卵礫石生態(tài)河床對(duì)河流水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)的效果

侯 俊，王 超，王沛芳，錢 進(jìn)

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

天然材料(如卵石、礫石及天然河床等)或人工合成接觸材料(如塑料和纖維等)具有較大比表面積，生物容易在其表面聚集生長(zhǎng)而形成生物膜，可以吸附降解水體污染物質(zhì)，因此可以將這些材料布置在河床中，創(chuàng)造適宜生物膜生長(zhǎng)的介質(zhì)來強(qiáng)化水體的自凈能力［1-2］。例如，在河床底部鋪設(shè)卵礫石，可使水與生物膜的接觸面積增大數(shù)十倍甚至上百倍，水中污染物在卵礫石間流動(dòng)過程中與其表面附著的生物膜接觸并被吸附，進(jìn)而作為生源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被生物膜吸收、分解和轉(zhuǎn)化，從而使水質(zhì)得到改善［3］。

卵礫石接觸氧化技術(shù)是國內(nèi)外常用的河流水體水質(zhì)凈化技術(shù)，如日本坂川古崎凈化場(chǎng)、日本野川凈化場(chǎng)和韓國良才川凈化場(chǎng)等，都是采用該技術(shù)對(duì)河流進(jìn)行水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)的典型工程［4］，然而國內(nèi)外大多將卵礫石接觸氧化技術(shù)運(yùn)用于河流的異位水質(zhì)凈化中，較少研究卵礫石河床的構(gòu)建對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)效果［5］。本研究選擇宜興市大浦鎮(zhèn)的林莊港作為試驗(yàn)河道，構(gòu)建卵礫石生態(tài)河床并對(duì)其原位水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)的效果和機(jī)理進(jìn)行分析，為河流水質(zhì)改善與生態(tài)修復(fù)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 地理位置與河道概況

試驗(yàn)河道林莊港位于太湖西岸宜興市東部的平原圩區(qū)，區(qū)域內(nèi)水網(wǎng)密布，共有大小河道40 多條，屬滆太水系。林莊港東起林莊港閘，西至溪西河口，長(zhǎng)1818 m，寬4～10 m，深0.7～1.5 m，流速0～20 cm/s。林莊港水體氨氮、總磷濃度超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)值，溶解氧濃度和透明度很低，自凈能力很弱。和其他入湖河道一樣，其水質(zhì)的好壞直接影響到太湖的水質(zhì)狀況［6］。

在林莊港選取卵礫石生態(tài)河床河段和自然河床河段各200 m 作為試驗(yàn)河段進(jìn)行對(duì)比研究。卵礫石生態(tài)河床以卵礫石鋪墊河床底部，寬6 m，厚約0.5 m;選用土著物種金魚藻進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)河長(zhǎng)335 m，種植密度15 株/m2，種植面積3800 m2。自然河床為淤泥河床底質(zhì)，無水生植物，寬8 m。試驗(yàn)河段內(nèi)無排污口、入河支流口及引水口。

1.2 樣品采集與分析化驗(yàn)

a.水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)。水質(zhì)采樣取試驗(yàn)河段的上游、中游和下游3個(gè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn)，位于河中心水面下0.5 m 處。卵礫石生態(tài)河床建設(shè)后的6—12月，每月連續(xù)進(jìn)行3 天監(jiān)測(cè)，每天采樣時(shí)間為8:00，12:00和16:00，分析水樣中的高錳酸鹽、氨氮和總磷等指標(biāo)，以截留率表示試驗(yàn)河段對(duì)水體的凈化效果(截留率為上下游污染物質(zhì)濃度之差與上游污染物質(zhì)濃度的比值)。

b.大型底棲無脊椎動(dòng)物檢測(cè)。卵礫石生態(tài)河床河段和自然河床河段各設(shè)一個(gè)采樣斷面，于卵礫石生態(tài)河床建設(shè)后次年的8月和11月采集兩次大型底棲無脊椎動(dòng)物的樣品。采用人工基質(zhì)采樣器(為直徑18 cm、高20 cm的圓柱形鐵籠，籠底鋪一層40 目尼龍篩絹，裝7～9 cm 礫石)，在河道中放置14d后取出，泥樣經(jīng)孔徑為40 目分樣篩篩去污泥濁水，剩余物帶回實(shí)驗(yàn)室完成樣本清檢、固定、鑒定、計(jì)數(shù)及換算等工作。

c.微生物菌類檢測(cè)。以水體、河床底質(zhì)、護(hù)岸材料以及水生植物等附著介質(zhì)為采樣對(duì)象，于卵礫石生態(tài)河床建設(shè)后次年的6—10月，采取各河段的不同附著介質(zhì)，裝入經(jīng)過滅菌處理的玻璃瓶中，并加入適量該采樣點(diǎn)水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室立即對(duì)附著的細(xì)菌總數(shù)、亞硝酸菌、硝酸菌和反硝化菌采用最大可能數(shù)法(MPN 法)進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)河段內(nèi)生源要素變化規(guī)律

2.1.1 氨氮的變化規(guī)律

如圖1 所示，在自然河床河段，氨氮的截留率一般為0～8%(9月截留率為負(fù)值，主要是因?yàn)檗r(nóng)民在該河段的下游斷面附近清洗過裝氮肥的塑料袋)，其截留主要是氨氮由水體向底泥擴(kuò)散，底泥中的微生物通過硝化作用將其轉(zhuǎn)化為硝氮［7］。卵礫石生態(tài)河床河段對(duì)氨氮表現(xiàn)出較高的截留效果，除6月外，其他時(shí)期達(dá)到13%～37%，可見卵礫石表面生物膜和金魚藻的存在很大程度上增加了對(duì)氨氮的截留，同時(shí)，金魚藻的光合作用創(chuàng)造了利于硝化作用的好氧環(huán)境，冬季金魚藻腐爛時(shí)河段仍保持較高的氨氮截留率，說明此時(shí)微生物仍在活動(dòng)，也說明卵礫石表面生物膜吸附和硝化作用是去除氨氮的主要原因。

圖1 試驗(yàn)河段氨氮變化規(guī)律

2.1.2 總磷的變化規(guī)律

如圖2 所示，自然河床河段大部分時(shí)期總磷的截留率為0～6%，說明自然河道對(duì)磷有一定的自凈能力，主要是靠不溶性磷的沉淀和底泥對(duì)磷的吸附完成的［8］。卵礫石生態(tài)河床河段在6—8月對(duì)總磷保持了較高的截留效果，截留率為10%～25%。卵礫石表面的生物膜對(duì)水體中的磷具有重要的截留作用，而且這段時(shí)期金魚藻生長(zhǎng)旺盛，一方面大量吸收水體中其生長(zhǎng)所需的可溶性磷酸鹽，另一方面在水中形成了一道屏障，大量攔截吸附水中不溶性磷并促使其沉積下來。11—12月對(duì)磷的截留率為負(fù)值，是因?yàn)樵孱惡痛笮退参锏乃ネ龈癄€會(huì)釋放出部分磷，導(dǎo)致總磷濃度沿程升高。

圖2 試驗(yàn)河段總磷變化規(guī)律

2.2 河道內(nèi)水生生物生長(zhǎng)狀況

2.2.1 大型水生植物

林莊港水域中沉水植物有水盾草、苦草、菹草、輪葉黑藻、金魚藻、眼子菜和狐尾藻等;浮水植物有槐葉萍、浮萍和水花生等;挺水植物有蘆葦、茭草和水芹菜等。卵礫石生態(tài)河床河段的大型水生植物主要種類為金魚藻，其覆蓋率達(dá)到65%以上，而自然河床河段無水生植物生長(zhǎng)。金魚藻一般春季開始生長(zhǎng)，夏末生長(zhǎng)最旺，冬季衰亡以營(yíng)養(yǎng)繁殖體形式散布水底。卵礫石生態(tài)河床河段沿岸還分布少量的水花生和茭草，其生長(zhǎng)規(guī)律大致與金魚藻相似。

2.2.2 大型底棲無脊椎動(dòng)物

各河段的大型底棲無脊椎動(dòng)物分布和統(tǒng)計(jì)情況如表1和表2 所示，卵礫石生態(tài)河床河段的大型底棲無脊椎動(dòng)物敏感物種數(shù)、分類單元數(shù)和生物數(shù)量密度均大于自然河床河段的［9］。

由于研究河段為同一條河流的連續(xù)河段，在影響底棲動(dòng)物生長(zhǎng)的多個(gè)因素中，流速和水深沿河道變化較小，水體質(zhì)量也比較接近，因此各河段底棲動(dòng)物差異性分析中可以忽略這些因素，認(rèn)為底棲動(dòng)物生長(zhǎng)狀況的差異主要是由于不同的底棲環(huán)境(由河床底質(zhì)和水生植被所構(gòu)成)所引起的［11］。卵礫石生態(tài)河床河段底質(zhì)為卵礫石和金魚藻，而自然河床河段則是淤泥。在由卵礫石和金魚藻構(gòu)成的底棲環(huán)境中，大型底棲無脊椎動(dòng)物的種類豐富，這是因?yàn)槁训[石底質(zhì)穩(wěn)定，而且其表面有利于附著型底棲生物的生長(zhǎng)，如仙女蟲、蛭類、渦蟲和螺類等;河底沉水植物金魚藻為小型螺類提供了繁殖和生長(zhǎng)的場(chǎng)所，也是水生昆蟲、幼蟲和仙女蟲類的喜好聚集地區(qū)。淤泥底棲環(huán)境中大型底棲無脊椎動(dòng)物的數(shù)量密度和種類均較小，這說明創(chuàng)造多樣性的底棲環(huán)境對(duì)大型底棲無脊椎動(dòng)物生長(zhǎng)分布有重要影響。

表1 試驗(yàn)河段大型底棲無脊椎動(dòng)物分布情況

表2 試驗(yàn)河段大型底棲無脊椎動(dòng)物統(tǒng)計(jì)

2.2.3 附著微生物

試驗(yàn)河道內(nèi)的pH 值為7.1～7.8，適合絕大部分氮循環(huán)細(xì)菌的生長(zhǎng);溶解氧為2.20～4.86 mg/L，提供了好氧的環(huán)境供細(xì)菌生長(zhǎng);取樣期間水溫基本為20～35℃，也基本保證了細(xì)菌的正常生長(zhǎng)［12］。試驗(yàn)河段介質(zhì)表面附著細(xì)菌情況見表3。水體中由于缺少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，氮循環(huán)細(xì)菌的數(shù)量較少;而河床底泥中富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，故細(xì)菌數(shù)量明顯較高;卵礫石、護(hù)岸材料和水生植物表面均存在一定厚度的生物膜，附著生長(zhǎng)了一定數(shù)量的細(xì)菌?？梢钥闯?，河道中的介質(zhì)(包括自然的和人工的)為微生物的繁殖生長(zhǎng)提供了良好的附著環(huán)境，介質(zhì)上附著的有機(jī)物質(zhì)成為微生物的重要營(yíng)養(yǎng)來源，微生物逐漸在介質(zhì)表面聚集生長(zhǎng)以致形成生物膜，河水中的有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)進(jìn)而被生物膜吸附，通過微生物的生理作用得以去除。

表3 試驗(yàn)河段介質(zhì)表面附著細(xì)菌統(tǒng)計(jì) 萬個(gè)/cm2

從表3可以發(fā)現(xiàn)，各附著介質(zhì)表面細(xì)菌數(shù)量從多到少依次為卵礫石、沉水植物、挺水植物、浮水植物、生態(tài)混凝土、木樁和石籠。卵礫石覆蓋于河床底部，比表面積很大，大量有機(jī)碎屑沉積于其表面，因而具有較大的細(xì)菌數(shù)量;水生植物特別是沉水植物金魚藻具有巨大的比表面積，容易吸附大量有機(jī)物質(zhì)［13］，而且通過光合作用能提供細(xì)菌生長(zhǎng)所需的好氧環(huán)境，所以也非常適宜細(xì)菌生長(zhǎng)。

3 結(jié) 論

a.砂礫石生態(tài)河床河段對(duì)污染物質(zhì)的截留效果明顯好于自然河床河段的，對(duì)氨氮和總磷的截留率可分別達(dá)到37%和25%，表明卵礫石生態(tài)河床的構(gòu)建可顯著提高河道的自凈能力。

b.卵礫石生態(tài)河床河段中的水生植物呈現(xiàn)出多樣化的群落特征，水生植被生長(zhǎng)密度和覆蓋率均達(dá)到良好的水平。

c.卵礫石生態(tài)河床河段中的大型底棲無脊椎動(dòng)物在敏感物種數(shù)、分類單元數(shù)和生物數(shù)量密度等方面均優(yōu)于自然河床河段的，其卵礫石與沉水植物相結(jié)合的河床為底棲動(dòng)物生長(zhǎng)創(chuàng)造了適宜的生境條件。

d.各種附著介質(zhì)表面的細(xì)菌數(shù)量從多到少依次為卵礫石、沉水植物、挺水植物、浮水植物、生態(tài)混凝土、木樁和石籠，表明卵礫石生態(tài)河床河段為附著生物提供了良好的附著介質(zhì)，上述規(guī)律也為生態(tài)工程的材料選擇提供了一定的參考依據(jù)。

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