水源地人工濕地水質(zhì)凈化效果及其對(duì)浮游植物的影響

葉之穎，蘇營(yíng)營(yíng)，張海平,*

(1. 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2. 浙江省嘉興生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江嘉興 314001)

浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力，其群落結(jié)構(gòu)對(duì)水體環(huán)境變化響應(yīng)非常靈敏，能夠用來(lái)反映水體的水質(zhì)特征[1]。通常認(rèn)為，浮游植物生長(zhǎng)主要受到營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫、光照和水動(dòng)力的影響，其群落結(jié)構(gòu)更是會(huì)受到水體中各種理化因子和生物因子，甚至是人工措施的影響[2-3]。浮游植物功能類群分類法由Reynolds等[4]提出，Padisák等[5]完善，劃分出若干個(gè)功能類群，可以區(qū)別大部分淡水藻類的適宜生境。該方法在研究河流、湖泊、水庫(kù)的浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征時(shí)被廣泛應(yīng)用[1,6-7]。

近年來(lái)我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重，在2018年監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的107個(gè)湖泊(水庫(kù))中，輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占23.4%，中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占5.6%[8]。水體富營(yíng)養(yǎng)化不僅對(duì)水域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，藻類在水源地大量繁殖還會(huì)對(duì)飲用水安全產(chǎn)生威脅[9]。人工濕地作為飲用水源地的凈化措施已有許多應(yīng)用實(shí)例[10]。人工濕地對(duì)懸浮顆粒物的去除效果很好，可以達(dá)到90%以上，氮磷去除效率相對(duì)較低，一般接近50%，在適宜的條件下可以達(dá)到更高[11]，但人工濕地也存在水力停留時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，對(duì)水體內(nèi)浮游植物的生長(zhǎng)也有多方面的影響。在中小試驗(yàn)系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，人工濕地對(duì)浮游植物有一定的去除效果[12-13]，特定條件下的除藻率可達(dá)到80%[14]。濕地內(nèi)的浮游植物豐度和群落結(jié)構(gòu)變化能夠反映出人工濕地的凈化效果和對(duì)生境的改變。目前，關(guān)于人工濕地的水質(zhì)凈化效果和對(duì)浮游植物影響的研究大多是在中小尺度的試驗(yàn)控制下進(jìn)行，但在工程應(yīng)用中的大型人工濕地水源地的研究較少。

本研究以嘉興市水源地石臼漾濕地和貫涇港濕地兩個(gè)人工濕地為研究對(duì)象，分析濕地內(nèi)的水質(zhì)變化特征和浮游植物分布特征，探究人工濕地凈化對(duì)浮游植物生長(zhǎng)和群落結(jié)構(gòu)的影響，為人工濕地水源地的建設(shè)和管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

石臼漾濕地和貫涇港濕地位于浙江省嘉興市境內(nèi)，均為人工濕地，是嘉興市的重要水源地。石臼漾濕地占地約1.1 km2，從新塍塘取水，供給石臼漾水廠[15]；貫涇港濕地占地約為2.5 km2，從南郊河內(nèi)取水，供給南郊貫涇港水廠[16]。兩個(gè)人工濕地的凈化流程可分為4個(gè)功能區(qū)塊，即預(yù)處理區(qū)、濕地根孔凈化區(qū)、深度凈化區(qū)及引水區(qū)。

1.2 采樣點(diǎn)和采樣時(shí)間

2019年3月—5月，分別在濕地的進(jìn)水處、根孔凈化區(qū)出水處和深度凈化區(qū)出水處設(shè)置采樣點(diǎn)。S1～S3為石臼漾濕地采樣點(diǎn)，如圖1(a)所示，其中，S1位于進(jìn)水處，S2位于濕地根孔凈化區(qū)出水處，S3位于水廠取水處；G1和G2為貫涇港濕地采樣點(diǎn)，如圖1(b)所示，其中，G1位于濕地進(jìn)水處，G2位于根孔凈化區(qū)出水處。水質(zhì)采樣的時(shí)間為3月27日—5月27日，每周1次，共采樣10次。浮游植物的采樣日期為3月27日、4月2日、4月17日和5月22日。

圖1 石臼漾濕地采樣點(diǎn)布設(shè)(a)和貫涇港濕地采樣點(diǎn)布設(shè)(b)Fig.1 Map and Sampling Sites in Shijiuyang Wetland (a) and Guanjinggang Wetland (b)

1.3 樣品采集與分析

浮游植物的測(cè)定指標(biāo)包括豐度和群落結(jié)構(gòu)。采集離水面0.5 m處的表層水樣1 L，用15 mL魯哥氏液固定，避光保存帶回實(shí)驗(yàn)室分析。靜置48 h后使用虹吸法濃縮至50 mL，使用Motic BA310顯微鏡和0.1 mL浮游植物計(jì)數(shù)框，使用視野法，在10×40倍鏡下計(jì)數(shù)。浮游植物鑒別參考《中國(guó)淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[17]、《中國(guó)淡水生物圖譜》[18]。浮游植物均鑒別到屬。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度

圖2 人工濕地凈化前后氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化Fig.2 Change of Nitrogen Nutrient Concentration in Constructed Wetlands

兩個(gè)濕地各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化如圖2所示。S1的平均TN質(zhì)量濃度為2.81 mg/L，S2為2.76 mg/L，S3為2.78 mg/L，總體而言，石臼漾濕地進(jìn)出水TN濃度變化不大，TN的凈化效果不明顯。貫涇港濕地進(jìn)水區(qū)G1的平均TN質(zhì)量濃度為3.43 mg/L，G2為3.04 mg/L，平均去除率為10.9%。

兩個(gè)濕地各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化如圖3所示。石臼漾濕地S1平均TP質(zhì)量濃度為0.23 mg/L，S2為0.18 mg/L，S3為0.12 mg/L，平均去除率為45.3%；貫涇港濕地G1的平均TP質(zhì)量濃度為0.18 mg/L，G2為0.14 mg/L，平均去除率為21.4%。水流經(jīng)過(guò)S1→S2→S3，TP濃度逐漸降低，根孔凈化區(qū)和深度凈化區(qū)均對(duì)TP有較好的去除效果。

圖3 人工濕地凈化前后磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化Fig.3 Change of Phosphorus Nutrient Concentration in Constructed Wetlands

2.2 濁度

濁度是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要光學(xué)指標(biāo)，主要受到水中懸浮顆粒物、浮游植物、浮游動(dòng)物等影響。由圖4可知，石臼漾濕地的進(jìn)水濁度較高，經(jīng)過(guò)人工濕地凈化后，濁度大幅度下降。石臼漾濕地S1的濁度為34～102 NTU，S2的濁度為27～61 NTU，S3的濁度為17～37 NTU，平均去除率為57.0%。水流經(jīng)過(guò)S1→S2→S3，水體濁度逐步降低，根孔凈化區(qū)和深度凈化區(qū)均對(duì)濁度有較好的凈化效果。貫涇港濕地的進(jìn)水濁度比石臼漾濕地低，經(jīng)過(guò)濕地凈化后濁度也在一定程度上降低。G1的濁度為11～33 NTU，G2的濁度為14～21 NTU，平均去除率為22.5%。

2.3 葉綠素a

葉綠素a是表征水體中浮游植物數(shù)量的重要指標(biāo)。如圖5所示，在石臼漾濕地中，S1和S2的葉綠素a濃度相近，而S3的葉綠素a濃度則明顯高于S1和S2，最高達(dá)到了25.4 μg/L。在貫涇港濕地中， 由于深度凈化區(qū)水域較小，G1和G2的葉綠素濃度相近。總體而言，兩個(gè)人工濕地的葉綠素a濃度呈現(xiàn)出“深度凈化區(qū)>根孔凈化區(qū)≈進(jìn)水區(qū)”的特征。

2.4 浮游植物群落結(jié)構(gòu)

在石臼漾濕地中共鑒定出藻類7門(mén)71屬，其中，綠藻門(mén)最多，有28屬，占總屬數(shù)的39.4%；硅藻門(mén)次之，有20屬，占28.2%；再之后為藍(lán)藻門(mén)10屬，裸藻門(mén)5屬，金藻門(mén)4屬，隱藻門(mén)2屬，甲藻門(mén)2屬。在貫涇港濕地中共鑒定出藻類7門(mén)62屬，其中，綠藻門(mén)最多，有24屬，占總屬數(shù)的38.7%；硅藻門(mén)次之，有18屬，占29.0%；再之后為藍(lán)藻門(mén)8屬，裸藻門(mén)5屬，金藻門(mén)3屬，隱藻門(mén)2屬，甲藻門(mén)2屬。兩個(gè)人工濕地的浮游植物種屬構(gòu)成基本一致。

兩個(gè)人工濕地的5個(gè)采樣點(diǎn)在4個(gè)采樣日期的藻類優(yōu)勢(shì)種如表1所示。兩個(gè)人工濕地的優(yōu)勢(shì)種屬基本一致，主要優(yōu)勢(shì)種屬為隱藻屬(Cryptomonassp.)、藍(lán)隱藻屬(Chroomonassp.)、小環(huán)藻屬(Cyclotellasp.)、四星藻屬(Tetrastrumsp.)和衣藻屬(Chlamydomonassp.)。除3月27日和4月17日的G1外，第一優(yōu)勢(shì)種均為隱藻門(mén)的隱藻屬或藍(lán)隱藻屬，這說(shuō)明隱藻門(mén)在兩個(gè)人工濕地相比其他藻類占更大的優(yōu)勢(shì)。3月27日G1的第一優(yōu)勢(shì)種為黃群藻，相對(duì)豐度為20.9%；第二優(yōu)勢(shì)種席藻的相對(duì)豐度為17.6%；第三優(yōu)勢(shì)種隱藻的相對(duì)豐度為12.5%。4月17日G1的第一優(yōu)勢(shì)種為束絲藻，相對(duì)豐度為22.0%；第二優(yōu)勢(shì)種隱藻的相對(duì)豐度為18.4%。G1位于人工濕地進(jìn)水區(qū)，該處的浮游植物群落結(jié)構(gòu)易受到上游來(lái)水的影響，但經(jīng)過(guò)濕地凈化后，G2的第一優(yōu)勢(shì)種分別為藍(lán)隱藻和隱藻，這表明經(jīng)過(guò)人工濕地凈化，浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。

3 討論

3.1 影響浮游植物生長(zhǎng)的水質(zhì)因子

氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是藻類生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，但營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)藻類生長(zhǎng)的促進(jìn)作用有濃度上限，超過(guò)一定濃度后，藻類生長(zhǎng)已有足夠的營(yíng)養(yǎng)，營(yíng)養(yǎng)鹽不再是藻類生長(zhǎng)的限制條件。在太湖，氮的閾值為1.8 mg/L，磷的閾值為0.2 mg/L[19]。5個(gè)采樣點(diǎn)的TN濃度范圍均高于氮的濃度閾值1.8 mg/L，不受氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度限制。石臼漾濕地和貫涇港濕地進(jìn)水的TP質(zhì)量濃度分別為0.15～0.31 mg/L和0.12～0.31 mg/L，對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)為磷限制與不受磷限制間波動(dòng)；經(jīng)過(guò)人工濕地凈化后，TP質(zhì)量濃度分別是0.08～0.15 mg/L和0.10～0.19 mg/L，可以認(rèn)為，兩個(gè)濕地出水的藻類生長(zhǎng)都表現(xiàn)為磷營(yíng)養(yǎng)鹽限制。因此，從營(yíng)養(yǎng)鹽角度來(lái)看，經(jīng)過(guò)人工濕地凈化后藻類的營(yíng)養(yǎng)限制類型由“磷限制與不受磷限制間波動(dòng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤傲紫拗啤薄?/p>

兩個(gè)人工濕地的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度都是出水低于進(jìn)水，而葉綠素a濃度卻呈現(xiàn)出“深度凈化區(qū)>根孔凈化區(qū)≈進(jìn)水區(qū)”的特征。一般而言，影響浮游植物生長(zhǎng)的主要因素包括營(yíng)養(yǎng)鹽、水溫、光照和水流條件。在營(yíng)養(yǎng)鹽降低的不利條件下，葉綠素濃度和藻類數(shù)量反而增加，這說(shuō)明其他因素在人工濕地中對(duì)藻類生長(zhǎng)產(chǎn)生了更大的影響。經(jīng)過(guò)人工濕地凈化后，水體濁度大幅降低，透明度提高，水體中的浮游植物可接收到的光照強(qiáng)度增大。另外，深度凈化區(qū)水域?qū)拸V，流速放緩，水力停留時(shí)間更長(zhǎng)?，F(xiàn)有研究表明，較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間有利于藻類生長(zhǎng)[20-21]。因此，人工濕地建設(shè)中應(yīng)關(guān)注藻類增殖問(wèn)題，合理控制水力停留時(shí)間。

3.2 浮游植物群落對(duì)人工濕地水質(zhì)處理的響應(yīng)

兩個(gè)濕地的主要優(yōu)勢(shì)種屬為隱藻、藍(lán)隱藻、小環(huán)藻、四星藻、衣藻。根據(jù)Reynolds等[4]和Padisák等[5]的浮游植物功能群分類法，隱藻屬于Y，適宜靜水環(huán)境，對(duì)不同生境有廣泛的適應(yīng)性；藍(lán)隱藻和衣藻均屬于X2，適宜中、富營(yíng)養(yǎng)的淺水水體；小環(huán)藻屬以梅尼小環(huán)藻為主，屬于C，適宜中小型富營(yíng)養(yǎng)淺水湖泊；四星藻屬于J，適宜高營(yíng)養(yǎng)的混合淺水。S3監(jiān)測(cè)點(diǎn)的隱藻和藍(lán)隱藻均為第一和第二優(yōu)勢(shì)種，這說(shuō)明該區(qū)域適宜這兩種藻類生長(zhǎng)，符合功能類群生境描述的靜水環(huán)境和中、富營(yíng)養(yǎng)的淺水水體。使用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評(píng)價(jià)2017年和2018年兩個(gè)人工濕地的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，在春季兩個(gè)濕地均處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，符合X2類群的棲息地生境特征。梅尼小環(huán)藻和四星藻的類群棲息地生境特征也可與淺水中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的人工濕地對(duì)應(yīng)。除了3月27日和4月17日的G1外，其余時(shí)間的各采樣點(diǎn)第一優(yōu)勢(shì)種均為隱藻或藍(lán)隱藻，這兩種藻類在這兩個(gè)濕地水域范圍內(nèi)有較好的適應(yīng)性。

表1 各采樣點(diǎn)的浮游植物的優(yōu)勢(shì)種及其百分比Tab.1 Dominant Species and Percentage at Each Sampling Site

3月27日G1的第一優(yōu)勢(shì)種為束絲藻，屬于H1，適合富營(yíng)養(yǎng)的低氮淺水湖泊；4月17日G1的第一優(yōu)勢(shì)種為黃群藻，屬于WS，適合高有機(jī)物濃度的小型水體。G1位于濕地進(jìn)水區(qū)，受進(jìn)水水質(zhì)的影響較大，但經(jīng)過(guò)濕地凈化后，G2處藍(lán)隱藻和隱藻的豐度百分比變大，分別成為3月27日和4月17日的第一優(yōu)勢(shì)種，生境向中、富營(yíng)養(yǎng)的低流速淺水水體轉(zhuǎn)變。人工濕地凈化改變了水體生境，影響藻類群落結(jié)構(gòu)，促使石臼漾濕地和貫涇港濕地的優(yōu)勢(shì)種屬向藍(lán)隱藻和隱藻轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論

(2)經(jīng)濕地凈化后，水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降低，但由于水體透明體提升，深度凈化區(qū)水流緩慢，水力停留時(shí)間長(zhǎng)，出水處的葉綠素a濃度和藻類數(shù)量都明顯增加。因此，人工濕地建設(shè)中應(yīng)關(guān)注藻類增殖問(wèn)題，合理控制水力停留時(shí)間。

(3)從浮游植物功能群的適宜生境來(lái)看，兩個(gè)濕地總體上為中、富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的低流速淺水水體。濕地進(jìn)水區(qū)的浮游植物群落易受到上游來(lái)水的影響，但人工濕地凈化可改變水體生境，影響藻類群落結(jié)構(gòu)，促使石臼漾和貫涇港濕地的優(yōu)勢(shì)種屬向藍(lán)隱藻和隱藻轉(zhuǎn)變。