP、TN的沿程削減率分別提升至32.14%、35.06%、34.78%和33.78%。

（2）邊灘濕地形成后，浮游生物的多樣性和均勻度均有一定程度的提高，浮游植物和浮游動物Shannon-Wiener指數分別提升至2.28±0.14和2.0±0.16；浮游植物和浮游動物Pieluo均勻度指數分別提升至0.72±0.07和0.58±0.03，這表明該河段的水質由β-中污型向寡污型過渡。