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0 引言
植物群落与生境构造是消落带修复技术的关键,相关修复技术研究也多围绕土壤侵蚀及植被恢复两方面开展。三峡水库夏低冬高水位运行形成的国内面积最大的典型“冬涨夏落”消落带湿地,袁兴中等[14]长期围绕三峡库区的冬涨夏落型消落带,从稳固消落带边坡和筛选适生植物入手,结合理论探讨和试验研究,开发了一些卓有成效的消落带生态修复方法,提出基塘工程、植物浮床工程、林泽工程和生态友好型利用等综合治理模式,推进了三峡水库消落带生态修复难题的解决。大部分河流、湖泊和水库的消落带属于“汛期上涨”型,消落带夏季汛期蓄水时被淹没,秋冬季节低水位运行,消落带上的土壤在降雨侵蚀和水库水体交替冲刷等作用下大量流失,造成荒凉裸露的库尾消落带景观。针对“汛期上涨”型消落带修复技术研究主要以工程修复为主,植被恢复为辅,对消落带土壤固化来形成岸坡的浅层稳定性。如生态袋护坡技术[15]、复合锚垫生态修复技术[16]及串珠式柔性护岸技术[17]、种植耐水淹的灌木和挺水植被恢复技术[18],通过一些持水性能良好的水生乔木,构建生境异质性,不仅可以抑制洪水,防止暴雨及水流冲刷江岸,缓解水土流失,还能增加水体的自净能力,提升生态系统多样性与生态系统碳汇能力。根据库尾消落带“冬涨夏落、汛期上涨型、水位平稳、无明显规律”4种不同特征,赵洋等[10]对当前修复技术总结出近自然、生物工程、水塘湿地和清洁封育4种消落带治理模式,以及每种模式的应用范围和场景。目前,这些修复技术在水库消落带生态修复中虽已有应用,但推广范围有限。库尾复杂的消落带特征,单一修复技术针对性较低,施工难度大、成本高、实践周期长,生态恢复效果不理想,在“夏高水,秋冬长旱”的消落带治理效果不理想。消落带植物的生态响应与适应机制不明确,生态系统发展演变仍然不清晰。
本研究针对江西玉田湖水库库尾消落带退化的现状,考虑夏季高水位与植物生长期高度重合,消落带植物生存环境恶劣,植物生存率低等问题,因地制宜,采用林泽生态系统构建技术和生境多样化再造技术,营建近自然的“乔-灌-草”消落带林泽综合生态系统。恢复玉田湖库尾消落带湿地生态系统结构、过程和功能,是消落带生态修复技术重要补充和应用实践。通过实施针对库尾消落带湿地问题现状的生态治理工程,评价生态综合修复对玉田湖水库周边景观质量,以及库尾消落带湿地的生物多样性提升效果,探讨修复技术的适用性,有利于推进区域山水林田湖草沙系统治理,可为消落带湿地生态修复研究和示范提供参考。
1 研究区域概况
玉田湖水库位于江西省景德镇市湘湖镇玉田村,距世界瓷都景德镇市市区12 km,如图1所示。坐标为117°20'40″E—117°24'32″E,29°20'41″N—29°22'4″N,属于鄱阳湖水系昌江南河上游。玉田湖水库始建于1958年,总库容2.26×107 m3,属中型水库,汇水面积146 km2,平均水深为8 m,最深处15 m,水面面积1.68 km2,消落带面积0.49 km2,占比29.2%。玉田湖水库是中亚热带野生鸳鸯重要栖息地之一,2013年纳入国家湿地公园建设规划,2022年建成集湿地-森林复合生态系统一体的江西景德镇玉田湖国家湿地公园。
玉田湖水库属亚热带季风性湿润气候,夏热冬冷,日照充足,年日照时数高达2 010.8 h,平均蒸发量大;多年平均降水量为1 763.6 mm,最大降水量2 673.6 mm,最少降水量1 126.4 mm,降水春夏多,秋冬少。水库的水位变幅大,形成消落带面积广。如图2所示,2017—2020年,水库水位变幅(消落高差)3~6 m。水库呈典型的“夏高水,秋冬长旱”水位特征,与三峡水库“夏低水,秋冬高水位”形成典型对比[19],玉田湖水库高水位时间>180 d,3—9月份高水位与植物生长期高度重合。库尾消落带长时间淹水导致植物生存环境恶劣,水淹、波浪等侵蚀导致氮磷等营养盐流失,土地贫瘠,植物生存率低。秋冬季节干旱缺水,干旱胁迫和缺少抗性树种导致消落带植被品种单一,土壤种子库存活率低,消落带植被稀少。玉田湖水库形成典型的退化库尾消落带湿地生态系统结构,连片分布,其面积占库区比例较大。库尾消落带具有重要的生态和环境价值,生态修复治理是提高消落带湿地生态功能的关键。主要对玉田湖库尾消落带1号和2号地块进行修复技术应用,修复面积0.4 km2。
2 消落带生态综合修复技术
针对景德镇玉田湖水库库尾消落带的“夏高水,秋冬长旱”导致的生境脆弱、环境复杂等问题,采用近自然的林泽生态系统构建技术和生境多样化再造技术进行综合修复,营建近自然的“乔-灌-草”消落带林泽生态系统。消落带生态综合修复技术遵循自然性、多样性、可行性、可持续原则,恢复和重建玉田湖库尾消落带湿地生态系统结构和功能。
2.1 库尾消落带林泽生态系统构建技术
(1)乔木选择。库尾消落带林泽生态系统构建技术需要选择耐水淹的乔木[22],根据玉田湖库尾消落带湿地的水位变动规律、高程、地形及土质条件,选择种植具有极耐淹特性和经济价值的乔木:水松(Glyptostrobus pensilis 柏科水松属)、中山杉(Taxodium ‘Zhongshansha’柏科落羽杉属)、池杉(Taxodium distichum var. imbricatum 柏科落羽杉属)、墨西哥落羽杉(Taxodium mucronatum 柏科落羽杉属)、乌桕(Triadica sebifera大戟科乌桕属)等,主要以水松、落羽杉、中山杉为主,乔木地径为8~12 cm,树高为4.0~5.5 m。
对低密度种植区进行微地形改造后,在水深[100,120] cm的区域栽植乔木,四周用石块或卵石固定乔木根系土球,并随填种植土。植物根基表面平铺卵石,减少水土流失。采用上下两层复合结构,即上层为水松、中山杉、池杉、墨西哥落羽杉等组成的林木层,下层为天然草本植物层,形成冬陆夏水逆境下的林泽群落。水淹期间保证树顶超出最高水位水松为[100,200] cm、中山杉和落羽杉为[20,80] cm。高水位时期,耐淹乔木可形成不定根、通气组织、气膜等抗逆结构,促进水下光合作用,促使根茎生长适应水淹胁迫[9],保证乔木正常生长,退水后消落带植被恢复力极强。
2.2 生境多样化再造技术
通过微地形改造在库尾消落带设置若干[1,2] m深的低洼地带,以[10,20] m宽度的土堰与河岸合围低洼地带设置低堰碟形湖,碟形湖内配置若干生境岛,低堰和生境岛顶部高程低于水库多年平均最高水位,坡度<30°;在低堰和生境岛以大型乔木构建林泽生境,林下搭配灌木(实践证明腺柳和马甲子能够存活),补充不同高程生态位[22],间距为[1,6] m×[1,6] m,提高库尾消落带的空间异质性,退水后植被可快速恢复,营建“乔-灌-草”近自然生态结构。碟形湖中适当配置水生植物,结合淤泥、壤土、沙石等塑造微生境,构建异质性斑块,满足水生动物、微生物生存需求。增加区域内群落多样性、物种多样性和景观多样性,修复和重建消落带湿地动物栖息地。具体过程如下所述。
(1)微地形改造:对库尾消落带进行微地形改造,设置河岸带、浅滩,营造生境岛、低矮土堰。依据水位变化,沿消落带边缘进行合理清淤,将所清淤泥进行堆砌,改变原有地形高度、坡度。在消落带沿河岸带下方一定距离设置若干低洼地带和生境岛,低堰与河岸带合围的低洼水域形成若干碟形湖。同时,修筑迎水围堰,消弱波浪冲刷力度和沉积泥沙。
(2)植被恢复:根据消落带水位特征,结合林泽工程,合理配置植物。在短期淹没区、淹没区边缘、淤泥表层适当加盖营养土,种植耐淹乔本,充分利用营养土中原有天然植物种子库,保护天然草本、藤本植物。生境岛和低堰顶部位置乔木下方种植耐水淹的灌木,如腺柳、马甲子等,种植间距为[1,6] m×[1,6] m,发挥阻截农业面源和陆地污染物作用。在构建的蝶形湖内,以芦苇、芦竹等高杆水生植物为主,旱伞草、茭白、菖蒲、美人蕉等交错种植,种植间距为[0.5, 4] m×[0.5, 4] m;底部种植沉水植物,如藻类。根据植物的生态习性,形成乔-灌-草相搭配的拟自然植物群落。保持生物多样性的同时,为野生动物提供较好的生境。
(3)微生境塑造:在原有淤泥、黏土底质基础上,局部铺设细沙、小卵石,设置淤泥生境、壤土生境、沙土生境。石笼内填小块石、卵石等,营造块石生境、砾石生境、岩石生境。构建异质性斑块,塑造微生境,满足水生动物、微生物生存需求。
(4)生境恢复:玉田湖开阔的水域为迁徙候鸟提供了重要的停歇和觅食场所,是各类水禽(潜鸭、鹭鸟、鸳鸯等)的重要栖息地。库尾消落带乔木的种植便于鸟类繁衍和栖息,有利于形成良好的生态系统。在有效保护现有良好水禽栖息地的基础上,根据生态位与生物多样性原理进行生境恢复,营造适应鸟类生存需求的多种湿地植物群落共存的生境格局。保护湿地生物栖息环境和生物多样性,提高水禽栖息地质量,为鸳鸯等越冬水禽提供良好的迁徙中转站、补给站和优质多样的生境。
综上所述,消落带生态综合修复技术优化了林泽生态系统构建方法,结合生境多样化再造技术,在消落带设置低堰蝶形湖和生境岛,以水松、中山杉和落羽杉等大型乔木为主在低堰和生境岛营造林泽生态系统,低堰和生境岛顶部的乔木下方搭配灌木,提高库尾消落带的空间异质性,退水后植被可快速恢复,形成乔-灌-草近自然生态系统结构。生态系统能快速适应环境的改变,增强了消落带生态系统的恢复能力,降低了野生动物因生境剧烈改变的不适应性,具有重大的生态价值和生态修复示范意义。
3 库尾湿地综合修复效果
3.1 林泽生态系统提升区域景观质量
2019—2021年期间,在玉田湖库尾消落带通过林泽生态系统构建和生境多样化再造的综合修复方式,修复消落带面积0.4 km2,大型乔木存活率达90%,营建了近自然的“乔-灌-草”消落带林泽综合生态系统,如图5所示。综合修复技术的地形改造、低堰和生境岛起笼使湿地保持水土作用增强,地形增高使涨水时植物的水下存活率增加。退水时,浅滩、水塘、石笼网及土壤中保留的水分保证植物在枯水期的生态需水。多因素综合促进库尾消落带地区的植物数量、种类生物多样性大幅度增加,使水禽栖息环境得到有效改善,潜鸭、鹭鸟、鸳鸯等珍稀水禽种群数量显著增加,冬季记录到斑嘴鸭300余羽。湿地物种基因库丰富度升高,湿地生物多样性增加。玉田湖库尾消落带由原来严重退化且单一的沙土景观环境,转变为空间异质性高、生物多样性丰富的水禽栖息乐园,修复区覆绿率达100%。消落带呈现大自然鸟语水林和谐景象,兼顾景观植被的“水松、落羽杉、中山杉”等林相搭配,景观色彩、景观层次丰富度明显增加,显著提升了区域景观质量。同时,消落带湿地的生物多样性和空间异质性提升,强化区域湿地生态系统的自我调节和维持能力,增加生态系统的稳定性。景德镇田湖库尾消落带综合修复技术应用为“夏蓄冬排”类型的库塘湿地生态系统治理和修复提供示范。
3.2 林泽系统促进库尾消落带生物多样性
为进一步研究林泽综合修复技术对库尾消落带生物多样促进效果,通过Shannon-Wiener多样性指数来估算消落带区域植物多样性状况。Shannon指数H越大,说明区域多样性越高,计算式为
式中:pi表示物种i占总样本比例;s为群落中物种总数。
在玉田湖库尾消落带林泽生态综合修复区现场设置1×1 m的植被调查样方,结果如表1所示,样方内植株共185株,隶属于13科21属21种,其中禾本科、菊科和莎草科的植株数最多,分别为157株、17株和2株。而在未构建林泽生态系统的区域,植被主要为禾本科的狗牙根。
表1 玉田湖消落带林泽综合修复区植被调查结果Table 1 Survey results of vegetation cover in the com-prehensive restoration zone of Yutian Lake reservoir HFB |
| 序号 | 植物种类 | 科 | 属 | 数量/株 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 狼尾草:Pennisetum alopecuroides | 禾本科 | 狼尾草属 | 1 |
| 2 | 芦竹:Arundo donax | 芦竹属 | 64 | |
| 3 | 稗:Echinochloa crus-galli | 稗属 | 3 | |
| 4 | 狗牙根:Cyondon dactylon | 狗牙根属 | 76 | |
| 5 | 铺地黍:Panicum repens | 黍属 | 12 | |
| 6 | 乱草:Eragrostis japonica | 画眉草属 | 1 | |
| 7 | 大狼杷草:Bidens frondose | 菊科 | 鬼针草属 | 2 |
| 8 | 钻叶紫菀:Symphyotrichum subulatum | 联毛紫菀属 | 6 | |
| 9 | 一年蓬:Erigeron annuus | 飞蓬属 | 3 | |
| 10 | 石胡荽:Centipeda minima | 石胡荽属 | 5 | |
| 11 | 苍耳:Xanthium strumarium | 苍耳属 | 1 | |
| 12 | 异型莎草:Cyperus difformis | 莎草科 | 莎草属 | 2 |
| 13 | 美人蕉:Canna indica | 美人蕉科 | 美人蕉属 | 1 |
| 14 | 鸢尾:Iris tectorum | 鸢尾科 | 鸢尾属 | 1 |
| 15 | 灯芯草:Juncus effusus | 灯芯草科 | 灯芯草属 | 1 |
| 16 | 蓼子草:Persicaria criopolitana | 蓼科 | 蓼属 | 1 |
| 17 | 合萌:Aeschynomene indica | 豆科 | 合萌属 | 1 |
| 18 | 马甲子:Paliurus ramosissimus | 鼠李科 | 马甲子属 | 1 |
| 19 | 半边莲:Lobelia chinensis | 桔梗科 | 半边莲属 | 1 |
| 20 | 水蜡烛:Pogostemon yatabeanus | 唇形科 | 刺蕊草属 | 1 |
| 21 | 蔊菜:Rorippa indica | 十字花科 | 蔊菜属 | 1 |
通过Shannon-Wiener多样性指数计算,消落带修复区域Shannon值达1.69,与未进行修复区域比较,林泽生态综合修复实施显著促进了区域植被恢复能力和覆盖率,生物多样性增加。如图6所示,构建了近自然的“乔-灌-草”消落带林泽综合生态系统,有利于区域湿地生态系统的自我调节和韧性能力的提升。
4 结论
针对当前生态修复治理模式对“夏高水,秋冬长旱”的消落带治理效果不理想问题,本研究从江西玉田湖水库库尾消落带湿地现状出发,考虑夏季高水位与植物生长期高度重合,消落带植物生存环境恶劣,植物生存率低等问题。在玉田湖库尾消落带采用应用林泽生态系统构建技术和生境多样化再造技术的综合修复实践,在消落带设置低堰蝶形湖和生境岛,其顶部高程低于水库多年平均最高水位;以水松、中山杉和落羽杉等大型乔木为主在低堰和生境岛优化构建林泽生态系统,乔木顶部超水库多年平均最高水位0.2~2.0 m,优化了林泽生态系统构建方法;低堰和生境岛顶部乔木下方搭配灌木,提高库尾消落带的空间异质性,营建了近自然的“乔-灌-草”消落带林泽综合生态系统。并对修复后库尾湿地进行区域景观质量、生态质量和生物多样性等方面评估,发现综合修复模式适用于夏高水、秋冬长旱的玉田湖库尾。修复后库尾湿地生物多样性和空间异质性显著提升,消落带修复区域生物多样性Shannon值达1.69。林泽-生境再造综合修复显著提升了消落带湿地功能和生态系统健康。修复实践为区域气候、社会效益、旅游等方面发挥了重要作用,修复模式和效果对于库尾消落带湿地生态治理具有重要的示范意义。