太湖三山岛生态湿地设计及其效果评价

赵欣胜 崔丽娟 李 伟 潘 旭 张曼胤

近20年来，由于人为活动的持续影响，进入天然水体的氮、磷、重金属等有毒有害污染物持续增加产生的累积效应致使天然水体发生富营养化、出现黑臭现象加剧，进而导致我国部分水体质量日益恶化[1-12]。特别是氮、磷污染导致的富营养化问题日渐突出。许多研究表明，富营养化极易导致水体暴发藻类水华，进而因藻类瞬间死亡而对生态系统产生危害，例如使水中溶解氧含量迅速降低，造成水生动物因缺氧死亡，并带来水体恶臭问题，降低景观欣赏性，影响旅游业发展[13-15]。这些影响进一步会对区域的社会、经济和文化产业带来负面影响，进而导致周边土地附加值降低。另外

某些藻类死亡分解能够产生有毒的藻毒素，有研究证实藻毒素是动物肝脏患肿瘤的强烈诱发剂，通过食物链关系严重威胁着人类的健康。与此同时，目前关于湿地景观和湿地净化方面的设计和研究多考虑单一功能，特别是湿地景观设计实施后缺少后评估，也造成了部分设计不符合实际需求，考虑了景观而忽略了生态效益[14-17]。因此，在湿地景观设计方面，如何将湿地景观设计与湿地净化功能有机结合，如何安全有效地修复黑臭水体，特别是富营养化水体是目前水环境领域、风景园林领域关注的热点[18-20]。因此兼顾景观和水质提升、科学设计水景景观等研究是当前风景园林领域研究的热点[1-5，23-26]。近10年来，全球范围内多个国家相继开展了多个黑臭水体、湖泊富营养化治理工程。针对黑臭水体、富营养化水体，特别是藻类泛滥控制等水环境问题，很多科学家都投入到控制藻华暴发研究当中，提出了很多科学的治理方法，如化学快速治理法、机械打捞法、生物抑制法、生态拦截法和快速絮凝法等。但由于各种方法都存在着效果不佳、持续时间短、有二次污染问题等，一直无法有效推广。因此，人们一直期待着出现一套安全、有效、成本低、操作简便的技术[8-13，21-24，27-31]。

作为中国四大淡水湖的太湖，其富营养化导致的藻类水华十分突出，已经严重影响了当地的渔业生产，并且呈现逐年加剧趋势，藻类水华持续时间也随之增长[21-27]。国内很多大型湖泊，特别是热带亚热带区域的湖泊由于夏季气温较高，加之水体富营养化严重，经常性发生藻类水华。大部分湖泊所在地夏季时盛行南风，湖泊的北岸往往是藻类水华形成后藻类聚集区，因此如果能够借助地形拦截收集藻类，会取得事半功倍的效果[22-27]。地形工程实施后，在夏季蓝藻水华形成后，采用若干小型蓝藻打捞船快速打捞浮集在水面的水华蓝藻，另配一条大型藻水分离船在湖面上收集，小型蓝藻打捞船收集的蓝藻送到藻水分离船上进行脱水处理，清水仍返湖中，可以大大减少蓝藻的存放空间和拖运费用。因此通过地形改造拦截藻类的影响是具有实践应用价值的。本文研究对象是太湖中的三山岛，由于夏季藻类水华现象十分突出，因此在充分考虑景观和净化功能的基础上，于2009年开始设计和实施藻类水华综合控制系统。经过多年的运行和管理，其效果显著。本文将对该工程的景观设计和技术思路和实施后的效果进行分析，为类似湿地提供借鉴和参考。

1 工程设计

利用湿地生态学与景观设计手法，对研究区的天然生态环境进行保护、恢复和改善，同时保留湿地原有的景观特色。从功能、空间、景观、环境、特色等多方面综合考虑湿地的整体设计。创造一个兼顾景观和净化功能的藻类水华综合控制系统，该系统集成应用了地形改造、湿地生态护岸、湿地植物优化配置、生物链恢复以及水力联通等多种景观与生态设计技术(表1)。地形改造是实现研究区游步道、岸带建造、水面形态、水深梯度、水力连通以及湿地植物带状种植等湿地景观营造的前提，而水面形态的变化、水深梯度的变化是影响湿地带状景观构建的关键要素，湿地植物优化配置优先考虑净化功能进而再选择具有景观观赏性的品种。具体工程分为6个处理单元(①为第1单元、②为第2单元、③为第3单元、④和⑤为第4单元、⑥为第5单元以及⑦为第6单元)，通过地形改造实现研究区水连通性，进而利用水流运动作用实现收集藻类水华过后产生的大量有害藻类，通过人工措施进行无害化处理；工程也能拦截有害藻类扩散到三山岛近岸，消除对近岸水体水质、岛上空气环境以及景观的不利影响。

工程区中的①和②区(图1)主要植物群落为人工种植的荷花、睡莲、芡实、茭白、香蒲等浮叶和挺水植物，植被带自湖岸延伸至水体中5～15m。③、④和⑤区(其中④和⑤属于同一个单元，图1)自挺水植物区边界起，至围堰内侧，南北宽度约150m，种植有苦草、金鱼藻、轮叶黑藻、狐尾藻、菱、荇菜、水鳖等浮叶与沉水植物。⑥和⑦区(图1)处于围堰三级区域，距离湖岸较远，具有拦截太湖蓝藻功能。⑧区为工程区外围，属于工程对照区，是未经工程干扰的太湖水域，其中沉水植物稀少，部分靠近围堰的地方有少量具有净化功能的荇菜、菱、轮叶黑藻等浮叶植物。

1.1 湿地生态护岸

以自然生态性、净化水质功能、防浪固岸功能和景观优化功能为原则，通过多种形式、多种结构和多种材料进行岸带设计，充分体现岸带与水体之间的物质与能量交换，促进水环境改善，为生物物种提供健康的水生态环境。

研究区由于水体富营养化问题突出，岸带设计采用快速渗滤系统更有助于水环境质量的改善，同时也能够满足水体交换，保持正常的生态水文过程，外侧临太湖测构造湿地生态净污岸带，通过人工构筑的渗滤介质表面时经历物理、化学和生物作用，对水体进行有效净化处理。快速渗滤系统由生态袋、多层渗滤基质、净污湿生植物构建而成，地表径流进入积水沟后二次分散进入快速渗滤系统，最后进入水体中。采用渗透性能较好的砂石、煤渣、砾石等渗滤基质代替天然土层，利用其为载体，在其表面形成特殊的生物膜，为微生物提供较大的附着表面，微生物可以将污染物分解为二氧化碳和水，同时结合种植净污湿生植物，有利于加强对水体污染物的降解作用，强化自然状态下河流中的沉淀、吸附及氧化分解现象。

1.2 湿地植物恢复规划

湿地植物恢复的主要目的是促使恢复区植被多样性丰富度和植被盖度得到有效提升，并增加景观观赏性和增强湿地系统的自我维持能力。适合研究区的湿地植物恢复的有杞柳、腺柳、垂柳、旱柳、泽泻、芦苇、茭白、石菖蒲、水葱、雨久花、香蒲、慈姑、浮萍、荷花、睡莲、槐叶萍、菱、苦草、菹草、眼子菜等。其中常水位出露滩地植被带恢复主要选择低矮湿生植物，如泽泻、慈姑、雨久花等，种植密度为1～3丛/m2。常水位以下植被带恢复以高大挺水植物为主，如芦苇、石菖蒲、香蒲、茭白，种植密度为25～30株/m2，水深主要在0～50cm。滨水带植被恢复植被带以种植湿生灌木(杞柳、腺柳、垂柳、旱柳等)为主，种植密度为1 500～5 000株/hm2；浅水区在50～250cm范围内种植沉水植物和浮叶植物，如浮萍、荷花、睡莲、槐叶萍、菱角、苦草、菹草、眼子菜等，其中荷花、睡莲种植密度为1株/m2，而菱角、苦草、菹草、眼子菜等沉水植物种植密度为10～25丛/m2。图2中荷花种植区和睡莲种植区主要通过湿地基质改良、微地形改造实现恢复；图2中深水区主要通过深挖局部地形达到2m以上深度实现恢复；图2中沉水植物种植区通过微地形改造并选择具有净化功能的沉水植物进行科学种植实现恢复。

1.3 水文连通

湿地水文连通是在保持现状水位不变的情况下，通过改造地形改变湿地水深实现不同水体水力连通，进而促进物质和能量交换。一般通过工程措施对水面形状、规模、空间布局进行调整，稳定水域面积，优化湿地恢复区域内的水资源分配格局，重新建立起水体之间良好的水平和垂直联系，调节湿地生境水分条件，保证湿地生态系统营养物质的正常输入输出。水文连通可通过地形削平或抬高来实现。地形削平是通过消除湿地恢复区局部地势较高的区域，降低局部地形海拔高度，间接增加水深，以满足一些湿地植物对水深的要求，特别是挺水植物、浮叶植物和沉水植物等。地形抬高是通过堆积基质，抬高局部地形海拔高度，间接降低水深，满足一些湿地植被对浅水深的要求，特别是湿生植物。水文连通技术在实践当中又有许多表现形式，研究区采用的水文连通技术见表2。

1.4 湿地生物链恢复

通过确定研究区湿地生物链断链“节”处和导致湿地生物链断链关键因子后，依据研究区湿地生物链中生物关系，以及湿地生物链断链“节”处各种物种生态特征和生活习性，采取生态恢复、重建和增强等技术手段恢复断链“节”处关键种，进而实现研究区生物链完整结构的恢复。湿地生物链结构的脆弱化主要原因是湿地生物链中的生产者、消费者和分解者比例关系发生改变，因此通过在研究区采用相应的生物恢复技术可以实现湿地生物链断链“节”处生物物种种类、种群数量以及年龄组成最佳配置比例，本研究主要从湿地植被恢复、投放鱼类、底栖动物和浮游动物进行恢复，进而恢复了健康的湿地生物链系统。在研究区除了恢复湿地生物链的食物关系结构以外，恢复湿地生物之间的相生相克关系也非常重要。对于研究区相生相克关系，本研究区利用了芦苇、石菖蒲等湿地植物的他感作用抑制藻类繁殖。湿地生物链组成结构调整借助了湿地植物恢复和湿地动物恢复技术来实现，其中湿地生物链中生产者的恢复用到了湿地植物恢复技术。为此，本研究采用重建模式进行恢复，其中湿地植物恢复以挺水植物中的芦苇、香蒲、石菖蒲、茭白等为主，浮叶植物以睡莲、芡实、菱、荇菜、水鳖等为主，沉水植物以苦草、菹草、眼子菜等为主，又强化了以杞柳、腺柳、垂柳、旱柳为主的湿生灌木品种；水生动物以投放花鲢、鳙鱼、白鱼等鱼类，以及螺蛳、田螺、河蚌等底栖动物为主，最终通过地形改造、水力联通等生境改良措施实现了健康完整的湿地生物链系统恢复(表1)。

表1 各单元景观配置

2 数据监测及分析方法

在6个处理单元和对照区共设置21个采样点，同时对水体水质进行逐月定点跟踪监测，每个站位采表层水样(深度小于0.5m)，采集后即用0.45m的Millipore滤膜进行现场减压过滤，保温箱内低温保存，运回实验室后立刻按照国标进行水化学分析。现场监测和记录溶解氧(DO)、透明度SD(cm)及pH值，采样后在实验室监测的水质指标有：总氮TN(mg/L)、总磷TP(mg/L)、高锰酸盐指数CODMn(mg/L)。DO采用碘量法测定(GB 7489—87)，SD采用塞氏盘法测定，pH值现场测定，总氮(TN)采用过硫酸钾消解紫外分光光度法测定(GB 11894—89)，总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法测定(GB 11893—89)，高锰酸盐指数(CODMn)采用酸性法测定(GB 11892—89)，叶绿素a参照乙醇萃取法进行测定。

本试验各项指标均参照《湖泊富营养化调查研究》和《水和废水监测分析方法第四版》的方法进行测定，采用SPSS v21软件中单因子方差(ANOVA)及Duncan多重比较对试验结果进行统计分析和差异显著性检验。

图2 研究区恢复效果

图3 SD变化趋势图

图4 pH变化趋势图

3 结果与讨论

3.1 透明度(SD)变化规律

由图3可以看出，2010年1月至2013年12月，随着季节的变化，单元1的水体透明度(SD)变化范围为0.57～1.24cm，但整体上透明度呈上升的趋势。自2012年1月到2013年12月，6—10月期间水体透明度显著高于其他月；单元2和对照也具有同样的规律，但单元3变化规律不明显，其各月间水体透明度基本没有变化，对比分析显示，自2010年1月以后，单元1水体的透明度显著高于其他单元以及对照区(p＜0.01)。

3.2 pH时间变化规律

图4显示，单元1的p H值变化处于6.90～8.10之间，随时间有所上升。2012年4—10月各单元pH显著高于其他月。单元1的pH与其他单元差异显著(p＜0.01)，而单元2、单元3和对照差异不显著(p＞0.05)。监测表明，尽管随着季节变化水温不断变化，当围隔内水华藻类得以很好控制后，以沉水植物为主的生态系统生产力更高，水体二氧化碳固定量随之增高，导致水体pH相对围隔外更高。

3.3 营养元素变化规律

在未进行生态修复之前，围隔内、外水体TN浓度同属于V类地表水质标准限值；工程实施期间围隔内水体中的总氮浓度由初始的1.50mg/L下降至0.55mg/L，对照区水体中总氮含量变化由0.78mg/L升至1.62mg/L(图5)。自2009年1月以后，围隔内显著低于围隔外(p＜0.01)；至2013年12月，单元1水体总氮浓度比围隔外下降了68.0%。沉水植物建立过程中，工程区内水体总磷浓度也呈下降趋势。初期围隔内水体和围隔外水体总磷浓度分别为0.06和0.05mg/L，均处于Ⅱ类地表水质标准。对比分析显示，围隔内水体总磷浓度在2013年1—9月均显著低于围隔外(p＜0.01)。截至2013年12月，围隔外总磷浓度为0.04mg/L，围隔内总磷浓度为0.02mg/L，总磷降低了50.0%(图6)。

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3.4 COD变化规律

围隔建立初期，位于围隔内和围隔外水体中CODMn的浓度分别为12.6和12.7mg/L，处于同样水平。通过放养人工驯化的大型枝角类，水体沉水植物的自净作用，2013年3—9月，围隔内CODMn含量极显著低于对照区水体(p＜0.01)，特别是单元1，显著低于对照区。至2013年12月，围隔外水体中CODMn的含量与初始阶段并无差异(p＞0.05)，为4.8mg/L，而围隔内水体的CODMn含量下降至4.4mg/L，同比下降了70.9%(图7)。

表2 水文连通技术

图5 TN变化趋势图

图6 TP变化趋势图

图7 CODMn变化趋势图

图8 Chla变化趋势图

3.5 Chla变化

图8显示，单元1在2009和2010年的每年6—9月，其Chla含量存在一个波峰，而2011年以后其变化不明显。而单元1与单元2、单元3以及对照区其Chla含量存在明显差异(p＜0.01)，而单元2、单元3以及对照区其Chla含量也存在明显差异(p＜0.01)。图9显示，4—6月这项工程每天能够处理0.2～0.3t的藻类重量(湿重)；7—9月这项工程每天能够处理1t左右的藻类重量(湿重)；10月这项工程每天能够处理0.5t左右的藻类重量(湿重)，6、7和8月处理量增加充分说明该月藻类水华发生现象严重。

3.6 景观特征变化

根据野外观测显示，工程实施后近10年时间，起藻类暴发区域明显减少，且藻类暴发区主要集中在拦截系统的中部区域，同时近岛屿区域水体透明度明显增加；这个研究区建设面积从最初的130hm2增加到160hm2，进一步提升了改善三山岛近岸水环境质量和优化景观的目的。表现出湿地植物多样性丰富，湿生植物、挺水植物、浮叶植物和沉水植物带状分布明显，层次感强等生态与景观效益(图10)；岸带植物恢复效果显著，增强了岸带稳定性又强化了水体净化效果和景观观赏性。

4 结论

1)该工程实施3年后，围隔外总磷浓度为0.04mg/L，围隔内总磷浓度为0.02mg/L，总磷降低了50.0%，单元1水体的透明度显著高于其他单元以及对照区。

2)每年在6—9月，不同单元的总氮和总磷含量为对照＞单元3＞单元2＞单元1，其中TP、TN具有同样的变化规律，即对照＞单元3＞单元2＞单元1；说明滨岸的大量挺水植物很好地起到了吸收水体中N、P的作用；在夏季和冬季，水体营养化程度为挺水植物区＞沉水植物区＞开敞水体区，由于不同季节湿地植物腐烂释放营养物质导致水体中营养元素偏高。

3)每年4—6月这项工程每天能够处理0.2～0.3t的藻类重量(湿重)；7—9月这项工程每天能够处理1t左右的藻类重量(湿重)；10月这项工程每天能够处理0.5t左右的藻类重量(湿重)，6、7和8月处理量增加充分说明该月藻类水华发生现象严重。

图9 2013年蓝藻消除量变化图

图10 工程实施后变化比较图

4)该工程实施后观测结果显示，不仅实现了净化功能，同时也建立了优美的湿地景观，湿地植物多样，湿生植物、挺水植物、浮叶植物和沉水植物带状分布明显，层次感强，实现了景观与净化功能的双重效益，进而促进了三山岛旅游业发展，产生了较高的经济与社会价值。

注：文中图片均由作者提供。