水生態系統穩定性評價研究

何新杰

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著城市化進程和工業化的發展，人類對于自然資源的需求越來越大，水環境污染和破壞日益嚴重，黨十九大報告指出，要加快生態文明體制改革，水生態保護迫在眉睫[1]。水生態穩定性評價作為了解水生態穩定性狀況和污染程度的方法，為水生態穩定性研究、污染治理和水生態管理提供了具有科學依據的手段和方法。本研究通過對水體健康進行綜合評價[2-4]。為水生態建設和修復提供技術指引，進而推進水生態系統的可持續發展。

1 方法

1.1 試驗地概況

選取東莞橋頭鎮試驗地項目1～5號塘進行評價，試驗周期為2021年3—9月，水塘具體情況如表1所示。試驗開始后觀察生態系統狀況，定期測定水質pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、總氮、總磷、葉綠素a和透明度指標，水質分析方法如表2所示。溶解氧采用溶解氧儀、高錳酸鹽指數采用酸性高錳酸鉀法、氨氮利用納氏試劑光度法、化學需氧量采用重鉻酸鉀法、總氮采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、總磷采用鉬酸銨分光光度法、葉綠素a采用丙酮萃取-分光光度法、透明度采用塞氏盤法測定。

表1 1～5號塘概況

浮游植物定性樣品使用25號浮游生物網進行采集，加入4%的甲醛溶液進行現場固定；定量樣品使用1L有機玻璃采水器采集后現場加入15mL魯哥試液固定，實驗室靜置48h后濃縮至30mL，進行樣品鑒定[5]。浮游動物用25號浮游生物網在垂直和水平方向上拖網數次后采集樣品裝入60mL采樣瓶中，現場加5%的甲醛溶液固定，帶回實驗室在光學顯微鏡下鑒定浮游動物種類并進行定性分析；定量樣品利用采水器采集10L水，用25號浮游生物網過濾濃縮至30mL，加入5%甲醛固定[6]。

1.2 水體水質評價標準及分級方法

水質評價用單因子指數法評價水質污染情況。把水質最差的單項指標所屬的水質類別作為判定水體綜合水質類別的標準基本方式，在所有的水質評價指標中，如有一項水質指標超過，那么這個水體就不能滿足某個功能的需求，則要根據水質指標的結果選取最差的類別來作為該水體的水質污染類別。參照表2。

表2 水質評價標準

1.3 水體營養狀態評價標準及分級方法

采用線性插值法將水質濃度轉換為賦分值En。結合研究區各評價因子實際情況，將各指標分成5個等級，賦值區間為10～100，見表3。賦值越高，指標狀態越差。水體營養狀態評價參照《地表水資源質量評價技術規程》。

表3 水體富營養化狀態評價標準

2 結果與討論

2.1 試驗地1～5號塘水質結果分析

如表4所示，3—9月期間，1號塘總氮含量為0.23～0.47mg·L-1，2號塘總氮含量為0.34～1.09mg·L-1，3號塘總氮含量為0.49～0.68mg·L-1，4號塘總氮含量為0.36～0.88mg·L-1，5號塘總氮含量為0.38～0.41mg·L-1。其中，1號塘、4號塘總氮含量在不同月份呈降低趨勢，2號塘總氮含量在不同月份呈先降低后升高趨勢，3號塘總氮含量在不同月份呈升高趨勢，5號塘總氮含量在不同月份變化不大。1號塘、3號塘、4號塘和5號塘總氮含量在地表水Ⅱ類～地表水Ⅲ類，2號塘總氮含量最差，接近地表水Ⅳ類。

表4 各水塘水質監測結果

總磷是水體富營養化的決定因素，由表3數據顯示，1號塘總磷含量為0.02～0.03mg·L-1，2號塘總磷含量為0.02～0.13mg·L-1，3號塘總磷含量為0.04～0.07mg·L-1，4號塘總磷含量為0.02～0.12mg·L-1，5號塘總磷含量為0.02～0.04mg·L-1。其中，1號塘、3號塘、5號塘總磷含量在不同月份變化不大，2號塘總磷含量在不同月份呈先降低后升高趨勢，4號塘總磷含量在不同月份呈先升高后降低趨勢。總磷含量在地表水Ⅱ類至地表水Ⅲ類。

3—9月期間，1號塘氨氮含量為0.16～0.24mg·L-1，2號塘氨氮含量為0.22～0.52mg·L-1，3號塘氨氮含量為0.29～0.53mg·L-1，4號塘氨氮含量為0.17～0.34mg·L-1，5號塘氨氮含量為0.12～0.26mg·L-1。其中，1號塘氨氮含量在不同月份呈降低趨勢，2號塘、3號塘氨氮含量在不同月份呈降低趨勢，4號塘、5號塘氨氮含量在不同月份呈先升高后降低趨勢。整體氨氮含量在地表水Ⅱ類左右。

影響化學需氧量的指標主要是有機污染物。1號塘化學需氧量含量為10.83～13.12mg·L-1，2號塘化學需氧量含量為12.25～18.33mg·L-1，3號塘化學需氧量含量為12.37～24.32mg·L-1，4號塘化學需氧量含量為19.34～23.98mg·L-1，5號塘化學需氧量含量為13.21～15.20mg·L-1。1號塘化學需氧量含量最低，其次為2號塘、5號塘，3號塘、4號塘化學需氧量在地表水Ⅳ類。

3—9月期間，1號塘高錳酸鹽指數含量為4.15～4.92mg·L-1，2號塘高錳酸鹽指數含量為5.10～7.40mg·L-1，3號塘高錳酸鹽指數含量為4.06～4.50mg·L-1。4號塘高錳酸鹽指數含量為3.04～4.20mg·L-1，5號塘高錳酸鹽指數含量為2.30～4.10mg·L-1。1～5號塘高錳酸鹽指數整體變化不大，在地表水Ⅲ類～地表水Ⅳ類。

3—9月期間，1號塘葉綠素a含量為4.42～6.37mg·L-1，2號塘葉綠素a含量為6.19～9.73mg·L-1，3號塘葉綠素a含量為2.02～4.35mg·L-1，4號塘葉綠素a含量為4.26～11.58mg·L-1，5號塘葉綠素a含量為2.10～3.78mg·L-1。其中，4號塘葉綠素a含量在不同月份呈升高趨勢。

依據《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)水域環境功能和保護目標劃分可知，各水塘評價結果為試驗地1號塘、5號塘：地表水Ⅱ類～地表水Ⅲ類。試驗地2號塘、3號塘、4號塘：地表水Ⅲ類～地表水Ⅳ類。

2.2 試驗地1～5號塘水體營養狀態分析

對各項指標進行富營養化評分，結果如表5所示。

根據表5可知，各水系評價結果：試驗地1號塘，中營養水平；試驗地2號塘，中營養至輕度富營養之間；試驗地3號塘，中營養至輕度富營養之間；試驗地4號塘，由輕度富營養慢慢變為中營養；試驗地5號塘，中營養水平。

表5 富營養化評價結果

2.3 試驗地1～5號塘水體浮游植物分析

2.3.1 試驗地1號塘

1號塘浮游植物前3季度監測共檢出7門42屬。3月浮游植物豐度遠低于6月、9月，以甲藻和金藻為主，分別是具有廣適性的多甲藻屬和適應貧營養的錐囊藻屬、魚鱗藻屬；6月浮游植物豐度明顯增加，綠藻、藍藻種類比例增大，除了多甲藻屬，其他適應較高營養、渾濁水體的綠藻、藍藻和硅藻種類都有所增加或者成為優勢種屬；9月浮游植物豐度依然保持較高水平，藍藻門種類占據絕對優勢，由適應富營養淺水的色球藻屬和耐受低光照、渾濁水體的絲狀藍藻組成。

結合優勢浮游植物功能群顯示的環境信息可以看出，隨著氣溫升高、降雨天氣增多，1號塘水體受到更加頻繁的攪動和更多營養鹽的輸入，其渾濁度和營養水平都有一定程度的增加。雖然水質的變化導致浮游植物豐度上升、藍藻種類增多，但自6月浮游植物豐度達到1500cells·mL-1以來，就沒再有更明顯的增長趨勢，說明1號塘生態系統較為穩定，可以將浮游植物生物量控制在一定范圍而不易產生水華現象。

2.3.2 試驗地2號塘

2號塘浮游植物前3季度監測共檢出7門40屬。3—9月，6月浮游植物豐度最低、9月豐度最高，藍藻比例不斷增加，其他藻類類群比例下降，浮游植物多樣性降低、優勢種類單一化。

3月浮游植物，以硅藻和綠藻為主，優勢屬有適應含營養鹽、流動性差渾濁水體的針桿藻、小環藻和團藻；6月藍藻豐度上升，組成比例與硅藻、綠藻種類相當，優勢屬為適應富營養的空球藻、色球藻和適應低透明度渾濁水體的假魚腥藻和小環藻；9月藍藻豐度占據絕對優勢，優勢屬為單個的色球藻屬。

結合優勢浮游植物功能群顯示的環境信息可以看出，2號塘多為富營養的渾濁性水體，流動性差。高溫、降雨攜帶入營養等因素的影響，水質的惡化程度較嚴重。

2.3.3 試驗地3號塘和4號塘

試驗地3號塘和4號塘浮游植物監測共檢出7門53屬。4號塘浮游植物豐度和組成的變化是最明顯的，9月的豐度降為6月的1/10，從6743.75cells·mL-1降低至721.15cells·mL-1；種類也從原來耐受低光照、混合性水體的假魚腥藻屬、平裂藻屬占優勢，轉變為適應中富營養的小環藻占優勢，說明4號塘富營養化程度和水體渾濁度都在逐漸降低。3號塘浮游植物豐度較前1個季度有增加趨勢，從假魚腥藻屬單個占優勢轉變為平裂藻屬、藍纖維藻屬、假魚腥藻屬多個種類占優勢，說明3號塘水質惡化問題依然存在，富營養、渾濁等問題還未得到解決。

2.3.4 試驗地5號塘

試驗地5號塘6月和9月共檢出6門22屬的浮游植物種類。6—9月，浮游植物豐度顯著降低，植物組成由單一綠藻(柵藻屬)占優勢的群落結構轉變為藍藻(色球藻屬)和綠藻(柵藻屬、小球藻屬等)共同占優勢、多樣性更高的群落結構。

從以上分析可以看出，水生態系統與藻種無明顯關系，但與藻類數量有顯著相關性，系統穩定時藻類的數量小于2000cells·mL-1。

2.4 福壽螺、羅非魚對試驗地1～5號塘生態系統影響分析

2.4.1 羅非魚(以試驗地1號塘為例)

羅非魚為雜食性魚類，當水體潔凈時優先吃黑藻，黑藻吃完后，小羅非魚優先刮食苦草葉片上附著的藻類及碎屑，大羅非魚吃苦草斷葉。繁殖季節，羅非魚會打洞筑巢，一定程度上影響植物覆蓋率。綜合來看，羅非魚不會影響水體的透明度，并且有助于水生態系統物質和能量的流通，但需采用生物以及人工調控措施控制種群數量。

羅非魚生長迅速，自然生長情況下，1齡羅非魚可達300～500g，2齡羅非魚可達到500～700g。水系內的羅非魚通體金黃、肉質鮮美，維護時可作為經濟魚類捕撈。

2.4.2 福壽螺

2.4.2.1 試驗地1號塘

福壽螺主要啃食苦草，造成大量苦草斷葉，影響水質凈化功能及水體景觀。經過1.5a左右的生物調控，1號塘的福壽螺種群數量大大減少，福壽螺以大螺為主，重量100～200g，小福壽螺數量大大減少。

繁殖季節，1號塘內挺水植物及駁岸邊仍會有大量福壽螺卵(大螺繁殖)，但是小螺數量未見增多，另外水面仍有一定數量的苦草斷葉。

2.4.2.2 試驗地5號塘

試驗地5號塘沉水植物9月福壽螺泛濫，投放青魚進行生物調控，受限于青魚個體大小，生物調控措施并不明顯，仍然有大量螺卵和斷葉。因此系統仍然需要進行調控，目前采用人工方法清除水系福壽螺及螺卵[7]。

3 結論

綜合水質、富營養化程度、浮游植物、沉水植物和水生動物等評價指標，1～5號塘的生態系統穩定性從高到低依次為1號塘、5號塘最佳，2～4號塘較差。水生態系統的穩定性指標滿足以下條件較佳，水質在Ⅲ類以上，營養狀況在中營養及以上水平，浮游植物不超過2000cells·mL-1，沉水植物以苦草為主，覆蓋率>80%，無大量斷葉，水生動物青魚重量超過5kg/條，福壽螺以大螺為主，無明顯小螺。

穩定的生態系統能每日容納5%容積的地表徑流負荷，暴雨時水系會受到影響，暴雨結束后14～30d恢復至正常狀態。為了進一步完善生態系統的評價體系還應綜合考慮地表徑流負荷。