海濱人工濕地水生植物群落時(shí)空反演變驅(qū)動(dòng)因子研究
——以連云港市徐圩新區(qū)備用水源工程為例

宋 力，湯 陽(yáng)，劉華軍，浦源源，田曉梅

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院材料結(jié)構(gòu)研究室，江蘇 揚(yáng)州 225002；2.連云港市鑫海水利工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 連云港 222000；3.灌南縣水利局，江蘇 連云港 222500）

連云港市徐圩新區(qū)應(yīng)急備用水源工程（以下簡(jiǎn)稱徐圩湖）位于連云港市徐圩新區(qū)境內(nèi)，占地總面積約200 hm2（其中水域面積約142.7 hm2），庫(kù)區(qū)水生態(tài)凈化系統(tǒng)采用了“前端預(yù)處置、中部濕地功能凈化、后置生態(tài)調(diào)控”復(fù)合工藝，為提高原水水質(zhì)質(zhì)量，利用人工濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合凈化能力，通過各水生態(tài)凈化功能模塊，來降低NH3-N、TN及CODMn等指標(biāo)［1-2］，全面滿足徐圩湖水源地水質(zhì)、供水及應(yīng)急三大設(shè)計(jì)目標(biāo)（見圖1）。工程由如3 部分組成［3］：（1）預(yù)處理區(qū)：配置人工介質(zhì)及微泡增氧機(jī)；（2）復(fù)合濕地凈化區(qū)：主要包括水生植物種植、運(yùn)行期維護(hù)、水生動(dòng)物投放及數(shù)量控制；（3）生態(tài)蓄水區(qū)：包括水生動(dòng)物投放及控制、水生植物種植及維護(hù)、太陽(yáng)能循環(huán)復(fù)氧機(jī)安裝等。生態(tài)工藝流程為善后河來水→取水泵閘（管道）→預(yù)處理區(qū)→復(fù)合濕地凈化區(qū)→生態(tài)蓄水區(qū)→出水。

圖1 徐圩湖水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建示意

1 水生植物群落時(shí)空演變特征

徐圩湖設(shè)計(jì)水生植物種植總面積282 414 m2，具體包括：沉水植物面積106 582 m2，挺水植物面積169 766 m2，浮葉植物種植面積6 066 m2。其中沉水植物按照設(shè)計(jì)文件超量種植完成，復(fù)合濕地區(qū)的沉水植物種植面積符合設(shè)計(jì)要求［4］，但生態(tài)蓄水區(qū)沉水植物在運(yùn)行維護(hù)工程中，受風(fēng)浪、魚類等多面方面驅(qū)動(dòng)因素影響，原設(shè)計(jì)區(qū)域沉水植物覆蓋度銳減，僅在生態(tài)石籠內(nèi)側(cè)挺水植物生長(zhǎng)區(qū)域，沉水植物仍然保持較高覆蓋率（面積約為挺水植物種植面積的1/3，占地面積約為56 588 m2）。

雖然備用水源地生態(tài)工程建設(shè)在水質(zhì)凈化效果保障等重點(diǎn)考核指標(biāo)上達(dá)到了預(yù)期的功能目標(biāo)，水生植物成活率受項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域范圍內(nèi)風(fēng)浪、土壤鹽度、水位調(diào)度、入庫(kù)候鳥及魚類攝食等影響，生態(tài)蓄水區(qū)的初始種植沉水植物種植存活一段時(shí)間后呈明顯的反演替過程，群落逐步減少現(xiàn)象，主要特征為：

（1）水生植物品種發(fā)生演替

原設(shè)計(jì)種植區(qū)域沉水植物有一定的死亡，生態(tài)蓄水區(qū)沉水植物覆蓋率較設(shè)計(jì)低，在湖區(qū)不能保證生態(tài)蓄水區(qū)透明度的條件狀況下，耐鹽性沉水植物品種穗花狐尾藻逐步向周邊擴(kuò)展，水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能正在逐步完善；另外挺水植物品種由于種植區(qū)域表層土壤被風(fēng)浪侵蝕，耐鹽性較高的蘆葦、香蒲逐步向外擴(kuò)散，成為主要優(yōu)勢(shì)種。

（2）生態(tài)蓄水區(qū)沉水植物覆蓋率不達(dá)標(biāo)

綜合考慮生態(tài)蓄水區(qū)水利調(diào)度、風(fēng)浪、魚類牧食等對(duì)沉水植物生境條件的影響，生態(tài)蓄水區(qū)沉水植物覆蓋率難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 水生植物群落演替驅(qū)動(dòng)因子分析

2.1 長(zhǎng)期因子

2.1.1 水力調(diào)度

興建徐圩湖應(yīng)急備用水源工程的目的主要是為了服務(wù)于保障連云港石化產(chǎn)業(yè)基地生產(chǎn)及生活用水，提高用水保證率，兼顧石油化工基地產(chǎn)業(yè)用水安全及可靠性。徐圩湖設(shè)計(jì)有效庫(kù)容量約為430 萬m3，45 萬m3日應(yīng)急供水量，要求能夠滿足徐圩新區(qū)連云港石化產(chǎn)業(yè)基地連續(xù)10 d 不間斷應(yīng)急供水，以保障徐圩新區(qū)用水安全。徐圩湖庫(kù)區(qū)引調(diào)水主要依據(jù)徐圩新區(qū)用水需求，導(dǎo)致建設(shè)期引調(diào)水時(shí)間、周期、水量、水位等均不可控，從而導(dǎo)致庫(kù)區(qū)生態(tài)水位無法滿足沉水植物生長(zhǎng)要求，造成水生植物褪化消亡。

水深直接影響沉水植物的生長(zhǎng)、繁殖及分布，在我國(guó)河湖水庫(kù)的生態(tài)修復(fù)工程中，經(jīng)常通過降低水深來提升水體光照條件，進(jìn)而為沉水植被的恢復(fù)創(chuàng)造條件［5-7］。徐圩湖北側(cè)為徐圩水廠，為保障水廠用水，蓄水區(qū)的水位較高，水位變動(dòng)幅度較大，導(dǎo)致沉水植物養(yǎng)護(hù)時(shí)無法有效控來水維持沉水植物生長(zhǎng)所需的長(zhǎng)生條件。首先，由于水位高、水較深，引起光強(qiáng)減弱，降低沉水植物光合作用發(fā)生。其次，植物面對(duì)這樣的環(huán)境脅迫，會(huì)通過增加葉片的長(zhǎng)度、面積來獲取更多的光源。因徐圩湖區(qū)域風(fēng)力較大，水位越高導(dǎo)致風(fēng)浪的起伏面積較大，植物與風(fēng)浪接觸面積更大，根莖更易被折斷，植物的存活率偏低。水位的過度降低對(duì)沉水植物而言也是一種脅迫因子。水位過低，植物葉片裸露面積較大，光照強(qiáng)度升高，會(huì)影響沉水植物的光合系統(tǒng)，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。最后，透明度和水深的比值Ts［8］也是沉水植物能否成功恢復(fù)的關(guān)鍵生態(tài)指標(biāo)之一，沉水植物能恢復(fù)生長(zhǎng)的Ts 值理論研究結(jié)果建議大于0.38，實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，為確保沉水植物順利恢復(fù)，建議Ts 不小于0.5 為宜。生態(tài)蓄水區(qū)Ts 值無法滿足沉水植物正常生長(zhǎng)要求時(shí)，可通過降低水位或者提高透明度的方法得以滿足。但鑒于徐圩湖作為應(yīng)急水源的主要功能，不同時(shí)期要通過降抬水位滿足水廠需求和應(yīng)急需求，短時(shí)間內(nèi)無法通過有效的控制水位來維持沉水植物正常生長(zhǎng)需要的透深比。

2.1.2 風(fēng)浪影響

一般沉水植物的快速生長(zhǎng)時(shí)間在6—9月份，亦是連云港地區(qū)臺(tái)風(fēng)、雷雨天氣頻發(fā)的季節(jié)，過大的風(fēng)浪對(duì)水生植物恢復(fù)帶來較大的影響，主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

（1）影響植物定植。過大風(fēng)浪對(duì)岸邊土壤和底泥沖刷力度增大，流動(dòng)性大及土質(zhì)穩(wěn)定性差的底泥不利于新栽種的水生植物生長(zhǎng)，且會(huì)導(dǎo)致成活率降低。

（2）影響水體透明度。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及查閱資料，在風(fēng)速＞3.7 m/s，將引起2 m 以內(nèi)淺水區(qū)底泥的懸浮，水體透明度不能得到有效保障，沉水植物光合作用受到較大抑制，影響其生長(zhǎng)，植物存活率偏低，短時(shí)間內(nèi)無法通過沉水植物的正常生長(zhǎng)繁殖來恢復(fù)原有的植物分布密度。

（3）底泥鹽度升高。土壤的流失同時(shí)衍生出底泥鹽度問題，導(dǎo)致植物鹽脅迫增加，由于原設(shè)計(jì)的水生植物品種的耐鹽程度不同，出現(xiàn)植物品種演替和消亡現(xiàn)象，多種挺水植物如菖蒲、再力花、千屈菜逐漸演替為蘆葦、香蒲。研究表明，在風(fēng)場(chǎng)影響下強(qiáng)迫作用下，會(huì)引起底層層流剪切及水面波動(dòng)，對(duì)淺水湖泊水生植物生態(tài)系統(tǒng)造成影響，導(dǎo)致水-土界面底泥再懸浮和水體污染的內(nèi)源釋放，進(jìn)而影響水生植物尤其是沉水植物的生長(zhǎng)和分布。徐圩湖生態(tài)蓄水區(qū)水面面積約118.53 hm2，水面面域較大，易對(duì)水體造成攪動(dòng)，湖區(qū)底泥的懸起臨界風(fēng)速值為3.7 m/s，即風(fēng)力速度超過3.7 m/s 就將引起2 m 以內(nèi)淺水區(qū)底泥的懸浮，造成水體透明度下降，未能達(dá)到1 m 的水體透明度。而連云港近岸海域?qū)贃|亞季風(fēng)氣候，該區(qū)域盛行偏東風(fēng)，常風(fēng)向?yàn)镋N 和ESE，出現(xiàn)率分別為12.1%和11.9%，年平均風(fēng)速3.1～3.6 m/s,最大風(fēng)速為15.4～28 m/s，其中一年中風(fēng)速大于3.7 m/s 的天數(shù)約77 d，主要集中在每年的3—8月份，尤其是6～8 月份夏季期間受到臺(tái)風(fēng)、雷雨等惡劣天氣的影響較大，臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速高達(dá)12.2～19.2 m/s，約為臨界值的3.3～5.2 倍。

（4）影響沉水植物生長(zhǎng)繁殖。徐圩湖水生植物種植于2020 年10 月開始施工，采用了常規(guī)種植方法，并且為確保植物能較快地適應(yīng)環(huán)境，選擇了根系發(fā)達(dá)、植株健壯的2 齡苗。但同年12月遭遇特大風(fēng)浪，最高風(fēng)速達(dá)10.7 m，遠(yuǎn)超底泥起懸臨界風(fēng)速影響沉水植物種植效果。同年冬季，2021 年1 月17 日又遭遇極端寒冷天氣，最低氣溫為零下14 ℃，水面大面積結(jié)冰，嚴(yán)重影響沉水植物種子的萌發(fā)率，2022年春季原種植沉水植物幾乎全部死亡。2021 年3 月安排了第二次全品類補(bǔ)種，主要采用了鐵絲固定插種法、竹片固定插種法、皮筋綁扎石子拋種等種植方法，同時(shí)配合安裝6萬m2的消浪圍網(wǎng)來消除風(fēng)浪過大對(duì)沉水植物扎根的影響。圍網(wǎng)建立后，減小了部分風(fēng)浪對(duì)沉水植物的沖刷，水生植物覆蓋率達(dá)到總85%以上，總體長(zhǎng)勢(shì)良好，并于2021 年8 月通過一期驗(yàn)收。但后期圍網(wǎng)拆除后，受風(fēng)浪影響，僅存活了最后一批皮筋綁扎石子拋種的苦草，使用鐵絲、竹片固定插種種植的沉水植物所剩無幾，沉水植物和表層土壤大部分被風(fēng)浪卷起吹走。2022年5-9 月安排第3次補(bǔ)植，采用防塵網(wǎng)包裹泥土、防塵網(wǎng)包裹碎石作為配重拋種狐尾藻以及竹竿綁扎固定插種，種植一周后開始扎根，呈現(xiàn)出較高的沉水植物覆蓋度。后期隨著風(fēng)浪侵襲，出現(xiàn)部分沉水植物連帶表層土壤被風(fēng)浪卷起沖走，越過石籠在挺水植物種植平臺(tái)內(nèi)扎根生長(zhǎng)。

過大的風(fēng)浪對(duì)岸邊土壤和底泥沖刷力度增大，流動(dòng)性大、穩(wěn)定性差的底泥不利于沉水植物的定植，植物成活率較低；風(fēng)浪過大也會(huì)加大對(duì)植物的拉拽力度，使植物根莖折斷；同時(shí)底泥懸浮導(dǎo)致水體透明度下降，水下光照的減弱將使水生植物的生長(zhǎng)發(fā)育及繁殖受限［9］。另外在風(fēng)浪過大的條件下，水體透明度不能得到有效保障，原先設(shè)計(jì)的沉水植物的光合作用受到較大限制，植物存活率偏低，短時(shí)間內(nèi)無法通過沉水植物的正常生長(zhǎng)繁殖來恢復(fù)原有的植物分布密度。

（5）沖刷表層土壤。徐圩湖水庫(kù)地理位置地處連云港徐圩新區(qū)中西部，距黃海海岸線約6.5 km，歷史上曾為海洋，湖區(qū)所處區(qū)域地下水長(zhǎng)期受外海海水滲透補(bǔ)給，且通過蒸發(fā)和向河、溝滲流排泄，導(dǎo)致地下水、地表土壤含鹽量較高，并不適宜沉水植物的生長(zhǎng)。因此徐圩湖前期通過土壤脫鹽工藝，將種植區(qū)域表層20 cm 土壤鹽度降至4‰～6‰，以確保沉水植物的正常生長(zhǎng)；同時(shí)根據(jù)水生植物的耐鹽特性，綜合考慮湖區(qū)土壤含鹽量，對(duì)苦草種植區(qū)域土壤利用鹽漬土壤改良劑對(duì)原土壤進(jìn)行了二次改性處理，以降低種植區(qū)域的土壤鹽分狀況，使其能在原有鹽度的基礎(chǔ)上，降低1‰左右。對(duì)水生植物而言，當(dāng)土壤含鹽量達(dá)到一定的值時(shí)，水生植物由于受到的鹽脅迫超出植物體內(nèi)相關(guān)機(jī)理調(diào)節(jié)的最大值，植物會(huì)呈現(xiàn)萎蔫、死亡的現(xiàn)象，使得存活率大大降低［10］。徐圩湖種植選取的沉水植物品種主要為篦齒眼子菜、菹草、狐尾藻、刺苦草、小茨藻，在經(jīng)過脫鹽工藝處理的土壤中可以正常生長(zhǎng)。

由于徐圩湖所在區(qū)域風(fēng)浪過大，長(zhǎng)時(shí)間沖刷導(dǎo)致表層20 cm 經(jīng)過脫鹽處理的部分土壤被風(fēng)浪卷起，現(xiàn)存的表層土壤鹽度較高，原設(shè)計(jì)的沉水植物品種難以存活。在本項(xiàng)目施工后，備用水源地處于一直運(yùn)行的狀況，為滿足徐圩水廠的每日取水需求，無法通過控制水位來進(jìn)行后續(xù)表層土壤的脫鹽工藝，影響生態(tài)蓄水區(qū)沉水植物的恢復(fù)與生長(zhǎng)，導(dǎo)致苦草的存活率較低。為尋求適宜項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的沉水植物，通過開始小試、中試試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)狐尾藻對(duì)該地區(qū)的土壤有一定耐受性，后期項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)將沉水植物種植品種苦草變更為狐尾藻之后，呈現(xiàn)出較好的生態(tài)效果［11］，挺水植物品種由于種植區(qū)域表層土壤被風(fēng)浪侵食，耐鹽性較高的蘆葦、香蒲逐步向外擴(kuò)散，成為主要優(yōu)勢(shì)種。徐圩湖風(fēng)浪影響及應(yīng)對(duì)措施見圖2。

圖2 徐圩湖沉水植物受風(fēng)浪影響及應(yīng)對(duì)措施說明

2.2 短期因子

2.2.1 魚類牧食

水生魚類的合理投放對(duì)移除水體所含營(yíng)養(yǎng)鹽含量及控制浮游藻類具有重視作用，水生魚類是構(gòu)成健康水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部份，具有平衡、協(xié)調(diào)水體生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)、保障水質(zhì)安全的重要功能。水生態(tài)修復(fù)中以植物為食的雜食性魚類對(duì)生態(tài)恢復(fù)的影響不可忽視，如春末夏初的沉水植物的補(bǔ)植常常會(huì)遭致已長(zhǎng)大成熟的魚類攻擊，特別是對(duì)幼苗期的植物嫩芽的啃食，會(huì)對(duì)沉水植物的存活產(chǎn)生重要影響。鯽、草魚啃食沉水植物的莖、葉、芽等，也會(huì)導(dǎo)致沉水植物的死亡。補(bǔ)植之后，部分狐尾藻再次受到草食性魚類的攻擊，會(huì)被草魚咬斷，隨風(fēng)浪吹到淺水區(qū)，會(huì)對(duì)沉水植物的生長(zhǎng)、繁殖及恢復(fù)產(chǎn)生不利影響，草食性魚類長(zhǎng)期對(duì)水生植物群落牧食會(huì)造成嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致很多湖泊從草型湖泊向藻型湖泊轉(zhuǎn)化，如武漢東湖、保安湖和滆湖等；其次，隨著雜食性魚類在底層活動(dòng)密度的增大，其相應(yīng)的覓食活動(dòng)會(huì)造成對(duì)底層沉積物的擾動(dòng)，使得底泥懸浮，透深比及透明度同時(shí)降低，影響水生植物的生長(zhǎng)與修復(fù)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，徐圩湖主要魚類為鰱魚、鯽魚、草魚、鯉魚、翹嘴鲌、鱸魚和烏鱧，草食性、雜食性魚類品種多樣且數(shù)量眾多，主要原因是徐圩湖運(yùn)行前期為滿足徐圩水廠每日取水需求，善后河水未通過預(yù)處理區(qū)直接進(jìn)入生態(tài)蓄水區(qū)，帶入了大量的野雜魚苗和魚卵。在運(yùn)行調(diào)試初期，攔截魚苗等措施由于阻礙備用水源地進(jìn)水也被禁止使用。隨著運(yùn)行時(shí)間推移，魚類數(shù)量較多，投放肉食性魚類已經(jīng)不能有效控制草食性、雜食性魚類的繁衍，且缺少大型的漁業(yè)資源調(diào)查和捕撈措施，因此對(duì)湖區(qū)沉水植物的恢復(fù)帶來較大困難。

2.2.2 低溫影響

低溫直接對(duì)水生植物的光合作用及呼吸功能產(chǎn)生重要影響。水生植物在其耐受水溫下，水溫越高，葉綠素含量呈增多趨勢(shì)，生存能力提高，生長(zhǎng)加快，數(shù)量增多。不同的水生植物對(duì)水溫的耐受能力存在差異，如菹草為耐寒類品種，苦草及微齒眼子菜為較耐熱品種，總體來說沉水植物的適宜生長(zhǎng)溫度分布于15～30℃之間［12］，如果水溫低于10 ℃時(shí)，多數(shù)沉水植物難以生長(zhǎng)［13］。

徐圩湖在進(jìn)行沉水植物種植之前，先進(jìn)行了脫鹽工藝施工，導(dǎo)致沉水植物種植時(shí)間較晚，批量種植時(shí)已經(jīng)進(jìn)入秋冬季，并不適宜沉水植物的生長(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄，2021 年1 月份時(shí)有連續(xù)10 d 左右的零下低溫天氣，最低溫度可達(dá)到-14 ℃，主湖區(qū)大面積結(jié)冰，對(duì)剛種植的植物造成嚴(yán)重的凍傷，導(dǎo)致春季沉水植物無法萌發(fā)生長(zhǎng)。同時(shí)，施工完成后，備用水源地為滿足徐圩水廠的運(yùn)行，采用超越渠進(jìn)水，且一直保持較高水位，對(duì)于剛種植的沉水植物生長(zhǎng)也造成負(fù)面影響。

3 結(jié)論及建議

在徐圩湖項(xiàng)目建設(shè)初期無論是水生植物覆蓋度、還是水質(zhì)指標(biāo)都達(dá)到了工程建設(shè)目標(biāo)預(yù)期目標(biāo)，因此項(xiàng)目水生植物設(shè)計(jì)工藝從實(shí)際和理論層面都是可行的，可作為徐圩地區(qū)備用水源地技術(shù)實(shí)施典范推廣。針對(duì)影響水生植物群落時(shí)空反演變的驅(qū)動(dòng)因子提高生態(tài)蓄水區(qū)的沉水植物存活率及覆蓋率，結(jié)合徐圩湖項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，可參照以下思路進(jìn)行：

（1）保證水源地湖區(qū)足夠深的水位，盡量避免有過大波動(dòng)，將耐寒性沉水植物苦草變更為狐尾藻，采用新型種植工藝，通過不斷補(bǔ)種和養(yǎng)護(hù)，逐漸恢復(fù)生態(tài)蓄水區(qū)沉水植物覆蓋率。

（2）通過適當(dāng)?shù)亟档退缓吞岣咄该鞫?，保持合適的透深比，為徐圩湖的沉水植物萌發(fā)生長(zhǎng)提供了良好環(huán)境，促進(jìn)了沉水植物的逐步恢復(fù)。

（3）生態(tài)蓄水區(qū)需要做好防風(fēng)浪措施，預(yù)防底泥攪動(dòng)影響沉水植物正常生長(zhǎng)，如采取設(shè)置防風(fēng)林、護(hù)岸綠化、圍隔等。

（4）為了消除食草性魚類對(duì)沉水植物的牧食影響，需要進(jìn)行漁業(yè)調(diào)查調(diào)控魚類結(jié)構(gòu)，設(shè)置圍網(wǎng)阻隔引水過程中外來魚類的帶入，減少底層雜食性魚類對(duì)底泥的擾動(dòng)。