北京城市副中心新建景观水体水生态环境变化规律

　　摘要：为研究新建景观水体水生态环境变化过程，以北京城市副中心镜河为研究对象，2018—2020年对河流水生态系统开展跟踪监测分析.结果表明：①在水源变化和水动力条件影响下，与通水初期相比，水质指标中TP、CODMn升高2倍，叶绿素浓度升高约4倍，浮游植物密度升高3倍，与此同时透明度下降63.79%，水体进入藻型浊水态;①底栖动物多样性指数由0.26升高至0.64，鱼类种类由0提升至14种，大型水生植物覆盖度由6%升高至40%.研究显示，通过自然恢复与人工干预的共同作用，镜河水生态健康水平由不健康演变为亚健康，但富营养化是制约水体继续向好发展的主要因素.研究成果为新建河流的景观设计和生态修复提供科学依据.

　　关键词：北京城市副中心;新建景观水体;水生态监测;水生态健康

　　水生态系统在提供自然生态环境和支撑社会发展中起到重要作用[1]，随着人类生活水平的不断提高，以美化环境、提升生态环境质量、服务大众为首要功能的城市水生态系统已逐渐成为城市生态化进程中的重要因素[2].以河流湖泊为主的城市景观水体，受人类活动的干扰较大，随着水体中营养物质的不断输入，水体的富营养化风险随之增强[3].

　　研究[4]表明水体富营养化已经成为城市景观水体的重要问题.目前对于景观水体主要侧重于水生态健康管理与生态修复技术的研究.城市景观水体管理在水量、水质基础上，水体水生态系统健康管理已成为主要内容.国内外现有的水生态健康评价方法包括指示生物法、综合指标体系法[56]和数学模型法等[711]，而河流生境、水环境因子和水生生物是水生态系统的重要组成部分[1214]，直接影响了水生态系统健康状态[1416].

　　因此，综合河湖形态、水文、水质、水生生物等指标的综合评价方法较能反应水生态系统的整体情况[1720].2020年北京市发布了DB11/T1722—2020《水生态健康评价技术规范》，从生境指标、理化指标和生物指标3方面对河湖水生态健康水平进行综合评价.在调查评价的基础上，开展水体的生态修复是提升城市生态景观的重要内容，其中利用水生植物的生态修复技术是“用生态办法解决生态问题”的有效手段[2].

　　在水生植物生物修复技术的研究中，多为植物修复机理过程的研究和模型模拟分析[2,2122]，而对于水生态系统的变化过程，缺乏相应的综合数据分析.尤其对于新建景观水体，由于初期水生态系统不完善，自我净化能力较低，河流水文、水质等变化对水生态环境影响巨大，水环境变化过程复杂.

　　掌握新建景观水体水生态环境变化规律，对于河道生态保护和生态修复技术的提出至关重要[2324].2015年，《京津冀协同发展规划纲要》通过，通州区正式成为北京城市副中心.该研究以北京城市副中心新建景观水体镜河为研究对象，镜河水生态环境保障对于副中心生态文明建设具有极为重要的政治意义.研究通过对镜河水生态环境跟踪监测分析，揭示了水生态系统中各组成要素时空演替规律和水生态系统变化过程，为河流生态环境的进一步提升提供技术措施和科学依据.

　　1材料与方法

　　1.1研究区域概况

　　镜河地处北京城市副中心，河道已建成2.4km，设计常水位18m，平均水深约2.0m，水域面积约16万m2，蓄水量25万m3.2018年底建成通水时，河道内没有布置水生植物，水生态系统不完整，水生态健康水平较低.自2018年至2020年共开展监测16次，时间分别为2018年10月、11月，2019年2月、3月、5月、7月、8月、10月和2020年4月—11月，河道自北向南设置5个采样点.

　　1.2样品采集与处理

　　1.2.1水质样品采取

　　定量样品采集用采水器采表层水2.5L.按照HJ/T91—2002《地表水和污水监测技术规范》要求开展水质监测，监测指标包括现场测定水温、pH、溶解氧、透明度指标，和实验室检测叶绿素a、悬浮物、化学需氧量、高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮、全盐量指标.

　　1.2.2浮游植物定量样品用采水器采表层水1L，立即加入占水样量1%～1.5%(体积比)的鲁哥氏液固定.将水样带回实验室，倒入沉淀瓶内，静置24～36h.用虹吸管缓慢吸去上层清液，保留瓶底部的沉淀浓缩液50mL左右，倒入浓缩样品瓶，用少量蒸馏水冲洗沉淀瓶的内壁和底部2～3次，冲洗液均倒入浓缩样品瓶中，将浓缩样品瓶继续静置沉淀24小时以上，最后虹吸、定容到30mL.样品处理后，在光学显微镜下采用计数框进行观察分析.

　　1.2.3浮游动物定量样品用采水器采表层水10L，用13号浮游生物网过滤浓缩后注入样品瓶中，加入约占水样5%(体积比)的甲醛固定.样品处理后，在光学显微镜下采用计数框进行观察分析.

　　1.2.4底栖动物定量样品用改良式彼得森采泥器采集底泥，采到的底泥倒入盆内，经0.3mm金属筛过滤，去除泥沙和杂物，将筛网上肉眼可见的底栖动物使用钟表镊子挑拣立即放入盛有75%乙醇溶液的浓缩样品瓶内固定.

　　1.2.5水生植物监测采用面积为0.25m2的带网铁铗开展样方调查，将采集的植物洗净，装入标本袋内带回实验室.去除根、枯枝、败叶和其他杂质，去除植物体多余的水分，鉴定种类，分别称重后取样品在65℃鼓风干燥箱内烘干，直至恒重.每个采样断面设置6个监测点.

　　1.2.6鱼类监测采用地笼捕捞后放回的方法开展调查，将地笼网置于水中过夜，约14h，渔获物按种类进行分类并拍照留存后放回.

　　1.3分析与评价方法

　　按照GB3838—2002《地表水环境质量标准》开展水质评价.按照DB11/T1722—2020《水生态健康评价技术规范》要求，开展水生态系统健康评价.

　　2结果与分析

　　2.1水质变化

　　镜河水温变化主要受时间影响，不受人为干扰.pH变化范围为7.96~9.27，随时间有增高趋势.叶绿素a浓度逐年升高，2020年10月叶绿素a浓度(0.098mg/L)约为通水初期同期(0.020mg/L)的近5倍，透明度由高于100cm下降至约40cm.总氮和氨氮浓度变化随时间波动，总磷浓度逐年升高，最高时(0.34mg/L)比通水初期(0.11mg/L)增长约2倍.全盐量升高1.5倍，溶解氧浓度、生化需氧量和高锰酸盐指数在2020年4月达到最高值).

　　2.2鱼类种类变化

　　镜河自2019年5月出现鱼类，为单一种鲫;9月调查得到鱼类7种，为鲫、泥鳅、黄黝鱼、子陵吻虾虎鱼、麦穗鱼、红鳍原鲌和䱗.2020年共调查得到鱼类14种，鱼类按摄食食性可分为植食性、动物食性、碎屑食性和杂食性.主要为杂食性，共8种，分别为䱗、麦穗鱼、波氏吻虾虎鱼、鲫、黄黝鱼、泥鳅、大鳞副泥鳅和鲤;植食性鱼类主要为草鱼;动物性鱼类3种，分别为子陵吻虾虎鱼、红鳍原鲌、乌鳢;碎屑食性鱼类2种，为高体鳑鲏和彩石鳑鲏.渔获物优势种主要为麦穗鱼、鲫，均属于鲤形目，对水域生态环境适应性较宽泛的鱼类.

　　2.3水生态系统健康水平变化

　　2.3.1指标监测结果根据监测结果，生境指标中湖滨带植被覆盖度由30%提升至95%;理化指标中，总磷含量升高2倍，生化需氧量升高26.84%，高锰酸盐指数升高近2倍，全盐量浓度升高49.18%，叶绿素浓度升高3.5倍，与此同时透明度下降63.79%，而氨氮浓度降低40%;生物指标中鱼类种类由0提升至14种，大型水生植物覆盖度由6%升高至40%，浮游植物密度由319×104个/L升高至1135×104个/L，浮游动物密度由529ind./L升高至7852ind./L，底栖动物多样性指数由0.26升高至0.64.

　　2.3.2水生态系统健康水平评价结果

　　根据评价结果，生境指标得分由于湖滨带植被覆盖度提升而增加3.00分;理化指标得分由于高锰酸盐指数和叶绿素升高、透明度下降而降低2.75分;生物指标得分由于鱼类种类和大型水生植物覆盖度提升、底栖动物多样性指数升高而增加，由于浮游植物和浮游动物密度升高而降低，最终增加13分.总体看来，经过两年的水生态系统演变，镜河水生态健康综合指数由59.50提升至72.75，健康水平由不健康演变为亚健康.

　　3讨论

　　研究区域镜河补水水源为再生水厂高品质再生水和土壤渗滤净化水，但通水初期至2021年初，补水水量有所降低，且再生水补给占比逐渐降低.根据监测结果，再生水厂出水水质基本达到地表水IV类标准，而土壤渗滤净化水水质主要呈现氨氮和总磷超过IV类标准.河道下游补给交换频次低，水体流动性较弱.

　　水源水质中氮磷营养盐输入的增加，结合水动力条件欠佳，共同驱动河流水质下降[2526].浮游植物、浮游动物、底栖动物和鱼类等都是水体中重要的水生生物，在水生态系统中占有重要的营养级和生态位[2730].有研究表明，水生生物的种类和丰度变化能够很好反映水体水环境质量[14].浮游植物和水生植物是水体中重要的初级生产者，研究表明，浮游植物能够对水环境变化，尤其是营养物含量做出快速反应[31].

　　镜河在河道设计中缺乏沉水植物，在通水后浮游植物迅速占领初级生产者主要生态位，浮游植物密度增加4倍，浮游动物密度增加14倍，水环境压力随之增加，而迅速进入藻型浊水态[3234].作为相对封闭的新生河道，镜河交换水量少、基本呈现缓流状态，且水生态结构不完整、水生态系统稳定性较低.水生植物在稳定基质、吸附悬浮物、抑制藻类生长方面具有重要作用，构建水生植物群落是河湖生态修复的重要技术[35].

　　自2019年起，基于草型缓流水体的“水下森林”构建技术，优选苦草、轮叶黑藻和竹叶眼子菜为优势种群，在河道内开展沉水植物种植，以推动向草型清水态转换，目前已发展至藻草共存态[3638].经过人工修复与自然恢复共同作用，研究区域沉水植物种类增加至7种，覆盖度超过40%，但由于营养盐的不断输入和累积，水体呈富营养化水平逐渐加深，进而引起水体透明度降低，导致底层光照的急剧减小，而限制水生植物生长，这种负反馈机制制约着水生态系统向好发展[3942].

　　随着研究区域水生态系统演变，底栖动物多样性指数升高，表明水生态系统健康水平提升.但底栖动物优势种主要为耐污能力较强的摇蚊亚科，这与北运河流域其他河流调查结果[43]一致，研究认为人类活动对底栖动物种类和多样性影响存在直接和间接影响[8,43].鱼类种类增加至14种，包含草食性、杂食性、肉食性、碎屑食性鱼类，营养级完整.其中最先出现鱼类为杂食性鲫，其他鱼类也均为对环境适应能力较宽泛，对水环境变化敏感性较低的种类[44].

　　研究区域通水后至今，水生态健康综合指数由59.50的不健康水平增加至72.75的亚健康水平，水生态健康水平显著提升.水生态健康综合指数的升高主要由湖滨带植被覆盖度、鱼类种类、大型水生植物覆盖度、底栖动物生物多样性的增加引起.“水下森林”构建技术的实施，和挺水植物护岸带的打造，作为生态修复的重要手段，不仅提升了湖滨带植物和水生植物的覆盖度，更为鱼类和底栖动物提供了栖息地，丰富了水生态系统群落结构[21,4547].但水体营养盐浓度和浮游植物密度偏高，以及水生植物覆盖度较低仍然是制约水生态环境继续提升的关键因素.研究表明，通过改善河道水文、水动力条件[4850]均能够加速水体向草型清水稳态转换的速度.

　　因此在河道设计中，应充分考虑沉水植物对水生态系统的重要作用，并在河道现有条件下，降低水位，为沉水植物生长提供必要条件，另外应进一步提升水动力条件，以降低浮游植物的竞争优势.以研究区域为代表的北方城市河流在生态管理中优先水资源连通调控，保障水资源量配置，增强水动力调控，满足生态需水要求，以改善水环境质量[5153].其次注重水生态治理的长效稳定，在河道设计、建设、运行过程中，加强生态护岸、水生植物等要素管理，保证生态系统状态提升[21,5456].

　　4结论

　　a)镜河水体受补水水源和水量的变化及河道水生态系统自身演替规律共同影响，河道下游水动力欠佳区域水质指标升高，应采取措施改善下游水动力条件.b)浮游植物占领初级生产者主要生态位，造成水体透明度下降而影响水生植物生长，浮游植物已成为制约水生态系统向好的主要因素，应继续采取生态修复措施，结合水位调节，增强水生植物的竞争作用.c)经过两年的演替，镜河水生态系统日趋完善，群落结构完善，水生态健康水平显著提升.

　　参考文献(Refrencecs)：

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　　作者：张蕾1,2，郭硕3，晁春国4，杨子超5，楼春华1,2，王培京1,2