楊云峰 熊 騫 寧可明 卜明港
(1.南京林業(yè)大學風景園林學院,南京 210037; 2.南京鐵道發(fā)展集團有限公司,南京 210000)
在國內(nèi)外學者研究基礎(chǔ)上,整理濕地公園魚類棲息地環(huán)境因子指標,確立魚類與棲息地環(huán)境因子之間的相關(guān)性,以此作為城市濕地公園魚類棲息地營建過程中水域設計、植物設計、水質(zhì)管養(yǎng)等方面的設計指導。研究發(fā)現(xiàn),魚類棲息地生境質(zhì)量受水質(zhì)(水溫、溶解氧、pH值、含沙量)、水力學(水深、流速)、水文(流量)、地形、岸際條件、底質(zhì)、河道內(nèi)覆蓋以及人類活動等因子的影響顯著?;诖耍瑥乃蛟O計(水深、底質(zhì)、岸線、生態(tài)駁岸、生態(tài)島、斷面設計、微生境)、植物設計、水質(zhì)管養(yǎng)等方面探討棲息地構(gòu)建策略,進而提出基于魚類棲息地保護的濕地公園濱水區(qū)域設計策略,最后以蕪湖市大陽垾濕地公園為例,闡述具體的魚類棲息地營建和管護措施。
風景園林;濕地公園;魚類;棲息地營建;設計研究
生物多樣性是生物與環(huán)境形成的生態(tài)復合體以及與此相關(guān)的各種生態(tài)過程的總和[1],魚類多樣性是其中重要組成部分,也是反映區(qū)域水生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵性指標。長江中下游地區(qū)濕地面積遼闊,自然資源豐富多樣,是中國面積最大、人工濕地與自然濕地相結(jié)合的復合型濕地生態(tài)系統(tǒng),也是多種淡水魚類的重要棲息地。濕地公園本身是一片受保護的區(qū)域,其中魚類保護不牽涉到生產(chǎn)、養(yǎng)殖等問題,其棲息地的保護、恢復較為單純。自20世紀70年代以來,美國魚類及野生動植物管理局(United States Fish and Wildlife Service,F(xiàn)WS)提出棲息地適宜性指數(shù)(Habitat Suitability Index,HSI)模型對棲息環(huán)境進行評估,針對特定魚類物種進行調(diào)查研究,而對普適性的魚類棲息地修復的研究較少[2]。中國學者對魚類棲息地的研究較國外稍晚,主要體現(xiàn)在研究環(huán)境變化對魚類生存繁衍的棲息地所產(chǎn)生的影響及建立由多項指標構(gòu)成的棲息地評價體系等方面,針對魚類棲息地保護和棲息地營建方面的相關(guān)研究還相對較少,對于普適性的魚類棲息地營建的研究基本處于起步階段[3-6]。
目前,國內(nèi)外越來越多的學者開始關(guān)注水利工程、景觀工程建設活動對魚類的影響,以及開始探尋影響魚類生存繁衍的環(huán)境指標,并期望以此對魚類保護工作作出指導。文章通過對長江中下游地區(qū)濕地公園中常見魚類的生活習性及生境需求進行研究總結(jié),結(jié)合國外相關(guān)魚類棲息地適宜性指數(shù)研究,確立魚類對于棲息地多方面需求,在此基礎(chǔ)上研究濕地公園魚類棲息地營建的設計指導及基于魚類棲息地保護的濕地公園濱水區(qū)域設計策略,為濕地公園魚類棲息地營建提供參考,為魚類創(chuàng)造良好棲息環(huán)境。豐富的魚類多樣性,可為涉禽、游禽提供食物源,進而提高濕地公園生物多樣性。
長江中下游地區(qū)濕地面積達556萬hm2,占中國總濕地面積的15%[7],是世界濕地和生物多樣性保護的重點區(qū)域。近20年來,城鎮(zhèn)用地的增加、長江流域經(jīng)濟和交通的發(fā)展使得人類活動強度增大,導致長江中下游斑塊數(shù)量增多和斑塊密度增大,斑塊凝聚度減少,長江中下游流域濕地景觀破碎程度加劇[8-9],水體環(huán)境也受到重大影響,致使魚類多樣性面臨嚴重威脅,林業(yè)和住建部門建立了多處濕地保護區(qū)和濕地公園,以有效保護、恢復濕地資源。
長江水系包括各附屬湖泊共分布魚類370種,其中純淡水魚294種[10]。長江中下游流域作為世界上主要的淡水生態(tài)區(qū),擁有豐富的生物資源,是長江江豚、中華鱘等珍稀動物的棲息地和產(chǎn)卵場,也是“四大家魚”等重要經(jīng)濟魚類資源的重要產(chǎn)地[11]。但在水利工程、圍湖造田和過度捕撈等人類活動的影響下,長江流域標志性物種種群規(guī)模下降、魚類捕撈產(chǎn)量進一步降低、漁獲物呈現(xiàn)小型化趨勢。其中水利工程的建設和圍湖造田行為使得魚類原本生活的生態(tài)系統(tǒng)空間碎片化,新的生態(tài)系統(tǒng)并不滿足魚類的棲息條件,導致魚類攝食、繁殖、躲避不良條件的能力降低。因此若要提高魚類物種多樣性,則需要分析魚類棲息環(huán)境的有利因子,以營造適合魚類繁衍的棲息地[12]。
鄧朝陽等[13]以2009年在長江蕪湖江段魚類多樣性調(diào)查為例,整理了長江中下游地區(qū)魚類資源現(xiàn)狀。樣本顯示沿岸淺水區(qū)魚類多樣性最為豐富,河口其次,深水區(qū)魚類多樣性最少。目標魚類食物源豐富,棲息環(huán)境復雜多樣,江河、湖泊、池塘、溝渠、沼澤、稻田中均可生存,在水體的上中下層均有發(fā)現(xiàn)。
在棲息地生境質(zhì)量評價方法中,HSI模型最具代表性。該模型旨在通過實地調(diào)研分析動物生活習性,對棲息地環(huán)境因子進行定量評價,從而探尋生物棲息的最優(yōu)環(huán)境[14]。綜合FWS對魚類HSI模型的研究,總結(jié)了棲息地相關(guān)環(huán)境因子和類型(表1)。
表1 魚類棲息地環(huán)境因子Tab. 1 Environmental index of fish habitat
FWS的研究主要關(guān)注棲息地自然條件的適宜度,較少考慮人為干擾因素。而濕地公園中,人為干擾因素對魚類棲息地適宜性影響較為顯著。因此,結(jié)合國內(nèi)相關(guān)資料,補充人為干擾因子如表2。
表2 長江流域代表魚類與環(huán)境因子相關(guān)性總結(jié)表[15-34]Tab. 2 Summary of correlation between representative fishes and environmental factors in the Yangtze River Basin[15-34]
通過對魚類棲息地環(huán)境因子的偏好進行總結(jié),從魚類棲息地環(huán)境因子指標選取的角度出發(fā),提出魚類棲息地營建的水文設計、水質(zhì)管養(yǎng)、微生境設計及游憩設計策略。
3.1.1 水深設計
水域根據(jù)水深的不同可以分為淺灘區(qū)、淺水區(qū)和深水區(qū),不同深度的水域為魚類提供不同的棲息條件。深水區(qū)可以為魚類休息創(chuàng)造平靜環(huán)境,而淺灘的水力條件則為魚類產(chǎn)卵創(chuàng)造優(yōu)勢環(huán)境,同時,深淺交錯地帶水流形態(tài)復雜,可以提高魚類的受精率。美國國家城市野生生物研究所(The Urban Wildlife Research Center)的研究表明,25%~50%的水域面積水深達到0.4~0.6 m,或50%~75%水域面積水深為0.9~1.2 m的水域設計可以創(chuàng)造最大化的野生生物生態(tài)價值[35]。濕地公園的水深設計應以淺水水域為主,同時,在水域中心地帶可局部深挖至3~4 m,為深水魚類和冷水魚類提供棲息庇護及越冬索餌場。表3為不同魚類適宜的水深區(qū)域。
表3 不同魚類適宜的水深區(qū)域[36]Tab. 3 Suitable water depth for different fishes[36]
3.1.2 水流調(diào)控
水流方面主要是流量和流速,在底棲生物群落維系過程中,流速是基本環(huán)境因子,流量是顯著環(huán)境因子[37]??梢酝ㄟ^設置丁壩、放置木材及構(gòu)建礫石群三種方式改變水流的流量和流速,提高底棲生物群落的多樣性,為魚類提供充分食源,從而提高魚類棲息地的適宜度。丁壩是壩身與堤岸相接呈“T”字形的保護堤岸水土的構(gòu)筑物,可以改變水流流態(tài)、水面高程、流速等,具有增加局部流態(tài)多樣性、改變岸坡和水底形態(tài)的功能[37](圖1),水中放置木材可豐富沉積物來源,提高地形的復雜度和穩(wěn)定性,增加棲息地的復雜性,進而影響水的流向和流速,通過降低水流速度、增加水流深度和水池頻率來改變河道條件[38]。同時,凋零的碎木影響植物的分布,為魚類動物提供棲息場所[39]。在水域中堆放礫石、塊石能夠改變水底坡降和局部流暢,促進有機質(zhì)降解,進而創(chuàng)造多樣化的流速和水深條件,提高魚類棲息地多樣性[37]。
圖1 美國密西西比河岸際丁壩(引自https://news.stlpublicradio.org/)Fig. 1 Spur dam on the banks of the Mississippi River, USA
針對魚類對棲息地水質(zhì)的要求進行維護,具體包括凈化水質(zhì)、增加水體溶解氧和改善水體pH值,主要涉及三方面技術(shù):(1)生物浮床水質(zhì)改善技術(shù)。利用生物浮床人工創(chuàng)建生態(tài)系統(tǒng),通過植物消除水體中N、P等有害物質(zhì),從而凈化水質(zhì),改善魚類生存環(huán)境。(2)天然濾料與人工填料接觸氧化技術(shù)。天然濾料對其間流過的水體中的污染物進行吸附過濾,其表面具有生長生物膜,可以對水體中的部分有害物質(zhì)進行氧化分解,對污染水體進行過濾凈化。(3)射流曝氣增氧技術(shù)。利用浮筒等相關(guān)曝氣裝置,對水域的水體進行攪動,增加水體的水流循環(huán),提高水體中的溶解氧含量。在水流經(jīng)過的水域鋪設一些人工或天然的填料,也可對水體污染物進行過濾,改善水質(zhì)。
通過對棲息地內(nèi)的生境結(jié)構(gòu)、水面覆蓋物、植被豐度、基底類型進行調(diào)整,借助生態(tài)廢棄物為魚類創(chuàng)造微生境,其經(jīng)濟環(huán)保觀賞性強,可在魚類棲息地營建中廣泛使用。
3.3.1 生境結(jié)構(gòu)設計
魚類棲息地的生境結(jié)構(gòu)主要包含水域形態(tài)、水下地形及岸線結(jié)構(gòu),對生境結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化可以改善野生魚類種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量,修復重建淡水生境。河流中線的實際岸線長度與這段河流首尾兩點直線距離的比值被稱之為岸線的蜿蜒度。Rhoads等[40]通過實驗研究得出:順直河段的物種豐富度相對較低,河段蜿蜒度的增加有利于提高該河段的物種豐富度、完整性和生物總量[41]。
河流河床的縱剖面通常是起伏錯落的,河床的低凹之處形成深潭,凸起之處創(chuàng)造淺灘環(huán)境。塑造深潭—淺灘序列能夠引導河流蜿蜒化,提高河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性和可持續(xù)性。深潭—淺灘序列的間距一般為5~7倍河道寬度,是底棲動物的優(yōu)良棲息地,有利于大型生物覓食棲息,同時為魚類提供棲息、繁衍及庇護的棲境,是魚類重要的產(chǎn)卵場[37]。此序列既可以通過疏浚和堆放自然材料來直接構(gòu)建,又可以通過設置丁壩、放置木材、安置礫石群等方式改變水的流速流向間接形成。
在濕地公園進行魚類棲息地營建時,應優(yōu)先選用天然材料。如生態(tài)駁岸,是指使用天然材料,結(jié)合相關(guān)的土木工程措施,增強岸際穩(wěn)定性,同時為魚類等野生動植物創(chuàng)造良好生存環(huán)境的駁岸[42]。魚巢磚作為一種新型的護岸構(gòu)件,可以為產(chǎn)卵場遭到破壞的魚類提供仿生態(tài)產(chǎn)卵條件,主要包括三大類:(1)連鎖塊鋪面護岸,指在坡度較大的岸際鋪設連鎖塊鋪面,維穩(wěn)水土;(2)透水混凝土箱式護岸,抵擋水流沖刷的同時為水生植物提供生長空間;(3)護坡拋石結(jié)合蘆葦、生態(tài)袋插柳護岸,保持河岸水土,供魚類棲息覓食[43]。
3.3.2 覆蓋物選取
在魚類學相關(guān)文獻中,覆蓋層通常被視為棲息地變量。但是由于在實際研究中難以對其進行量化并評估其對魚類的作用范圍,因此覆蓋層的定義較為模糊。從廣義上講,覆蓋物是指在水域范圍內(nèi)可為魚類躲避捕食者、競爭者或不利的非生物條件(急流、明亮的陽光、極端溫度)提供庇護的元素,并為其提供覓食和產(chǎn)卵場所。其對魚類有三個主要功能:防天敵、提供減少競爭性互動的視覺隔離和水力掩蔽[44]。
覆蓋物是各種時空尺度上魚類棲息地內(nèi)的結(jié)構(gòu)因子,石塊表面、植物的枯枝落葉和根墊等均可構(gòu)成魚類棲息地的蓋層結(jié)構(gòu),可形成視覺隔離防止捕食、減少競爭以及提供水力避難所,研究表明,有木材的地方,魚類豐富度更高[45]。木質(zhì)殘骸如廢棄的木船、懸倒的圓木均可以作為微生境,為魚類覓食和產(chǎn)卵場所提供庇護。
3.3.3 植物選擇
健康的河岸植被對魚類繁殖起著重要作用,為確保魚類繁殖行為的正常進行,建議河岸緩沖帶的寬度至少為30 m,在條件允許的情況下植被緩沖帶越寬越好。水生植物中沉水植物通過穩(wěn)定局部微生境的底質(zhì)和流速,促進河流沉積物中的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化,為魚類提供更為適宜的生境條件[46]。結(jié)合資料,總結(jié)魚類食物源和產(chǎn)卵場營建適宜植物種類如表4。
表4 魚類食物源和產(chǎn)卵場營建適宜植物種類[47-48]Tab. 4 Fish food source and suitable plant species for spawning ground construction[47-48]
3.3.4 底質(zhì)設計
水域的底質(zhì)是魚類棲息環(huán)境的重要組成部分,適合的底質(zhì)環(huán)境可以增加河流微生境的適應性。底質(zhì)粒徑范圍較廣的河床不僅為附生動物提供很大的附著面積,其縫隙也為底棲動物提供大量的生存空間和避難場所。底質(zhì)設計具體可從以下方面入手:(1)定期清淤,同時保留一定比例原有砂土或淤泥底質(zhì)用于底棲生物棲息藏身。清淤后對于砂質(zhì)底質(zhì)可以補充鋪灑不同粒徑的礫石。(2)直徑80 cm左右經(jīng)排列埋入河底的自然石適宜魚類創(chuàng)造重要的棲息環(huán)境即魚礁。(3)湖泊設計中可在淺水區(qū)投放石塊,適當架空底部,既可減緩水流流速,又可以為魚類提供棲息庇護的優(yōu)良場所。
濕地公園濱水游憩空間設計營建既要注重人與水的互動性體驗,又要充分重視魚類等生物棲息地保護。
3.4.1 濱水建筑及道路設計
大部分魚類運動依靠視覺導向,光線突然減少會降低其移動性,因此水上結(jié)構(gòu)的陰影會影響魚類活動,從而限制魚類的覓食、繁殖行為,例如在橋墩的遮蔽區(qū)域,魚類的總豐度顯著降低[48]。因此,濕地公園中濱水建筑和濱水步道的選址應盡可能遠離生態(tài)敏感性較高的灘涂、湖灣等區(qū)域,并且減少近岸水上結(jié)構(gòu)寬度,公園濱水建筑設計建造時需后退一定的藍線距離,在濕地公園中,建議后退藍線的距離不小于30 m,對于一些小型的休閑游憩建筑設施可適當減小后退距離。此外,親水步道和親水平臺的設計應采用水面架空的形式,將透光表層(如玻璃板、金屬格柵、天窗)運用于水上結(jié)構(gòu)中,以減小對自然棲息地的影響[49]。
3.4.2 照明設計
濕地公園中照明設施的使用可能會對魚類生理活動產(chǎn)生負面影響,改變其集群、覓食等行為。因此,在確保游人安全的前提下,濕地公園的濱水或臨水地帶可減少夜間照明,降低燈光強度和廣度。在魚類產(chǎn)卵、交配等特殊時期,可關(guān)閉照明措施,禁止游人夜晚游憩以確保魚類正常棲息繁衍。
大陽垾濕地公園位于蕪湖市城東新區(qū),總面積87.2 hm2,曾是位于城郊的一片湖泊、河流、沼澤的混合體。自2005年以來,周邊迅速城市化,一系列城市道路、廠房、商業(yè)用地圍合濕地。政府于2009年計劃建設濕地公園,保護破碎的濕地,恢復原先的風貌(圖2)。研究團隊于2009 - 2015年參與公園規(guī)劃設計至建成開放,將破碎的濕地風貌恢復為人、鳥、魚共融的場所(圖3,圖4)。針對公園現(xiàn)狀,本文從魚類棲息地營建的角度出發(fā),調(diào)查場地內(nèi)魚類資源,從水文設計、水質(zhì)改善、微生境設計及游憩設計4方面,對現(xiàn)狀水系進行設計調(diào)整。
圖2 大陽垾濕地公園實景(2010年1月9日)Fig. 2 The real scene of Dayanghan Wetland Park on January 9, 2010
圖3 大陽垾濕地公園建成實景(2015年7月15日)Fig. 3 The real scene of the completion of Dayanghan Wetland Park on July 15, 2015
4.1.1 水深設計
大陽垾濕地公園水域部分水深約為0.5~2 m,場地內(nèi)高程差距小,總體地勢平緩,坑塘水深情況單一,需要通過人工疏浚對場地內(nèi)不同水體進行重新分配調(diào)整,由于大型魚類需要較深的水域環(huán)境棲息覓食,而淺水水域更適宜小型魚類及部分兩棲類動物生存。規(guī)劃設計中遠離岸際的中心水域水深控制在3~4 m(圖5),為夏季冷水魚和深水魚提供庇護所,為暖水魚提供冬季越冬場所。利用濱水岸線和湖中生態(tài)島等,營造平均水深0.5 m以內(nèi),局部水深在0.15 m的淺水水域,為魚類創(chuàng)造產(chǎn)卵覓食的優(yōu)越環(huán)境(圖6)。
圖5 駁船開挖深水區(qū)Fig. 5 Barge excavation in deep water
圖6 岸際保留原有的淺水區(qū)Fig. 6 Keep the original shallow water area on the shore
4.1.2 水流控制
場地只有中心主水面流向為由北向南。場地多個水塘小而分散,與主水體不連通,流通性差造成水質(zhì)不佳。加之岸線多為直線駁岸,水陸交界面小,不利于水陸物質(zhì)交換。雨季時,水體流速過快,不利于岸際生態(tài)多樣性的提升。設計利用植物及生態(tài)島嶼對流速進行控制,雨季可以在保證快速行洪的同時,降低水流沖刷對魚類棲息地的破壞,同時創(chuàng)造更多的淺灘環(huán)境與深水區(qū)相鄰,為魚類提供避難所。
由于受到周邊工業(yè)廢水及居民污水的影響,設計首先對周邊工廠和居民區(qū)嚴格截污,進而通過提水泵促進水體循環(huán)流動,結(jié)合跌水、水臺階、噴泉等設施使水體曝氣,增加水體含氧量、凈化水質(zhì)。
4.3.1 岸際形態(tài)設計
考慮到邊緣效應,在水系改造時,調(diào)整岸線,增加岸線曲折度,通過島嶼營造淺水灘涂等多流態(tài)的水環(huán)境,創(chuàng)造季節(jié)性淹沒的淺灘濕地和淺水水塘,為魚類產(chǎn)卵育苗提供優(yōu)良場所(圖7)。
圖7 生態(tài)島和淺水區(qū)提供魚類棲息繁衍的場所Fig. 7 Ecological islands and shallow water areas provide places for fish to live and breed
4.3.2 岸線結(jié)構(gòu)
大陽垾原有駁岸僵硬,缺乏濕生、水生植物,難以起到凈化水質(zhì)的作用。駁岸規(guī)劃保留原有緩坡駁岸,將坡度較陡駁岸改造為緩坡入水,豐富植物群落(喬木—灌木—濕生植物—水生植物)。護岸建設選用自然木樁、柳編石籠、荊笆片等生態(tài)材料,這些材料間的空隙能為魚苗提供生息場所[50]。改造后總岸線長度增加近一倍,進一步加強其形態(tài)的不規(guī)則性,為魚類提供棲息生境。
4.3.3 種植設計
大陽垾場地內(nèi)木本濕生植物單一,僅有零星的銀葉柳(Salix chienii)和垂柳(S. babylonica)分布,核心區(qū)域草本濕生植物較為豐富,另外水體富營養(yǎng)化明顯,水藻滋生蔓延。種植設計根據(jù)不同植物的習性,將一些低洼地改造為水深0.2~1.0 m水泡地,種植不同類別水生植物群落,如睡蓮科(Nymphaeaceae)、禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)、澤瀉科(Alismataceae)、蓼科(Polygonaceae)等。通過濕地植物長期的自然演替,最終形成不同類型的濕生植物塘,為生境內(nèi)魚類提供食物源和棲息庇護。
公園周邊居民較多,公園在滿足生態(tài)保育的前提下,也需要提供觀賞游憩和科普展示功能。為了保證魚類正常的棲息繁衍,公園只沿主路布置太陽能燈具照明,設施間隔40~50 m,旨在控制游人夜間活動,為魚類、鳥類提供良好的棲息環(huán)境。
本文在以魚類棲息地保護和修復的視角,分析魚類對于棲息地在水質(zhì)(水溫、溶解氧、pH值、含沙量、鹽度)、水力學(水深、流速)等方面的需求,以及分析人類活動(噪音、夜晚照明、污染物雜質(zhì))等對魚類的影響,提出魚類棲息地的營建原則,并希望提高公園魚類棲息地的適宜度,增加魚類的種類和數(shù)量,進而吸引更多的鳥類,營造人、鳥、魚共融的公園環(huán)境。
近年來,學界對濕地公園中鳥類、蝴蝶等棲息地的保護研究已十分活躍,對魚類棲息地的研究還處于起步階段。魚類作為濕地公園生物鏈重要一環(huán),其棲息地保護和營建工作價值巨大。由于調(diào)研、監(jiān)測的難度較大,魚類棲息地保護營建還存在許多有待深入的方面,具體如下:(1)在生物本地調(diào)研基礎(chǔ)上,對公園內(nèi)各種魚類棲息地的全面調(diào)研;(2)與魚類學、環(huán)境工程等學科加強交流,優(yōu)化設計方法與營建措施;(3)建立濕地公園棲息地評估體系,將棲息地保護和修復作為貫穿濕地公園規(guī)劃設計至施工運營的必備工作環(huán)節(jié);(4)采用數(shù)字監(jiān)控技術(shù),依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對公園管理進行動態(tài)反饋,完善棲息地保護工作。
注:文中圖表除標注來源外,均由作者自繪/自攝。