2019—2021年太湖三山岛湖滨带景观结构特征与水质分析

2023-12-14孙一鸣冯育青

湿地科学 2023年5期

孙一鸣，朱颖,2*，冯育青，汪辉

(1.苏州科技大学建筑与城市规划学院，江苏苏州 215011；2.江苏太湖湿地生态系统国家定位观测站，江苏苏州 215000；3.苏州市湿地保护管理站，江苏苏州 245000；4.南京林业大学风景园林学院，江苏南京 210037)

湖滨带是连接湖泊与陆地的过渡区域，其具有隔离、缓冲和拦截污染物、提供动植物栖息地、维持生物多样性和净化水质等功能[1-3]。受过度开发、风浪冲刷和底泥淤积等的影响，湖滨带的景观结构正在发生变化，水环境受到威胁。

景观结构表征了景观类型(区域内土地利用类型)和景观配置特点(区域内景观斑块的空间分布和配置)，其对生态和水文过程具有一定影响[4-5]。景观聚集度和破碎度等对流溪河的水质产生了不同程度的影响[6]。斑块密度和蔓延度分别与洪泽湖水体中的总氮含量、总磷含量显著相关[7]。斑块分离程度和破碎化程度越低，伊河水体的水质越差[8]。贡湖湾北岸退渔还湖生态修复工程重构了景观结构，通过影响水流而改善了水质[9]。上海市鹦鹉洲湿地生态修复后，滨岸带多样化的斑块类型加强了水质净化功能[10]。由此可见，不同尺度的景观结构能对水质产生一定的影响。探讨重构的景观结构对水质的影响，对未来湖滨带的生态修复具有重要意义。

太湖湿地在长三角绿色生态一体化发展中发挥着重要作用[11]。太湖受岸线、地形和岛屿等地理因素影响，风浪较强，其有效波高平均值为0.523 m[12]。风浪的冲刷不仅损坏了太湖湖滨带的结构，也影响了太湖的水质。已经开展了湖滨带的生态环境恢复[13]、水生植物恢复[14]和生态系统功能恢复[15]等方面的研究，修复后的湖滨带对湖泊水质有一定的改善作用。苏州市太湖中的三山岛的湖滨带常年受风浪冲刷，土壤流失，近岸水体中的悬浮颗粒物增多，水生植物生长不良，水质恶化。2008年以来，在三山岛开展了环岛湖滨带生态建设，营造生态微岛，使水质得到明显改善[16-17]。本研究于2019年1月至2021年12月，对江苏苏州太湖三山岛国家湿地公园东南部湖滨带的生态微岛及其附近水体的水质进行连续监测，研究景观结构与水质的关系，以期为未来湖滨带生态建设提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区

本研究以江苏苏州太湖三山岛国家湿地公园东南部湖滨带的生态微岛及其附近的水域为研究区(图1)。江苏苏州太湖三山岛国家湿地公园位于苏州市西南部的太湖之中，行政上隶属于苏州市吴中区东山镇。

图1 研究区位置和采样点分布示意图Fig.1 Sketch map of location of the study area and water quality monitoring points

苏州市的气候属于亚热带季风海洋性气候，夏季盛行东南风，冬季盛行西北风。三山岛的年降水量为1 100 mm，降水集中在5月至8月。研究区中水域的平均水深为2.5 m，水流速度为6～8 cm/s。三山岛作为湖心岛，夏季，受风浪的影响，湖滨带附近水体中的悬浮颗粒物较多，水体透明度较低，水生植物的生长受到抑制。

为了解决湖滨带受风浪冲刷的问题，2008年以来，在江苏苏州太湖三山岛国家湿地公园中，实施了环岛湖滨带生态建设，营造了总面积为200 hm2的生态微岛。生态微岛区由带状和团状微岛以及水域组成。带状和团状微岛都用湖底底泥堆筑，并堆置块石加固。带状微岛分布在外侧，团状微岛分布于带状微岛的内侧。在生态微岛上人工种植了腺柳(Salix chaenomeloides)等植物，随着生态微岛稳定性的增强，植物在自然恢复。为了减小风浪对生态微岛的侵蚀，定期对生态微岛进行维护。在研究区中，生态微岛区的面积为145.54 hm2，该区相对独立而且结构特征突出，水体的水质变化明显。

1.2 水样采集和测试分析

根据实地情况和水流方向，在生态微岛区设置了3 个采样点(采样点1、采样点2 和采样点3)，在生态微岛区外围未被干扰的对照区水域中，设置了1个对照采样点(采样点4)(见图1)。

在2019 年至2021 年的每个月，各采集水样1次。每次采样，在每个采样点采集1份水样。选择的每个采样日的天气都为晴朗、微风的天气。

采样时，在0.5～1 m深度处的湖水中，利用有机玻璃采水器，平行采集3份水样，将其充分混合后，装入500 mL 的聚乙烯瓶内，密封、冷藏保存，运回实验室。在采样现场，利用赛克盘，测量水体透明度；利用便携式溶解氧测定仪(JPB-607A)，测定水体中的溶解氧含量。

参照文献[18]中的方法，在实验室中，采用重量法，测定水样中的固体悬浮物含量；利用分光光度仪(722N)，测定水样中的总磷含量；利用759S紫外可见分光光度计，测定水样中的总氮含量；采用丙酮萃取分光光度法，测定水样中的叶绿素a 含量。为了保证实验结果的准确性，对每份样品进行3次重复测定，取其平均值作为实验数据。

1.3 土地利用类型划分

采用目视解译的方法，利用2021 年8 月16 日的高分二号卫星影像数据，结合实地调查资料，在ArcGIS 10.8软件平台上，对影像进行配准，提取出2021年太湖三山岛地物的矢量数据。解译结果的精度大于90%。参照文献[19]，将研究区的土地利用类型划分为林地和水域2种类型。

1.4 景观指数选择

考虑景观结构对水质的影响[20-21]，结合生态微岛的特点和尺度，选择可能影响水质的斑块数、斑块密度、景观形状指数、斑块所占景观面积比例、最大斑块指数、周长面积分维数、斑块聚集度指数、斑块结合度指数和景观分离度指数，利用Fragstats 4.0 软件，计算出各景观指数，开展相关研究。

1.5 数据分析方法

采用单因子水质标识指数法，将水质指标实测值与《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)[22]的对应指标标准值进行比较，判定采样水域的污染状况。

采用单因素方差分析方法，利用SPSS 26.0软件，分析和检验各采样点水质指标数据差异的显著性。

采用Pearson 相关分析方法，利用SPSS 26.0软件，分析景观指数值与各水质指标值的关系。

2 结果与分析

2.1 生态微岛的空间形态和布局特点

2.1.1 空间形态

生态微岛由带状和团状微岛构成。根据生态微岛的平面形态特征，提取了带状、团状微岛和面状水域的轮廓信息，以直观显示其平面的空间关系(图2)。

将生态微岛区拆分为多个空间单元，将微岛、土丘和水域抽象为点状、线状和面状。每个单元由点状微岛、线状土丘和面状水域构成。线状土丘处在单元边界，来限定空间范围和划分内、外空间单元；点状微岛分散于线状土丘一侧，随机分布；面状水域充斥其间，包围线状土丘和点状微岛。这种空间单元将林地与水域有效地组织协调起来，组成的模块灵活、多样，适用于不同尺度的修复水域。

图3显示，各个单元依次叠加，规模逐渐增大，以适应环境的变化和使用功能上的需求。从湖岸到修复水域区，连续的几组单元形成一个组团，整个组团由多组线状土丘、点状微岛和面状水域构成，点状微岛散点式分布在线状土丘一侧，越靠近湖岸处，集聚性特征越明显，整个区域呈现出“多斑块结构”特征。多个斑块叠加，削弱了风浪对岸线的侵蚀，减少了底泥再悬浮和无机颗粒物的输入，有效提高了水体透明度。这种由单元形成的组团，具有一定规模性，提高了修复水域内部小环境的稳定性。

图3 生态微岛区的空间单元及其组团平面示意图Fig.3 Plane schematic diagram of spatial unit of the ecological micro-island area and its group

2.1.2 布局特点

生态微岛单元呈现出“带状间隔、团状散布”的布局特点，即由带状微岛为主导，规格不一的团状微岛均匀散布。最外层连续性的带状微岛抵挡了外部风浪的冲刷、阻隔了污染物、减少了风浪对内部小环境的干扰。

单元形成的组团由多组带状和团状微岛构成，呈现出“层叠递进式”的布局特点。边界轮廓决定了整个生态微岛区的平面形态，如图2所示，最外层的带状岛屿，作为直面风浪的屏障，连续性较强，根据水下地形和水流变化呈现出流畅的曲线型，在靠近湖岸处呈半连续性，适当位置的断口有利于水体的流动与交换；团状微岛作为内部结构，面积小、数量多，轮廓同样是流畅的闭合性曲线，在带状微岛的包围下呈散点分布。此外，由外围水域至湖岸处，团状微岛的数量层层递增，密度增大，集聚性显著。太湖水体将带状微岛与团状微岛融合成一体，在整个研究区内呈现出以带状微岛为骨架，融合团状微岛的“层叠递进式”的布局特点。

2.2 生态微岛区的景观结构特征

在生态微岛区中，水域的面积为128.42 hm2，占生态微岛区总面积的88.24%，林地面积为17.12 hm2，占生态微岛区总面积的11.76%。

生态微岛区中水域的斑块数、斑块密度、景观形状指数、周长面积分维数、最大斑块指数、斑块所占景观面积比例、斑块聚集度指数、斑块结合度指数和景观分离度指数的平均值分别为3块、2.06块/100hm2、8.48、1.67、88.09%、88.23%、99.34%、99.99%和0.22；林地的对应景观指数的平均值分别为88 块、60.46 块/100hm2、19.01、1.81、1.25%、11.76%、95.63%、98.67%和0.99。

林地的斑块数和斑块密度值都远大于水域，说明景观中林地斑块较多且分布较为连续。水域斑块的分布相对分散，林地的破碎化程度比水域大。林地景观形状指数和周长面积分维数值都大于水域，说明林地斑块的形状多样，并且更加复杂。林地的景观分离度指数值远大于水域，说明林地斑块的面积很小，斑块分布的离散程度高。

水域的最大斑块指数和斑块所占景观面积比例都远远大于林地，说明水域是景观中的优势的大面积斑块，虽然景观中有较多的林地斑块，但是林地的最大斑块面积很小。

林地与水域的斑块聚集度指数和斑块结合度指数值很接近，说明景观中以水域斑块为主，水域斑块的聚集程度高、连续性好，多个林地小斑块高度连接、连通性强。

2.3 研究区中水域的水质状况

依据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)[22]，评价研究区水域的水质状况。

由图4、图5 和图6 可知，2019 年至2021 年各月，对照区的采样点4水体中的固体悬浮物、总氮、总磷和溶解氧含量值几乎都大于生态微岛区3 个采样点水体中对应各指标值，其水体透明度都小于生态微岛区3个采样点的水体透明度；4个采样点水体中的叶绿素a含量的变化规律相似。

图4 2019年各月研究区4个采样点水体的6个水质指标值Fig.4 The values of 6 water quality indexes in waters at 4 sampling points in the study area in in each month of 2019

图5 2020年各月研究区4个采样点水体的6个水质指标值Fig.5 The values of 6 water quality indexes in waters at 4 sampling points in the study area in in each month of 2020

图6 2021年各月研究区4个采样点水体的6个水质指标值Fig.6 The values of 6 water quality indexes in waters at 4 sampling points in the study area in in each month of 2021

由表1可知，生态微岛区和对照区采样点水体中总氮含量和溶解氧含量的年平均值都在逐年减小，而其总磷含量的年平均值都是2020年的最大，2019年的最小。

表1 2019年至2021年研究区4个采样点水体中总氮、总磷和溶解氧含量的年平均值Table 1 The annual average values of total nitrogen,total phosphorus and dissolved oxygen contents in waters at 4 sampling points in the study area in 2019,2020 and 2021

在生态微岛区，2019 年采样点水体中的总氮含量的年平均值为1.04 mg/L(大于1.0 mg/L 且小于1.5 mg/L)，因此，从总氮含量的年平均值看，2019 年生态微岛区的水域属于Ⅳ类水域；2020 年和2021年的总氮含量的年平均值分别为0.90 mg/L和0.55 mg/L(都大于0.5 mg/L 且小于1.0 mg/L)，因此，从总氮含量的年平均值看，2020 年和2021年生态微岛区的水域都属于Ⅲ类水域。在对照区，2019年和2020年采样点水体中的总氮含量的年平均值分别为1.24 mg/L 和1.12 mg/L(都大于1.0 mg/L 且小于1.5 mg/L)，因此，从总氮含量的年平均值看，2019年和2020年对照区的水域都属于Ⅳ类水域；2021年的总氮含量的年平均值为0.74 mg/L(大于0.5 mg/L 且小于1.0 mg/L)，因此，从总氮含量的年平均值看，2021 年对照区的水域属于Ⅲ类水域。

在生态微岛区，2019年和2021年采样点水体中的总磷含量的年平均值分别为0.06 mg/L 和0.09 mg/L(都大于0.05 mg/L 且小于0.1 mg/L)，因此，从总磷含量的年平均值看，2019 年和2021 年生态微岛区的水域属于Ⅳ类水域；2020 年的总磷含量的年平均值为0.13 mg/L(大于0.1 mg/L 且小于0.2 mg/L)，因此，从总磷含量的年平均值看，2020年生态微岛区的水域属于Ⅴ类水域。在对照区，2019年和2021年采样点水体中的总磷含量的年平均值分别为0.13 mg/L 和0.19 mg/L(都大于0.1 mg/L 且小于0.2 mg/L)，因此，从总磷含量的年平均值看，2019 年和2021 年对照区的水域都属于Ⅴ类水域；2021 年的总磷含量的年平均值为0.31 mg/L(大于0.2 mg/L)，因此，从总磷含量的年平均值看，2021年对照区的水域劣于Ⅴ类水域。

在生态微岛区，2019年和2020年采样点水体中的溶解氧含量的年平均值分别为8.42 mg/L 和8.02 mg/L(都大于7.5 mg/L)，因此，从溶解氧含量的年平均值看，2019年和2020年生态微岛区的水域属于Ⅰ类水域；2021 年采样点水体中的溶解氧含量的年平均值为7.39 mg/L(大于6.0 mg/L 且小于7.5 mg/L)，因此，从溶解氧含量的年平均值看，2021 年生态微岛区的水域属于Ⅱ类水域。在对照区，2019 年、2020 年和2021 年采样点水体中的溶解氧含量的年平均值都大于8.50 mg/L(都大于7.5 mg/L)，因此，从溶解氧含量的年平均值看，2019年、2020年和2021年对照区的水域都属于Ⅰ类水域。

2.4 景观结构与水域水质的关系

由表2可知，水体透明度值分别与最大斑块指数值、斑块聚集度指数值显著负相关；水体中的溶解氧含量与斑块聚集度指数值显著正相关；水体透明度值、水体中的总氮含量、总磷含量都分别与斑块结合度指数值显著负相关。

表2 9种景观指数值与6个水质指标值之间的相关系数Table 2 The correlation coefficients between the values of 9 landscape indexes and 6 water quality indexes

斑块聚集度指数值和斑块结合度指数值越大，表示斑块聚集性和连通性越强，有利于对风浪作用的消减，使水体中的固体悬浮物含量减小，使水体透明度增大。斑块的连通性增强，延长了水体与林地的接触时间，增加了水流流程，更有利于植物对水体中氮、磷污染物的吸收和净化，使水质得到改善。

在生态微岛区中分布着形态各异、规格不同的林地斑块，越靠近湖岸处，林地斑块的密度越大。水域被林地斑块划分为多个半封闭空间，湖水能够顺畅且缓慢地流动，并在未封闭处实现水体交换。三山岛湖滨带被林地斑块重构，因而也改变了其水文特征。生态微岛区中的林地斑块形状多样，破碎度和聚集度都较高，多个斑块高度连接，具有较强的连通性。对照区内主要为水域景观，还有几个很小的林地斑块。

生态微岛区中水体透明度的平均值为88.4 cm，其明显大于对照区水体透明度的平均值(38.3 cm)。生态微岛区水体中的固体悬浮物和叶绿素a 含量的平均值分别为13.94 mg/L 和5.98 μg/L，其明显小于对照区水体中的固体悬浮物含量的平均值(34.66 mg/L)和叶绿素a含量的平均值(8.15 μg/L)。

2008 年以前，因三山岛的环岛湖滨带缺少屏障，经常遭受太湖风浪的冲刷，水体中的固体悬浮物较多，水体透明度低，不利于水生植物生长，而且输入水体的外源污染物量也较大。2008 年，按照水体中的总氮和总磷含量评价，三山岛所在的太湖湖心区水域为劣于Ⅴ类水域。生态微岛建成后，水体的水质得到改善，水体中的固体悬浮物减少，水体透明度提升，水生植物得到恢复，水体中的总氮和总磷含量明显减小。

3 讨论

研究表明，景观结构对河流水体的水质有明显影响[23-26]。本研究结果显示，景观的最大斑块指数和斑块聚集度指数值越大，水体的透明度越低；斑块聚集度指数值越大，水体中的溶解氧含量越大；斑块结合度指数值越大，水体透明度越低，水体中的总氮含量和总磷含量越小。在城市中，林地斑块的密度越大，斑块的整体连通性和聚集度越高，林地对河流水体中污染物的截留和固定作用越显著，而且在小于100 m的尺度下，在河滨带临水分布的林地斑块具有维持河流水质的作用[27]。在本研究中，三山岛外围水域常年受太湖风浪的干扰，水体中的固体悬浮物增多，水体透明度较低。生态微岛建成后，林地斑块的数量多、密度大，其对太湖的风浪具有较强的消减和过滤作用，使水体中的固体悬浮物含量减小，水质透明度大幅提高。

在本研究中，林地斑块的聚集度指数值和聚合度指数值都大于95%，林地斑块发挥了截留和吸附水体中总氮和总磷的作用，使生态微岛区水体中的总氮和总磷含量明显小于对照区。在东苕溪上游，当林地斑块聚集度高时，斑块分布密集，而且其之间的连通性强，使林地对河流水质的净化作用加强[28]。

在本研究中，林地斑块的景观形状指数远大于水域，生态微岛区中的林地斑块形状复杂，其曲折的形状增加了岸线长度，更有利于生物的栖息和活动，能最大化地发挥湖滨带的边缘效应；生态微岛区的多斑块布局呈现出“层叠递进式”的特点，能有效减缓湖水的流动，林地斑块与水体的接触时间增长，更有利于发挥生态微岛区水体的自净功能，从而使水质得到改善。太湖三山岛生态微岛区建成后，东南部区域内部的小型环流消失，湖水的水平流速减小85%，水流流速的减小有利于水生植物的恢复，特别是沉水植物的恢复，有利于水体质量的改善[29]。在生态微岛区，人工种植了腺柳、芦苇(Phragmites australis)和茭白(Zizania latifolia)等植物，在附近水域中还生长着荷花(Nelumbo nucifera)、野菱(Trapa incisa)、苦草(Vallisneria natans)、菹草(Potamogeton crispus)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)等植物，水体中的植物能吸收氮和磷，打捞和收割这些植物，即达到去除水体中总氮和总磷的目的。在三山岛，通过打捞和收割水生植物，能去除水体中3.8%的总氮含量和23.3%的总磷含量[29]。在本研究中，生态微岛对水体中总氮和总磷的去除率分别为19.4%和57.1%，对总磷的去除效果更突出。此外，生态微岛交错的布局将水体中的蓝藻有效地隔离在外围，通过定点打捞蓝藻，可以降低水体的富营养化程度，因此，生态微岛区水体中的叶绿素a 含量比外围水体减小了26.6%。