滨海地区新建人工湖沉水植物与水生态系统构建

谢 超 桂常林 张晓光 薛烨飞*

（1 南京中科水治理股份有限公司，江苏 南京 210000；2 首创经中（天津）投资有限公司，天津 300000；3 北京市管通市政园林工程有限公司，北京 100000）

沉水植物作为水生态系统中的初级生产者，在净化水质、抑制底泥营养盐释放、提供生物所需生境等方面具有重要作用，沉水植物群落的恢复和健康也被认为是影响水生态系统构建和稳定的关键因素（罗希等,2021;Li et al.,2021）。滨海盐碱地普遍面临地下水位浅且矿化度高、土壤含盐量高、水资源污染严重等问题（白春礼,2020;贺文君等,2021）。在滨海盐碱区域开展以沉水植物群落为核心的水生态系统构建时，除了氮磷等外源营养盐输入引起的富营养化外，还要面对不同程度的盐胁迫（赵卉琳,2014）。盐胁迫不仅会降低沉水植物群落初级生产力和生物多样性，影响沉水植物群落演替，还会通过改变上行效应和下行效应，间接影响生态系统中生产者和消费者的数量（贾娇,2016;Lind et al.,2018）。水土环境中盐度和pH 值的升高，会增加植物用来维持自身生存需要的能量（刘晓静等,2021），使得植物对氮、磷等污染物的净化效果降低。目前国内外关于水生态系统建设的研究大多集中于内陆区域，对于滨海盐碱环境下盐度胁迫对水生态系统构建，尤其是沉水植物群落影响的研究却较少。

天津滨海区域地处渤海湾，年蒸发量约是年降水量的3 倍，降水中大部分以植物截留和包气带蒸发等形式直接蒸发，淋溶和脱盐过程微弱，盐类易在水土环境中聚集（霍达等,2016），区域内盐碱土和盐碱水发育广泛，严重制约了当地农业生产、工程建设和生态环境发展（程绪江等,2021）。本研究以天津市京津合作示范区中央公园新建人工湖为研究区域，通过对人工湖开展持续2 年的水质、沉积物及沉水植物群落监测，分析沉水植物在盐碱环境下的水质净化效果，探讨盐碱化对新建人工湖水生态系统构建和运行的影响，为滨海城市盐碱地开发和生态建设提供借鉴。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

京津合作示范区中央公园内新开挖的人工湖（39°20′51″—39°20′53″ N，117°56′35″—117°56′93″ E）水域面积53 820 m2，湖区最大设计水深2.4 m，最浅处为0.8 m（图1）。气候上属于温带半湿润大陆季风型气候，多年平均降水量500～600 mm，70%以上的降水集中在7—8 月，年蒸发量超过1 800 mm。研究区表层土壤盐渍化以硫酸盐—氯化物型为主，土壤本底含盐量较高，属于重度盐渍化土。

图1 研究区采样监测点分布图Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

1.2 水生态系统构建方案

1.2.1 基底改良本研究采用客土置换的方法，在原有湖底开展防渗工程的基础上，铺设外购无盐碱种植土。种植土铺设完成后，采取基底翻松、病原体灭杀、泼洒土壤改良剂等措施。

1.2.2 沉水植物群落构建2020 年7 月种植沉水植物，种植总面积约4.3万m2，包括苦草（Vallisneria natans）、金鱼藻（Ceratophyllum demersum）、黑藻（Hydrilla verticillata）、竹叶眼子菜（Potamogeton wrightii）、狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）和篦齿眼子菜（Stuckenia pectinata）等植物，在冬季来临前少量补种伊乐藻（Elodea canadensis）。本研究选用的沉水植物均有一定的耐盐能力，并且在天津滨海地区本土范围均有生长。沉水植物种植期间同步开启湖区蓄水，补水水源前期为市政自来水，后期为净化后的潮白河河水。

1.2.3 水生动物群落构建水生动物作为调控生态系统结构和功能变化的重要驱动力，能促进水生态系统良性循环。研究区在沉水植物群落构建完成后，于2020 年8 月初优先投放无齿蚌（Anodonta）、环棱螺（Bellamya）等大型底栖动物协助净化水质，8 月中旬再投放乌鳢（Channa argus）、鲶鱼（Silurus asotus）等肉食性鱼类对湖区的鱼类群落进行调控（表1）。

表1 研究区鱼类及底栖动物投放情况Table 1 Distribution of fish and benthos in the study area

1.2.4 水生态系统的优化调整2020 年8 月底，湖区水生态系统构建基本完成，进入优化调整阶段，期间除了日常湖区保洁和水位调控外，还定期在湖区开展水质、沉积物以及沉水植物群落监测，并开展相应的水生态系统优化调整措施。2021 年4 月，结合湖区沉水植物生长状况，减少苦草的种植面积，增加狐尾藻、黑藻、竹叶眼子菜的种植面积。2021 年秋季在湖区补种菹 草（Potamogeton crispus），以维持冬季湖区的水质稳定。

1.3 样品采集与测定

基于研究区水环境特征，本研究共设置3 个采样监测点（图1），结合天津当地气候状况，自2020 年8 月起至2022 年8 月，除每年12 月至次年2 月冬季封冻期外，每月中旬在研究区开展1 次水质监测，共采样19 次。2020 年8 月为系统建设蓄水期，2020 年9 月至2022 年8 月为优化调整期。水质监测时使用采水器采集水面下0.5 m 处水样2 L，测定水中总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）、化学需氧量（CODCr）以及含盐量。采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定TN，采用纳氏试剂分光光度法测定NH4+-N，采用钼酸铵分光光度法测定TP，采用重铬酸盐法测定CODCr，采用重量法测定含盐量。

于2020 年（9 月、11 月）、2021 年（4 月、8 月、11 月）和2022 年（4 月、8 月）在研究区开展沉积物和沉水植物群落调查。沉积物调查采样点与水质监测点相同，使用抓斗式采泥器采集表层沉积物，风干后采用重量法测量沉积物中全盐量。将研究区划分为若干40 m×40 m 的方格，对每个方格内的沉水植物种类、覆盖度进行观测统计并汇总。

1.4 数据统计与绘图

本研究使用R（4.1.3）和Origin2019 软件进行数据统计分析与绘图，在检验数据分布的正态性和方差齐性后，使用ANOVA 和Kruskal-Walli 检验对不同时间段沉积物全盐量和水质数据进行差异显著性分析，并使用Tukey HSD 检验和Wilcoxon 秩和检验进行数据的两两比较，以多重假设检验P＜0.05时认定统计结果的显著性。

2 结果与分析

2.1 沉水植物群落结构变化

2020 年9 月人工湖进入优化调整期，沉水植物生长旺盛，初步形成了以苦草为优势物种的沉水植物群落结构，沉水植物总覆盖度最大可达近90%（图2）。2021 年初，湖面封冻开化后苦草种群生长状况较差，出现叶片枯萎、根部发黑甚至死亡的现象。受此影响，2021 年4 月湖区沉水植物覆盖度显著降低，仅为53.7%。为维持人工湖水生态系统的稳定性，通过人工调控在原苦草生长区域补种了部分狐尾藻、黑藻和竹叶眼子菜。2021 年8 月湖区狐尾藻、黑藻和竹叶眼子菜的覆盖度分别达22.2%、16.7%和17.6%，沉水植物总覆盖度也恢复至73.14%。同时随着植物群落的自我演替，湖区中篦齿眼子菜占据了部分原苦草的生态位，覆盖度由4 月的1.1%增长至5.6%。

图2 研究区沉水植物覆盖度变化情况Fig.2 Change of submerged plant coverage in the study area

除了人工调控外，季节温度变化也会对湖区内沉水植物群落产生影响。2021 年11 月环境温度降低后，湖区内黑藻和竹叶眼子菜的覆盖度明显降低，而菹草和伊乐藻的覆盖度增加。其中，菹草的覆盖度在在2022 年4 月达到峰值，占沉水植物总覆盖度的40.7%。随着气候转暖，2022 年8 月菹草群落逐渐消退，狐尾藻、黑藻、竹叶眼子菜等覆盖面积再度升高。整体来看，经过植物自我演替和人工干预调整后（2021—2022 年），湖区逐渐形成了夏季以狐尾藻、黑藻、竹叶眼子菜为优势物种，冬春季以菹草和狐尾藻为优势物种的沉水植物群落结构。

2.2 沉积物全盐量变化

系统构建前（2020 年5 月）人工湖原始基底沉积物为硫酸盐—氯化物型，全盐量达0.75%，属于重度盐渍化土（图3）。通过客土置换对湖区原有基底进行改良，2020 年9 月水生态系统建设完成后湖区沉积物中全盐量降低至0.21%，较改良前显著降低了72%（P＜0.05）。在持续2 年的优化调整期内，湖区沉积物中全盐量整体呈波动升高趋势，2022年4 月最大可达0.38%，较优化调整初期显著增加了81%（P＜0.05）。此外，受冬季湖水结冰影响，水体中盐分向冰下水体和沉积物中进行迁移（姜涛等,2019），因此2021 年4 月和2022 年4 月湖区封冻开化后沉积物全盐量分别为0.34%和0.38%，较2020 年11 月均有不同程度的升高。而随着湖区沉水植物生长与总覆盖的增加，沉水植物生长过程可以吸收一部分沉积物中的盐分，当年8 月沉积物全盐量较4 月相比均有所降低，但并未达到显著水平（P＞0.05）。

图3 沉积物全盐量变化情况Fig.3 Change of total salt content in sediments

2.3 水质变化特征

2020 年8 月人工湖完成蓄水时，水体中初始TP、NH4+-N 和含盐量均较低，但TN 和COD 含量较高，分别为1.51 mg/L 和29.7 mg/L（图4），湖区整体水质为地表水环境质量Ⅴ类水（GB3838-2002）。当湖区水生态系统构建完成后，沉水植物开始生长并吸收水体中的氮磷污染物，在持续2 年的优化调整期内人工湖水体中TP、TN、NH4+-N 和CODCr的平均含量为0.03 mg/L、0.80 mg/L、0.25 mg/L 和19.7 mg/L，较蓄水期分别降低65.0%、47.3%、26.6%和33.5%，平均水质基本达到了Ⅲ类水标准。

图4 人工湖水质变化情况Fig.4 Changes in water quality in the artificial lake

湖区沉水植物种类调整与群落演替是影响水质变化的主要因素。由于湖区覆盖度最高的苦草种群出现衰亡，2021 年湖区TN、NH4+-N 和CODCr含量较2020 年均有明显升高（P＜0.05），TP含量的升高虽然没有达到显著水平，但当年的峰值也达到了0.05 mg/L，接近Ⅲ类水标准的限值。湖区沉水植物群落结构稳定后，植物对污染物吸收净化能力开始恢复，2022 年人工湖NH4+-N 和CODCr含量较2021 年有显著降低（P＜0.05）。整体来看，优化调整期内人工湖N、P 和有机污染物含量大致呈先升高后降低的趋势。相比之下，湖区水体中含盐量整体呈不断升高的趋势，2022年研究区水体含盐量显著高于2020 年和2021 年（P＜0.05），最大可达1.29g/L（图4e）。湖区水体含盐量的升高可能是导致湖区沉水植物群落结构变化的重要因素。

3 讨论

3.1 盐碱地区水生态系统的建设与运行效果

本研究采用了客土置换原有盐碱土的方式，通过客土压碱，可以改善原生土壤环境的物理性质，降低土壤的pH 值和含盐量（韩建军,2020），满足沉水植物的正常生长。客土置换方法简单、见效迅速，但费用成本较高，且从长远来看盐分消除不彻底。受气候环境影响，天津滨海地区土壤中盐分易在表层聚集，而人工湖的地势又相对较低，公园内日常绿化灌溉活动和降水会带动表层盐分向下迁移（程绪江等,2021）。因此，在两年的优化调整期内湖区水体和沉积物的含盐量均呈现出波动升高的特征（图3，图4e）。

本研究通过构建沉水植物群落，在持续2 年的优化调整期内新建人工湖的主要水质指标平均可达到地表水Ⅲ类水标准。耐盐沉水植物的引入可改善营养盐富集状况，增加水体稳定性，而植物在生长、演化过程中会对环境产生适应性，充分发挥生态修复功能（刘萌萌,2021）。此外，耐盐沉水植物在生长过程中还能够吸收一部分环境中的盐分，起到延缓湖区盐渍化进程的作用（林思宇等,2018）。2021 年8 月和2022 年8 月沉水植物生长旺盛时，湖区沉积物全盐量较同年4 月均有不同程度的降低，而此时对沉水植物进行收割调控即可把盐分转移出系统，因此，建立完善的植物耐盐体系是恢复盐碱地生态最经济有效的策略（姜万,2021）。

3.2 环境中盐分升高对沉水植物的影响

环境中盐度的升高会引起植物生理、结构和形态上的变化，由于沉水植物的生长周期完全处于水中，其对盐度升高的响应往往比挺水植物等更加迅速（James et al.,2003;Moreira et al.,2023）。沉水植物的耐盐性决定植物抵御盐度增加的影响程度，对盐度具有可塑性的物种更有机会成为群落中的优势物种（Tootoonchi et al.,2022）。在湖区盐度较低时，苦草虽可成为人工湖沉水植物群落中的优势物种，但由于其对盐度的耐受性较弱，随着水体含盐量的升高其生长便会受到抑制甚至死亡。而狐尾藻和篦齿眼子菜等耐盐能力更强的物种却可适应更广泛的盐度变化（Moreira et al.,2023），在湖区逐渐取代苦草成为优势物种。

当水体盐度超过1 g/L 时，苦草在群落竞争中便会处于弱势（柴夏等,2022）。但本研究中2021 年苦草生长受到抑制时，水体盐度仅为0.49～0.67 g/L，与其他研究相比已偏低（刘晓培等,2012;贾娇,2019）。这可能有几方面原因：首先，Cl-、SO4-、Na+、Ca2+等多种离子的含量都会影响水体含盐量，不同环境下水体盐分组成上可能存在一定差异，从而导致苦草对盐分升高响应的差异（柴夏,2022）。其次，天津地区冬季湖面封冻结冰会促进盐分在底层水体中的积累，开春后水底较高的含盐量会影响水体混合并延长水体分层时间，导致水体中溶解氧的有效性降低和底层水体缺氧（Ladwig et al.,2021）。这种低氧环境可能会加剧盐胁迫对苦草的生理影响，并导致了苦草的大面积衰亡（卢姣姣等,2018）。

考虑到环境因子对沉水植物生长影响的复杂性，将来在盐碱地区水生态系统建设过程中对苦草的使用应更为谨慎。同种植物在不同底质和气候环境下可能会表现出不同的耐盐能力，外界环境因素对盐碱环境下沉水植物分布的影响有待深入研究。

4 结论

本研究采用客土置换的方法对人工湖原有盐碱基底环境进行改良，并选择狐尾藻、篦齿眼子菜等耐盐植物开展以沉水植物群落构建为核心的水生态系统建设。人工湖水生态系统建成后运行稳定，沉水植物环境效益显著，优化调整期内湖区平均水质可以达到Ⅲ类水。经植物自我演替和人工干预调整，人工湖逐渐形成了夏季以狐尾藻、黑藻、竹叶眼子菜为优势物种，冬春季以菹草、狐尾藻为优势物种的沉水植物群落结构。建成后的人工湖不仅可发挥调蓄水源、净化污染、美化景观的作用，还可为未来滨海地区人工湖建设提供很好的参考。