博斯腾湖芦苇湿地生态环境现状及芦苇生物量影响因素分析

2014-04-17张海燕

农业现代化研究 2014年3期

刘彬，王琴，张海燕

芦苇（Phragmites communis Trin.）是一种在水陆交错带中广泛分布,以无性繁殖的禾本科大型水生植物，具有抗逆性强、适应性广的特点，在调解小气候、净化水质、减轻环境污染、调解气候、为鸟类和鱼类提供栖息地和食物等方面提供了各种各样的生态系统服务功能，在湿地生态系统中发挥着重要的作用[1-3]。芦苇资源是博斯腾湖湿地生态系统和当地经济生活的重要组成部分，在促进区域经济发展和湖区水域环境保护方面发挥了重要的作用。20世纪60年代后，随着流域内人口大规模的增长和工农业生产的发展，对水资源的需求增加及向湖体排放的污水日益增多，导致湖泊和沼泽面积逐渐缩小，湖泊水质污染开始加重，造成博斯腾湖湖滨湿地面积锐减,芦苇资源量下降，严重影响区域社会经济的健康、持续发展[4]。为了改变生态环境退化的趋势，各级政府部门在博斯腾湖县开展了一系列生态环境治理项目。现博斯腾湖治理已纳入国家21世纪“湖泊治理规划”的议程和新疆的

“1311”环保行动计划。国家林业局等相关部门也将博斯腾湖湿地生物治碱工程列入《全国湿地保护工程规划》计划中，主要包括博斯腾湖周围封滩育林、芦苇复壮等工程[6-8]。目前博斯腾湖湿地的研究大多集中在湖区水环境质量[5,9-16]、生态环境变迁[4-5,16-18]、湿地景观变化[19,20]等方面，关于博斯腾湖苇区生态环境质量及各环境因素对芦苇种群生长及产量影响的研究目前则报道尚少[4,5]。芦苇湿地的生态环境在湖区水质污染严重的大背景下，其土壤环境及水质状况如何及对芦苇的生长有何影响，这些问题需要做进一步的研究和验证。因此本文将在全面分析芦苇湿地生态环境现状的基础上，通过各种环境因素及个体生长指标的定量分析，研究影响芦苇生长及生物量的关键因素，以期为该区芦苇资源管理和湿地生态恢复与重建提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

博斯腾湖位于天山南麓焉耆盆地东南最低处，地理位置41°56′-42°14′N，86°40′-87°56′E，是新疆最大的湖泊，也是我国最大的内陆淡水湖，在地质构造上为天山西褶皱带内部的坳陷区。湖区降水稀少，年平均降水量56.7-78.7mm，蒸发量达2247mm，属中温带干旱荒漠气候。年均日照时数3074-3143h，日照率达67%～71%，年均无霜期为175 d，太阳总辐射156.8kcal/cm2[4]，昼夜温差大，良好的光热条件，为湖区芦苇的生长提供了极为有利的自然条件。

博斯腾湖可分为大湖区和小湖群两个部分。大湖面积1159.9km2，水位1048m，小湖区位于大湖区西南部，由16个小湖和大片芦苇沼泽湿地组成，面积为354.4km2。根据水源、地理位置条件,博斯腾湖芦苇湿地主要由黄水沟片、大湖西岸片、西南小湖区片组成，总面积约3.548×104hm2[4]。黄水沟位于大湖北部，二十四团、清水河农场及包尔图以南，焉耆县五号渠乡、东风干渠以北，黄水沟两侧直至大湖口处，面积约1.44×104hm2。大湖西岸区位于大湖以西，焉耆东风干排以南到西南大河口，博湖县塔温觉肯乡、本布图乡、乌兰乡以东地带，湿地面积约0.52×104hm2。西南小湖区片位于大湖以西，孔雀河以北、解放一渠以东的焉耆县四十里城子乡、二十七团、永宁乡、博湖县查干诺尔乡、才坎诺尔乡以南地带，湿地总面积约3.74×104hm2。博斯腾湖大湖入流包括开都河、黄水沟、清水河等河流，其中开都河是目前唯一能常年注入博斯腾湖大湖的河流，开都河在博湖县城西南的宝浪苏木处分东、西两支，东支注入大湖，西支注入西南小湖区的芦苇沼泽区[14]。近年来，由于耕地扩大，苇区周围布设了很多农田排水渠道，黄水沟至开都河入湖处，有许多农田排渠，接纳了博斯腾湖北四县（和硕县、和静县、焉耆县和博湖县）大量的工农业污水及生活污水[11-13],其中黄水沟区有9条排灌水渠，每年排入工农业废水及生活污水约2.56×108m3；西南小湖区8条排水渠，年排入量约0.62×108m3；大湖西岸区有6条排水渠，年排入量约0.31×108m3，故黄水沟区、西南小湖区及大湖西岸区水体的营养水平及矿化度要高于大湖区的开敞水域，主要污染物为盐分、氯化物、、COD等，其中尤以黄水沟区污染最甚[11,14]。博斯腾湖湿地采样点分布见图1。

图1 博斯腾湖湿地采样点分布示意图

1.2 野外调查方法

实验于2011年8月下旬-9月上旬进行，此时芦苇已经抽穗开花，高度几乎不再增加[21,22]。由于芦苇是多年生草本植物，它对淹水状态的适应能力随年龄而增强，所以它的生长状况会随年龄的变化而有所差异。为了消除年龄对生物量的影响，根据芦苇地下根状茎的分蘖状况，我们统一选取年龄为2年的植物样地。在博斯腾湖苇区（黄水沟区、大湖西岸片、西南小湖区）的不同地点根据芦苇生长状况分设5个采样点，每个采样点内再随机设置6～8个1m×1m的草本样方，共设样方100个。然后测定样方内全部芦苇植株的密度、水层深度、芦苇的株高、茎粗、壁厚、节数等指标；齐地表割取样方内芦苇，带回实验室采用烘干法（105℃2h后,85℃至恒重）测定生物量。样地内土壤按不同层次0-20cm、20-40cm、40-60cm进行采集[9,12-14]。

1.3 样品分析与数据处理

在实验室内对取得的土壤样本进行分析处理。用重铬酸钾法测定土壤有机质；碱解扩散法测定有效氮，碳酸氢钠浸提-分光光度法测定速效磷；采用PHS-2型酸度计测定土壤pH值；土壤的其他化学性质用水土比（5∶1的土壤浸出液）烘干残渣法测定其全盐量[15]。

运用SPSS16.0分析软件对数据进行统计分析，不同采样点中土壤环境及水质指标均值差异的显著性检验采用单因素方差分析法；水深、pH因不满足方差分析要求，故未做不同样点间数据显著性检验。对土样平均有机质含量、有效氮、速效磷、pH值、全盐量、水深、水含总盐、水含COD值及对应样地芦苇生物量进行相关显著性分析；对各样地芦苇各项生长指标的平均值与其平均生物量进行相关显著性分析。

2 结果与分析

2.1 博斯腾湖苇区土壤环境因子

2.1.1 土壤养分条件土壤养分是芦苇赖以生存的基本条件，在芦苇整个生长发育过程中，需要从土壤中吸收大量的营养，因此土壤中各营养元素的含量直接影响着芦苇的生长和生物量。调查结果表明，博斯腾湖各苇区土壤速效氮含量平均为142.59mg/kg，速效磷含量平均为40.11mg/kg，有机质含量平均为7.81%。将各因子与生物量作相关性分析，发现各因子与生物量间均无显著相关关系（P>0.05）。各苇区中土壤养分含量的分布为：黄水苇区土壤速效氮含量为106.92 mg/kg，速效磷含量平均为32.32 mg/kg，有机质含量平均为6.22%；西南小湖区土壤速效氮含量为153.31 mg/kg，速效磷含量为60.60 mg/kg。有机质含量平均为8.39%；大湖西岸区土壤速效氮含量为167.53 mg/kg，速效磷含量为27.41 mg/kg，有机质含量为8.81%。

从有效氮浓度分布上看，其中60mg/kg以上占总调查点的83%，60mg/kg以下占17%（表1）。根据朝鲜科学院芦苇所研究表明，在土壤氮素含量低于60mg/kg时，必须施肥才能保证芦苇的生长[16]。由此可以看出，在博斯腾湖各苇区只有17%的苇区土壤氮素营养缺乏。绝大部分苇区土壤氮素营养充沛，芦苇可以良好的生长。

表1 土壤有效氮含量分布表

从速效磷浓度分布上来看，其中10mg/kg以上的占调查总样地的86%，表明博斯腾湖苇区土壤磷素含量也比较充沛，能够满足芦苇正常的生长需要（表2）。

表2 土壤速效磷含量分布表

土壤有机质也是土壤营养水平高低的重要指标之一。调查结果表明，含量在1%以下的样地只占总调查样地的1%（表3），表明博斯腾湖苇区土壤均比较肥沃，良好的土壤条件为博斯腾湖的生长提供了优良的生长环境。

对三个分布区三个指标分别作单因素方差分析，速效磷含量，黄水沟区与大湖西岸区，大湖西岸区与西南小湖区差异显著（p<0.05），而其他两个指标，三区间差异均不显著（p>0.05）（表 4）。

表4 苇区各环境因子间差异显著性分析(LSD法)

2.1.2 土壤总盐含量土壤中盐分含量是影响芦苇生物量的重要因子，本文对研究区土壤的盐分含量进行了调查分析，博斯腾湖苇区土壤类型属于硫酸盐土，苇区土壤全盐含量范围在0.499%-1.787%之间，调查点中96%的区域土壤含盐小于1.5%，在土壤全盐小于1.5%的条件下，不影响芦苇生长，土壤全盐超过2%则抑制芦苇生长。三区中，黄水苇区土壤全盐含量为0.93%，西南小湖区为0.4%、大湖西岸区为0.28%。

各苇区间土壤总盐含量差异比较，黄水苇区与西南小湖区及大湖西岸区均差异显著（p<0.05），而西南小湖区与大湖西岸区则差异不显著（P>0.05）（表4）。对各苇区芦苇生物量与土壤总盐含量进行相关性分析，发现西南小湖区与大湖西岸区芦苇生物量与土壤总盐含量间没有显著相关关系（P>0.05），而黄水苇区芦苇产量与土壤全盐含量间有显著负相关关系（P<0.05）（图 2）。

2.2 博斯腾湖苇区水环境因子

图2 黄水苇区芦苇生物量与土壤总盐含量间的关系（n=25）

2.2.1 水质与芦苇种群生物量的关系通过对监测点水质指标（水总盐、水含COD、水pH）的测定，发现淹灌期博斯腾湖苇区的水质较好，矿化度一般在1-2g/L,适合芦苇生长发育需要。虽近几年矿化度略有提高[17，18]，但并没有超出芦苇生长的范围；水中全盐含量全部在8‰以下。pH值呈微碱性，只有西南小湖区苇区水质9.00.05)（表4）。

对苇区各水质指标（水总盐、水含COD）与相应点生物量数据作相关性分析，发现黄水苇区水中全盐含量与生物量呈显著负相关（p<0.05）关系（图3），而西南小湖区与大湖西岸区水中全盐含量与生物量无显著相关关系（p>0.05）。三苇区水含COD值与产量间均没有显著相关关系（p>0.05）。从三区所排放的工农业污水量来看，黄水沟区量最大，其次是西南小湖区、大湖西岸区相比较少些，所以水总盐含量、水COD含量、土壤总盐含量，黄水沟区值最大，西南小湖区次之，大湖西岸区再次之。从数据分析结果来看，黄水苇区的土壤总盐含量及水盐含量过高，已对该区的芦苇生产构成了抑制影响（图 2、图 3）。

图3 黄水苇区芦苇生物量与水总盐含量间的关系（n=25）

2.2.2 水深与芦苇种群生物量的关系对沼生植物芦苇而言，水层的深度梯度变化对植株的形态及生物量具有很强的调整能力[19,20]。在博斯腾湖随着水层深度的变化，苇区的芦苇形态结构及生物量也随之发生变化。

芦苇植株的株高随着水深的增加而增加（图4）。这是因为芦苇作为大型的挺水植物，需要从水中挺出水面，去获得CO2和光照以进行光合作用，并且将O2输送到根系进行呼吸和根围的氧化[20]。在深水环境的芦苇，为了争夺更多的资源,植株发育比较高大。在博斯腾湖苇区芦苇水层深度与植株高度呈显著正相关关系（R=0.369，p<0.05）。

图4 水深与芦苇植株高度的关系（n=30）

随着水体深度及植株高度的增加，芦苇群落的密度逐渐降低，对植物密度与植株高度作了相关分析，两者呈显著负相关关系（p<0.05），这可能是芦苇种群在适应环境过程中形成的一种自疏作用，对其高度和径向生长是一种补偿，这种补偿作用会使浅水芦苇群落的生物量有所增加（图5）。

图5 水深与芦苇种群生物量的关系(n=30)

2.3 博斯腾湖苇区芦苇植株生长特征与生物量相关性分析

作为水生植物，芦苇的生长对湿地水分及土壤环境因素较为敏感，尤其是芦苇的种群密度、株高、茎粗、壁厚、生物量等。即在水的深度、酸碱度、土壤营养成分等条件适宜的条件下，芦苇会长得茂密、又高又粗，反之则相反[21-24]。本研究从芦苇生长指标中选取对环境要素变化反映较明显的指标如株高、径粗、壁厚等，采用相关分析对湿地芦苇种群生长特征进行研究，以了解芦苇生长特征与指标之间的相互关系。

本研究选取了15个选样点中各样方所测芦苇形态指标及结构指标的平均值与其生物量均值作相关分析与回归分析。通过各项生长指标与生物量间的相关分析可知，株高、茎粗、节数与生物量间均呈极显著相关关系（p<0.01）,壁厚与生物量间呈显著相关关系（p<0.05）；密度与生物量间呈极显著负相关关系（p<0.01）。而密度和株高、茎粗、节数、壁厚呈极显著负相关关系（p<0.01）(表5)，说明密度过大的情况下会影响芦苇的生长，导致各项形态学指标值的下降，从而间接影响芦苇的生物量。所以芦苇生物量随着株高、茎粗、节数的升高而升高，但随着密度的增加却会降低。

表5 芦苇生长指标间的相关关系(N=15)

芦苇的密度制约着芦苇的高度和粗度，密度适宜有利于芦苇的生长发育。从博斯腾湖苇区调查点的数据统计中可以看出，生长较好的芦苇适宜密度在110株/m2以下，20株/m2以上。所以可通过人工管理措施来调整苇区的芦苇密度。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）博斯腾湖各苇区的土壤质量分析结果表明，土壤含氮、磷、有机质含量都较为丰富，可为芦苇的生长提供良好的营养环境条件。（2）博斯腾湖苇区土壤类型属于硫酸盐土，土壤含盐总量目前总体来说大都在适宜芦苇生长发育的范畴内，西南小湖区和大湖西岸区土壤总盐含量对芦苇生物量没有显著影响（P>0.05），但黄水苇区土壤含盐量与芦苇产量间呈显著负相关关系（P<0.05）。说明污水中的盐分含量很大，已富集入土壤，对芦苇产量构成了负影响。（3）博斯腾湖苇区芦苇生物量和水层深度呈显著的正相关关系（p<0.05），水深是影响该区芦苇生物量的重要因素之一。（4）黄水苇区水总盐含量与芦苇产量间呈显著负相关关系（p<0.05），西南小湖区和大湖西岸区目前尚没有显著影响（p>0.05）。（5）芦苇的形态指标（株高、茎粗、节数、壁厚）与生物量之间呈显著的正相关关系，其中，株高、茎粗、节数与生物量间呈极显著相关关系（p<0.01）,壁厚与生物量间呈显著相关关系（p<0.05）；结构指标（密度）与各项形态学指标间呈极显著负相关关系（p<0.01），与生物量间呈极显著负相关关系（p<0.01）。

3.2 讨论

根据目前实验调查数据分析可知，虽然各苇区每年排放了大量的工农业污废水，但总体上对芦苇的生长没有构成显著的负影响，这与芦苇具有较强的耐盐和耐污能力、对盐份和有机污染物具有很强的吸收和富集能力有关。因此，在博斯腾湖湿地，可利用芦苇的这种超耐污能力来降解工农业污水中的污染物含量，使废弃污水能有效利用，达到一源多用，在一定程度上也能减轻有机物和盐类对博斯腾湖的水质污染。但芦苇的耐受能力是有一定限度的，如果污染物量过大，浓度过高，就有可能超过芦苇所在湿地生态系统的自净能力，此时对芦苇的生长就会构成抑制作用。如黄水苇区在三大苇区中污水的排放量最大，虽水含COD量、pH值目前对芦苇生长没有构成影响，但盐分含量过高已富集入土中及溶解于水中，对芦苇的生长已构成负影响。黄水苇区中的水有一部分将流入博斯腾湖，这势必造成大湖中水质的咸化和污染加重[11,13，17]。这一点应该引起当地有关部门的重视。

芦苇的生长特征指标如株高、节数、茎粗、壁厚对芦苇的生长量有一定的促进作用，而这些生长指标又和芦苇生长的结构指标密度有着密切的联系，合理的密度可改善和提高芦苇的生长指标，提高芦苇的生物量，所以可通过人工管理措施来调整苇区芦苇的生长密度以提高芦苇的生物量。

芦苇生产是当地的重要经济支柱之一，随着当地工农业生产的发展，洁净水资源量的使用是有限的。从各苇区目前

芦苇生长面积来看，仍有发展芦苇生产的面积空间[6]，所以可利用每年排放入苇区的污废水量来适度种植芦苇，除自然苇区外，可在各苇区适当拓展人工育苇工程，扩大芦苇的种植面积，这不仅能增加当地发展芦苇的经济收入，同时也能利用芦苇对污染物的降解和吸收能力达到对当地污废水的再利用和净化的目的，保证进入大湖区的水质安全。为保证芦苇所在湿地生态系统的净化功能，有必要加强在博湖北四县城镇污水处理设施建设，消减进入苇区主要污染物的浓度和数量，同时加强各苇区土壤和水质监测，定期观察芦苇对环境的响应生长，保证芦苇的可持续发展。

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