洪澤湖濕地退化區(qū)植被構(gòu)建技術(shù)效果評估

李成之，董 倩，郭晏汝，莊 犁

(1.江蘇省泗洪洪澤湖濕地國家級自然保護(hù)區(qū)管理處，江蘇泗洪 223900；2.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210046；3.南京樸厚生態(tài)科技有限公司，江蘇南京 210046)

湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有調(diào)蓄水資源、改良水質(zhì)、提供動(dòng)物棲息地、調(diào)節(jié)局部氣候等重要的生態(tài)學(xué)意義，包括水陸交錯(cuò)帶和敞水區(qū)，與河流相比，湖泊生態(tài)系統(tǒng)流動(dòng)性差，物質(zhì)交互緩慢，含氧量相對較低，更容易被污染。洪澤湖是我國第四大淡水湖、江蘇省第二大淡水湖，是南水北調(diào)工程重要的水源地和調(diào)節(jié)湖泊，近年來，由于圍湖造田、圍網(wǎng)養(yǎng)殖、過度捕撈等人類活動(dòng)的嚴(yán)重干擾，洪澤湖及湖區(qū)濕地面臨著生態(tài)功能萎縮、生境破碎化程度升高、生物多樣性下降等一系列問題，有研究表明，濕地退化已經(jīng)成為限制洪澤湖區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。為了探究洪澤湖水質(zhì)主要限制因子，在湖區(qū)范圍內(nèi)已經(jīng)開展了許多科學(xué)研究，表明TN、COD和TP是洪澤湖水環(huán)境治理最重要的控制因子，特別是氮、磷已經(jīng)成為湖區(qū)主要超標(biāo)的污染物，湖區(qū)總體僅達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在針對影響湖區(qū)水質(zhì)的主要因子的研究中發(fā)現(xiàn)，建設(shè)用地、圍網(wǎng)和圍圩養(yǎng)殖面積增加以及景觀破碎化增強(qiáng)與湖區(qū)TN、TP濃度上升呈顯著正相關(guān)。為了改善洪澤湖區(qū)及湖區(qū)濕地的生態(tài)環(huán)境，有必要通過退漁還濕、退圩還湖、兩船清理、十年禁漁、增殖放流和生態(tài)移民等措施，減少人類活動(dòng)干擾，促進(jìn)洪澤湖濕地的生態(tài)恢復(fù)。

據(jù)調(diào)查，洪澤湖區(qū)拆除圍網(wǎng)大面積退漁還濕后，由于湖區(qū)景觀單一、生態(tài)位空缺，導(dǎo)致外來物種喜旱蓮子草(，又稱水花生)入侵并大肆蔓延，形成單優(yōu)群落，有研究表明，水花生群落的水環(huán)境效益較差，且會(huì)造成本土物種多樣性下降。保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)有約0.3萬hm的生態(tài)脆弱區(qū)亟待修復(fù)，多樣性植被構(gòu)建與適應(yīng)性管理有可能對水花生的入侵起到抑制作用，并促進(jìn)湖區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能提高。對此，在江蘇泗洪洪澤湖濕地國家級自然保護(hù)區(qū)懷洪新河入湖口北側(cè)開展了濕地退化區(qū)的水生植被修復(fù)技術(shù)應(yīng)用示范與推廣工程，對湖區(qū)進(jìn)行植被和生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。該項(xiàng)目對生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)工程包括湖區(qū)地貌改造、土著物種再植、水生群落重建等，以實(shí)現(xiàn)洪澤湖區(qū)生物多樣性提高和水環(huán)境改善的目標(biāo)。將研究示范區(qū)水生植被修復(fù)技術(shù)推廣應(yīng)用至保護(hù)區(qū)其他生態(tài)脆弱區(qū)甚至將要實(shí)施退漁還濕的江蘇省其他湖泊濕地區(qū)域上，將產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益和社會(huì)效益。該研究主要針對該水生植被修復(fù)技術(shù)應(yīng)用示范與推廣工程，通過對生物多樣性、水質(zhì)指標(biāo)、沉積物指標(biāo)的檢測，評估該項(xiàng)目工程對洪澤湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)效果。

1 資料與方法

洪澤湖是由黃河奪淮形成，洪澤湖區(qū)(118°10′～118°52′E、 33°06′～33°40′N)位于我國江蘇省淮安市與宿遷市，涉及淮陰區(qū)、宿豫區(qū)、洪澤區(qū)、盱眙縣、泗陽縣、泗洪縣6個(gè)區(qū)縣，在南水北調(diào)工程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。水域總面積1 708 km，湖區(qū)流域保護(hù)面積達(dá)3 704 km，平均水深1.90 m，最大水深可達(dá)4.50 m，平均入湖水量342億m，出湖水量313億m，平均水位12.55 m。

本植被景觀構(gòu)建技術(shù)項(xiàng)目范圍為江蘇泗洪洪澤湖濕地國家級自然保護(hù)區(qū)懷洪新河入湖口北側(cè)，溧河洼區(qū)域，中心地理位置為118°13′26.630″～118°13′30.782″E、33°14′11.420″～33°14′12.869″N，總面積約18 600 m(圖1)。項(xiàng)目區(qū)為新拆圍網(wǎng)水域，景觀和生物多樣性退化嚴(yán)重。但其水下微地形、水環(huán)境在圍網(wǎng)拆除區(qū)域具有典型代表性，同時(shí)該區(qū)域位于暖溫帶與北亞熱帶分界線，水域水深常年保持在2 m上下，溫度和光照等條件適合浮游生物及沉水、挺水植物的生長繁殖。

注：a.俯瞰圖；b.植被恢復(fù)設(shè)計(jì)圖；c.地形整理設(shè)計(jì)圖 Note:a.Aerial view;b.Vegetation restoration design;c.Terrain consolidation design圖1 項(xiàng)目區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the project area

2021年6月，在項(xiàng)目區(qū)根據(jù)群落類型采集水質(zhì)樣品和沉積物樣品，具體采樣編號(hào)及對應(yīng)位置和群落類型見表1和圖2。另外在不同的恢復(fù)區(qū)域隨機(jī)取1 m×1 m樣方，統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)植被蓋度、物種類型及分布比例。

將采集好的樣品進(jìn)行分類測定，測定均依照國家水質(zhì)和土壤測定標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)樣品檢測方法具體見表2，沉積物樣品檢測方法具體見表3。

將采集的樣方數(shù)據(jù)按照恢復(fù)區(qū)分類整理，分別計(jì)算樣方內(nèi)群落的Simpson多樣性指數(shù)()、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(′)和Pielou均勻度指數(shù)()。Simpson多樣性指數(shù)描述的是從一個(gè)群落中連續(xù)2次抽樣所得到的個(gè)體數(shù)屬于同一種的概率；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)借用了信息論的方法，測量對象是系統(tǒng)的序或無序的含量，反映了群落物種構(gòu)成的復(fù)雜性；Pielou均勻度指數(shù)反映群落均勻度。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，為物種數(shù)；為種的個(gè)體數(shù)占群落中總個(gè)體數(shù)的比例。

以上計(jì)算均由Excel 2020軟件完成，并使用RStudio 4.0.5 繪制條形圖并進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，分析結(jié)果包含在條形圖中。

2 結(jié)果與分析

從表4可以看出，對照區(qū)優(yōu)勢

表1 水質(zhì)和沉積物樣品采集信息

種有水花生()和蘆葦()等，試驗(yàn)區(qū)優(yōu)勢種有水蓼()、莎草()、酸模()、蛇床()等草本植物和荇菜()、狐尾藻()、菹草()、浮萍()等水生植物。此次調(diào)查共記錄植物33種，分屬23科32屬。其中禾本科植物種數(shù)最多(4種)，其次為莎草科(3種)、菊科(2種)、蓼科(2種)、十字花科(2種)、水鱉科(2種)、眼子菜科(2種)等。

注：a.試驗(yàn)區(qū)；b.對照區(qū) Note:a.Experimental area;b.Control area圖2 項(xiàng)目區(qū)采樣點(diǎn)示意圖Fig.2 Diagram of sampling points in the project area

表2 水質(zhì)樣品采集檢測方法

表3 沉積物樣品采集檢測方法

據(jù)統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)優(yōu)勢種基本情況如表5所示，根據(jù)《中國植被》對植物生活型的劃分，項(xiàng)目區(qū)植物以多年生草本為主，依據(jù)植物對水分的適應(yīng)特點(diǎn)，項(xiàng)目區(qū)植物以水生植物為主。

從圖3可以看出，各樣方蓋度之間差異性不顯著(=0.080 2)，對照區(qū)植被平均蓋度為77.22%，除蘆葦區(qū)(82.26%)外，對照區(qū)植被蓋度高于其他區(qū)域，且明顯高于自然區(qū)(46.36%)、浮葉區(qū)(70.29%)和沉水區(qū)(58.18%)。

表4 各區(qū)域樣方物種組成統(tǒng)計(jì)

表5 樣方內(nèi)優(yōu)勢種基本情況

圖3 樣方蓋度統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of quadrat coverage

從圖4可以看出，各區(qū)域Simpson多樣性指數(shù)()有極顯著差異(=0.001 63)，除蘆葦區(qū)外，其余區(qū)域指數(shù)都大于對照區(qū)，特別是自然區(qū)和浮葉區(qū)，多樣性明顯高于對照區(qū)。各區(qū)域Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(′)也有極顯著差異(=0.001 02)，且趨勢與指數(shù)一致，當(dāng)′指數(shù)大于0且小于1時(shí)，生物多樣性較差，′指數(shù)大于等于1時(shí)，生物多樣性良好，除自然區(qū)、香蒲區(qū)、沉水區(qū)生物多樣性良好外，其余區(qū)域多樣性均較差。各區(qū)域Pielou均勻度指數(shù)()有極顯著差異(=0.000 657)，對照區(qū)均勻度顯著高于試驗(yàn)區(qū)，當(dāng)指數(shù)為0.8以上時(shí)，生物均勻度較好。

圖4 樣方內(nèi)生物D指數(shù)、H′指數(shù)和J指數(shù)Fig.4 D index,H′ index and J index of organisms in the quadrat

從項(xiàng)目區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)水質(zhì)物理指標(biāo)(圖5)可以看出，各樣點(diǎn)水質(zhì)電導(dǎo)率(EC)無顯著差異(=0.811)。對照區(qū)氧化還原電位(ORP)與試驗(yàn)區(qū)各組間無顯著差異(=0.174)，但對照區(qū)氧化還原電位(207.13 mV)明顯高于漂浮區(qū)(195.27 mV)。各樣點(diǎn)水面溫度有顯著差異(=0.009)，航道區(qū)(27.13 ℃)和對照區(qū)(27.33 ℃)水面溫度明顯低于各試驗(yàn)區(qū)。各樣點(diǎn)水質(zhì)透明度也有顯著差異(=0.009)，表現(xiàn)為對照區(qū)水質(zhì)透明度(0.39 m)明顯低于漂浮區(qū)(0.43 m)和挺水區(qū)(0.43 m)。

圖5 各采樣點(diǎn)水質(zhì)物理指標(biāo)Fig.5 Physical indicators of water quality at each sampling point

將樣點(diǎn)水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖6)，各區(qū)域高錳酸鹽指數(shù)(COD)有顯著差異(=0.007)，航道區(qū)(6.40 mg/L)和對照區(qū)高錳酸鹽指數(shù)(6.67 mg/L)明顯低于挺水區(qū)(6.94 mg/L)和敞水區(qū)(7.42 mg/L)，各區(qū)域高錳酸鹽指數(shù)均符合Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。而各個(gè)樣點(diǎn)硝酸鹽氮(=0.712，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn))、氨氮(=0.279，均達(dá)到 Ⅰ 類水標(biāo)準(zhǔn))、總氮(=0.667，均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn))、總磷(=0.550，均達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn))含量均無顯著差異。各區(qū)域水樣pH有極顯著差異(=0.000)，航道區(qū)(7.48)和對照區(qū)(7.46)pH均低于試驗(yàn)區(qū)，但都在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。各區(qū)域水樣溶解氧(DO)有極顯著差異(=0.000)，其中航道區(qū)(5.96 mg/L)和對照區(qū)(5.78 mg/L)符合Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，明顯低于試驗(yàn)區(qū)(Ⅰ 類水標(biāo)準(zhǔn))。各區(qū)域硝酸根離子有顯著差異(=0.002)，且對照區(qū)(0.26 mg/L)明顯低于其他區(qū)域。

圖6 各采樣點(diǎn)水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)Fig.6 Chemical properties of water quality at each sampling point

各區(qū)域沉積物中總氮(=0.000)、總磷(=0.022)、有機(jī)碳(=0.021)含量均有顯著差異(圖7)。對照區(qū)總氮(2.51 g/kg)和有機(jī)碳(20.40 g/kg)含量明顯高于其他區(qū)域，對照區(qū)(394.67 mg/kg)和航道區(qū)(521.33 mg/kg)總磷含量明顯高于試驗(yàn)區(qū)。

各區(qū)域沉積物粒度分布及含水率統(tǒng)計(jì)如圖8所示，航道區(qū)和對照區(qū)沉積物砂粒含量明顯多于試驗(yàn)區(qū)，各區(qū)域沉積物含水量有極顯著差異(=0.001)，其中對照區(qū)土壤含水率(61.70%)明顯高于其他區(qū)域。

3 討論

項(xiàng)目區(qū)植被恢復(fù)以自然恢復(fù)為主，人工種植為輔，經(jīng)過1年時(shí)間的恢復(fù)，除蘆葦區(qū)外，其余區(qū)域都保持了良好的生物多樣性和植被蓋度。對照區(qū)主要群落為水花生群落，植被蓋度較高，遮擋了陽光照射進(jìn)水面，導(dǎo)致其他植物缺氧，不能生長繁殖。項(xiàng)目區(qū)建設(shè)的圍欄有效地阻擋了水花生的蔓延，在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)少有水花生發(fā)現(xiàn)，說明圍欄的設(shè)置對生物多樣性的提高有一定的積極作用。

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的蘆葦區(qū)植被蓋度高于對照組，且生物多樣性指數(shù)也比較低，在區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)蘆葦群落，優(yōu)勢群落為水蓼群落，說明蘆葦區(qū)的植被恢復(fù)效果較差，環(huán)境不適宜蘆葦群落的生存?？赡苁且?yàn)樵谔J葦島西側(cè)與對照區(qū)相連，沒有圍欄阻擋。

對照區(qū)與項(xiàng)目區(qū)的水質(zhì)差異主要體現(xiàn)在溫度、透明度、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧和硝酸根離子上，特別是溶解氧的差異較大，項(xiàng)目區(qū)與對照區(qū)達(dá)到的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相差2個(gè)等級。

對照區(qū)水溫明顯低于項(xiàng)目區(qū)，可能是由于對照區(qū)水花生泛濫，有效阻擋了陽光的照射，導(dǎo)致水面溫度降低，雖然這可能對水質(zhì)有積極作用，但水花生對陽光的阻擋在一定程度上還是會(huì)造成水體缺氧，導(dǎo)致水質(zhì)變差。對照區(qū)水體透明度的降低也印證了水質(zhì)下降，表明藻類繁殖比較旺盛，沉水植物生存條件較差。

高錳酸鹽指數(shù)是反映水體中有機(jī)及無機(jī)可氧化物質(zhì)污染的常用指標(biāo)，指數(shù)越高，表明水體有機(jī)污染程度越高。項(xiàng)目區(qū)特別是敞水區(qū)的高錳酸鹽指數(shù)較高，反映出敞水區(qū)有一定程度的富營養(yǎng)化。同時(shí)，敞水區(qū)的硝酸根濃度也明顯高于其他區(qū)域，也代表了敞水區(qū)的水體有富營養(yǎng)化的特征，說明植物的存在對湖區(qū)富營養(yǎng)化有一定的改善效果，敞水區(qū)植被仍處于演替初期階段，對水質(zhì)的凈化作用較弱，但從水體的其他化學(xué)指標(biāo)綜合對比來看，敞水區(qū)水質(zhì)條件優(yōu)于對照區(qū)。試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)差異最大的水質(zhì)因子是溶解氧，經(jīng)過植被恢復(fù)后，試驗(yàn)區(qū)水體溶氧量提升了3個(gè)等級，顯著改善了水體的水質(zhì)和植被生長環(huán)境。

圖7 各采樣點(diǎn)沉積物化學(xué)性質(zhì)Fig.7 Chemical properties of sediments at each sampling point

圖8 各采樣點(diǎn)沉積物物理性質(zhì)Fig.8 Physical properties of sediment at each sampling point

對照區(qū)沉積物的碳、氮、磷含量都明顯高于試驗(yàn)區(qū)，可能是由于水花生對水面的覆蓋造成水體溶氧量下降，水體整體是缺氧環(huán)境，有機(jī)污染物不能及時(shí)分解，沉降到了湖底沉積物中。底泥的富營養(yǎng)化可能會(huì)隨著水體的循環(huán)擾動(dòng)重新進(jìn)入水體中，造成水體的富營養(yǎng)化。

4 結(jié)論

通過對洪澤湖濕地圍網(wǎng)拆除區(qū)的水生植被修復(fù)技術(shù)應(yīng)用示范與推廣工程，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的生物組成和多樣性得到顯著恢復(fù)；項(xiàng)目區(qū)水質(zhì)情況有所改善，但敞水區(qū)由于水生植被尚處于群落演替發(fā)育早期，缺少植物凈化，硝酸鹽氮含量較高，但整體水質(zhì)特別是溶氧量相比對照區(qū)有明顯提升；沉積環(huán)境富營養(yǎng)化顯著改善，項(xiàng)目工程初步取得了良好的效果。

然而項(xiàng)目區(qū)建成后湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)期只有1年的時(shí)間，植被演替仍處在初期先鋒階段，群落結(jié)構(gòu)比較單純，植被對水質(zhì)和沉積環(huán)境的改造作用還不明顯，生態(tài)系統(tǒng)相對不穩(wěn)定，需要持續(xù)跟進(jìn)對項(xiàng)目進(jìn)行檢測評估，以全面評價(jià)植被景觀構(gòu)建修復(fù)技術(shù)的整體效果。