洪泽湖湿地退化区植被构建技术效果评估

李成之，董 倩，郭晏汝，庄 犁

(1.江苏省泗洪洪泽湖湿地国家级自然保护区管理处，江苏泗洪 223900；2.南京大学生命科学学院，江苏南京 210046；3.南京朴厚生态科技有限公司，江苏南京 210046)

湖泊生态系统具有调蓄水资源、改良水质、提供动物栖息地、调节局部气候等重要的生态学意义，包括水陆交错带和敞水区，与河流相比，湖泊生态系统流动性差，物质交互缓慢，含氧量相对较低，更容易被污染。洪泽湖是我国第四大淡水湖、江苏省第二大淡水湖，是南水北调工程重要的水源地和调节湖泊，近年来，由于围湖造田、围网养殖、过度捕捞等人类活动的严重干扰，洪泽湖及湖区湿地面临着生态功能萎缩、生境破碎化程度升高、生物多样性下降等一系列问题，有研究表明，湿地退化已经成为限制洪泽湖区可持续发展的主要因素。为了探究洪泽湖水质主要限制因子，在湖区范围内已经开展了许多科学研究，表明TN、COD和TP是洪泽湖水环境治理最重要的控制因子，特别是氮、磷已经成为湖区主要超标的污染物，湖区总体仅达到Ⅳ类水质标准。在针对影响湖区水质的主要因子的研究中发现，建设用地、围网和围圩养殖面积增加以及景观破碎化增强与湖区TN、TP浓度上升呈显著正相关。为了改善洪泽湖区及湖区湿地的生态环境，有必要通过退渔还湿、退圩还湖、两船清理、十年禁渔、增殖放流和生态移民等措施，减少人类活动干扰，促进洪泽湖湿地的生态恢复。

据调查，洪泽湖区拆除围网大面积退渔还湿后，由于湖区景观单一、生态位空缺，导致外来物种喜旱莲子草(，又称水花生)入侵并大肆蔓延，形成单优群落，有研究表明，水花生群落的水环境效益较差，且会造成本土物种多样性下降。保护区范围内有约0.3万hm的生态脆弱区亟待修复，多样性植被构建与适应性管理有可能对水花生的入侵起到抑制作用，并促进湖区湿地生态系统功能提高。对此，在江苏泗洪洪泽湖湿地国家级自然保护区怀洪新河入湖口北侧开展了湿地退化区的水生植被修复技术应用示范与推广工程，对湖区进行植被和生态环境的修复。该项目对生态系统的修复工程包括湖区地貌改造、土著物种再植、水生群落重建等，以实现洪泽湖区生物多样性提高和水环境改善的目标。将研究示范区水生植被修复技术推广应用至保护区其他生态脆弱区甚至将要实施退渔还湿的江苏省其他湖泊湿地区域上，将产生巨大的生态效益和社会效益。该研究主要针对该水生植被修复技术应用示范与推广工程，通过对生物多样性、水质指标、沉积物指标的检测，评估该项目工程对洪泽湖区生态环境的修复效果。

1 资料与方法

洪泽湖是由黄河夺淮形成，洪泽湖区(118°10′～118°52′E、 33°06′～33°40′N)位于我国江苏省淮安市与宿迁市，涉及淮阴区、宿豫区、洪泽区、盱眙县、泗阳县、泗洪县6个区县，在南水北调工程中发挥重要的调节作用。水域总面积1 708 km，湖区流域保护面积达3 704 km，平均水深1.90 m，最大水深可达4.50 m，平均入湖水量342亿m，出湖水量313亿m，平均水位12.55 m。

本植被景观构建技术项目范围为江苏泗洪洪泽湖湿地国家级自然保护区怀洪新河入湖口北侧，溧河洼区域，中心地理位置为118°13′26.630″～118°13′30.782″E、33°14′11.420″～33°14′12.869″N，总面积约18 600 m(图1)。项目区为新拆围网水域，景观和生物多样性退化严重。但其水下微地形、水环境在围网拆除区域具有典型代表性，同时该区域位于暖温带与北亚热带分界线，水域水深常年保持在2 m上下，温度和光照等条件适合浮游生物及沉水、挺水植物的生长繁殖。

注：a.俯瞰图；b.植被恢复设计图；c.地形整理设计图 Note:a.Aerial view;b.Vegetation restoration design;c.Terrain consolidation design图1 项目区示意图Fig.1 Schematic diagram of the project area

2021年6月，在项目区根据群落类型采集水质样品和沉积物样品，具体采样编号及对应位置和群落类型见表1和图2。另外在不同的恢复区域随机取1 m×1 m样方，统计样方内植被盖度、物种类型及分布比例。

将采集好的样品进行分类测定，测定均依照国家水质和土壤测定标准，水质样品检测方法具体见表2，沉积物样品检测方法具体见表3。

将采集的样方数据按照恢复区分类整理，分别计算样方内群落的Simpson多样性指数()、Shannon-Wiener多样性指数(′)和Pielou均匀度指数()。Simpson多样性指数描述的是从一个群落中连续2次抽样所得到的个体数属于同一种的概率；Shannon-Wiener多样性指数借用了信息论的方法，测量对象是系统的序或无序的含量，反映了群落物种构成的复杂性；Pielou均匀度指数反映群落均匀度。计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，为物种数；为种的个体数占群落中总个体数的比例。

以上计算均由Excel 2020软件完成，并使用RStudio 4.0.5 绘制条形图并进行单因素方差分析(ANOVA)，分析结果包含在条形图中。

2 结果与分析

从表4可以看出，对照区优势

表1 水质和沉积物样品采集信息

种有水花生()和芦苇()等，试验区优势种有水蓼()、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。此次调查共记录植物33种，分属23科32属。其中禾本科植物种数最多(4种)，其次为莎草科(3种)、菊科(2种)、蓼科(2种)、十字花科(2种)、水鳖科(2种)、眼子菜科(2种)等。

注：a.试验区；b.对照区 Note:a.Experimental area;b.Control area图2 项目区采样点示意图Fig.2 Diagram of sampling points in the project area

表2 水质样品采集检测方法

表3 沉积物样品采集检测方法

据统计，项目区内优势种基本情况如表5所示，根据《中国植被》对植物生活型的划分，项目区植物以多年生草本为主，依据植物对水分的适应特点，项目区植物以水生植物为主。

从图3可以看出，各样方盖度之间差异性不显著(=0.080 2)，对照区植被平均盖度为77.22%，除芦苇区(82.26%)外，对照区植被盖度高于其他区域，且明显高于自然区(46.36%)、浮叶区(70.29%)和沉水区(58.18%)。

表4 各区域样方物种组成统计

表5 样方内优势种基本情况

图3 样方盖度统计Fig.3 Statistics of quadrat coverage

从图4可以看出，各区域Simpson多样性指数()有极显著差异(=0.001 63)，除芦苇区外，其余区域指数都大于对照区，特别是自然区和浮叶区，多样性明显高于对照区。各区域Shannon-Wiener多样性指数(′)也有极显著差异(=0.001 02)，且趋势与指数一致，当′指数大于0且小于1时，生物多样性较差，′指数大于等于1时，生物多样性良好，除自然区、香蒲区、沉水区生物多样性良好外，其余区域多样性均较差。各区域Pielou均匀度指数()有极显著差异(=0.000 657)，对照区均匀度显著高于试验区，当指数为0.8以上时，生物均匀度较好。

图4 样方内生物D指数、H′指数和J指数Fig.4 D index,H′ index and J index of organisms in the quadrat

从项目区内各采样点水质物理指标(图5)可以看出，各样点水质电导率(EC)无显著差异(=0.811)。对照区氧化还原电位(ORP)与试验区各组间无显著差异(=0.174)，但对照区氧化还原电位(207.13 mV)明显高于漂浮区(195.27 mV)。各样点水面温度有显著差异(=0.009)，航道区(27.13 ℃)和对照区(27.33 ℃)水面温度明显低于各试验区。各样点水质透明度也有显著差异(=0.009)，表现为对照区水质透明度(0.39 m)明显低于漂浮区(0.43 m)和挺水区(0.43 m)。

图5 各采样点水质物理指标Fig.5 Physical indicators of water quality at each sampling point

将样点水质化学指标与《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)进行对比，结果发现(图6)，各区域高锰酸盐指数(COD)有显著差异(=0.007)，航道区(6.40 mg/L)和对照区高锰酸盐指数(6.67 mg/L)明显低于挺水区(6.94 mg/L)和敞水区(7.42 mg/L)，各区域高锰酸盐指数均符合Ⅳ类水标准。而各个样点硝酸盐氮(=0.712，达到国家标准)、氨氮(=0.279，均达到 Ⅰ 类水标准)、总氮(=0.667，均达到Ⅱ类水标准)、总磷(=0.550，均达到Ⅳ类水标准)含量均无显著差异。各区域水样pH有极显著差异(=0.000)，航道区(7.48)和对照区(7.46)pH均低于试验区，但都在国家标准范围内。各区域水样溶解氧(DO)有极显著差异(=0.000)，其中航道区(5.96 mg/L)和对照区(5.78 mg/L)符合Ⅳ类水标准，明显低于试验区(Ⅰ 类水标准)。各区域硝酸根离子有显著差异(=0.002)，且对照区(0.26 mg/L)明显低于其他区域。

图6 各采样点水质化学指标Fig.6 Chemical properties of water quality at each sampling point

各区域沉积物中总氮(=0.000)、总磷(=0.022)、有机碳(=0.021)含量均有显著差异(图7)。对照区总氮(2.51 g/kg)和有机碳(20.40 g/kg)含量明显高于其他区域，对照区(394.67 mg/kg)和航道区(521.33 mg/kg)总磷含量明显高于试验区。

各区域沉积物粒度分布及含水率统计如图8所示，航道区和对照区沉积物砂粒含量明显多于试验区，各区域沉积物含水量有极显著差异(=0.001)，其中对照区土壤含水率(61.70%)明显高于其他区域。

3 讨论

项目区植被恢复以自然恢复为主，人工种植为辅，经过1年时间的恢复，除芦苇区外，其余区域都保持了良好的生物多样性和植被盖度。对照区主要群落为水花生群落，植被盖度较高，遮挡了阳光照射进水面，导致其他植物缺氧，不能生长繁殖。项目区建设的围栏有效地阻挡了水花生的蔓延，在项目区内少有水花生发现，说明围栏的设置对生物多样性的提高有一定的积极作用。

试验区内的芦苇区植被盖度高于对照组，且生物多样性指数也比较低，在区域内没有发现芦苇群落，优势群落为水蓼群落，说明芦苇区的植被恢复效果较差，环境不适宜芦苇群落的生存。可能是因为在芦苇岛西侧与对照区相连，没有围栏阻挡。

对照区与项目区的水质差异主要体现在温度、透明度、高锰酸盐指数、溶解氧和硝酸根离子上，特别是溶解氧的差异较大，项目区与对照区达到的水质标准相差2个等级。

对照区水温明显低于项目区，可能是由于对照区水花生泛滥，有效阻挡了阳光的照射，导致水面温度降低，虽然这可能对水质有积极作用，但水花生对阳光的阻挡在一定程度上还是会造成水体缺氧，导致水质变差。对照区水体透明度的降低也印证了水质下降，表明藻类繁殖比较旺盛，沉水植物生存条件较差。

高锰酸盐指数是反映水体中有机及无机可氧化物质污染的常用指标，指数越高，表明水体有机污染程度越高。项目区特别是敞水区的高锰酸盐指数较高，反映出敞水区有一定程度的富营养化。同时，敞水区的硝酸根浓度也明显高于其他区域，也代表了敞水区的水体有富营养化的特征，说明植物的存在对湖区富营养化有一定的改善效果，敞水区植被仍处于演替初期阶段，对水质的净化作用较弱，但从水体的其他化学指标综合对比来看，敞水区水质条件优于对照区。试验区与对照区差异最大的水质因子是溶解氧，经过植被恢复后，试验区水体溶氧量提升了3个等级，显著改善了水体的水质和植被生长环境。

图7 各采样点沉积物化学性质Fig.7 Chemical properties of sediments at each sampling point

图8 各采样点沉积物物理性质Fig.8 Physical properties of sediment at each sampling point

对照区沉积物的碳、氮、磷含量都明显高于试验区，可能是由于水花生对水面的覆盖造成水体溶氧量下降，水体整体是缺氧环境，有机污染物不能及时分解，沉降到了湖底沉积物中。底泥的富营养化可能会随着水体的循环扰动重新进入水体中，造成水体的富营养化。

4 结论

通过对洪泽湖湿地围网拆除区的水生植被修复技术应用示范与推广工程，项目区内的生物组成和多样性得到显著恢复；项目区水质情况有所改善，但敞水区由于水生植被尚处于群落演替发育早期，缺少植物净化，硝酸盐氮含量较高，但整体水质特别是溶氧量相比对照区有明显提升；沉积环境富营养化显著改善，项目工程初步取得了良好的效果。

然而项目区建成后湖区生态系统修复期只有1年的时间，植被演替仍处在初期先锋阶段，群落结构比较单纯，植被对水质和沉积环境的改造作用还不明显，生态系统相对不稳定，需要持续跟进对项目进行检测评估，以全面评价植被景观构建修复技术的整体效果。