评估干旱城市河流系统中多营养级水生群落对再生水排放的响应

《Journal of Contaminant Hydrology》：Assessing multi-trophic aquatic community responses to reclaimed water discharge in an arid urban river system

再生水补充改变干旱区城市河流理化特性，导致藻类、原生动物多样性增加19.6%和29.7%，细菌多样性下降19.6%，氮磷浓度分别上升67%和84%。研究揭示了水动力条件和氮磷营养盐是驱动多营养级生物群落结构变化的主因，为再生水生态补水提供科学依据。

　　

马驰|孙文超|朱毅|于景山|王国强|岳启萌|易志文|徐虎|贾建平

摘要

在自然资源稀缺的干旱地区，再生水补给对于维持城市河流系统至关重要。然而，其生态影响，尤其是对微生物群落多样性和结构的影响，目前仍了解不足，特别是在再生水补给如何影响这些动态方面存在显著的知识空白。在这里，我们量化了中国北方一条干旱城市河流——小黑河自然段（NR）、再生水段（RR）和混合段（NRR）的水质变化及多营养级群落结构的变化。研究结果表明，再生水的排放改变了河流系统的物理化学条件，尤其是营养物质浓度，总氮和总磷浓度平均分别增加了67%和84%。再生水补给后，群落组成和多样性发生了显著变化，藻类和后生动物的平均丰富度分别增加了20.2%和29.7%，而细菌和原生动物的丰富度则分别减少了19.6%和4.1%。氮和磷营养物质以及水动力条件成为生物多样性变化的主要驱动因素，尤其是对细菌、藻类和原生动物群落的影响尤为明显。绿藻和轮虫对再生水补给的反应不同，绿藻表现出单调线性响应，而轮虫则与物理化学梯度呈现非线性（驼峰形）关系，这突显了不同营养级之间的差异反应。本研究提高了人们对再生水补给对水生生态系统生态影响的理解，为干旱城市河流系统的营养控制和生态监测提供了科学依据。

引言

河流为人类提供了宝贵的生态系统服务和效益，但它们正日益受到各种人为活动的威胁，包括农业径流、工业和市政污染排放以及大坝建设（Chen等人，2019；Chung等人，2021；V?r?smarty等人，2010）。城市河流系统较为脆弱，其水生生态系统因人为污染压力的加剧而退化（Deng等人，2024；Mills等人，2024）。在水资源匮乏的干旱地区，再生水已成为城市河流补给和生态系统恢复的一种可能资源（Zhu和Dou，2018）。尽管污水处理设施有所改进，但再生水在物理化学和生物学特性上仍与上游天然河水存在显著差异。具体而言，营养物质（尤其是氮和磷化合物）浓度升高可能导致城市河流生态系统富营养化及随后的生态紊乱（Li等人，2019a；Lv等人，2020；Xia等人，2022）。

河流生态系统的完整性体现了包括微生物、浮游植物和水生动物群落在内的多样化水生生物群落的结构组成和功能动态（Xu等人，2023）。河流水文状况和物理化学参数通过深刻影响水生生物群落的结构配置和功能过程，对水生生态系统动态起着决定性作用（Li等人，2021）。大多数关于再生水对河流生态系统影响的研究主要集中在较低营养级的生物上，如细菌和藻类，而没有在同一河流系统中同时比较多个营养级。An等人（2023）将再生水使用与水质变化和细菌群落结构变化联系起来，而Du等人（2023b）评估了藻类和细菌群落作为城市河流中再生水补给的指标。这些研究主要关注微生物和初级生产者群落，而对较高营养级生物（如浮游动物）的反应研究不足。此外，氮和磷（包括其不同化学形式）在驱动多营养级群落变化中的相对作用尚未得到系统分析，特别是在干旱城市河流系统中。Du等人（2023b）使用总氮和氨氮作为主要指标来评估再生水补给对水生生物的影响，而Zhao和Xie（2023）则强调总磷在解释细菌群落反应中的作用，但对营养物质形态的考虑有限（Zhu等人，2023）。

作为河流生态系统动态的敏感生物指示器，优势水生物种的生物多样性模式和群落结构属性对水化学环境参数的变化表现出明显的响应性（Leister等人，2023；Li等人，2018；van de Waal等人，2024）。城市河流系统中再生水补充后优势物种的潜在变化及其对关键环境参数的特定反应已成为广泛科学研究的主题（El-Tohamy等人，2024；Liu等人，2015；Siriarchawatana等人，2024）。现有研究表明，再生水中升高的营养物质水平促进了绿藻在河流生态系统中的过度繁殖，导致藻类生物多样性减少（Du等人，2023b；Yan等人，2024；Zhao和Xie，2023）。同时，这些营养物质条件促进了具有碳降解、硝化、反硝化和磷转化能力的功能细菌的生长（Xie等人，2021）。然而，关于再生水对河流中优势浮游动物物种影响的研究有限。浮游动物可以作为评估再生水对河流生态影响的有用生物指标，它们的反应通常是间接的，并通过食物资源和栖息地条件的变化来调节（Leister等人，2023；Xue等人，2021）。

位于中国西北部呼和浩特市的小黑河是接收再生水补给的城市河流系统的典型例子。该河流系统具有独特的水文特征，上游主要依靠水库供水，而下游则主要由市政污水处理厂的废水补充。这种水文配置导致自然河段与受再生水影响的河段在水生生物群落和物理化学参数上存在显著差异。为了系统研究接受再生水补给的城市河流中的生态变化及其潜在机制，选择了小黑河作为研究对象。具体目标包括：（1）量化再生水对多个营养级生物多样性模式和群落结构的生态影响；（2）描述不同营养级优势水生物种对再生水补给的空间动态响应；（3）确定影响水生生物多样性和群落结构变化的主要环境驱动因素。

研究区域和采样过程

小黑河位于中国西北部的内蒙古自治区首府呼和浩特市，是一条主要依靠再生水补给的河流（图1）。由于当地水资源稀缺，小黑河上游被水库拦截，为呼和浩特市355万居民提供生活用水。下游河段主要由污水处理厂的处理后的废水补充。

不同河段的水质

研究了不同河段的物理化学变量。如图2所示，根据Kruskal–Wallis检验（p<0.05），NR段的pH值、电导率和COD显著低于RR段和NRR段。对于氮指标，NR段的浓度也显著低于RR段和NRR段（p<0.05）。平均而言，NH₄⁺-N在RR段为2.76±1.21 mg/L，而在NRR段为1.57±0.4 mg/L。相比之下，TN、NO₃^?-N等指标在NR段也较低。

通过水质参数变化对水生生态系统的影响

为应对干旱和半干旱地区的水资源短缺问题，再生水作为一种替代水源被用于农业灌溉和城市景观管理（Li等人，2019b）。然而，将再生水引入河流系统已被发现会引发生态影响，特别是破坏生物多样性并改变多个营养级水生生物的群落结构（Sun等人，2018；Xie等人，2021）。

结论

再生水补给为维持城市河流景观提供了可能的水源。然而，再生水对干旱地区河流的生态影响仍不清楚。本研究通过将再生水河流与天然河流进行比较，并分析物理化学变量的影响，探讨了再生水对河流水生生物多样性和群落结构的影响。结果表明，两者之间的物理化学参数存在显著差异。

作者贡献声明

马驰：撰写——初稿、方法论、调查、数据分析、概念化。孙文超：撰写——审阅与编辑、资源获取、项目管理。朱毅：项目管理、概念化。于景山：项目管理、方法论。王国强：资源获取、项目管理。岳启萌：软件使用、调查。易志文：数据可视化、调查。徐虎：验证、调查。贾建平：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFC3204403）和国家自然科学基金（项目编号：52339002、52179002）的支持。