長江中下游洲灘型濕地生態系統重構研究

管 桂 玲,付 東 王,程 昝,黃 龍 燕

(南京市水利規劃設計院股份有限公司,江蘇 南京 210022)

0 引 言

長江經濟帶是全國經濟密度最大的流域經濟帶,作為我國生態安全屏障的重要一環,對走出一條綠色生態發展新路具有重要作用。習近平總書記提出的“要堅持把修復長江生態環境擺在推動長江經濟帶發展工作的重要位置,共抓大保護,不搞大開發。”明確了長江經濟帶發展的方向。長江中下游流域既是長江流域人類活動最為頻繁的區域,也是濕地資源極為豐富的區域,沿岸廣泛發育江心洲、江心灘、邊灘等,濕地面積約占流域總面積的7.4%[1]。長江中下游洲灘型濕地屬于非封閉狀態,作為陸地生態系統與水生態系統的交錯地帶,存在季節性水流、水位變化,且受到不同程度的污染、過度捕撈和采集、基建占用、圍墾和外來物種入侵等威脅[2],面臨著生態功能退化、生物多樣性減少等嚴峻問題。南京市作為長江流域重要的區域中心城市、長江下游唯一跨江布局的特大城市、擁有江蘇省近1/4干流岸線的省會城市[3],如何保護好南京市長江岸線,在長江大保護和長江經濟帶高質量發展中發揮南京的責任擔當是一項系統的工作。

目前,中國對濕地生態系統重構的研究主要集中在濕地動植物群落類型、濕地的結構及濕地的功能3個方面[4],重構的手段包括水文水質控制、生態駁岸改造及物種多樣性恢復等[5],針對性地通過分析指示物種生境變化及偏好來重構濕地生態系統的較少。濕地生態系統重構研究中的濕地類型以河流濕地、湖泊濕地為主[6],對水文、環境條件復雜的洲灘型濕地研究較少。因此,文章以長江中下游典型洲灘型濕地——綠水灣濕地作為研究對象,分析指示物種生境情況,對其生態系統原始風貌與結構完整性受損最為嚴重的區域進行生態系統重構,提出修復的總體思路與方法、關鍵技術與方案。

1 研究區概況

綠水灣濕地位于南京市江北新區長江岸線南段江灘,南至高旺河南岸,北抵緯七路過江隧道下游江灘尾端(包括部分水域),西至長江主江堤與子堤東岸,東至江灘東側(與長江江豚保護區接壤),主要包括長江江灘、夾江水域、長江水域及子堤內圩垸區域,岸線總長12 km,總面積15.8 km2,其濕地類型豐富,濕地自然屬性突出,是長江中下游洲灘型濕地的典型代表。

近20 a來,綠水灣濕地內自然地貌被改變,地表徑流的天然平衡條件遭到破壞,蓄水量失調。不同時相遙感影像圖顯示,20世紀90年代,濕地內蘆葦沼澤濕地和森林沼澤濕地遍布江灘,面積約11.1 km2;至2009年,多數自然濕地被圈圩開墾成魚塘,蘆葦沼澤與柳樹林濕地面積約4.7 km2,生態系統不斷遭到破壞。作為長江濕地沿江水系重要的入江門戶與生態安全屏障,綠水灣濕地生態系統重構是南京市踐行長江大保護的重要抓手,對提升區域生態環境質量具有重要意義。

《江蘇南京長江綠水灣省級濕地公園總體規劃》明確提出了保護長江中下游沿江地區江灘等濕地生態系統原始風貌與結構完整性、提高濕地生物多樣性和保障沿江水系水生態安全的目標,規劃綠水灣濕地分為保育區(7.13 km2)、恢復重建區(4.90 km2)及合理利用區(3.77 km2)。

經調查,綠水灣濕地恢復重建區的濕地生態系統原始風貌與結構完整性受損最為嚴重,因此,文章選取該區域為研究區進行生態系統重構(見圖1)。

圖1 研究區范圍Fig.1 Study area

研究區位于夾江東側江灘內子堤合圍區域,子堤堤頂高程在7.0～10.0 m之間(85高程,下同),區域長約10 km,寬度在120～910 m,總面積4.90 km2。研究區由歷史自然濕地被圈圩開墾成魚塘,生態環境受人為干擾嚴重,現狀生態特征如下:

(1) 氣候。屬亞熱帶季風氣候區,四季分明,年平均氣溫15.8 ℃,年平均日照2 008 h,年均降雨量1 140 mm、蒸發量1 365 mm,雨量在年際、季節之間差異較大,豐枯明顯,降雨量分布不均,其中60%以上降水集中于5～9月汛期。

(2) 水文水環境。研究區78%為人工養殖魚塘,池塘大小各異,基本為長方形,水系不連通,現狀來水主要為降雨,排水通過涵閘(管)外排至長江。洲灘濕地水位由于受到江水水量變化影響,季節性波動很大,生態環境穩定性較低。當長江水位低于7.0 m 時,研究區內水面面積為3.8 km2;高于7.0 m時,研究區將被淹沒。2019年1月水質檢測結果顯示水質在Ⅳ～Ⅴ類之間,對研究區內各類生物影響較大。

(3) 土壤。由江水帶來的泥沙沖積而成的獨具特色的洲灘濕地,地質上主要是河漫灘沉積物,土質松軟肥沃。上層土為素填土,以可塑狀黏性土為主,層厚2.0～13.5 m,整個場地分布,保水保肥能力強,但孔隙小,通氣透水性能差,濕時黏干時硬。按照中國水科院《全國河流湖泊水庫底泥污染狀況調查評價》中的評價方法對2020年9月采樣底泥進行評價,結果顯示底泥營養鹽含量較高,為三級斷面。

(4) 動植物。研究區內物種較豐富,但物種組成較為單一,共有植物29目48科124屬142種,植被覆蓋率為67.6%,高等植物科數占江蘇省的24.24%,共有高等動物33目67科132屬178種。研究區內主要為塘埂上人工種植的楊樹林,池塘邊的蘆葦蕩、菹草、狐尾藻等,區域內豐富的魚類資源,在冬季水位下降時會吸引大量越冬水鳥,如紅嘴鷗、綠頭鴨、斑嘴鴨、普通鸕鶿等。

(5) 景觀格局。由于研究區近20 a景觀特征變化較大,因此選取1998年和2020年的SinoLC-1及Landsat遙感影像作為景觀格局分析的基礎影像數據。根據研究區景觀特征,依托國內外現有濕地景觀分類標準,研究區景觀類型被劃分為水域、耕地、林地、草地、建設用地5大類(見圖2),并利用ENVI軟件對基礎影像數據進行遙感解譯,識別景觀類型。生境的破碎化在景觀格局上主要通過3個指標反映,分別是平均斑塊面積指數(MPS)、聚集指數(AI)、形狀指數(SHAPE),各指標的含義依次是景觀孤立程度、景觀斑塊數量、景觀復雜性。

圖2 研究區景觀分類Fig.2 Landscape classification of the study area

運用Fragstats軟件計算分析研究區在1998年和2020年各景觀類型的3個指標,均有較大變化,其中平均斑塊面積指數(MPS)大幅下降,由162.91 hm2下降到43.24 hm2;聚集指數(AI)大幅下降,由94.28下降到67.14;形狀指數(SHAPE)大幅上升,由36上升至76。這說明研究區在20多年來,景觀格局由完整轉向破碎、聚集轉向分散,生境破碎化加劇。

綜上所述,研究區濕地生態系統重構主要需要解決以下問題:① 水產養殖導致濕地由自然濕地轉變為人工濕地,濕地類型發生不合理換轉變,生境類型單一,且破碎化程度加劇,濕地基底需要恢復;② 水產養殖等人類生產活動造成各塘間水體相對獨立,水系不連通,水體存在污染,調洪蓄洪能力降低,濕地水文水質需要恢復;③ 研究區內人工痕跡明顯,岸線形態單一,魚塘塘埂水岸缺乏多層次、結構完善的濱岸植被帶,野生動植物生存空間被壓縮,適宜的棲息繁殖地減少,生物多樣性降低,濕地生態系統結構需要恢復。

3 設計思路

(1) 生態恢復目標設定。濕地生態系統重構以“長江大保護”為基礎,依據《中華人民共和國濕地保護法》《江蘇省濕地公園管理辦法》(蘇林規〔2012〕1號)、《濕地公園總體規劃導則》(林濕綜字〔2018〕1號)、LY/T 1755-2008《國家濕地公園建設規范》《城市濕地公園設計導則》《江蘇南京長江綠水灣省級濕地公園總體規劃》等相關建設要求,遵循“生態優先、最小干預、彰顯特色、協調發展”“自然恢復為主、自然恢復與人工修復相結合”的原則與生態理念,最終確定以近自然河流濕地生態系統作為生態修復的總體目標,力求增加適宜生境面積與連續性,恢復濕地原生態風貌,實現濕地生態價值。

(2) 生境空間總體布局。據現狀調查和資料記載,綠水灣濕地公園范圍內有鳥類15目44科88屬121種,鳥類資源十分豐富,另外考慮到研究區78%的水面率,可為涉禽、游禽提供良好的棲息環境,為大量游禽類候鳥提供越冬棲息地,因此,最終選取涉禽和游禽作為指示物種(見表1)。根據指示物種棲息偏好、生活習性[7-11]以及長江洲灘水文特征、現狀地形等因素進行研究區生境空間總體布局:① 生境空間主要特征應為水深較淺,擁有豐富的挺水植物和沉水植物,可提供大量的開闊淺水和淺灘環境,修復后能為涉禽、游禽提供良好的棲息環境,因此,淺水生境(水深0.7～1.0 m)應不低于總體水面的50%,深水生境(水深1.0～2.0 m)不超過20%,近岸淺灘(水深0.3～0.7 m)和淺沼生境不低于25%,但在空間上呈現周期性變化;② 生境空間應滿足防洪要求,長江江灘整治前后平均高程不應改變,因此,結合生態需求,設置供生物筑巢、停歇、繁衍的不規則形態島嶼,使設計前后做到挖填方量平衡,并根據島嶼的大小設計為草灘綠洲、稀樹灌叢島嶼與密林島嶼等不同生境。

表1 綠水灣濕地設計指示物種分析Tab.1 Analysis of indicated species of Lushuiwan Wetland

(3) 關鍵技術應用。基于目標與布局,研究區生態系統重構主要采用以下關鍵技術:① 通過退漁還濕、微地形營造,實現水系連通,恢復淺灘、開敞水面、深水區、生態島嶼等多種濕地生境,恢復濕地基底,實現洲灘濕地再自然化;② 通過構建生態補水系統,優化區間水量分配,改善水環境水生態條件,恢復濕地水文水質;③ 通過植物配植、動物放養等,恢復大片草本沼澤和森林沼澤,提供適宜的棲息環境,提高物種多樣性,恢復濕地生態系統結構。基底恢復技術要綜合考慮濕地內生物狀況與水文水環境特征需求;水文水質恢復技術要考慮濕地生物對水文水環境的需求;生態系統結構恢復技術則要充分考慮地形地貌和水文水質條件,三項技術相互關聯和影響,互為支撐。其中,濕地基底恢復技術側重于濕地地形地貌改造,濕地水文水質恢復技術側重于濕地水文條件和水環境質量改善,兩項技術旨在恢復濕地生境,提高生境的異質性和穩定性。濕地生態系統結構恢復技術是在生境恢復的基礎上,側重于恢復濕地生物,旨在提高濕地的生態系統完整性,最終實現濕地生態價值。

3 關鍵技術方案

3.1 濕地基底恢復

濕地基底是濕地生態修復的空間載體,是生物空間分異的主要自然約束因子,是影響生物多樣性的重要因素[12]。研究區現狀為網格狀魚塘,塘埂高程6.0～6.5 m,塘底高程3.0～5.0 m(見圖3),塘底高程在整個研究區呈現兩端低,中間高的特征,人工痕跡明顯,生境單一。通過對指示物種及其棲息偏好分析(見表1),明確濕地基底恢復的相關參數,基底恢復與生境營造有機結合,通過對原有塘埂進行打破和改造,實現水系連通,構建河流濕地系統。

圖3 濕地基底恢復設計Fig.3 Design drawing of wetland base restoration

為保持長江江灘土方平衡,減少外運棄土對環境的影響,結合場地條件,對研究區塘底較低的兩端主要采取開挖措施,對中間塘底較高的區域采取堆填措施。應用BIM技術進行場地挖填平衡設計[13],結合打破塘埂的棄土對保留塘埂和新增島嶼進行堆填,保留的塘埂增寬,原塘埂高程不變,新增島嶼頂高程不高于原塘埂高程,總體控制在6.0～6.5 m。挖填過程中盡量營造多樣化的水底微地形,通過灘、河、島、橋、堤等形成多樣化水深。通過水面、陸面形態調整和布局創造陰陽、陡緩、干濕等多樣化的環境條件。駁岸設計結合實際場地條件,以自然生態的滲透性、自然式緩坡為主。必要的護岸可采用木樁柳條等輔助措施,岸坡坡度設計緩于1∶4,空間充足的區段岸坡坡度設計介于1∶10～1∶20之間。最終形成適宜生物棲息的淺灘、灣型岸帶、生境島、開敞水面、急流帶和滯水帶等多樣生境[14],增強濕地系統穩定性。

3.2 濕地水文水質恢復

通過調研分析歷史水文資料,研究區在長江豐水時期承擔著排洪蓄澇的功能,水位上升使得研究區出現淺沼、淺水及深水棲息地的生境轉換。在此期間不耐長時間水淹的植物種類被自然淘汰,其他時期因外圍高程7.0～10.0 m的堤埂保護,研究區主要以淺水生境為主。遇到特殊干旱年份,研究區部分區域以裸露出的灘涂為主。綠水灣濕地現狀來水源主要為降雨、五里泵站排水及城南河、七里河流域退水,水質在Ⅳ～Ⅴ類之間波動,干旱年份水系生態水量得不到保障。經過濕地基底恢復,研究區已形成淺灘、灣型岸帶、島嶼、開敞水面等不同濕地地形,濕地水文水質恢復主要考慮通過滯水和補水方式保證濕地生態水量并改善水質,應對特殊干旱問題。

滯水設計在濕地出水口處,修建水閘阻滯水資源流失,通過水利設施對濕地水位進行調控,在特殊水文年份,可實現濕地水位周期性良性變化,水位下降時裸露出的灘涂將為涉禽鳥類提供良好的覓食空間,水位上升時淺水環境的增加則為游禽鳥類提供更多的棲息地[15]。

補水設計首先分析濕地周邊水源條件,現狀水源主要包括濕地上游高旺河以及長江水源。由于高旺河水質水量不穩定,經比選選擇長江為濕地補水水源。補水目標為保障濕地生態需水;補水路徑為自綠水灣上游長江取水,分兩路,一路自西南側補水,一路自東南側補水,沿線可設置多處出水點。

構建MIKE21水動力-水質模型,建模范圍為綠水灣濕地全域,設計不同補水工況,水位邊界條件見表2。水質考慮COD、NH3-N、TP 3個指標,水質初始濃度按照V類水標準,入流邊界污染物濃度采用實測數據,COD為40 mg/L、NH3-N為2 mg/L、P為0.4 mg/L,補水水質為Ⅱ類水標準。科學設置水利設施(見圖4),實現精細化連通、差別化連通,確定合理的補水路線及規模。

表2 補水工況Tab.2 Working condition of water supplement

圖4 濕地水文水質恢復設計Fig.4 Design of wetland hydrology and water quality restoration

模型模擬得到水位、水深、流量、流速分布情況,見圖5～7。經模型分析,研究區總面積4.90 km2,4.5 m水位對應水面面積為2.58 km2,水域面積占比為52.6%,研究區過水面積為2.63 km2,為濕地總面積的53.7%。工況1中區域內流速小于0.001 m/s的面積為99.53%,流速介于0.001～0.01 m/s的面積為0.47%;工況2中流速最小接近于0,最大為0.25 m/s,區域整體表現為深槽內流速較大,部分池塘

圖5 工況1水位、流速分布情況Fig.5 Distribution diagram of water level and flow velocity under condition 1

圖6 工況2水位、流速分布情況Fig.6 Distribution of water level and flow velocity under condition 2

圖7 工況3水位、流速分布情況Fig.7 Distribution of water level and flow velocity under condition 3

水體流動較緩,甚至無流動,流向整體表現為自南向北流動趨勢,對過水區域(深槽區域)中不同流速區間水域面積及比例進行統計,流速超過0.01 m/s區域占全部水域面積的60.66%,基本接近預期。通過補水,濕地內水質可得到有效改善。因此,濕地水文水質恢復方案最終確定為:研究區設計水位為4.5 m,設計1座閘、2座泵站、16座連通涵,實現補水規模4 m3/s。

3.3 濕地生態系統結構恢復

在地形營造的基礎上,遵循生態學原理明確研究區內動植物棲息地斑塊及生態廊道的分布[16],從植物、動物兩方面入手,通過適度的干預,逐步恢復綠水灣恢復重建區生態系統的結構和功能,最終達到濕地生態系統的自我持續狀態[17]。

植物作為第一生產者,在濕地生態系統結構恢復中具有重要作用。植物群落在不同的生態環境下采用不同的配置方法,采用“順應水文特征分帶分段、以洪水為友,遵循鄉土化和多樣化原則”的彈性方法,構建水生-灌草-喬木豎向空間種植體系,滿足濕地生物食物鏈的草灘、泥灘、石灘、沼澤、林地、灌叢、水域等不同的生境類型,改善研究區物種組成單一的現狀,增加濕地生態系統的生物多樣性[12],再現自然生態特征[18-19]。首先分析研究區場地高程與淹沒頻次關系,結果顯示高程6.5 m以下的場地易受洪水影響,因此設計采用最小干預措施,盡可能保持地理風貌,以6.5 m 高程為界限,場地低于6.5 m的以濕地草甸為主,場地高于6.5 m的可適當增加耐濕喬木、草花地被等。其次,采取保留、清除、補植等手段,重點保護鳥類密集棲息的草甸及巢樹,生長良好的本地植物群落;清除旱蓮子草、加拿大一枝黃花和鳳眼藍等入侵植物,受病蟲害影響嚴重及其他生長不良的植物;根據不同高程洪水淹沒頻率,考慮指示物種棲息需求,補植濕生喬-草植物群落,營造不同深度的水域和濕生植物群落,覆蓋水域、草甸、濕地及陸地多種生境,滿足涉禽、游禽的不同活動需求,形成近自然濕地。綠水灣濕地植物恢復設計如圖8所示。

圖8 濕地植物恢復設計Fig.8 Design of wetland plant restoration

動物放養主要考慮水生動物的投放,通過完善研究區水體內食物鏈,進而完善濕地水生態系統。在濕地中投放濾食性軟體動物(三角帆蚌、褶紋冠蚌和背角無齒蚌),通過其對水的過濾,凈化水體水質;投放刮食性軟體動物(梨形環棱螺、銅綠環棱螺和耳蘿卜螺),攝食沉水植物附著物及有機碎屑等;投放濾食性魚類(鰱魚、鳙魚)、肉食性魚類(鱖魚、烏鱧、鯰魚、黃顙魚),控制藻類、草食性魚類,降低沉水植物被牧食壓力,通過捕食、競爭等關系制約濕地內各種生物的生物量,通過水體中營養鹽的吸收與轉化進一步改善濕地水環境質量[20]。

4 結 語

綠水灣濕地是典型的長江洲灘型濕地,其建設對保護江灘濕地自然資源、穩定生態環境、涵養水源、蓄洪排澇、調節小氣候等方面具有積極作用。本文以綠水灣生態系統原始風貌與結構完整性受損最為嚴重的恢復重建區為研究對像,抓住水、土、生物等關鍵自然要素,針對現狀濕地類型發生不合理轉變、水質惡化、生態功能退化等問題,以近自然河流濕地生態系統作為生態修復的總體目標,以涉禽和游禽為指示物種,結合長江防洪要求、水文特征等,提出生態系統重構的生境空間總體布局思路與方法,以及濕地基底恢復、濕地水文水質恢復、濕地生態系統結構恢復三項關鍵技術思路與方案。通過生態系統重構,研究區將實現水系連通,改善水體水質,增加生境多樣性,營造適宜的棲息地,濕地由養殖魚塘人工濕地逐步向自然濕地的轉變,以期通過3～5 a實現濕地近自然狀態。文章提出的以恢復近自然濕地為目標對濕地生態系統重構的思路與方法,其核心理念是遵循生態學原理,通過適度的人工干預,創造條件實現自然恢復,進而實現濕地的生態功能。