北方滨海人工湿地水生生物群落快速重建目标及适宜物种清单确定<br/>——以天津临港二期湿地为例

北方滨海人工湿地水生生物群落快速重建目标及适宜物种清单确定
——以天津临港二期湿地为例

2021-09-01刘红磊李艳英马徐发韩丁义邢美楠顾修君

生态学报 2021年15期

刘红磊,李艳英,周滨,马徐发,韩丁义,李慧,邢美楠,邹锋,顾修君

1 天津市环境保护科学研究院, 天津 300191 2 天津环科环境咨询有限公司, 天津 300191 3 华中农业大学, 武汉 430070 4 天津临港建设开发有限公司, 天津 300460

停歇点湿地是迁徙水鸟重要的能量补给地,在水鸟每年的往返迁徙过程中具有十分重要的生态意义[1]。环渤海湿地是东亚-澳大利西亚水鸟南北迁徙的重要中转停歇点,每年数百万只迁徙水鸟在此停歇、栖息,补充、储备继续飞行所需的能量[2]。近年来,环渤海三省一市实施了大规模围填海,造成滨海自然湿地面积减少66%,而人工湿地面积增加了162.6%[3],滨海湿地逐渐向人工湿地演变[4-7]。滨海湿地的萎缩和消亡直接导致湿地水鸟繁殖适宜生境的破坏和丧失,从而对湿地水鸟多样性构成威胁[8]。开展退化自然湿地或人工湿地生态修复,恢复或提升湿地生态服务功能,已成为滨海湿地保护与研究的重要工作。

人工构建水生生物群落是修复受损水生态系统的有效手段[9]。因此,湿地生态修复,不仅要恢复湿地生境,更要恢复包括植物、浮游动植物、底栖动物、鱼类等在内的生物群落,以恢复其系统结构与功能,并建立一个能自我维持、自我调控或在较少人为辅助下能健康运行的湿地生态系统[10-11]。孙立汉等[12]认为,要把滦河口湿地恢复为原黑嘴鸥的繁殖地的生态环境,最重要的就是恢复滦河口湿地植被群落特征。马嘉等[13]通过对北京市常见的涉禽、游禽、鸣禽生活习性以及生存生境偏好的基础研究,提出北京市莲石湖湿地公园基于鸟类栖息地生境营造的城市湿地公园生态营造策略。刘旭等[14]针对北京房山琉璃河湿地公园鸟类分布特征,围绕目标鸟种对于栖息地水系、植被等方面的需求,从岸线重塑、水深设计、植物配置、生态鸟岛等方面规划设计鸟类栖息地修复措施。长江口潮滩湿地鸟类适栖地营造工程[15-16],除了利用生态工程对原潮沟系统进行了人为生境改造外,还根据鸟类生态学向实验工程区投放了舟形无齿蚌、中华圆田螺等动物性饵料(约400 kg/hm2)。基于鸟类保护的湿地修复研究虽有不少,但多偏重于湿地物理生境构建与植被群落恢复,而对于如何快速恢复鸟类藉以生存的生物资源,如底栖、鱼类等生物群落,即增殖放流的研究确定过程,鲜有系统报道。许多增殖放流工作,都存在增殖放流品种单一、未统筹考虑水域生态系统整体恢复等问题[17]；而科学合理的物种搭配,是受损水生态系统修复的技术核心[18]。由于我国湿地生态修复技术理论和实践积累不足[11, 19],致使滨海湿地恢复过程中生物群落的快速重建缺乏指导与有效参考。尤其对于围海造陆区的湿地重建/恢复,由于底质与水文系统的彻底改变,其生物群落重建目标及清单的确定更加困难。

天津港保税区临港经济区始建于2003年,前身为京畿门户的海河入海口南侧滩涂浅海区,每年能为上万只鸻鹬类提供觅食、栖息和繁殖场所,后被围海造地形成工业新城,成为天津滨海新区重要功能区之一。为补偿围填海开发过程中被破坏的潮间滩涂湿地,区域先后规划建设临港一期湿地和临港二期湿地,其中临港二期湿地工程除设计表流湿地外,还增加了约40 hm2的生境恢复单元,以期提升其作为候鸟迁徙驿站的滨海湿地生态服务功能。项目的实施将有效改善该地区生态环境质量,同时可为东亚-澳大利西亚南北迁徙水鸟提供适宜的生境。本文以天津临港二期人工湿地生境恢复为案例,以恢复滨海鸟类生存所需的食物链恢复为目标,通过对同区域类似湿地生物调查与生物多样性比选,确定参照湿地,确定生物群落快速重建目标与物种清单,以期为同类型滨海人工湿地生态恢复提供借鉴。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域与调查样点布设

(1)目标湿地

天津临港二期人工湿地(简称临港二期湿地)位于临港经济区西部,紧邻海滨高速和渤海十路(图1),其前身为滩涂浅海湿地,后经围填海变成旱田。临港二期湿地总体规划面积107 hm2,其中生境保育区约40 hm2,位于临港二期湿地南部,以修复和保护鸟类栖息地,提升湿地生态服务功能。

图1 临港二期湿地区域图

(2)参考湿地

由于围填海所带来的永久性地形、水文变化,临港二期湿地不可能恢复或重建至填海造陆前的海岸滩涂生态,更现实的目标是构建出滨海高盐的湿地生态(前期调查发现临港一期湿地出水盐度约3000—6000 mg/L,临港二期湿地进水约5000—10000 mg/L)。

北大港湿地自然保护区位于天津市滨海新区东南部,面积为34887公顷,是天津市面积最大的“湿地自然保护区”。保护区内可分为万亩鱼塘区、北大港水库(分为东区与西区)、马棚口海滩区、钱圈水库、沙井子水库等多个分区；除马棚口海滩区水体盐度>20000 mg/L、钱圈水库水体盐度<3000 mg/L外,其他分区水体盐度多在4000—12000 mg/L之间。因此,本研究选择与临港二期湿地同气候、同(近)区域、同(近)盐度水平的北大港湿地自然保护区以及临港一期湿地作为备选参照湿地(以下简称参考湿地),通过参考湿地内不同分区的生物群落测定与对比,确定临港二期湿地生物群落恢复的参照湿地。

(3)湿地生物群落调查样点布设

临港二期湿地,以及参考湿地(北大港湿地自然保护区及临港一期湿地),于2019年5月1—15日间开展生物资源调查。调查区域分布见图2,共设置采样点位79个,其中万亩鱼塘区15个、北大港水库东区(简称北大港东)7个、北大港水库西区(简称北大港西)11个、马棚口海滩区(简称马棚口)6个点、钱圈水库5个、沙井子水库5个、李二湾7个、李二湾南侧区域(简称李二湾南)7个、临港一期湿地(简称临港一期)9个、临港二期湿地(简称临港二期)7个。各调查点位,均设置在水体滨岸浅水区(<1.0 m),以综合测定浮游动植物、底栖动物。

图2 北大港湿地及临港人工湿地采样区域分布

1.2 研究方法

(1)调查方法

浮游动植物和大型底栖动物样品采集、保存、处理和分析参照《淡水浮游生物研究方法》、《湖泊生态调查观测与分析》等提供的方法进行；其中底栖动物采用直接称量法,计算其湿生物量。鱼类样品用地笼和刺网采集,每次放网时间为1 h；根据《中国动物志鱼类》《天津鱼类志》等对采集的鱼类进行物种鉴定；按渔具渔法对每次的渔获物分类计数和称重。

(2)数据处理方法

利用Shannon-Wiener(H′)多样性指数、Margalef(D′)丰富度指数、Simpson(D)多样性指数、Pielou(J)均匀度指数,对临港湿地的浮游生物作出评价。各多样性指数的计算方法见式(1)—(4)。

H′=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

(1)

D′=(S-1)/lnN

(2)

(3)

J=H′/lnS

(4)

式中,Ni为第i种浮游生物/底栖动物个体数；N为个体总数；Pi为第i种浮游生物/底栖生物个数占总体个数百分比,即Pi=Ni/N；S为总种类数。

采用单因素方差分析方法对生物多样性进行比较,统计与画图软件为Origin 9.0。

2 结果

2.1 临港二期湿地生物群落特征

临港二期湿地浮游动植物各门类分布见图3。临港二期湿地浮游植物共7门62属110种(包含若干未鉴定种),绿藻门种类最多,占比达到37.27%,其次是硅藻、蓝藻。浮游植物密度范围为632×104—2646×104个/L,均值达到1620×104个/L；生物量介于1.33—11.7 mg/L之间。调查发现浮游动物4类、28种,其中原生动物种类数量和平均密度最多,种类达到15属16种,平均密度达到5700 个/L。调查仅鉴定出大型底栖动物1种,为水生昆虫稻水蝇(Ephydrasp.),其密度为0—528.00 个/m2(均值134.86 个/m2),生物量为0—1.80 g/m2(均值0.60 g/m2)。由于临港二期湿地在2019年通水不久,调查过程未发现鱼类。

图3 2019年春季临港二期湿地浮游植物、浮游动物各门类分布

2.2 参考湿地生物群落特征

(1)临港一期湿地生物群落特征

临港一期湿地鉴定出浮游植物123种。生物密度为600.00×104—5125.00×104个/L(平均值为2248.02×104个/L),生物量为5.38—41.66 mg/L(平均值为13.82 mg/L)。

浮游动物鉴定出39种。生物密度为146.10—3727.20 个/L(平均值为1754.53 个/L),生物量为0.17—4.74 mg/L(平均值为1.39 mg/L)。

底栖动物鉴定出21种。生物密度为0—528.00 个/m2(平均值为186.67 个/m2),生物量为0—5.78 g/m2(平均值为1.98 g/m2)。整体来说,临港一期湿地水体浮游植物较为丰富,浮游动物和底栖动物也检出较多,水体生态系统已渐复杂。

在临港一期湿地共采集到7种鱼类,隶属于3科7属,其中鲤科鱼类最多,占总鱼类种数的71.4%；其次为异鳉科和乌鳢科,分别占总鱼类种数的14.3%和14.3%。

(2)北大港湿地生物群落特征

北大港湿地浮游植物共鉴定出8门112属304种,多数区域以蓝藻门、硅藻门为主,硅藻优势种为小型硅藻,蓝藻则以群体性的蓝藻类(如鱼腥藻、束丝藻和微囊藻等)占优势。

北大港湿地浮游动物共鉴定出原生动物、轮虫、枝角类和桡足类4类,共计64属87种；其中浮游动物密度最高值(15584.99 个/L)出现在钱圈水库,最低值(102.55 个/L)出现在沙井子水库；浮游动物生物量最高值(14.90 mg/L)出现在李二湾区域,最低值(1.54 mg/L)出现在马棚口区域。

北大港湿地共鉴定出大型底栖动物4类32种。其中底栖动物密度最高值(825.60 个/m2)出现在万亩鱼塘,最低值(43.33 个/m2)出现在钱圈水库；底栖动物生物量最高值(4.32 g/m2)出现在万亩鱼塘,最低值(0.08 g/m2)出现在沙井子水库。

受调查时间与经费限制,难以对每个分区都进行系统、科学的鱼类捕捞调查；因次本次调查采用部分点位实地捕捞(地笼)结合文献资料(北大港湿地自然保护区管理中心提供的内部资料)的方法进行北大港湿地鱼类调查分析。综合分析表明,北大港地区共有鱼类18种,分属于6目10科,其中包括鲤形目的鲤科(9种)、鳅科(1种)；鲇形目的鲇科(1种)；鲈形目的鮨科(1种)、鳢科(1种)、鰕虎鱼科(1种)、玉筋鱼科(1种)；鲻形目的鲻科(1种)；鲉形目的魣科(1种)；鲽形目的鲆科(1种)。

2.3 临港二期湿地与参考湿地生物多样性分析

参考湿地与临港二期湿地浮游植物、浮游动物、底栖动物各项多样性指数的单因素方差显著性分析见图4—图6。

图4 各区域浮游植物Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou指数

图5 各区域浮游动物生物多样性Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou指数

图6 各区域底栖动物生物多样性Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou指数

图4表明,浮游植物Shannon-Wiener指数平均值在0.88—3.42之间,Simpson指数平均值在0.25—0.83之间,Margalef指数平均值在1.51—3.49之间,Pielou指数均值在0.23—0.73之间,北大港东、北大港西浮游植物生物多样性最好,马棚口、沙井子水库最差。图5表明,浮游动物Shannon—Wiener指数均值在1.27—2.19之间,Simpson指数均值在0.32—0.72之间,Margalef指数在0.54—1.22之间,Pielou指数在0.39—0.73之间,北大港东、北大港西浮游动物多样性最好,马棚口、万亩鱼塘最差。图6表明,底栖动物Shannon-Wiener指数均值在0.074—1.380之间,Simpson指数均值在0.023—0.504之间,Margalef指数均值在0.045—0.59之间,Pielou指数在0—0.36之间,底栖动物多样性最好的区域为临港一期,最差的为临港二期。综上,在参考湿地中,北大港东、北大港西、临港一期具有较好的浮游动植物、底栖动物多样性,同时考虑到北大港水库具有较好的鱼类资源,因此这三块湿地即可以作为临港二期湿地修复的参照湿地。

3 讨论

增殖放流,不仅可以使失衡的水生态系统增加物种多样性或促进种群资源恢复,改善放流水域生态群落结构[17]；也可以起到净化水质,维护水域生态平衡的作用[20],因此增殖放流已经成为快速恢复湿地生物群落的重要举措。在初级生产力旺盛的水域,放流低营养层次生物,可以有效填补增殖水域原有食物网中浮游植物食性鱼类相对缺失的短板,丰富食物网结构组成及物质循环途径[21]。调查结果表明,临港二期湿地具有较好的浮游植物多样性及生物量,初级生产力旺盛,但底栖与鱼类生物匮乏。考虑到底栖、鱼类作为水生生态系统食物网结构的重要组成部分,同时也是滨海湿地重点保护目标迁徙鸟类(如鸻鹬类)的主要食物来源,临港二期湿地想要恢复其候鸟迁徙驿站的生态服务功能,应在物理生境构造及植物恢复后,通过科学的增殖放流进行底栖与鱼类生物群落快速重建,快速提高水体生物多样性与生态系统稳定性。临港二期湿地底栖动物、鱼类等物种群落的快速重建目标与适宜清单确定方法如下。

3.1 底栖动物快速重建目标与适宜物种清单

底栖动物(双壳类、腹足类、多毛类等)可以为鸻鹬类提供食物来源与能量保障[22-23],其生物密度可以影响到湿地鸟类的组成与数量[24]。由于底栖动物在湿地生态系统物质循环和能量流动中的重要作用,种类组成、群落结构等特征已经成为湿地生态系统结构与功能评价的重要指标[25],而其快速重建也就成为湿地生态修复的重要工作。作为长江口规模最大的河口型潮汐滩涂湿地,崇明东滩在2016年进行了牡蛎増殖放流,增殖放流后各断面区域牡蛎生境状况均较放流前有所改善[26]。天津港东疆港区人工沙滩在将人工岸线修复成沙滩海岸后,通过增殖放流青蛤、缢蛏、菲律宾蛤仔和毛蚶等先锋物种,使得示范区内的大型底栖动物生物量增加了103.1%,并重建了岩石质海岸牡蛎-藤壶生态系统[27]。天津大神堂活牡蛎礁,也通过实施人工鱼礁建设及增殖放流而部分修复了本已消失的活牡蛎礁[28]。

因此,本研究以北大港东、北大港西及临港一期湿地作为参照,同时结合相关文献资料,确定临港二期湿地底栖动物快速重建目标。张掖国家湿地公园自2008—2009年实施退耕还湿地、水系疏浚、植被恢复等生态恢复工程后,湿地结构和功能不断完善,在湿地栖息的水鸟总量在不断增加,2013年共记录到湿地水鸟1230只,2014年记录到3260多只,2015年达到4700多只,其后水鸟总量仍呈逐渐增加的趋势[29],说明一般湿地修复五年后,结构与功能即可显著改善。但由于生态恢复是个极其复杂的过程,因此要达到更为成熟、稳定的成功恢复状态,通常需要更长的时间[30]。因此,本研究参考湖南津市毛里湖辛家台溪景观生态恢复分阶段规划[31],将临港二期湿地生态恢复目标分为近期(5年)目标与远期(10年)目标；其中近期生态恢复目标依参照湿地现状最优值确定,远期恢复目标则依参照湿地历史数据或理论最优值确定。临港湿地及北大港湿地底栖动物多样性特征比对及恢复目标见表1。

表1 临港湿地及北大港湿地底栖动物多样性特征比对及快速重建目标

由表1可知,临港二期湿地底栖动物快速重建目标可设定如下。

①Shannon-Wiener生物多样性指数：远期恢复目标为3.00(一般将H′=3作为水体污染/无污染的评价阈值[32],在此作为多样性指数评价的优良阈值),近期恢复目标可设为1.58(临港一期现状)。

②生物密度：恢复目标为600 个/m2,近期目标可为300.00 个/m2。

生物群落快速重建目标的选择,依参照湿地现状检出或历史资料为基础进行确定。本研究基于对临港湿地环境的生态适应性分析,以参照湿地检出或历史资料为参考,同时考虑同类物种相互之间的竞争、抑制等种间关系,以及满足生态系统中食物链重构需求,确定临港二期湿地底栖动物群落快速重建物种清单(表2)。

表2 临港湿地底栖动物群落快速重建物种清单

3.2 鱼类群落快速重建目标与适宜物种清单

北大港湿地自然保护区调查共有鱼类18种,分属6目10科；临港一期湿地鱼类7种,分属3科7属；参考区域鱼类共计20种,分属7目16科。其中鲈、大菱鲆、玉筋鱼、鲬为海洋鱼类,对水体盐度有一定要求；弹涂鱼的生活史一定程度上依赖海岸滩涂；中华鰟鮍需要将卵产在双壳类外套腔中以繁衍,而临港湿地中没有双壳类。因此,这6种鱼不作为鱼类群落快速重建的备选物种类均被排除在快速重建鱼类物种清单外,将除这6种之外的14种鱼类,设为临港湿地鱼类群落快速重建种,具体清单见表3。

表3 临港湿地与北大港湿地鱼类群落对比及快速重建目标种确定

图7 临港湿地恢复目标食物网示意图

3.3 浮游动物快速重建目标与适宜物种清单

浮游动物生物多样性shannon指数,除万亩鱼塘最差外其他区域间无显著性差异,因此理论上讲临港二期湿地无需进行浮游动物群落的生态恢复工作。但考虑到鱼类觅食需求,可以在进行鱼类群落快速重建的同时,适当辅助开展浮游动物的人工投放工作。已有研究[36]表明,大型溞还可以促进水体悬浮物沉降、有利于沉水植物生长和稳定水生生态系统。临港二期湿地生态恢复所需的浮游动物清单示于表4。