濱海地區(qū)新建人工湖沉水植物與水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

謝 超 桂常林 張曉光 薛燁飛*

（1 南京中科水治理股份有限公司，江蘇 南京 210000；2 首創(chuàng)經(jīng)中（天津）投資有限公司，天津 300000；3 北京市管通市政園林工程有限公司，北京 100000）

沉水植物作為水生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者，在凈化水質(zhì)、抑制底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放、提供生物所需生境等方面具有重要作用，沉水植物群落的恢復(fù)和健康也被認(rèn)為是影響水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建和穩(wěn)定的關(guān)鍵因素（羅希等,2021;Li et al.,2021）。濱海鹽堿地普遍面臨地下水位淺且礦化度高、土壤含鹽量高、水資源污染嚴(yán)重等問(wèn)題（白春禮,2020;賀文君等,2021）。在濱海鹽堿區(qū)域開(kāi)展以沉水植物群落為核心的水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，除了氮磷等外源營(yíng)養(yǎng)鹽輸入引起的富營(yíng)養(yǎng)化外，還要面對(duì)不同程度的鹽脅迫（趙卉琳,2014）。鹽脅迫不僅會(huì)降低沉水植物群落初級(jí)生產(chǎn)力和生物多樣性，影響沉水植物群落演替，還會(huì)通過(guò)改變上行效應(yīng)和下行效應(yīng)，間接影響生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者和消費(fèi)者的數(shù)量（賈嬌,2016;Lind et al.,2018）。水土環(huán)境中鹽度和pH 值的升高，會(huì)增加植物用來(lái)維持自身生存需要的能量（劉曉靜等,2021），使得植物對(duì)氮、磷等污染物的凈化效果降低。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的研究大多集中于內(nèi)陸區(qū)域，對(duì)于濱海鹽堿環(huán)境下鹽度脅迫對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，尤其是沉水植物群落影響的研究卻較少。

天津?yàn)I海區(qū)域地處渤海灣，年蒸發(fā)量約是年降水量的3 倍，降水中大部分以植物截留和包氣帶蒸發(fā)等形式直接蒸發(fā)，淋溶和脫鹽過(guò)程微弱，鹽類(lèi)易在水土環(huán)境中聚集（霍達(dá)等,2016），區(qū)域內(nèi)鹽堿土和鹽堿水發(fā)育廣泛，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)和生態(tài)環(huán)境發(fā)展（程緒江等,2021）。本研究以天津市京津合作示范區(qū)中央公園新建人工湖為研究區(qū)域，通過(guò)對(duì)人工湖開(kāi)展持續(xù)2 年的水質(zhì)、沉積物及沉水植物群落監(jiān)測(cè)，分析沉水植物在鹽堿環(huán)境下的水質(zhì)凈化效果，探討鹽堿化對(duì)新建人工湖水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建和運(yùn)行的影響，為濱海城市鹽堿地開(kāi)發(fā)和生態(tài)建設(shè)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

京津合作示范區(qū)中央公園內(nèi)新開(kāi)挖的人工湖（39°20′51″—39°20′53″ N，117°56′35″—117°56′93″ E）水域面積53 820 m2，湖區(qū)最大設(shè)計(jì)水深2.4 m，最淺處為0.8 m（圖1）。氣候上屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)型氣候，多年平均降水量500～600 mm，70%以上的降水集中在7—8 月，年蒸發(fā)量超過(guò)1 800 mm。研究區(qū)表層土壤鹽漬化以硫酸鹽—氯化物型為主，土壤本底含鹽量較高，屬于重度鹽漬化土。

圖1 研究區(qū)采樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

1.2 水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建方案

1.2.1 基底改良本研究采用客土置換的方法，在原有湖底開(kāi)展防滲工程的基礎(chǔ)上，鋪設(shè)外購(gòu)無(wú)鹽堿種植土。種植土鋪設(shè)完成后，采取基底翻松、病原體滅殺、潑灑土壤改良劑等措施。

1.2.2 沉水植物群落構(gòu)建2020 年7 月種植沉水植物，種植總面積約4.3萬(wàn)m2，包括苦草（Vallisneria natans）、金魚(yú)藻（Ceratophyllum demersum）、黑藻（Hydrilla verticillata）、竹葉眼子菜（Potamogeton wrightii）、狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）和篦齒眼子菜（Stuckenia pectinata）等植物，在冬季來(lái)臨前少量補(bǔ)種伊樂(lè)藻（Elodea canadensis）。本研究選用的沉水植物均有一定的耐鹽能力，并且在天津?yàn)I海地區(qū)本土范圍均有生長(zhǎng)。沉水植物種植期間同步開(kāi)啟湖區(qū)蓄水，補(bǔ)水水源前期為市政自來(lái)水，后期為凈化后的潮白河河水。

1.2.3 水生動(dòng)物群落構(gòu)建水生動(dòng)物作為調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化的重要驅(qū)動(dòng)力，能促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。研究區(qū)在沉水植物群落構(gòu)建完成后，于2020 年8 月初優(yōu)先投放無(wú)齒蚌（Anodonta）、環(huán)棱螺（Bellamya）等大型底棲動(dòng)物協(xié)助凈化水質(zhì)，8 月中旬再投放烏鱧（Channa argus）、鯰魚(yú)（Silurus asotus）等肉食性魚(yú)類(lèi)對(duì)湖區(qū)的魚(yú)類(lèi)群落進(jìn)行調(diào)控（表1）。

表1 研究區(qū)魚(yú)類(lèi)及底棲動(dòng)物投放情況Table 1 Distribution of fish and benthos in the study area

1.2.4 水生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整2020 年8 月底，湖區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建基本完成，進(jìn)入優(yōu)化調(diào)整階段，期間除了日常湖區(qū)保潔和水位調(diào)控外，還定期在湖區(qū)開(kāi)展水質(zhì)、沉積物以及沉水植物群落監(jiān)測(cè)，并開(kāi)展相應(yīng)的水生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整措施。2021 年4 月，結(jié)合湖區(qū)沉水植物生長(zhǎng)狀況，減少苦草的種植面積，增加狐尾藻、黑藻、竹葉眼子菜的種植面積。2021 年秋季在湖區(qū)補(bǔ)種菹 草（Potamogeton crispus），以維持冬季湖區(qū)的水質(zhì)穩(wěn)定。

1.3 樣品采集與測(cè)定

基于研究區(qū)水環(huán)境特征，本研究共設(shè)置3 個(gè)采樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖1），結(jié)合天津當(dāng)?shù)貧夂驙顩r，自2020 年8 月起至2022 年8 月，除每年12 月至次年2 月冬季封凍期外，每月中旬在研究區(qū)開(kāi)展1 次水質(zhì)監(jiān)測(cè)，共采樣19 次。2020 年8 月為系統(tǒng)建設(shè)蓄水期，2020 年9 月至2022 年8 月為優(yōu)化調(diào)整期。水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)使用采水器采集水面下0.5 m 處水樣2 L，測(cè)定水中總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODCr）以及含鹽量。采用堿性過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法測(cè)定TN，采用納氏試劑分光光度法測(cè)定NH4+-N，采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定TP，采用重鉻酸鹽法測(cè)定CODCr，采用重量法測(cè)定含鹽量。

于2020 年（9 月、11 月）、2021 年（4 月、8 月、11 月）和2022 年（4 月、8 月）在研究區(qū)開(kāi)展沉積物和沉水植物群落調(diào)查。沉積物調(diào)查采樣點(diǎn)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同，使用抓斗式采泥器采集表層沉積物，風(fēng)干后采用重量法測(cè)量沉積物中全鹽量。將研究區(qū)劃分為若干40 m×40 m 的方格，對(duì)每個(gè)方格內(nèi)的沉水植物種類(lèi)、覆蓋度進(jìn)行觀測(cè)統(tǒng)計(jì)并匯總。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與繪圖

本研究使用R（4.1.3）和Origin2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與繪圖，在檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性和方差齊性后，使用ANOVA 和Kruskal-Walli 檢驗(yàn)對(duì)不同時(shí)間段沉積物全鹽量和水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，并使用Tukey HSD 檢驗(yàn)和Wilcoxon 秩和檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的兩兩比較，以多重假設(shè)檢驗(yàn)P＜0.05時(shí)認(rèn)定統(tǒng)計(jì)結(jié)果的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉水植物群落結(jié)構(gòu)變化

2020 年9 月人工湖進(jìn)入優(yōu)化調(diào)整期，沉水植物生長(zhǎng)旺盛，初步形成了以苦草為優(yōu)勢(shì)物種的沉水植物群落結(jié)構(gòu)，沉水植物總覆蓋度最大可達(dá)近90%（圖2）。2021 年初，湖面封凍開(kāi)化后苦草種群生長(zhǎng)狀況較差，出現(xiàn)葉片枯萎、根部發(fā)黑甚至死亡的現(xiàn)象。受此影響，2021 年4 月湖區(qū)沉水植物覆蓋度顯著降低，僅為53.7%。為維持人工湖水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)人工調(diào)控在原苦草生長(zhǎng)區(qū)域補(bǔ)種了部分狐尾藻、黑藻和竹葉眼子菜。2021 年8 月湖區(qū)狐尾藻、黑藻和竹葉眼子菜的覆蓋度分別達(dá)22.2%、16.7%和17.6%，沉水植物總覆蓋度也恢復(fù)至73.14%。同時(shí)隨著植物群落的自我演替，湖區(qū)中篦齒眼子菜占據(jù)了部分原苦草的生態(tài)位，覆蓋度由4 月的1.1%增長(zhǎng)至5.6%。

圖2 研究區(qū)沉水植物覆蓋度變化情況Fig.2 Change of submerged plant coverage in the study area

除了人工調(diào)控外，季節(jié)溫度變化也會(huì)對(duì)湖區(qū)內(nèi)沉水植物群落產(chǎn)生影響。2021 年11 月環(huán)境溫度降低后，湖區(qū)內(nèi)黑藻和竹葉眼子菜的覆蓋度明顯降低，而菹草和伊樂(lè)藻的覆蓋度增加。其中，菹草的覆蓋度在在2022 年4 月達(dá)到峰值，占沉水植物總覆蓋度的40.7%。隨著氣候轉(zhuǎn)暖，2022 年8 月菹草群落逐漸消退，狐尾藻、黑藻、竹葉眼子菜等覆蓋面積再度升高。整體來(lái)看，經(jīng)過(guò)植物自我演替和人工干預(yù)調(diào)整后（2021—2022 年），湖區(qū)逐漸形成了夏季以狐尾藻、黑藻、竹葉眼子菜為優(yōu)勢(shì)物種，冬春季以菹草和狐尾藻為優(yōu)勢(shì)物種的沉水植物群落結(jié)構(gòu)。

2.2 沉積物全鹽量變化

系統(tǒng)構(gòu)建前（2020 年5 月）人工湖原始基底沉積物為硫酸鹽—氯化物型，全鹽量達(dá)0.75%，屬于重度鹽漬化土（圖3）。通過(guò)客土置換對(duì)湖區(qū)原有基底進(jìn)行改良，2020 年9 月水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)完成后湖區(qū)沉積物中全鹽量降低至0.21%，較改良前顯著降低了72%（P＜0.05）。在持續(xù)2 年的優(yōu)化調(diào)整期內(nèi)，湖區(qū)沉積物中全鹽量整體呈波動(dòng)升高趨勢(shì)，2022年4 月最大可達(dá)0.38%，較優(yōu)化調(diào)整初期顯著增加了81%（P＜0.05）。此外，受冬季湖水結(jié)冰影響，水體中鹽分向冰下水體和沉積物中進(jìn)行遷移（姜濤等,2019），因此2021 年4 月和2022 年4 月湖區(qū)封凍開(kāi)化后沉積物全鹽量分別為0.34%和0.38%，較2020 年11 月均有不同程度的升高。而隨著湖區(qū)沉水植物生長(zhǎng)與總覆蓋的增加，沉水植物生長(zhǎng)過(guò)程可以吸收一部分沉積物中的鹽分，當(dāng)年8 月沉積物全鹽量較4 月相比均有所降低，但并未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。

圖3 沉積物全鹽量變化情況Fig.3 Change of total salt content in sediments

2.3 水質(zhì)變化特征

2020 年8 月人工湖完成蓄水時(shí)，水體中初始TP、NH4+-N 和含鹽量均較低，但TN 和COD 含量較高，分別為1.51 mg/L 和29.7 mg/L（圖4），湖區(qū)整體水質(zhì)為地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類(lèi)水（GB3838-2002）。當(dāng)湖區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建完成后，沉水植物開(kāi)始生長(zhǎng)并吸收水體中的氮磷污染物，在持續(xù)2 年的優(yōu)化調(diào)整期內(nèi)人工湖水體中TP、TN、NH4+-N 和CODCr的平均含量為0.03 mg/L、0.80 mg/L、0.25 mg/L 和19.7 mg/L，較蓄水期分別降低65.0%、47.3%、26.6%和33.5%，平均水質(zhì)基本達(dá)到了Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 人工湖水質(zhì)變化情況Fig.4 Changes in water quality in the artificial lake

湖區(qū)沉水植物種類(lèi)調(diào)整與群落演替是影響水質(zhì)變化的主要因素。由于湖區(qū)覆蓋度最高的苦草種群出現(xiàn)衰亡，2021 年湖區(qū)TN、NH4+-N 和CODCr含量較2020 年均有明顯升高（P＜0.05），TP含量的升高雖然沒(méi)有達(dá)到顯著水平，但當(dāng)年的峰值也達(dá)到了0.05 mg/L，接近Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)的限值。湖區(qū)沉水植物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，植物對(duì)污染物吸收凈化能力開(kāi)始恢復(fù)，2022 年人工湖NH4+-N 和CODCr含量較2021 年有顯著降低（P＜0.05）。整體來(lái)看，優(yōu)化調(diào)整期內(nèi)人工湖N、P 和有機(jī)污染物含量大致呈先升高后降低的趨勢(shì)。相比之下，湖區(qū)水體中含鹽量整體呈不斷升高的趨勢(shì)，2022年研究區(qū)水體含鹽量顯著高于2020 年和2021 年（P＜0.05），最大可達(dá)1.29g/L（圖4e）。湖區(qū)水體含鹽量的升高可能是導(dǎo)致湖區(qū)沉水植物群落結(jié)構(gòu)變化的重要因素。

3 討論

3.1 鹽堿地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行效果

本研究采用了客土置換原有鹽堿土的方式，通過(guò)客土壓堿，可以改善原生土壤環(huán)境的物理性質(zhì)，降低土壤的pH 值和含鹽量（韓建軍,2020），滿足沉水植物的正常生長(zhǎng)?？屯林脫Q方法簡(jiǎn)單、見(jiàn)效迅速，但費(fèi)用成本較高，且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看鹽分消除不徹底。受氣候環(huán)境影響，天津?yàn)I海地區(qū)土壤中鹽分易在表層聚集，而人工湖的地勢(shì)又相對(duì)較低，公園內(nèi)日常綠化灌溉活動(dòng)和降水會(huì)帶動(dòng)表層鹽分向下遷移（程緒江等,2021）。因此，在兩年的優(yōu)化調(diào)整期內(nèi)湖區(qū)水體和沉積物的含鹽量均呈現(xiàn)出波動(dòng)升高的特征（圖3，圖4e）。

本研究通過(guò)構(gòu)建沉水植物群落，在持續(xù)2 年的優(yōu)化調(diào)整期內(nèi)新建人工湖的主要水質(zhì)指標(biāo)平均可達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。耐鹽沉水植物的引入可改善營(yíng)養(yǎng)鹽富集狀況，增加水體穩(wěn)定性，而植物在生長(zhǎng)、演化過(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)性，充分發(fā)揮生態(tài)修復(fù)功能（劉萌萌,2021）。此外，耐鹽沉水植物在生長(zhǎng)過(guò)程中還能夠吸收一部分環(huán)境中的鹽分，起到延緩湖區(qū)鹽漬化進(jìn)程的作用（林思宇等,2018）。2021 年8 月和2022 年8 月沉水植物生長(zhǎng)旺盛時(shí)，湖區(qū)沉積物全鹽量較同年4 月均有不同程度的降低，而此時(shí)對(duì)沉水植物進(jìn)行收割調(diào)控即可把鹽分轉(zhuǎn)移出系統(tǒng)，因此，建立完善的植物耐鹽體系是恢復(fù)鹽堿地生態(tài)最經(jīng)濟(jì)有效的策略（姜萬(wàn),2021）。

3.2 環(huán)境中鹽分升高對(duì)沉水植物的影響

環(huán)境中鹽度的升高會(huì)引起植物生理、結(jié)構(gòu)和形態(tài)上的變化，由于沉水植物的生長(zhǎng)周期完全處于水中，其對(duì)鹽度升高的響應(yīng)往往比挺水植物等更加迅速（James et al.,2003;Moreira et al.,2023）。沉水植物的耐鹽性決定植物抵御鹽度增加的影響程度，對(duì)鹽度具有可塑性的物種更有機(jī)會(huì)成為群落中的優(yōu)勢(shì)物種（Tootoonchi et al.,2022）。在湖區(qū)鹽度較低時(shí)，苦草雖可成為人工湖沉水植物群落中的優(yōu)勢(shì)物種，但由于其對(duì)鹽度的耐受性較弱，隨著水體含鹽量的升高其生長(zhǎng)便會(huì)受到抑制甚至死亡。而狐尾藻和篦齒眼子菜等耐鹽能力更強(qiáng)的物種卻可適應(yīng)更廣泛的鹽度變化（Moreira et al.,2023），在湖區(qū)逐漸取代苦草成為優(yōu)勢(shì)物種。

當(dāng)水體鹽度超過(guò)1 g/L 時(shí)，苦草在群落競(jìng)爭(zhēng)中便會(huì)處于弱勢(shì)（柴夏等,2022）。但本研究中2021 年苦草生長(zhǎng)受到抑制時(shí)，水體鹽度僅為0.49～0.67 g/L，與其他研究相比已偏低（劉曉培等,2012;賈嬌,2019）。這可能有幾方面原因：首先，Cl-、SO4-、Na+、Ca2+等多種離子的含量都會(huì)影響水體含鹽量，不同環(huán)境下水體鹽分組成上可能存在一定差異，從而導(dǎo)致苦草對(duì)鹽分升高響應(yīng)的差異（柴夏,2022）。其次，天津地區(qū)冬季湖面封凍結(jié)冰會(huì)促進(jìn)鹽分在底層水體中的積累，開(kāi)春后水底較高的含鹽量會(huì)影響水體混合并延長(zhǎng)水體分層時(shí)間，導(dǎo)致水體中溶解氧的有效性降低和底層水體缺氧（Ladwig et al.,2021）。這種低氧環(huán)境可能會(huì)加劇鹽脅迫對(duì)苦草的生理影響，并導(dǎo)致了苦草的大面積衰亡（盧姣姣等,2018）。

考慮到環(huán)境因子對(duì)沉水植物生長(zhǎng)影響的復(fù)雜性，將來(lái)在鹽堿地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中對(duì)苦草的使用應(yīng)更為謹(jǐn)慎。同種植物在不同底質(zhì)和氣候環(huán)境下可能會(huì)表現(xiàn)出不同的耐鹽能力，外界環(huán)境因素對(duì)鹽堿環(huán)境下沉水植物分布的影響有待深入研究。

4 結(jié)論

本研究采用客土置換的方法對(duì)人工湖原有鹽堿基底環(huán)境進(jìn)行改良，并選擇狐尾藻、篦齒眼子菜等耐鹽植物開(kāi)展以沉水植物群落構(gòu)建為核心的水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。人工湖水生態(tài)系統(tǒng)建成后運(yùn)行穩(wěn)定，沉水植物環(huán)境效益顯著，優(yōu)化調(diào)整期內(nèi)湖區(qū)平均水質(zhì)可以達(dá)到Ⅲ類(lèi)水。經(jīng)植物自我演替和人工干預(yù)調(diào)整，人工湖逐漸形成了夏季以狐尾藻、黑藻、竹葉眼子菜為優(yōu)勢(shì)物種，冬春季以菹草、狐尾藻為優(yōu)勢(shì)物種的沉水植物群落結(jié)構(gòu)。建成后的人工湖不僅可發(fā)揮調(diào)蓄水源、凈化污染、美化景觀的作用，還可為未來(lái)濱海地區(qū)人工湖建設(shè)提供很好的參考。