, 张群1, 刘家霖1, 张春松1, 武长路2, 宋晴1, 崔心红1
1. 上海市园林科学规划研究院, 国家林业和草原局城市困难立地生态园林重点实验室, 上海市城市困难立地绿化工程技术研究中心, 上海 200232;
2. 复旦大学生命科学学院生物多样性科学研究所, 生物多样性和生态工程教育部重点实验室, 上海 200433
收稿日期: 2021-01-21; 修回日期: 2021-02-23
基金项目: 上海市科委科技创新行动计划（No.19DZ1204505）
作者简介: 朱义(1982-), 男, 高级工程师, E-mail: zhuyi0816@163.com
通讯作者（责任作者）: 崔心红(1964—), 男, 教授级高工, 上海市园林科学规划研究院副院长, 长期从事水生植物与受损湿地修复研究.先后获上海市科学技术进步一等奖和三等奖、国家林业局梁希科学技术进步三等奖等省部级科技奖励8项, 发表论文近100篇. E-mail: kysxinhongcui@163.com
摘要：河道沿岸用地状况对水环境质量和水生态系统健康产生重要影响，水体光衰减特征对沉水植物定居生长具有重要意义.通过以建设闲置区、居住商业区、非居住商业区等不同沿岸用地状况中小河道为研究对象，分析了上海市130个中小河道调查区段的水环境和水下光环境指标.结果表明，上海市中小河道调查区段水体光衰减系数（Kd（PAR））的分布范围为1.243~7.592 m-1，河道沿岸不同用地状况对Kd（PAR）具有较大影响，建设闲置区显著大于非居住商业区和居住商业区.总固体悬浮物是导致上海市中小河道水体光衰减的主要因素，但不同沿岸用地状况之间引起水体光衰减的主导因子存在差异：因处在建设开发阶段或表土裸露状态，建设闲置区的水体光衰减主导因子为总固体悬浮物，而非居住商业区、居住商业区的水体Kd（PAR）则受到总固体悬浮物、有机污染和营养盐等共同影响.总体上，总磷和叶绿素a随总固体悬浮物浓度增加表现为先增加后降低趋势.沉水植物定居光环境的最大水深Zmacrophytes分布范围为0.462~2.821 m，结合中小河道水深判定水下光照强度不足严重制约沉水植物恢复，并且浊度与Kd（PAR）的相关性显著.建设闲置区、居住商业区、非居住商业区等沿岸用地状况水体浊度与Kd（PAR）的相关系数分别为0.785、0.738、0.646，可作为判定沉水植物定植光照强度及适宜生长区的易操作定量指标.
关键词：中小河道河岸带用地状况沉水植物漫衰减系数生态修复
Effects of riparian land use on underwater light intensity of submerged macrophytes colonization in middle-small rivers
ZHU Yi1,2
, ZHANG Qun1, LIU Jialin1, ZHANG Chunsong1, WU Changlu2, SONG Qing1, CUI Xinhong11. Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Ecological Landscaping of Challenging Urban Sites, Shanghai Engineering Research Center of Landscaping on Challenging Urban Sites, Shanghai Academy of Landscape Architecture Science and Planning, Shanghai 200232;
2. Ministry of Education Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering, Institute of Biodiversity Science, School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai 200433
Received 21 January 2021; received in revised from 23 February 2021;
Abstract: Different land use condition along the river course has a profound impact on the quality of water environment and the health of aquatic ecosystems. Light penetration in water bodies is a decisive factor in the settlement and the growth of submerged macrophytes. In this study,130 small and middle-sized urban river sections in Shanghai were selected to investigate their water qualities and light penetration variables in water. Land use conditions are divided into idle areas for further constructions (IAC),residential commercial area (R & C),and non-R & C areas. The result shows that the distribution of the light penetration coefficient Kd(PAR) in our sampled sections are 1.243~7.592 m-1. Different land use conditions have significant impacts on Kd(PAR),where IAC shows a stronger impact than that of non-R & C and R & C. Total suspended solid is the primary factor affecting the light penetration in Shanghai's small and middle-sized rivers. But co-decisive factors will be changed along with different land use conditions. Due to the IAC development in terms of exposed topsoil,total suspended solid is the leading factor in water light penetrations. In R & C and non-R & C,the Kd(PAR) can be also jointly affected by biochemical oxygen demand and chlorophyll a. In general,total phosphorus and chlorophyll were given an increasing trend initially and then decreased with the total suspended solid concentrating. The distribution range ofZmacrophytes for the settlement of submerged plants is 0.462~2.821 m. The range is judged based on the real depth of sampling rivers. We observe insufficient underwater light radiations greatly restrict submerged plant's restoration. Turbidity in water has a strong positive correlation with Kd(PAR). Correlation coefficients of turbidity and Kd(PAR) for IAC,R & C,and non-R & C are 0.785,0.738,0.646. It is further recommend that turbidity and water depths,as easily-obtained indicators,can be applied for the justification of water light environments and suitable growth places for submerged macrophytes.
Keywords: small and middle-sized riversriparian land use conditionssubmerged macrophytesdiffuse penetration coefficientecological restoration
1 引言(Introduction)由于近几十年来人为活动的影响, 内陆河、湖生态系统普遍存在营养盐浓度升高、污染物积累和面积缩减、生物多样性降低等水环境恶化与生态退化问题.其中, 城市化区域河湖的有机物污染、富营养化和水体浑浊等现象尤为严重, 针对性实施水质改善和生态修复综合治理因此受到广泛关注.水环境与水生态之间的相互关系作为当前水域生态学研究的重点领域和热点问题, 国内外****在河流综合治理发展途径方面逐渐取得共识：在水质目标管理取得阶段性成效基础上, 逐步将恢复生态系统完整性作为修复目标(单保庆等, 2015；Birk et al., 2017).在受损生态系统修复中, 明确关键生物类群的定居、生长与建群过程及其主要限制性因子是重要基础和关键问题(Baattrup-Pedersen et al., 2016；Sui et al., 2020).大型水生植物是水域生态系统的重要组成部分, 沉水植物作为水域和沉积物交换界面的重要初级生产者, 具有抑制颗粒悬浮物、持续改善水质、提供水生动物栖息空间、稳定生态系统等功能, 所以恢复沉水植物成为水生态修复的有效技术措施之一(秦伯强等, 2005；Machay et al., 2010).研究表明, 影响沉水植物恢复的首要限制性环境因子是水位深度及水下光照强度(崔心红等, 1999；2000；吴明丽等, 2012).因此, 阐明河流有机污染、营养盐等水环境指标对水体光衰减及沉水植物定居光环境的影响, 可为沉水植物恢复与河流健康评价提供重要科学依据.
光照是影响生态系统的重要控制因素之一, 水下光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation, PAR)会影响沉水植物生理、形态特征和分布格局.水中有色溶解性有机物、浮游植物和悬浮颗粒物等对入射光可产生吸收、散射效应, 导致光量子强度随水深增加呈指数递减, 通常以光合有效辐射衰减系数Kd(PAR)表征水体光衰减总效应(张运林等, 2005；2011；时志强等, 2013).一般认为水下光强不足入射光PAR的1%, 为水域净初级生产力的临界深度, 称为真光层深度(Zeu)；入射光PAR的3%满足沉水植物的定植水深称为Zmacrophytes.水体清澈程度及水下光环境作为沉水植物恢复的前提条件, 是水生态系统健康状况的主要衡量指标(Puczko et al., 2018), 已有相关研究将Zmacrophytes作为水域生态健康及休闲游憩服务供给的重要评价指标(Teubner et al., 2020).以往有关内陆水体光衰减的研究主要以大型浅水富营养化湖泊或水库为对象, 而平原河网地区中小河道数量众多且处于汇水区源头, 是调蓄雨洪、改善水环境、保护生物多样性、提供居民休闲游憩功能的重要生态空间(袁雯等, 2007).因此, 开展平原河网地区中小河道沉水植物定居光环境研究将有利于科学实施中小河道生态修复.
与自然水域或大型湖泊相比, 城市化区域河流两侧的工农业、居住商业和绿林地等生产、生活、生态空间交错分布, 从而导致城市中小河道的有机污染、富营养化、水土流失等水生态健康胁迫因子更加复杂(Neiff et al., 2014；Guida-Johnson et al., 2017；曹昌丽等, 2018).基于此, 本文以上海市中小河道为研究对象, 分析沿岸不同用地类型对水环境及沉水植物定居光环境的影响, 探究有机污染、营养盐、悬浮颗粒物与Kd(PAR)、Zmacrophytes之间的相互关系, 以期为中小河道水质改善和沉水植物修复提供重要科学依据.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 研究区域概况上海市地处长江口平原河网地带, 共有河道(湖泊)47332条(个), 河道(湖泊)面积共635.7938 km2, 河湖水面率为9.98%, 河网密度为4.71 km·km-2.通过设置14个水利片区, 进行排涝引水、水质改善的“分区、分类、分级”调控管理, 2015年推行“河长制”对沿河两侧1 km范围开展了包括污染源整治、底泥疏浚、驳岸生态改造等综合环境治理, 2019年水质为Ⅴ类及优于Ⅴ类的监测断面约达96.44%.中小河道河宽约10~20 m, 水深约1.5~1.8 m, 两岸通常设置宽6 m以上主要用于河岸带绿化的陆域控制线.因沿岸居住商业、产业、建设开发闲置区等不同土地利用类型分布, 导致汇水区内植被覆盖、人为活动排放、地表径流冲刷等呈现区段化差异, 在保障水质稳定改善的基础上, 实施小流域分区恢复水生态功能成为水环境综合治理目标.
2.2 调查区段设置由于雨污混接、泵站放江、防洪排涝等河道区段的污染负荷高、瞬时流速较大, 不适宜作为沉水植物恢复区域, 本研究选择的调查区段距离上述设施500 m以上.由于沿岸带生活区、生产区和建设闲置区对有机污染、营养盐和水土流失等影响差异较大, 本研究利用Google Earth影像目视判读并结合现场踏查, 将沿河两侧1 km范围内土地利用状况进行分区段统计, 其中, 沿岸用地状况划分为3个类型：①居住商业区(RC, N=47), 沿岸为居住和商业功能区, 植被覆盖率为35%~50%；②非居住商业区(nonRC, N=60), 沿岸为仓储用地或产业园区, 植被覆盖率为30%~40%；③建设闲置区(ND, N=23), 沿岸为建设开发或闲置土地, 植被覆盖率为10%~20%.在全市选择45条中小河道, 每个调查区段为沿河长度50 m, 共计130个调查区段(图 1).
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 沿岸不同用地状况的上海中小河道调查区段分布 Fig. 1Distribution of survey sections of Shanghai middle-small rivers with different land use conditions |
2.3 指标测定在每个调查区段设置3个间距超过15 m的现场测定点和水样采集点, 每个现场测定点分别在水面以下0.5 m水深处, 利用Hach Hyrolab DS 5多参数水质分析仪现场测定酸碱度(pH)、电导率(EC)、溶解氧(DO)等指标, 采用Merck Turbiquant 1100IR散射光比浊法测定浊度(Turb).采用Li-1500 192SA水下光量子仪在调查区段的3个现场测定点, 分别在水面以下0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m处测定光合有效辐射强度(PAR), 利用指数回归(式(1))计算水体有效光辐射的衰减系数Kd(PAR), 当回归效果满足R2≥0.95, 深度数N≥5, 其Kd(PAR)值被接受, 否则视为无效值(张运林等, 2005).
 | (1) |
 | (2) |
采集水样经预处理后, 高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、总固体悬浮物(TSS)等水质指标测定采用相关国标或行业测定方法, 叶绿素a(Chl a)测定采用90%丙酮提取分光光度计法.
2.4 数据分析与统计每个调查区段的指标值采用3个调查点的测定平均值, 以平均值±3倍标准差判定异常值, 采用Shapiro-Wilk检验响应变量正态性, 河岸带用地状况之间显著性差异及多重比较, 采用方差分析、Tukey HSD检验与Kruskal-Wallis秩和检验；选取130个调查区段的8个环境变量, 即Kd(PAR)、TSS、CODMn、BOD5、NH3-N、TN、TP和Chl a进行主成分分析.数据统计分析软件与作图分别采用Excel 2019、R 4.0.3和SigmaPlot 14.
3 结果(Results)3.1 沿岸不同用地状况的Kd(PAR)和浊度上海市中小河道调查区段水体光衰减系数Kd(PAR)的分布范围为1.243~7.592 m-1, 其中, 建设闲置区(ND)为2.915~7.592 m-1, 非居住商业区(nonRC)为1.243~6.473 m-1, 居住商业区(RC)为1.258~5.416 m-1；河岸带不同用地状况对Kd(PAR)的影响达到极显著差异水平(p < 0.01), 多重比较Tukey HSD检验表明(图 2a), 建设闲置区的Kd(PAR)极显著大于其他两类用地(p < 0.01), 非居住商业区的Kd(PAR)显著大于居住商业区(p < 0.05).采用散射光比浊法测定的浊度与Kd(PAR)保持一致, 不同用地状况的浊度具有极显著性差异(p < 0.01), 建设闲置区的浊度极显著大于其他两类用地(p < 0.01), 非居住商业区与居住商业区之间无显著性差异(p>0.05)；3类河岸带相同用地状况下浊度与Kd(PAR)的Pearson相关系数分别为0.785、0.738、0.646(图 2b), 相关性显著(p < 0.01).
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 上海中小河道沿岸不同用地状况的Kd(PAR)和浊度 (英文小写字母表示河岸带不同用地状况的多重比较在p=0.05水平存在显著性差异, R为Spearman相关系数) Fig. 2Kd(PAR) and turb of different land use in riparian zone of middle-small rivers in Shanghai |
上述结果表明, 上海市中小河道河岸带不同用地状况对水体光衰减影响较大, 河道沿岸用地状况处在建设开发阶段区段的水体光衰减系数显著高于其它类型区段, 采用散射光比浊法测定的浊度与光衰减系数具有较高的相关性..本研究记录到沉水植物调查区段共计27个, 仅占总调查区段的20.8%, 其中, 浊度为0~10、10~20、20~30 NTU记录的沉水植物区段个数分别为16、4、2个, 验证了沉水植物主要分布在光衰减系数较低的水域(Kd(PAR) < 4 m-1), 浊度可作为指导沉水植物恢复的光环境指标.
3.2 沿岸不同用地状况的水化学指标、Chl a和TSS作为河湖水质考核的CODMn、BOD5、NH3-N和TP等指标, 上海市中小河道总体上有机污染浓度控制在地表水Ⅴ类限值以内；营养盐方面, 在沿岸用地为非居住商业区(nonRC)和居住商业区(RC)存在部分调查区段的NH3-N和TP浓度大于地表水Ⅴ类限值, 所有调查区段的TN浓度大于地表水Ⅴ类限值.Kruskal-Wallis检验表明(图 3a和图 3b), 不同用地状况对CODMn和NH3-N具有显著影响(p < 0.05), 其中, 建设闲置区(ND)的均值最大, BOD5和TN、TP等指标在河岸带不同用地状况之间无显著性差异(p>0.05).总颗粒悬浮物和浮游植物作为影响水下光环境的主要指标, 如图 3c所示, 建设闲置区的TSS极显著高于其它两类用地(p < 0.01), 非居住商业区的TSS显著高于居住商业区(p＞0.05)；不同用地状况之间的水体Chl a浓度无显著性差异(p>0.05), 130个调查区段水体Chl a均值和中位值分别为18.130 μg·L-1和11.268 μg·L-1.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 上海市中小河道沿岸不同用地状况的CODMn、NH3-N和TSS (英文小写字母表示河岸带不同用地状况的多重比较在p=0.05水平存在显著性差异；实线表示两个变量的曲线拟合, 虚线为95%置信区间) Fig. 3CODMn, NH3-N and TSS of different land use in riparian zone of middle-small rivers in Shanghai |
上述结果表明, 上海市中小河道有机污染得到有效改善, 建设闲置区处在建设开发或土地裸露状态, 水土流失可能导致水体TSS、CODMn和NH3-N浓度升高；同时, 氮、磷元素作为影响浮游植物生物量的主要营养物质, 当水体TN浓度较大时, 磷可能成为水体富营养化水平的限制因子, 地表径流冲刷TSS易携带TP, 总体上TP和Chl a随着TSS浓度增大呈现先增加后降低的趋势(图 3d、图 3e), TP和Chl a峰值分别出现在TSS浓度为80、40 mg·L-1时.
3.3 中小河道Zmacrophytes及水环境因子主成分分析基于水下光合辐射漫射衰减的沉水植物最大定植水深Zmacrophytes, 理论上Zmacrophytes/D>1的水域适宜进行沉水植物恢复(D为河道水深).上海中小河道水深通常约为1.50~1.80 m, 总体上Zmacrophytes分布范围为0.462~2.821 m, 其中, Zmacrophytes>1.50 m的区域主要为非居住商业区和居住商业区.如图 4a所示, 河岸带不同用地状况对lgZmacrophytes具有极显著影响(p < 0.01), 建设闲置区的lgZmacrophytes极显著小于其他两类用地(p < 0.01), 非居住商业区的lgZmacrophytes显著小于居住商业区(p < 0.05).对于130个调查区段水体, 存在Chl a浓度随Kd(PAR)增大先增加后降低的趋势(图 4b), Chl a峰值出现在Kd(PAR)为4 m-1(Zmacrophytes=0.88 m)时.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 上海中小河道沿岸不同用地状况Zmacrophytes及水环境参数主成分分析 (英文小写字母表示河岸带不同用地状况的多重比较在p=0.05水平存在显著性差异；实线表示两个变量的曲线拟合, 虚线为95%置信区间) Fig. 4Zmacrophytes of different riparian land use and Principal component analysis(PCA) on water quality parameters of middle-small rivers in Shanghai |
应用主成分分析上海市中小河道水环境因子的特征, 发现特征值大于1的主成分共有4个：第1主成分(F1)特征值为2.823, 贡献率为31.363%；第2主成分(F2)特征值为2.054, 贡献率为22.819%；第3主成分(F3) 特征值为1.155, 贡献率为12.829%；第4主成分(F4)特征值为1.096, 贡献率为12.177%；4个主成分累计方差贡献率为79.188%.按照因子载荷值大于0.5的原则, 如图 4c所示, 第1主成分和第2主成分解释了总体变量的54.2%, 主要影响因子为NH3-N、CODMn、Kd(PAR)、TP、TSS, 其中对第1主成分贡献较大的因子为NH3-N、CODMn、Kd(PAR)、TP和TSS；同时, Kd(PAR)和TSS也对第2主成分贡献较大；按照沿岸不同用地进行分组, 非居住商业区和居住商业区的水体环境差异较小, 主要以NH3-N、CODMn、TP等生活和生产排放源为主, 而建设闲置区与其它两类用地状况的水体环境存在较大差异, 主要以水土流失造成TSS浓度较大.沿岸不同用地状况Kd(PAR)与主要环境因子相关性分析表明, 在建设闲置区影响中小河道水体光衰减的主导因子为TSS；而在非居住商业区和居住商业区, 由于生活、生产导致的有机污染和营养盐, 与TSS共同影响水下光环境.
4 讨论(Discussion)本研究表明, 随着上海以控制有机污染为主的河道环境治理措施实施, 中小河道CODMn和BOD5指标总体上优于地表水Ⅴ类标准, 但在氮、磷营养盐和水土流失TSS控制方面, 由于沿岸不同用地状况之间存在差异, 导致水体光衰减、沉水植物定居光环境及其主导因子不同.城市化区域河道因高强度人为活动影响, 生境破坏、污染增加、水土流失等多种胁迫共同作用(Schafer et al., 2018；Birk et al., 2020), 导致现状自然分布的沉水植物极少, 人工栽植成为沉水植物恢复的主要措施, 提高水下光照强度是保障中小河道生态修复效果的前提条件.与长江中下游的傀儡湖、东湖等城市浅水湖泊相比(时志强等, 2013), 上海市中小河道的光衰减系数Kd(PAR)普遍较高, 分布范围为1.243~7.592 m-1.理论上Zmacrophytes/D>1的水域是沉水植物的适宜恢复区, 但本研究130个调查区段中仅有20%的区域记录到沉水植物, 主要有两方面原因：一是中小河道驳岸通常经过垂直或硬质斜坡改造, 光照充足的浅水区缺乏沉水植物定居的基质条件；二是光衰减系数Kd(PAR)导致水下光照不足, 河床区域的Zmacrophytes/D < 1, 难以满足沉水植物定居光照条件.在沿岸不同用地类型中小河道测定的浊度与光衰减系数Kd(PAR)相关性显著, 结合河岸带用地状况测定浊度、水深等指标, 可为改善水下光环境和确定沉水植物恢复适宜区提供定量依据.浊度 < 30 NTU可作为沉水植物(以苦草Vallisneria natans为主)恢复的参考指标, 相对应的Kd(PAR)和Zmacrophytes范围分别为2.5~4.5 m-1和0.8~1.4 m.
沿岸不同用地状况对上海市中小河道水体主要环境指标的影响存在差异：非居住商业区和居住商业区的水体环境基本相似, 主要以人为活动相关的有机污染和营养盐为主, 而建设闲置区主要以水土流失造成TSS浓度较高.与太湖流域浅水湖泊相似(秦伯强等, 2005；张运林等, 2005), 影响上海市中小河道Kd(PAR)的主要因子为TSS.其中, 建设闲置区由于处在建设开发阶段, 或植被覆盖率较低表土裸露, 导致超过50%的调查区段TSS大于50 mg·L-1, 是影响该区域中小河道沉水植物定居光环境的主导因子.与建设闲置区相比, 非居住商业区和居住商业区的中小河道水体TSS大多低于50 mg·L-1, 并且上海市中小河道TP浓度与TSS存在先增后减的曲线关系, 在Kd(PAR)小于4 m-1附近, 出现水体Chl a浓度较高的分布特征, 表明有机污染、营养盐和TSS可能共同影响沉水植物定居光环境.相关研究表明, 上海河道水体溶解性有机物主要来自于陆源有机物(胡雪峰等, 2001；李典宝等, 2015；叶琳琳等, 2015), TP是影响浮游植物的主要限制性营养指标(高永霞等, 2016；Dakos et al., 2019；Qin et al., 2019).因此, 在TN浓度普遍较高状况下, 为改善沉水植物定居光环境, 在中小河道沿岸不同用地分布区实施生态修复, 应区分影响水体Kd(PAR)的主要指标, 在削减地表径流冲刷TSS基础上, 进一步控制中小河道TP浓度, 明确升温季节关键生长时期沉水植物、浮游植物的相互关系, 可为中小河道生态恢复与调控提供主要依据和参数.
5 结论(Conclusions)1) 上海市中小河道的光衰减系数Kd(PAR)分布范围为1.243~7.592 m-1.河道驳岸改造导致光照充足的浅水区缺乏沉水植物定居的基质条件及河底光照不足是影响沉水植物恢复的两个主要限制性因素.
2) 沿岸不同用地状况对中小河道水环境主要指标产生较大影响, 应加强对中小河道生态修复区段的建设闲置地水土流失TSS管控, 在生活和生产区应进一步控制TP浓度, 加强春、夏季浮游植物监控.
3) 采用散射光比法测定的浊度与光衰减系数Kd(PAR)相关性显著, 现场记录沉水植物主要分布在浊度小于30 NTU的水域, 该指标结合水深可为沉水植物定植水深Zmacrophytes及适宜区域判定提供定量依据.
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