嘉興市石臼蕩生態(tài)濕地水生維管束植物資源研究

嘉興市石臼蕩生態(tài)濕地水生維管束植物資源研究

目前，我國許多城市的水源保護都存在著過度的富營養(yǎng)化和味道問題，這大大增加了飲用水水源保護的成本和潛在的安全隱患。人工濕地具有投資少、維護方便、清潔效果好等獨特優(yōu)勢。預計將應用于水凈化和生態(tài)處理。其中，水生植物是水生生態(tài)系統(tǒng)污染的處理主體。濕地植物的種類、結構和生態(tài)特征可以充分反映濕地生態(tài)環(huán)境的基本特征、功能特征和演化特征。目前，關于濕地保護的文獻[9]沒有關于大型城市飲用水水源在生態(tài)濕地建設初期產生的水生植物的繁殖特征的報道。浙江省嘉興市地處南方平原河網地區(qū),受上游客水和自身的污染,呈現(xiàn)典型的水質型缺水.為解決飲用水水源水質問題,嘉興市建造了目前國內最大的城市飲用水源生態(tài)型水質凈化濕地系統(tǒng)——石臼漾生態(tài)濕地.一期工程占地規(guī)模110hm2,每日提供凈化原水24萬t,并貯存超過60萬t的水廠備用水.工程于2007年4月開工建設,其中北郊河以東區(qū)域于2008年7月投入試運行,北郊河以西區(qū)域于2009年1月投入試運行,目前整個濕地系統(tǒng)運行良好.有關石臼漾濕地的具體構成情況參見文獻.為揭示石臼漾濕地水生植物現(xiàn)狀,開展了運行初期全區(qū)范圍內水生植物繁衍特性研究,包括濕地水生植物的種類、分布面積、群落結構和生物量等,并提出了石臼漾濕地水生植物優(yōu)化管理建議,以期為城市飲用水源人工濕地的植被建設提供參考.1濕地植物群落網絡劃分及生物量估算2009年9月對濕地全區(qū)范圍內的水生植物進行了系統(tǒng)普查和樣本采集.植物種類鑒定和分類學研究、數(shù)據庫建立以及群落結構分析等工作于2009年9~12月完成.水生植物的種類鑒定參考相關圖志[15~17].為便于描述和交流,對人工濕地構造分區(qū)進行了劃分(圖1),北郊河以西的區(qū)域(預處理區(qū)和濕地根孔生態(tài)凈化區(qū))為西區(qū),北郊河以東分為3個區(qū)域,分別為:東升西路以北的區(qū)域(濕地根孔生態(tài)凈化區(qū)和清冽湖)為北區(qū),東升西路以南的濕地根孔生態(tài)凈化區(qū)以及水位提升和曝氣充氧區(qū)為南區(qū),東升西路以南的深度凈化區(qū)(北亭湖、南亭湖)以及達標引水區(qū)為東區(qū).根據路線調查法和典型調查(各植物床)相結合的原則,估算各水生植物群落的分布面積(m2).在各植物群落中劃出2m×2m面積的樣方,按種計算植株數(shù)目,選取其中有代表性的10~30株稱重,取平均值換算出群落的單位面積生物量(kg·m-2).全濕地水生植物生物量用群叢法計算.2結果與分析2.1人工種植的水生植物種和人工栽植的水生植物種2009年9月,按上述分區(qū)在石臼漾濕地范圍內全面調查了各區(qū)塊的水生植物.結果顯示,濕地共有水生維管束植物49種,隸屬于25科41屬,按科計,禾本科(11種)最多,占水生維管束植物總數(shù)的22.4%,莎草科(4種)、豆科(4種)、菊科(4種)次之.詳細的植物名錄見表1.與人工栽植的13種相比,水生植物種質資源庫已有較大擴充.人工栽植的13種中禾本科占4種,其余9種屬于其它9科,每科各1種.自然繁衍的36種在科和屬的分布為:禾本科7種,豆科和菊科各4種,蓼科、莎草科和水鱉科各3種,柳葉菜科2種,其余10種分屬10科,每科各1種;稗屬、蓼屬和莎草屬植物最多,每屬各3種,丁香蓼屬和豇豆屬各2種,其余23種歸于其它23個屬.2.2濕地植物生活型的分布目前,石臼漾濕地水生植被面積約占濕地水域(含植物床)面積的28.9%,占整個濕地面積(包括水域和陸地部分)的16.6%.就濕地運行初期(1.5a)而言,水生植被覆蓋率相對較高.石臼漾濕地水生植物生活型分布列于表2.現(xiàn)有水生植物按生活型劃分,濕生植物、挺水植物種類較多,分別為20種和17種,兩者相加占濕地植物種類總數(shù)的75.5%;而沉水植物、漂浮植物種類相對較少,二者之和占濕地植物種類總數(shù)的22.4%.按水生植物的來源劃分,人工栽植植物的生活型分布分別為:挺水植物9種,占69.2%,濕生植物3種,占23.1%,漂浮植物1種;自然繁衍植物的生活型分布分別為:濕生植物17種,占47.2%,挺水植物8種,占22.2%,沉水植物5種,占13.9%,漂浮植物5種,占13.9%,浮葉植物1種.這說明人工栽植以挺水植物為主,而自然繁衍的水生植物中濕生植物占據絕對優(yōu)勢.2.2.1濕生植物的種類石臼漾濕地現(xiàn)存水生植物中濕生植物種類最多,共20種,占水生維管束植物總數(shù)的40.8%.濕地南區(qū)和北區(qū)濕生植物主要有豆科的野大豆、合萌,蓼科的酸模葉蓼和杠板歸等.其中豆科的合萌屬于自然生長繁衍的當?shù)刂参?生長茂盛,平均株高達2.7m,平均株徑8.2mm.濕地西區(qū)的濕生植物種類較南區(qū)和北區(qū)更為豐富,有莎草科的疏穗莎草、碎米莎草,蓼科的酸模葉蓼,還有禾本科的蘆竹和菊科的鱧腸等.2.2.2根孔生態(tài)凈化就整個石臼漾濕地而言,目前的水生植被主要由挺水植物組成,挺水植物面積約占水生植被面積的85.0%,種類數(shù)目占全部水生植物的34.7%.南區(qū)和北區(qū)分布較廣的優(yōu)勢群落為蘆葦群落、香蒲群落和水蔥群落,在根孔生態(tài)凈化區(qū)形成較大面積的群落,約占60.0%~70.0%;群落斑塊中點綴的次優(yōu)勢植物種有菖蒲、菰、慈姑等,其面積約占10.0%~15.0%.2008年5~6月種植的蘆葦平均株高達2.7m,平均株徑達7.6mm,期間于2008年秋冬之交對濕地植物進行了全面刈割.西區(qū)濕地內分布較廣的為蘆葦、鳶尾和菰群落,點綴的次優(yōu)勢植物種有香蒲、水蔥和稗(自然衍生)等.2009年5~6月種植的蘆葦,在生長近半年時其平均株高達1.1m,平均株徑達4.5mm,長勢良好.2.2.3浮葉植物石臼漾濕地自然繁衍出1種浮葉植物,即眼子菜,隸屬眼子菜科,眼子菜屬,多年生浮水草本.2.2.4沉水植物群落石臼漾濕地現(xiàn)有沉水植物全部發(fā)現(xiàn)于濕地西區(qū).沉水植物主要有金魚藻群落和水盾草群落,其余沉水植物如黑藻、苦草、茨藻等在濕地引水河道——亦莊河與西區(qū)的礫石堵頭附近僅有零星分布.2.2.5漂浮植物群落分布漂浮植物主要有水鱉、水禾、水龍和鳳眼蓮群落,主要分布在濕地西區(qū)、南區(qū)和北區(qū)植物床-溝壕系統(tǒng)的局部靜水區(qū)域,而南區(qū)內寬度20m左右的大溝因流速快,除部分溝段的岸邊帶分布有少量水龍群落和鳳眼蓮群落外,基本無漂浮植物分布.漂浮植物群落多為單優(yōu)種,伴生有零星的蘋、紫萍等.綜上所述,石臼漾濕地現(xiàn)有水生植被中伴生種類較少或為單優(yōu)群落.水生植物分布呈人工配置塊狀或條狀樣式.單個植物床上水生植物群叢大致上呈現(xiàn)“連續(xù)性”分布,主要水生植物群叢之間基本仍遵從人工栽種時所設置的“嵌式分布”(mosaicdistribution),而在不同植物床之間的水生植物群叢呈“間斷性”分布.但是,相對于濕地運行初期而言,部分地方如濕地西區(qū)植物床-溝壕系統(tǒng)的局部靜水區(qū)域中可以見到自岸邊向水體方向由濕生植物、挺水植物、浮葉植物、沉水植物和漂浮植物組成的空間連續(xù)分布格局,即水生植物群落的成層現(xiàn)象,濕地水生植物良性演替的趨勢已初見端倪.2.3濕地水生植物群落組成嘉興石臼漾濕地建成運行1.5a,濕地內水生植物群落分布較不均勻,如果按斷面法計算則每一個采樣點的數(shù)據均對整個濕地生物量的計算產生影響,結果導致總生物量的偏高,故采用群叢法來計算生物量.另外,濕地內浮葉植物、漂浮植物與沉水植物的種類、分布面積極少,因此石臼漾濕地水生植物群落生物量主要統(tǒng)計挺水植物和濕生植物.根據植被分類原則,把層片結構相同,各層片優(yōu)勢種或共優(yōu)種相同的植物群落聯(lián)合為群叢.石臼漾濕地水生植物群叢主要分成7種類型,其優(yōu)勢種和常見伴生種列于表3.除合萌群落外,其余群落的優(yōu)勢種均系人工栽植,衍生物種呈點綴分布,所占面積份額較小.與部分自然濕地相似,濕地水生植物群落的水平分布具有明顯的復合性特征,屬典型的群落復合體,亦稱群叢復合體(associationcomplex).按接受統(tǒng)計的水生植物群叢生物量(表4)從大到小排列為:合萌-蘆葦群叢、蘆葦群叢、合萌群叢、蘆葦-菰群叢、蘆葦-香蒲群叢、菰群叢、蘆葦-鳶尾群叢.濕地凈化的主體是根孔生態(tài)凈化區(qū),由植物床-溝壕-根孔結構系統(tǒng)組成,植物床是水生植物賴以生長發(fā)育的主要載體.通過抽樣法對濕地61個植物床中的29個植物床進行群叢分布統(tǒng)計,所調查的水生植物群叢面積為5.5×10-2km2,占全濕地面積(不包括濕地陸地部分)的8.8%,水生植物生物量采用群叢法計算為167.7t.3討論3.1濕地植物演替石臼漾濕地運行初期植物多樣性增加較為顯著,從原先栽植的13種變?yōu)?9種,共增加了36種(2.77倍),衍生植物中濕生植物為17種,約略相當于衍生的沉水植物(5)、漂浮植物(5)、挺水植物(8)種類數(shù)的總和.石臼漾濕地項目區(qū)歷史上原以種植水稻為主,在濕地構筑之前主要栽植果樹及綠化樹苗,并有少量棉花、菜地,地塊植被生長茂盛.這樣的背景土壤以及在濕地構筑時引入的少量周邊土壤(主要來自河道疏浚以及鄰近沼澤地帶)為濕地建成后的植物演替提供了物質基礎.同時,濕地入水亦可能帶入少量浮葉植物、沉水植物、漂浮植物等植物種源.但前期的土壤物質基礎決定了濕地的衍生植物物種以濕生植物為主.此外,濕地主要水生植物群落中除合萌群落外,其余群落的優(yōu)勢植物物種均為人工栽植種.衍生的植物種類多呈點綴分布,主要分布在栽植植物斑塊之間或周緣,其面積較小.但是,在濕地運行初期即自然繁衍了許多種類水生植物,并且植物床-溝壕系統(tǒng)的局部靜水區(qū)域出現(xiàn)了水生植物群落的成層現(xiàn)象,這暗示在濕地演替初期植物正朝著多樣性較快增加的方向發(fā)展,這樣一種態(tài)勢為日后濕地植物群落結構的穩(wěn)定提供了很好的物質基礎.以往研究表明,太湖湖濱帶在生態(tài)恢復5a后生態(tài)恢復過程完成近半,15a后系統(tǒng)已基本上恢復到自然濕地狀態(tài),初期的演替過程對后期的恢復進程有著重要的意義.實踐證明,生態(tài)濕地構建初期其植物組成、分布格局基本上能夠決定最終的穩(wěn)定狀態(tài),這在天津泰達生態(tài)型水源地的運行過程中已經得到驗證.石臼漾濕地面積巨大且四周由自然河道及320國道線等干線隔離,核心區(qū)域受人為擾動較少,再加上生態(tài)濕地構建之初所創(chuàng)造的各項有利條件,加速了其自然演替的進程.因此,在濕地運行初期,水生植物系統(tǒng)的初期演替就已經開展,當然演替的穩(wěn)定階段需要十年甚至數(shù)十年才能達到,這要求在石臼漾濕地日后運行過程中作進一步的跟蹤研究.3.2生境條件差異石臼漾濕地南區(qū)、北區(qū)植物分布密集,生物量所占比例高,但植物種類較單一.其中豆科植物合萌(俗稱田皂角),屬于自然繁衍的本土植物,其根莖長有根莖瘤,自身具固氮能力,在運行初期的濕地內生長茂盛,與蘆葦群落處于競爭關系,總體競爭趨勢朝單一化發(fā)展.濕地西區(qū)較南區(qū)、北區(qū)水生植物更豐富,濕地內植物床與溝壕相接的邊緣地帶、淺水沼澤周緣集中了大多數(shù)的植物種,形成以禾本科、莎草科或菊科植物為主的小群落.石臼漾濕地規(guī)模達110hm2,是目前國內最大的城市飲用水源人工濕地,不同的構造分區(qū)其生境條件差異豐富多樣.其一,濕地西區(qū)水動力條件的相對穩(wěn)定使多種水生植物得以生存和繁衍.濕地西區(qū)距離進水河道——亦莊河最近,且屬于自流式進水,內部水位穩(wěn)定,最快流速5~10cm/s;而濕地南區(qū)、北區(qū)人工控制水泵啟閉屬于動力提水,水流流速最快可達100~120cm/s,并受石臼漾自來水廠供水波動影響,濕地內部水位變動幅度較大,事實上,濕地運行調控也正是要利用水位的晝夜波動、具有一定的變幅(如40cm)來提高濕地凈化水質的功效,變動的水位與快的流速這些大的人為干擾使?jié)竦啬稀⒈眳^(qū)的生境條件較不穩(wěn)定.其二,西區(qū)濕地棲息地、底質等小生境的多樣性有利于各種生態(tài)位的植物生長.據觀察,西區(qū)濕地中水生植物種類最為豐富的地點是植物床-溝壕系統(tǒng)的靜水區(qū)域的礫石堵頭兩側,以及植物床與溝壕四周相接的邊緣地帶.這些區(qū)域水位深淺不一,生長介質豐富多樣,水文交換作用頻繁,為水生植物創(chuàng)造了復雜多樣的生境條件.其三,濕地不同構造分區(qū)水體水質指標差異顯著,尤其是溶解氧(DO)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)等水質指標沿濕地水流方向空間變化明顯,這些要素都構成了石臼漾濕地生境條件的差異,并最終引起水生植物的繁衍差異.3.3濕地植物種植規(guī)劃。在自然根據石臼漾濕地水生植被的現(xiàn)狀,結合濕地的演替方向和生態(tài)型水源地的目標需求,提出石臼漾濕地水生植物下一步的優(yōu)化管理建議:(1)南區(qū)、北區(qū)合萌-蘆葦群落為主的植物床內,人為清除掉一定量的合萌,修補整理濕地植物床體,補植相應區(qū)域的蘆葦,盡量培育蘆葦成為植物床上的優(yōu)勢植物,以更好地發(fā)揮水源生態(tài)濕地的水質凈化功能;(2)根據濕地不同功能區(qū)不同單元的水位深度選擇種植不同種類的沉水植物.在濕地西區(qū)以自然繁衍為主,加以人工輔助,在已有沉水植物金魚藻、黑藻和茨藻等自然群落的基礎上,適當引進更多種凈污能力較好的沉水植物、漂浮植物和浮葉植物,如菹草、萍蓬草、睡蓮和芡實等,引進后可以優(yōu)化群落結構,豐富濕地西區(qū)水生植物多樣性;濕地南區(qū)和北區(qū)以人工試植為主,誘導繁衍,重點將西區(qū)發(fā)現(xiàn)的沉水植物先鋒物種苦草和金魚藻等引入南區(qū)和北區(qū),先在植物床-溝壕系統(tǒng)內的靜水淺水區(qū)域進行試植,待生長穩(wěn)定后誘導繁衍至濕地更大范圍;(3)擴大多種水生植物的種植面積.目前,石臼漾濕地已經引種的許多水生植物如菖蒲、香蒲和水生鳶尾等植物的數(shù)量較少,具備較強凈污能力的沉水植物如苦草、黒藻和金魚藻等也僅有數(shù)量較少的自然群落,建議下一步進行較大面積的人工栽植.4濕地水生植物群落組成及種植面積分析(1)石臼漾濕地是目前國內最大的城市飲用水源生態(tài)濕地,運行初期調查發(fā)現(xiàn)水生維管束植物共計25科41屬49種,遠超過初始人工栽植的13種.濕地目前以濕生植物與挺水植物為主,占濕地植物種類總數(shù)