上海世博园后滩湿地生态系统构建与水质调控效应研究

来源：SCI期刊网分类：建筑论文时间：2022-01-21 09:39 热度：

摘要：摘要：上海世博园后滩是中国2010年上海世界博览会生态环境重点建设区域。后滩湿地生态系统构建历时6 个月，对后滩湿地水质特征进行了3 a多的研究，针对后滩水生态系统构建和后续维护两

　　摘要：上海世博园后滩是中国2010年上海世界博览会生态环境重点建设区域。后滩湿地生态系统构建历时6 个月，对后滩湿地水质特征进行了3 a多的研究，针对后滩水生态系统构建和后续维护两个阶段，测试分析了后滩水体溶解氧(DO)含量、化学需氧量(CODMn)、氨氮(NH3-N)含量、总氮(TN)含量和总磷(TP)含量等主要水质参数的单因子水质标识指数(Pi)和综合水质标识指数(Iwq)，并对水体氮形态进行了对比分析。结果显示，通过后滩湿地的生态净化作用，水质由V～IV类提高为III～II类;后滩湿地主要污染指标为TN，TN含量随NO3-N含量变化而变化;两阶段的Iwq差异显著(p<0.05)，目标水质所占比例随时间延续逐渐升高，湿地生态系统由适应性向稳定性过渡。该湿地生态系统构建方法与水质调控工艺对水质净化效果明显，具有良好的应用前景。

　　关键词：上海世界博览会;后滩湿地生态系统;生态修复;水质调控

　　在城市污染物迁移转化、调节城市微气候、涵养城市水源、补给城市地下水及为人类提供休闲娱乐场所等方面，城市湿地发挥着重要功能[1~3] 。目前，国内外学者对湿地水质的研究主要针对大型天然湿地[4,5] ，对城市人工湿地水质的研究基本集中在城市近郊大型湿地[6,7] ，对人口密集、人类干扰较大的城市中心的人工湿地构建、水质调控和水质变化特征的相关研究报道尚不多见。

　　后滩公园是2010上海世博公园的主要组成部分，位于上海市中心区域，面积14.2 hm2 。作为后滩公园的景观核心，后滩湿地全长1.7 km，水面面积28 000 m2 ;其水源来自黄浦江水和天然降水的原水，每天进水量为2 500 m3 ，出水量为2 400 m3 。后滩公园建设旨在改善后滩地区被严重污染的环境，利用上游水源黄浦江的劣V类～IV类水，充分发挥湿地功能，改善与净化水质，每日为世博园提供 2 400 m3 生活杂用水与绿化灌溉用水，并能长期、持续和稳定发挥水体自净功能，实现生态环境保护，形成可持续的生态景观[8] 。

　　本研究针对后滩湿地生态系统构建与后续维护的不同阶段进行水质动态监测，分析、评价其水质调控效应，为完善城市中心区人工湿地生态系统构建与水质处理工艺提供技术支撑。

　　1 材料与方法

　　1.1 后滩湿地构建工艺与水质研究阶段

　　后滩湿地于 2009 年 6 月全面通水后，构建水生态系统历时6个月。湿地构建前期，种植适生且净化能力较强的沉水植物，同时栽种越冬型、水体边坡景观性水生植物(表1);从2009年10月开始，先后投放鱼类、虾类和螺类等土著水生动物(表 2)。湿地上游以耐污性与净化能力较强的水生植物、滤食性鱼类为主;湿地中下游则配置对污染敏感性较强、生长易控制、季节上相互衔接的水生植物，并放养水生动物。通过浮游动物、水生植物、水生动物、底栖动物、土著微生物等生物操纵手段，结合沙砾滩沸石、生态坡岸等综合作用，实现水生态系统构建，目标水质为III类。

　　2009年12月～2010年2月，每月收割水生植物残体1次，且在世博会期间配备管理人员进行湿地环境维护。世博会结束后(2010 年 11 月)，仅于当年12月集中收割水生植物残体1次，实行粗放型管理模式。因此，根据后滩湿地建设与环境管理条件变化，将其水质特征参数划分为2个阶段进行研究：第一阶段为2009年6月～2010年10月(建设阶段);第二阶段为 2010 年 11 月～2011 年 10 月 (后续维护阶段)。

　　1.2 采样

　　根据水生生物配置的区域性特点，结合后滩湿地水文特性、地形、地貌和湿地形态等条件，在湿地范围的人工构筑物等生态敏感区域、区域性的重要节点处共设10个采样点进行水质监测(图 1)。各采样点具体位置列于表 3。在 2009 年 6 月至2011年10月期间，每月采水样一次。

　　水质监测采用 HL-CS 5 000 mL 有机玻璃采水器。乘船采集后滩中心区域的水样，取样平均水深为0.6 m，采样瓶规格为1 L/瓶，每个采样点重复采样3次，作为平行组。监测的水质指标包括水温、透明度、pH、溶解氧(DO)含量、化学需氧量(CODMn)、氨氮(NH3-N)、亚硝态氮(NO2-N)、硝态氮 (NO3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)等。采样方法参照河流采样技术指导和国家地表水环境质量标准。

　　1.3 数据处理与分析

　　根据后滩水生态系统与水质特点，选取DO、 CODMn、NH3-N、TN和TP含量为水质指标，应用单因子水质标识指数法[9] 和综合水质标识指数法[10] 进行水质评价。用 SPSS 13.0 软件进行相关性与差异性分析。

　　2 结果与分析

　　2.1 后滩湿地水质时空变化特征

　　由表4可知，2009年6月～2010年10月(第一阶段)，后滩综合水质标识指数(Iwq)在 2009 年和 2010 年的 6～9 月采样日都较大，在 2009 年 12 月至2010年2月较小。除了2010年2月15日和3月 15日采样点8的Iwq最大外，其余采样日都是采样点 1 的 Iwq 最大，采样点 10 的 Iwq 最小。其中，在 2009 年 6～10 月和 2010 年 8～10 月各采样日，采样点1～采样点10 的Iwq依次减小。

　　后滩湿地各采样点Iwq在夏季普遍较大，这是因为夏季雨量大，黄浦江上游和三林地区的面源污染物随地表径流进入黄浦江，进而进入后滩湿地，使后滩水体中氮、磷等营养元素大量增加，致使Iwq增大;湿地水生生物生长、代谢与更新过程中产生的残体会随水流动，逐渐分解，并再次进入水体，水体中营养盐的增加，使得后滩湿地下游的采样点6～采样点8的Iwq比其他站点下降缓慢;而采样点 9 前后设置了一段沸石、沙砾漫滩的净化工艺，利用其能够吸收水体中的氨态氮、有机物和重金属离子的特性，与越冬型水生植物共同起到较好的净化水质作用，使水质恢复稳定，因此采样点 9和采样点10的Iwq下降较快。

　　4～11月的水温、pH较适合水生生物生长;而自12月开始，气温过低，植物开始衰落，虽进行了植物残体收割，但仍有部分植物体分解，导致水体营养盐含量增加;1～2月水温最低，植物衰落、分解现象最严重，2月在采样点8水体Iwq达到峰值。 3月，气温开始回升，一方面加速剩余植物体分解，另一方面多年生植物在经过休眠期后重新萌发、生长，可重新吸收水体营养盐与污染物。

　　由此可见，在水体生态修复前期，水生态系统尚不稳定，需配合一定维护管理;同时，在湿地下游结合沸石等水体净化工艺，能有效吸收水体营养物和污染物，稳定水质。

　　参照《上海市内陆河流及水系水质常规评价技术规范(试行)》的综合水质标识指数分级标准，第一阶段中，17个采样日10个采样点中，水质为V 类水占 2.35% ，IV 类水占 27.06% ，III 类水占 58.82%，II 类水占 11.76%。综合水质由 V 类～IV 类提升为III类～II类，后滩湿地综合水质符合预期目标。

　　由表5可知，2010年11月～2011年10月(第二阶段)，所有采样日的Iwq都是采样点1最大，采样点 10最小。其中，在2010年11～2011年1月和2011 年 6～10 月各采样日，采样点 1～采样点 10 的 Iwq 是依次减小的。2011 年 3～8 月，采样点 1～采样点 3 的 Iwq在明显增加。第二阶段中，水质为 V 类水占2.50%，IV类水占25.83%，III类水占62.50%， II 类水占 9.17%。第二阶段后滩湿地综合水质由 V类～IV类提升为III类～II类，其综合水质符合预期目标。

　　比较第一阶段和第二阶段后滩湿地采样点的水质变化特征发现，第一阶段，Iwq在采样点9和采样点10降幅较大;而在第二阶段，采样点9的Iwq降幅较小，采样点10的Iwq降幅较大。由于第二阶段冬季植物收割频率比第一阶段低，进入水体的植物残体增加，使水体营养盐升高，导致采样点9的 Iwq降幅较小，但经过完整净化过程，保证了出水达到目标水质，说明在该阶段，水体生态系统结构已逐步趋于稳定，在粗放的管理维护条件下可以保证水质净化效果。

　　2.2 后滩湿地水体的主要污染物含量变化特征

　　对水体污染物指标进行单因子水质标识指数 (Pi)计算，并取各月的平均值进行比较分析可知，两个阶段水质污染的主要指标都为 TN(图 2，图 3)，且进水口处TN含量远超过V类水标准。通过后滩湿地的净化作用，出水口水体的TN和TP含量降幅较大。除TN外，出水口水体各指标都达到了III类水标准。各指标单因子水质标识指数从采样点1～采样点6依次减小。除DO含量外，其他指标在采样点8附近都有小幅增加现象。

　　2.3 后滩湿地水体各形态氮污染物变化特征

　　为深入探讨后滩湿地水体中TN含量全年持续较高的原因，在整个监测期间，对各形态氮污染物含量变化进行对比分析。为了避免因进水水质的差异所带来的误差，取湿地中下游采样点5～采样点10平均的各形态氮污染物含量，分析其在湿地作用下的变化规律。由图4可知，TN含量的动态变化与 NO3-N 含量最为相似，NH3-N 含量的变化与 NO3-N 含量基本相反，NO2-N 含量变化无明显规律，说明TN含量随着NO3-N含量而变化。第一阶段，各项氮污染指标的最低值出现在 6 月前后，显示出3月气温逐渐回升后，水生植物重新生长对冬季植物体衰败造成的二次污染的再吸收作用;第二阶段，各氮污染指标的最低值出现在4月，显示出水生植物对二次污染的吸收加速现象。由于第二阶段水生植物较第一阶段覆盖度大、群落更稳定，部分区域出现了以金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、轮叶黑藻 (Hydrilla verticillata)、苦草 (Vallisneria natans) 和微齿眼子菜 (Potamogeton maackianus)等为主的优势种现象，春季萌发的水生植物适应性更快，保证了其群落系统对水体冬季二次污染吸收效率的提高。

　　各形态氮污染物含量的监测结果显示， NH3-N、NO2-N和NO3-N含量从采样点1～采样点 10依次减小，其中NH3-N和NO2-N含量降幅较小， NO3-N本底含量较高、降幅也最大。自4月开始，水生植物生长条件适宜，对氮的吸收能力显著增强，NO3-N含量开始大幅下降。经后滩湿地作用，第一阶段和第二阶段，水体 NO3-N 含量分别由最高值 4.88 mg/L、2.93 mg/L 降低至 0.41 mg/L、0.45 mg/L，NO3-N去除率分别达91.6%和86.4%;TN含量与NO3-N含量显著相关(n=29，p<0.01)，说明后滩水生植物对水体NO3-N的利用最显著。这与黄子贤等[11] 关于4种沉水植物对水体氮去除效果研究的结果相似。因此，在城市湿地生态修复前期，可以通过降低水体NO3-N含量来达到降低TN含量的目的。

　　后滩湿地氮污染物主要为 NO3-N 和 NH3-N。其中NO3-N污染占主导，且首先被植物利用，直至 NO3-N几乎耗尽，主要污染物转变为NH3-N。这与霍元子等[12] 利用沉水植被修复滴水湖引水河道水质的研究结果一致;而与李红艳等[4] 对扎龙湿地的水质研究结果相反，产生这种差异的主要原因是，大型天然湿地比城市小型人工湿地生物资源更丰富，水生态系统更复杂、稳定，湿地具备好氧、厌氧等多种环境条件，有利于微生物对氮的转化。水生植物的种植能够显著提升景观水体中NH3-N 的去除效率[13] ，而本研究中，水生植物对后滩湿地水体 NH3-N 虽有一定吸收效果，但 NH3-N 含量是导致两阶段各月平均TN含量维持在IV类水质范围内的原因。经湿地净化后水体(即采样点10处水体)的三态氮污染物含量分别为：NH3-N含量第一阶段为 0.8～1.34 mg/L，第二阶段为 0.59～1.12 mg/L;NO3-N 含量第一阶段为 0.1～0.44 mg/L，第二阶段为 0.42～0.98 mg/L;NO2-N 含量两阶段相差不大。由此可见，在第二阶段中，NH3-N含量极端值都低于第一阶段，而 NO3-N 含量极端值都高于第一阶段，说明当 NO3-N 几乎被耗尽时，部分 NH3-N开始转化为NO3-N，致使NO3-N含量降低减缓。因此，进入第二阶段，后滩湿地中各水生生物逐渐适应生存环境，湿地土著微生物与所在环境体系自行建立起相互联系、相互作用的有机体系，并逐渐加强硝化作用，促使 NH3-N 向 NO3-N 转化。可见城市小型湿地中土著微生物需经过一定的适应期来提高对氮的降解效率。

　　通过对后滩水体水质单因子标识指数与第一阶段、第二阶段各采样点TN含量变化分析可知，采样点4和采样点10处的TN含量较低，是因为这两个采样点分别位于 B 桥桥下和清水池，其所在区域水深 2～2.5 m，属后滩湿地水深最深的两个区域。而深水环境能为好氧、厌氧微生物提供良好的生存条件，促进其硝化与反硝化作用，将水体营养物分解为易被植物吸收的无机盐和气体[14] 。因此，城市湿地水生态修复过程中，应考虑在安全许可范围内适当营造深水环境，有利于氮形态的转化，从而减少水体中的TN含量。

　　2.4 后滩湿地水体净化效应

　　关于水生植物对水体营养盐水平的影响，国内外学者已经开展了大量研究[15~18] ，有关水生植物净化水体[19] 、水生生物构成的系统净化水体的效果和机理[20~22] 以及水体富营养化水平与生境质量的关系[23] 也有较多研究。一般城市近郊人工湿地面积较大，人类干扰相对较小，以上利用水生植物净化水体的方法能够应用其中，以改善水质。而后滩湿地属人口密集的城市中心湿地，且由老工业基地改建而成，具有面积小、污染源较多和人类干扰大等特点，因此需要利用水生植物、鱼类和底栖动物等，构建湿地水生态系统的工艺，恢复水体自净能力，以达到更加稳定的净水效果。经后滩湿地净化后，其水体综合水质由V类～IV类转化为 III 类～II 类，TN 含量由劣 V 类水质提升到 IV 类～III类水质，TP含量保持在II类水质标准限值内，CODMn和NH3-N含量保持在III类水质标准限值内，DO含量保持在I类水质标准限值内。可见，除 TN 外，其他水质参数都呈现出较好的净化效果。同时，陈立婧等[24] 在 2009 年 9 月～2010 年 8 月，对后滩湿地生物指标监测结果显示，后滩湿地枝角类4季共有优势种12 种，并具有明显的季节更替现象，说明后滩湿地水质处于相对稳定状态。

　　对两个阶段水质综合指数进行 T 检验发现，第一阶段和第二阶段水体的 Iwq 平均值分别为 (3.72±0.28)和(3.47±0.17)，两阶段的Iwq平均值差异显著(p<0.05)。第二阶段目标水质(III类)所占比例比第一阶段高，IV类和II类水质所占比例比第一阶段少，说明第二阶段水体污染物含量分布比第一阶段更集中，含量分布范围变小，水质净化的过程更加稳定。本研究在湿地构建初期，以人工调控为主，注重水生生物的食物链、网关系，营建水生态系统，并结合一定人工维护措施，使水生态系统逐步趋于完善;后滩湿地在第二阶段较为粗放的管理维护条件下，仍能以湿地自然调控的方式稳定生态系统内部物质流与能量流，说明水生态系统需经过一定适应期而达到稳定;当水体污染物含量较高时，后滩湿地生态系统仍能发挥高效、稳定的水体自净功能，说明后滩湿地水生态系统构建与水质调控工艺切实有效。

　　3 结论

　　后滩湿地对氮、磷的去除和对溶解氧的提升效果显著。监测期间，TN含量由劣V类水质转变并保持在IV类～III类水质标准限值内，TP含量由 IV类提高并保持在II类水质标准限值内，溶解氧由III类提高并保持在I类水质标准限值内。综合水质由V类～IV类提升为III类～II类。两阶段综合水质变化差异显著(p<0.05)，湿地水生态系统由适应期向稳定期过度。

　　温度与pH对水生植物生长的影响较大，冬季水生植物衰败造成的二次污染对湿地中下游水质影响明显，结合水生生物的维护管理与物理净化等工艺可有效稳定水质;水生态系统结构基本稳定后，湿地具有稳定发挥水体自净作用的能力，可以粗放管理湿地水体，通过湿地自然调控解决季节更替带来的水生植物二次污染问题。因此人工调控与自然调控相结合是保持水质稳定的有效技术手段。

　　后滩湿地TN含量较高，且随NO3-N含量而变化。水生态系统构建前期，应选择对 NO3-N 吸收能力较强的水生植物作为先锋物种。此外，适当营造深水环境，结合碳源，引导与培育土著微生物，有利于氮污染的去除。——论文作者：董悦1 ，张饮江1,2* ，刘晓培1 ，李岩1 ，金晶1 ，段婷1 ，李娟英1,2 ，何培民1,2

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