畢業(yè)亮，宿 輝，劉 洋，蘇 明，楊 光

(1.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038; 2.深圳市環(huán)境科學研究院，廣東 深圳 518001;3.浙江農(nóng)林大學林業(yè)與生物技術(shù)學院，杭州 311300;4.深圳市龍崗區(qū)河道流域管理中心，廣東 深圳 518172)

0 引 言

氨氮廣泛存在于我國地表水體中，是我國《地表水環(huán)境標準》[1]的重要指標，是造成水體富營養(yǎng)化的重要因素之一，為水生生物中毒的主要因子。2018年《中國環(huán)境狀況公報》[2]顯示，七大流域中的黃河流域、松花江流域、遼河流域主要污染指標均包含氨氮；2016年《中國環(huán)境狀況公報》[3]顯示，七大流域中以氨氮作為主要污染指標的超過50%；根據(jù)生態(tài)環(huán)境部統(tǒng)計，2011-2018年連續(xù)8年省界水體主要污染指標同樣包含氨氮。

國外對于氨氮水生生物水質(zhì)基準研究起步較早，美國和歐盟國家已具備了較為成熟和完備的水質(zhì)基準和技術(shù)體系。如美國環(huán)境保護署(USEPA)于1976年[4]首次以非離子氨的形式規(guī)定了氨氮基準，且分別在1985年[5]、1998年[6]、2009年[7]、2013年[8]逐步進行了基準修訂，使其日趨完善。我國的氨氮水生生物水質(zhì)基準主要參照了EPA標準。近年來，國內(nèi)學者對我國的氨氮水生生物水質(zhì)基準相關(guān)問題進行了系列研究和探索，為水生態(tài)風險精細化防控提供了重要參考[9-12]。2011年閆振廣等[13]依據(jù)美國水生生物基準技術(shù)及氨氮水生生物水質(zhì)基準數(shù)學模型，針對國情提出了“我國氨氮水生生物水質(zhì)基準”；2012年石小榮等[14]以太湖流域為例探討了我國淡水生物氨氮基準，得到了類似結(jié)論。我國幅員遼闊，南北差異、東西差異顯著，為評估不同流域的氨氮基準差異，2016年王一喆等[15]對七大流域(松花江、遼河、海河、黃河、長江、珠江)，分夏季和非夏季兩種情況推算了各流域氨氮水生生物基準值。上述研究，從國家尺度、大江大河大湖尺度對我國淡水生物氨氮基準進行了討論，基本形成了一致結(jié)論。

傳統(tǒng)的以水體理化參數(shù)為主的評價方法只能反映水質(zhì)瞬時狀況，而水生態(tài)狀況卻不能僅僅通過水質(zhì)因素來體現(xiàn)[16]。因此，可以使用水體理化參數(shù)方法和生物方法來評價水體水生態(tài)健康程度。目前常使用生物完整、多樣性指標等指標來對水生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價。2018年，陳志宇等[17]利用底棲生物完整性指數(shù)來評價太湖流域的水生態(tài)健康。

目前針對小尺度流域，以氨氮生態(tài)風險及水生態(tài)功能相結(jié)合的評價研究鮮有報道。本文以深圳市典型河流-龍崗河為例，開展小流域尺度的氨氮水生態(tài)風險評價，提出了流域氨氮水生態(tài)風險時空分布特征，結(jié)合水生態(tài)功能評價，探討了二者的響應(yīng)關(guān)系，為雨源型河流水生態(tài)功能評價提供了更可靠的參考和依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

龍崗河流域位于深圳市東北部，是東江二級支流淡水河(淡水河匯入東江的一級支流西枝江)的上游段。龍崗河在深圳市內(nèi)的流域面積302.13 km2，干流長36.19 km，河床平均比降為2.8‰。流域水系發(fā)達，含干流及一級、二級和三四級支流共45條。近年，下游干流實施了較大規(guī)模綜合整治工程，包括：堤防加固、河道清淤、截污完善等，河床硬底化范圍較大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 水質(zhì)監(jiān)測

(1)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)當?shù)毓芾聿块T歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計龍崗河流域干支流水體pH值、水溫等參數(shù)。

(2)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。2015年1月起至2018年12月連續(xù)監(jiān)測36個月，逐月對監(jiān)測點位的pH值、水溫、氨氮、總氮進行監(jiān)測。采用便攜式多參數(shù)分析儀對水溫、pH進行現(xiàn)場測定，水質(zhì)氨氮采用流動注射-水楊酸分光光度法(HJ 666-2013)測定，最低檢出限0.010 mg/L；總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)測定，檢出限為0.050 mg/L。監(jiān)測點位為龍崗河干流西坑、葫蘆圍、低山村、嚇陂4個斷面，支流丁山河、黃沙河、龍西河、南約河4個斷面。

1.2.2 生態(tài)調(diào)查

2017年，在龍崗河干、支流水質(zhì)監(jiān)測位點50 m范圍內(nèi)，對大型底棲無脊椎動物(下簡稱底棲動物)進行野外采集，采集位點如圖1所示。龍崗河支流多為可涉水河段，采用索伯網(wǎng)(Surber sampler，40目)進行定量(樣方0.09 m2)；龍崗河干流多為不可涉水河段，采用船載Peterson采集器進行定量(樣方1/16 m2)。在每個采樣位點，沿河流的橫向切面均勻設(shè)置10個平行采樣?，F(xiàn)場挑揀將底棲動物，保存于75%酒精的試管瓶中，在解剖鏡下進行分類鑒定并計數(shù)，所有樣品盡量鑒定到屬或種，然后對每個物種進行計數(shù)、稱重(濕重)，統(tǒng)計各位點底棲動物種類組成、個體密度、平均生物量、生物多樣性、時空分布等與流域生態(tài)風險之間的響應(yīng)關(guān)系。

圖1 龍崗河流域水生生物采樣位點Fig. 1 Sampling sites for aquatic organisms in Longgang River

1.3 水體氨氮暴露生態(tài)風險評估方法

氨氮水生生物基準推算按照閆振廣[13]、王一喆[16]等研究成果進行推算，其中急性基準為：

min (10.40,6.018×100.36×(25-T))

(1)

式中：p是水體酸堿度，7.024是氨氮急性毒性達到一半時的pH值，0. 036是無脊椎動物的急性溫度斜率，0. 0489和6. 95為合成參數(shù)，與極限pH 下的氨氮毒性值有關(guān)，以上參數(shù)均由美國氨氮基準直接采用；0. 643為公式系數(shù)，10.40是最敏感魚類的氨氮急性毒性值，mg/L；6.018是最小的氨氮急性毒性值，mg/L。

慢性基準為：

min(2.852,0.914×100.028×[25-max(T,7)])

(2)

式中：7. 688為氨氮慢性毒性的pH；0.0676和2. 912 為合成參數(shù)，與極限pH下的毒性值有關(guān)，以上參數(shù)均由美國氨氮基準直接引用；0.502為公式系數(shù)；2.852為最敏感魚類的最終慢性值，mg/L；0. 914 是最小的最終慢性值，mg/L。

氨氮暴露生態(tài)風險采用風險商值法：

RQ=EEC/WQC

(3)

式中：RQ為風險商值；EEC為環(huán)境暴露濃度，mg/L；WQC為環(huán)境水質(zhì)基準值，mg/L。

當RQ<1，表示無風險；當1≤RQ<10，表示有風險；當RQ≥10，表示高風險

1.4 水生態(tài)功能評價方法

水生生物能夠有效的指示水生態(tài)系統(tǒng)的綜合特征，本次研究選擇底棲動物作為評估對象，考慮到龍崗河作為城市河流其水生態(tài)系統(tǒng)的退化狀況較為普遍，經(jīng)過篩選，確定了5項指標作為水生生物完整性評價的核心指標，分別為個體數(shù)(N)、物種豐度(S)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(H′)、辛普森多樣性指數(shù)(D)、伯杰·帕克優(yōu)勢度指數(shù)(D′)。

(1)個體數(shù)：N為實際調(diào)查到的生物個體數(shù)；

(2)物種豐度：S為物種種類數(shù)；

(3)Shannon-Wiener指數(shù)：

(4)

式中：pi為第i個物種的百分數(shù)；

(4)Simpson指數(shù)：

(5)

(5)Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)：

D′=Nmax/N

(6)

式中：Nmax為最豐富物種數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水體氨氮暴露風險評估

考慮到深圳市夏季時間長、溫度高，且與汛期基本重合的氣候特點，分別按照夏季(4-11月)和非夏季(12-3月)開展水體氨氮暴露風險評估。依據(jù)龍崗河流域水質(zhì)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場36個月監(jiān)測數(shù)據(jù)計算出夏季和非夏季的氨氮CMC和CCC。

2.1.1 流域氨氮污染時空分布

由表1 可見，龍崗河干流西坑、葫蘆圍、低山村、嚇陂斷面的氨氮值，在2015和2018年基本可達到地表水Ⅴ類標準，而支流丁山河、黃沙河污染較嚴重，其氨氮值一直處于劣Ⅴ類水平，支流龍西河、南約河氨氮值則呈現(xiàn)出逐年降低的趨勢，至2018年達到了地表水Ⅴ類標準。

表1 龍崗河流域氨氮值 mg/L

表2 龍崗河流域氨氮水生生物水質(zhì)基準值Tab. 2 Benchmark values of ammonia nitrogen aquatic biological water quality in Longgang River Basin

2.1.2 流域氨氮水生生物水質(zhì)基準評估

龍崗河流域氨氮水生生物水質(zhì)基準值CMC和CCC如表2所示?？梢钥闯?，同一季節(jié)內(nèi)龍崗河干、支流氨氮基準值差異不大，夏季氨氮CMC和CCC值分別在8.36～13.39和0.74～0.97 mg/L之間，非夏季氨氮CMC和CCC值分別在17.28～23.88和1.30～1.67 mg/L之間。值得注意的是，夏季和非夏季氨氮水生生物基準值差別較大，龍崗河流域夏季氨氮CMC與CCC的平均值分別為10.44 mg/L與0.848 mg/L，非夏季氨氮CMC與CCC的平均值分別為20.08 mg/L與1.43 mg/L，非夏季氨氮基準值約為夏季1.6倍。王一喆等[16]研究表明，珠江流域夏季氨氮CMC與CCC分別為2.45 mg/L與0.32 mg/L，非夏季氨氮CMC與CCC分別為5.16 mg/L與0.57 mg/L。可見龍崗河流域無論夏季還是非夏季，氨氮基準值均遠高于珠江流域，其中氨氮CMC約為4～5倍，氨氮CCC約為2～3倍，龍崗河流域氨氮基準值大于珠江流域的主要原因是龍崗河pH值低于珠江流域。夏季與非夏季氨氮基準值差異較大的原因是夏季水溫高于非夏季。

2.1.3 氨氮暴露水生態(tài)風險評估

龍崗河流域RQ分布圖(圖2)顯示，從空間上看，流域上游風險低于下游，其中葫蘆圍干流、丁山河支流處于高風險區(qū)，黃沙河支流、龍西河支流、南約河支流處于風險區(qū)。從時間上看，非夏季急性中毒風險商值和慢性中毒風險商值均高于夏季，整體上從2015年開始干支流氨氮慢性風險呈現(xiàn)先升高后降低，其中2017年風險較為突出，至2018年風險呈現(xiàn)回落趨勢。非夏季急性和慢性中毒風險商值均高于夏季主要龍崗河是雨源型河流，非夏季時降雨少其徑流量少水量不足，導致河流動力不足、復氧能力下降，氨氮濃度不能得到有效的稀釋，從而使得龍崗河流域水質(zhì)惡化、生態(tài)風險變高?？偟膩碚f，葫蘆圍干流、丁山河支流常年處于氨氮高風險期，西坑干流氨氮生態(tài)風險商值一直小于1，無風險。2017年是龍崗河全流域的氨氮生態(tài)風險值整體升高，風險大，但經(jīng)過治理2018年全流域氨氮生態(tài)風險值有所下降。

圖2 龍崗河流域RQ分布圖Fig.2 RQ distribution map of Longgang River

2.2 流域生態(tài)功能現(xiàn)狀評估

2017年龍崗河流域調(diào)查采集到3門17科21屬28種大型底棲動物，從物種組成上看，節(jié)肢動物是調(diào)查水域大型底棲動物的主要構(gòu)成類群，環(huán)節(jié)動物次之，軟體動物最少，其物種組成見附表S1；其群落結(jié)構(gòu)特征、平均密度和生物量及其生物完整性，分別見表3、表4。

由表3可知，干流西坑、低山村和支流龍西河斷面大型底棲動物個體數(shù)、物種豐富度與其他斷面相比優(yōu)勢明顯。龍西河斷面其個體數(shù)和物種豐富度是最高的分別高達506個個體、20種物種；葫蘆圍面大型底棲動物的個體數(shù)和物種豐富度均是最低的僅收集到1個物種，但由于只收集到一種大型底棲動物，所以其Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)為1 是最高的。龍崗河流域Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在0～1.85之間，多樣性較低，南約河斷面Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最高其值為1.85；而葫蘆圍僅有1個物種，所以其Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為0。龍崗河流域Simpson多樣性指數(shù)在1.00～5.88之間，嚇陂斷面的Simpson多樣性指數(shù)最高其值為5.88；而葫蘆圍僅有1個物種，所以其Simpson多樣性指數(shù)為1?？偟膩碚f，上游支流中大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征值除了Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)其余指標都比下游干流中的好，說明上游支流生態(tài)條件較好，大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)比下游干流中的穩(wěn)定。

表3 龍崗河大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征值Tab.3 Characteristics of macrozoobenthos community structure in Longgang River

表4 龍崗河各樣點大型底棲動物平均密度、生物量及其生物完整性Tab.4 Average density and biomass of macrozoobenthos s in Longgang River

由表4可知，龍崗河流域的大型底棲動物平均生物密度在25.67±7.33 a～1124.40±87.57 a ind/m2之間，其中龍西河斷面的生物密度最大，其值為1124.40±87.57 a ind/m2；而葫蘆圍斷面的則為最小。龍崗河流域的大型底棲動物平均生物量在0.03±0.02 a～20.18±18.68 a之間?？傮w上，龍崗河流域上游支流的平均生物密度和平均生物量均比下游干流的大。龍崗河流域大型底棲動物綜合指數(shù)得分在16.67～86.15之間，完整性等級分別由差到優(yōu)秀分布，其中西坑和龍西河河道大型底棲動物完整性等級為優(yōu)秀，嚇陂河道的大型底棲動物完整性等級為良好，低山村和南約河的大型底棲動物完整性等級為一般，葫蘆圍、黃沙河以及丁山河的大型底棲動物完整性等級為差，其中葫蘆圍的綜合指數(shù)得分僅為16.67?？傮w上來看，龍崗河流域大型底棲動物生物完整性偏差，且呈現(xiàn)出上游支流生態(tài)完整性好于下游干流的規(guī)律。因此在河道治理工程中該重視河流生態(tài)的恢復，而不僅僅是單純追求水質(zhì)的改善。

2.3 討 論

2.3.1 水生態(tài)功能與水生態(tài)風險的響應(yīng)關(guān)系

圖3表明龍崗河流域大型底棲動物生物完整性與氨氮水生態(tài)風險高低呈一定的響應(yīng)趨勢。當大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)相對完整時，其氨氮風險值相對較低。在同樣的氨氮水質(zhì)風險下，支流龍西河河道生態(tài)狀況明顯優(yōu)于干流低山村河道和干流嚇陂河道，說明河道整治工程在一定程度上改變了天然河道狀況破壞大型底棲動物的繁殖棲息地影響其繁殖生長，對生態(tài)系統(tǒng)完整性造成較大影響。

圖3 2017年生態(tài)風險商值與大型底棲動物群落完整性的響應(yīng)關(guān)系Fig.3 Response of ecological risk quotient to macrobenthic community integrity in 2017

2.3.2 城市水體中氨氮水生態(tài)風險修正

根據(jù)前文分析與推算，龍崗河流域氨氮水生態(tài)風險基準值高于全國七大流域推算值，甚至明顯高于臨近的珠江流域。造成上述差異的主要原因為氨氮基準值的計算受pH值影響較大，七大流域pH值為8.0以上，而龍崗河流域有多個污水處理設(shè)施對河道進行補水，河道pH值普遍在7.0左右。經(jīng)調(diào)查，龍崗河流域，近年來實施了大范圍的整治工程，對流域自然生境有較大影響，因此在計算生態(tài)風險時需考慮該因素，對計算結(jié)果適當修正，以期更貼近實際情況反映風險水平。

2.3.3 水生態(tài)風險與水環(huán)境治理路徑選擇

河流的治理應(yīng)遵循“自然性、協(xié)調(diào)性、親水性”的原則，不僅關(guān)注污水、廢水的治理，更應(yīng)重視水生態(tài)系統(tǒng)的修復，構(gòu)建符合河流生態(tài)特征的水生生態(tài)系統(tǒng)，恢復河流自我恢復能力。在廢污水的治理的同時，要強化生態(tài)治理，盡量不要破壞河流自然狀態(tài)，盡量不更改河道、不隨意填埋和挖掘；合理選擇與河流環(huán)境相匹配的護岸類型，綠化河岸時慎重選擇岸坡上種植的植物類型，最好是選擇本地植物；要保護底棲動物、魚類的棲息繁殖地。完善河流治理項目的監(jiān)督機制，并加強對河道的管理，最好是建管同時開展。

3 結(jié) 論

龍崗河流域氨氮水生生物基準值(CMC和CCC)隨季節(jié)變化差異較大，非夏季明顯高于夏季。從空間上看，流域上游支流氨氮水生態(tài)風險商值低于下游干流，而大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，表明支流河道水質(zhì)和生態(tài)條件均較好。流域水生態(tài)功能與氨氮水生態(tài)風險存在較顯著的響應(yīng)趨勢，兩者之間呈現(xiàn)一定的負相關(guān)性，兩種方法相互結(jié)合開展雨源型河流水生態(tài)功能評價能夠提供更可靠的依據(jù)。河道綜合治理工程在短期內(nèi)可有效改善河流水質(zhì)，但部分施工措施同時破壞了自然生態(tài)河道，在一定程度上降低了河流水生態(tài)功能完整性。

□

致謝：感謝水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07206-006)對本研究工作的資助，感謝深圳市龍崗區(qū)水務(wù)局在數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場調(diào)研等方面的大力支持。