长三角乡村水体生境构建技术研究

1.水生境修复评价体系构建

从生态学角度出发，当前水生境修复评价体系主要有两类：指标体系法和指示物种法。其中，指标体系法是指根据水生态系统的特征和其服务功能建立指标体系，采用数学方法确定其修复状况，生化指标法是指标体系法的典型代表；指示物种法是指采用一些指示种群，利用其多样性和丰富度来监测水生态系统健康，从而判断其修复状况。本书主要介绍生化指标法及指示物种法。

1）生化指标法评价体系

有学者以基于化学指标为水体健康的驱动因素，水生物为水生态系统综合响应群体的逻辑框架，根据水质状态和生态特性，利用层次分析法构建化学与生物复合指标体系，计算各样点健康评价指标，可综合评价流域水生境修复状态。

（1）化学指标。

流域中，湖泊水体作为陆地生态系统营养循环库，通过河流承接陆地生态系统中自然和人类活动释放的大量营养盐，因此，在工业化程度不高的农村，河湖水体中营养盐、氮、磷的含量表征了水体的水质。

（2）生物指标。

水体中生存着各类生物群落，包括生产者、消费者和分解者。大型底栖无脊椎动物在水生态系统中属于消费者亚系统，其摄食、掘穴等扰动活动会影响系统的物质循环、能量流动过程等，多样性程度可以间接反映水生态系统功能的完整性。着生藻类作为初级生产者，不仅可反映系统中消费等级的状况，而且能稳固水底的基质，为鱼类和底栖无脊椎动物提供隐蔽所和产卵场；同时还能敏感响应水环境状况的变化，尤其是在氮、磷等无机营养盐浓度方面。因此，生物指标采用大型底栖无脊椎动物和着生藻类两个因素，并用分类单元数（S）、BMWP（Biological Monitoring Working Party）指数和优势度指数（D）作为大型底栖无脊椎动物的表征指标，用分类单元数（S），生物多样性指数（H）和优势度指数（D）作为着生藻类的表征指标。

2）指示物种法评价体系

在指示物种法中，生物完整性指数（Index of Biological Integrity，IBI）是目前水生境修复评价中应用最广泛的指标之一。生物完整性指数由多个生物状况参数组成，通过比较参数值与参考系统的标准值得出该水生境的修复程度。生物完整性指数中每个生物状况参数都对一类或几类干扰反应敏感，因此IBI可定量描述人类干扰与生物特性之间的关系，间接反映水生态系统健康受到的影响程度。用IBI评价水生态系统健康优于用单一指数评价的原因是，单一指数反映水生态系统受干扰后的敏感程度及范围不同，综合各个生物状况参数构建IBI，可以更加准确和完全地反映系统健康状况和受干扰的强度。

评价水生境修复状况时，根据水生态系统生物群落结构特征和数据可获得情况，选择某类生物群落作为指示物种构建IBI。国内外IBI研究显示，鱼类完整性指数（Fish-index of Biological Integrity，F-IBI）和底栖无脊椎动物完整指数（Benthos-index of Biological Integrity，B-IBI）的构建较为成熟，已被广泛应用于水生态与环境基础科学研究、流域管理中；关于着生藻类完整性指数（Periphytonindex of Biological Integrity，P-IBI）的研究起步较晚，但目前也已逐渐展开。学者多选用这3种生物作为指示物种的原因在于：

（1）鱼类。

优点：①分布广，能在绝大多数水生态系统中生存，可反映流域尺度较全面和详细的水生态系统信息，形态特征明显，易于鉴定；②大多数鱼类生活史较长，对各方面的压力敏感，当水体特征发生改变时，鱼类个体在形态、生理和行为上会产生相应的反应；③鱼类群聚中食性种类较多，彼此之间构成食物网，可反映出系统中消费等级的状况；④鱼类群聚中含有众多的功能公位群，可综合反映水生态系统中各成分之间的相互作用。

不足：具有很强的移动能力，对胁迫的耐受程度比较低，与生态系统变化的相关性比较弱。

（2）底栖无脊椎动物。

优点：①在水生态系统中属于消费者亚系统，以摄食碎屑物为主，对物质分解起着重要作用；②一般都有很高的物种多样性，多样性程度可间接反映水生态系统功能的完整性；③在水生态系统中的摄食、掘穴等扰动活动会影响系统的物质循环、能量流动过程；④自身作为大多数鸟类饵料的重要组成部分，可反映系统中消费等级的状况。

不足：无脊椎动物通常分类等级较高，难以测定每个物种的作用，同时这些物种中有些可能不必要甚至不合适。

（3）着生藻类。

优点：①为水生态系统的初级生产者，位于食物链的底端，通过光合作用将无机营养元素转化成有机物，并被更高级的有机生命体利用，可反映系统中消费等级的状况；②能稳固水底的基质，为鱼类和底栖动物提供隐蔽所和产卵场；③分布范围广，能敏感响应水环境状况的变化，尤其是在N、P等无机营养盐浓度方面。

不足：该类群的物种数量巨大，且对分类的专业技能要求较高，应用不够广泛。

2.水生境修复评价标准

从理念发展趋势上看，国外的水环境管理经历了“污染—防治保护—生态管理”的阶段，目前已从污染防治转移到生态系统的恢复与保护，各国在水生态系统保护和修复方面相继颁布过综合性手册、导则等。根据不同的修复目标，不同国家以自主选择的方式进行水生态修复工程，使规划更具适用性，可供此次研究借鉴。各国的评价导则如表3.10所示。

表3.10　各国的水生态保护与修复评价导则

1）生化指标法评价标准

按照已有研究成果进行指标计算：总氮（TN）、总磷（TP）、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）的计算方法为实地采样测量；大型底栖无脊椎动物和着生藻类分类单元数（S）的计算方法为实验室计数；Berger-Parker优势度指数（D）、大型底栖无脊椎动物BMWP指数和着生藻类生物多样性指数（H）的计算方法分别如下：

式中：

Nmax——最优势种的个体数；

N——功能团全部物种的个体数；

t——每种分类的计分，1～10，分值随生物敏感性增大而增加；

i——科级水平分类数；

H——Shannon-Weaver多样性指数；

S——物种总数；

ni——第i种物种的个体数。

因水生境修复评价体系中化学指标与生物指标的量纲不同，分级标准不同，为使两者具有同度量、可比较的数值，参考现有研究成果将实测数据按下式进行标准化处理：

对于TN、TP、CODMn和NH3-N，标准化公式为

对于DO，标准化公式为

对于大型底栖无脊椎动物和着生藻类分类单元数S，标准化公式为

对于Berger-Parker优势度指数D，标准化公式为

对于大型底栖无脊椎动物BMWP指数，标准化公式为

对于着生藻类生物多样性指数H，标准化公式为

式中：

M——该样点测量值；

Vmax、Vmin——地表水标准（GB3838标准）等标准的最大临界值和最小临界值；

Q95——所有样点数据的95%分位数；

Q5——所有样点数据的5%分位数。

水生态系统健康评价综合指标反映特定水生态系统结构与功能的健康程度，计算公式按综合指数的含义和数理关系构建，包括函数（健康综合指标）、变量（因素层）、权重值（各变量的重要度判断值）和修正值（修正得分范围）四部分。各指标因子采用等权重；修正值通过加权平均法及参考评价标准范围获得。在此基础上建立健康综合指标I的计算模型，即：

式中：

ix——因素层指标得分；

a——修正值，本研究取值为0.5；

n=2。

本研究有两个因素层因子：水质和生物。各因素层指标具体计算公式为：

式中：

ic——化学指标得分；(www.xing528.com)

iN——营养盐指标得分；

iDO——氧平衡指标得分；

SVTN——TN标准化值；

SVTP——TP标准化值；

SVDO——DO标准化值；

SVCODMn——CODMn标准化值；

SVNH3-N——NH3—N 标准化值；

iB——生物指标得分；

iDI——大型底栖无脊椎动物指标得分；

iPA——着生藻类指标得分。

基于国内外研究成果及专家咨询，确定健康评价等级划分为5个等级：综合指标值为0.8～1.0的健康等级为优，0.6～0.8的健康等级为良，0.4～0.6的健康等级为合格，0.2～0.4的健康等级为差，0～0.2的健康等级为极差，如表3.11所示。

表3.11　水生境修复状况评估标准

2）指示物种法评价标准

评价标准的划分是生物完整性指数评价中的关键，目前尚无统一的划分标准。大多数研究以参照点位IBI值分布的25%分位数作为健康评价标准。如果点位的IBI值＞25%分位数值，则表示该点位受到的干扰很小，是健康的；对IBI值＜25%分位数值的分布范围，进行三等分，分别代表一般、较差和极差3个健康程度。根据上述方法，可确定出健康、一般、较差和极差4个等级的划分标准。该评价标准基本覆盖了水生态系统不同层次的健康状态，划分出的等级数较为合理，可以区分出研究区域所有评价单元水生态系统健康状态之间的差异。

3.研究区域水生境状况评价

沉海圩乡村湿地公园水系沟通及水生境修复前的水质状况如表3.12所示，取点位置图如图3.55所示；水系沟通及水生境修复后水质状况如表3.13所示，取点位置图如图3.56所示。施工后对水生物进行调查，浮游植物分布较为广泛，共发现81种藻类，浮游动物个别样点检测出。其中，绿藻种类最多，有5属、33种，占总种数的41%；其次是硅藻（23种），占28%，如表3.8所示。沉海圩乡村湿地公园工业化程度较低，水体污染物主要为营养盐，因此，化学指标首先选择总氮、总磷与氨氮。着生藻类是研究区域水生物的优势物种，能敏感响应水环境状况的变化，尤其是在氮、磷等无机营养盐浓度方面，因此，生物指标选择藻类。此外，水体中藻类的生长状况对溶解氧的含量影响甚大，溶解氧可反映水生物的生长状况，因此，化学指标体系中加入溶解氧指标。此次修复，80%样点的水生境修复状况达到良或优，区域整体达到合格水平。

表3.12　沟通及修复前水质状况 单位：mg/L

（续表）

表3.13　沟通及修复后水质状况 单位：mg/L

图3.55　施工前水系原状模型图

图3.56　施工后水系原状模型图

由表3.12可看出，研究区域水系沟通及生境修复前，区域水质整体较差，属于地表水劣Ⅴ类标准。其中，氨氮浓度变化范围为Ⅱ类～劣Ⅴ类水质标准，近50%区域属于Ⅱ类水体标准，17号点氨氮浓度超过2 mg/L，属劣V类水体标准，主要受外围河道水体影响。25%区域总磷浓度属于劣Ⅴ类～Ⅴ类水体标准，4号点、14号点总磷浓度超过0.60 mg/L，属劣Ⅴ类，总磷浓度主要受到养殖塘和耕地影响。近40%区域COD浓度属于Ⅲ类水体标准，周边用地类型主要为林地和果园；1号点COD浓度超过160 mg/L，属劣V类水体标准，样点周边用地主要为建设用地。近60%区域总氮浓度属于劣Ⅴ类水体标准，11号点、12号点总氮浓度达到6 mg/L，严重超标，样点周边用地为养殖塘。总体而言，水体修复前沉海圩乡村湿地公园水质较差，水生境评价体系里化学指标极差，整体水生境状况不佳。

由表3.13可看出，研究区域进行水系沟通及生境修复后，沉海圩乡村湿地公园水质整体得到较大提升，已达到地表水Ⅴ类水体标准。几乎100%区域氨氮浓度达到Ⅱ类水体标准，水体有机氮浓度较低。区域总磷浓度属于Ⅱ类～Ⅳ类水体标准，与施工前相比，水体总磷浓度明显降低，水质整体提升。区域内高锰酸盐指数变化范围为Ⅲ类～Ⅳ类水体标准，近50%区域高锰酸盐指数属于Ⅲ类水体标准，不同点位高锰酸盐指数浓度接近，区域水系贯通性较好。区域总氮浓度变化范围为Ⅲ类～Ⅴ类水体标准，30%区域总氮浓度属于Ⅳ类水体标准，整个区域水体TN浓度存在较大差异性。总体而言，水生境指标体系中的化学指标取得极大改善。

为使化学指标与生物指标具有同度量、可比较的数值，对实测的水质数据及生物数据进行标准化处理。由公式3.12得到标准化后研究区域的水质指标值，如表3.14所示；根据公式3.11和公式3.17得到标准化前后的生藻类生物多样性指数，如表3.15所示；根据3.18至公式3.24求得水生境系统修复评价综合值，如表3.16所示。由表3.17可见，进行水系沟通及水生境修复后，研究区域整体水生境状况良好；其中，CS1、CS12、CS13点位水生境状况优秀，恢复很好；CS2、CS7、CS9、CS11点位水生境状况良好，恢复得不错；CS4和CS10点位也恢复至健康水平。

表3.14　施工后标准化的水质数据

注：括号数字所在样点区域为劣Ⅴ类水体，如表3.15中样点8区域水体总磷严重超标，为劣Ⅴ类水体。

表3.15　研究区域标准化前后生藻类生物多样性指数

表3.16　研究区域综合指标计算

（续表）

注：括号数字所在样点区域为劣Ⅴ类水体，如表3.17中样点14区域水体总磷超标，为劣Ⅴ类水体。

4.小结

本次研究采用生化指标体系对沉海圩乡村湿地公园的水生境修复状况进行评估，本次评估基于化学指标，结合藻类水生物，构建水生态系统综合响应体系，计算各样点生化指标，综合评价了研究区域的水生境修复状态。长三角乡村地区工业化程度不高，农村河流主要承载着自然和人类活动释放的大量营养盐，水体中营养盐的含量表征了水体的水质，因此，化学指标第一步选择了总氮、总磷与氨氮。水体中的着生藻类作为初级生产者，不仅可反映系统中消费等级的状况，还能够敏感响应水环境状况的变化，尤其是在氮、磷等无机营养盐浓度方面，因此，生物指标选择了藻类。水体中藻类的生长状况对溶解氧的含量影响甚大，因此，溶解氧可反映水生物的生长状况，化学指标体系中加入溶解氧。此次修复，80%样点的水生境修复状况达到良或优，区域整体达到合格水平。