基于水下光照條件和種子庫(kù)分布指示沉水植物恢復(fù)區(qū): 以金湖為例

徐 超 厲恩華 楊 嬌 馬 雨 張 苗馮偉松 梁小民 王海軍,4

(1. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所, 武漢 430072; 4. 云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院高原湖泊生態(tài)與治理研究院, 昆明 650504)

沉水植物對(duì)于維持淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康起著至關(guān)重要的作用, 是水生態(tài)系統(tǒng)中重要的生產(chǎn)者,能有效調(diào)節(jié)水體營(yíng)養(yǎng)水平和減少沉積物再懸浮, 從而改善湖泊水質(zhì)[1,2]。然而, 由于受富營(yíng)養(yǎng)化、過(guò)度漁業(yè)和江湖阻隔等多重脅迫的影響, 世界各地湖泊沉水植物大范圍退化[3]。其中, 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的大量輸入導(dǎo)致的浮游藻類大量生長(zhǎng)和水體透明度降低,是沉水植物消失的主要原因[4,5]。沉水植物大量消失, 使得許多湖泊由結(jié)構(gòu)復(fù)雜和功能健全的清水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)單一和功能退化的濁水穩(wěn)態(tài)[2]。

恢復(fù)沉水植物是湖泊生態(tài)重建的重要手段之一。通過(guò)降低水體的營(yíng)養(yǎng)濃度來(lái)恢復(fù)湖泊沉水植物的方法, 已被廣泛應(yīng)用[3,6]。但是也存在著諸如水體營(yíng)養(yǎng)濃度回彈等問(wèn)題[7,8]。通過(guò)降低水位來(lái)改善水底的光照情況, 是恢復(fù)沉水植物的另一個(gè)有效手段[7,9—11]。然而, 在沉水植物實(shí)際恢復(fù)過(guò)程中, 湖泊各區(qū)域水深透明度等因素各不相同, 往往由于缺乏對(duì)恢復(fù)區(qū)進(jìn)行科學(xué)的劃分, 導(dǎo)致栽種的沉水植物成活率較低。因此劃分合適的沉水植物恢復(fù)區(qū)尤為重要。Wang等[7]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江中下游20個(gè)湖區(qū)的調(diào)查, 發(fā)現(xiàn)在3—6月, 當(dāng)透明度: 水深<0.45時(shí), 沉水植物將無(wú)法生長(zhǎng), 并給出了沉水植物分布的關(guān)鍵期模型。利用此經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢愿鶕?jù)水體透明度大致估算恢復(fù)沉水植物所需要的水深條件。其他因素如沉水植物種子庫(kù)在沉水植物恢復(fù)中也有重要作用, 利用沉積物中種子庫(kù)恢復(fù)受損湖泊的沉水植物,是生態(tài)恢復(fù)中的一個(gè)重要手段[12]。因此我們選取透明度-水深之比和沉水植種子庫(kù)密度作為沉水植物恢復(fù)區(qū)劃分的兩個(gè)關(guān)鍵因子, 以金湖為例, 指示合適的沉水植物恢復(fù)區(qū)。

金湖位于長(zhǎng)江中游, 地處鄂西山區(qū)與江漢平原的過(guò)渡地帶, 湖北省西部, 是枝江市最大的湖泊。由于受到水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植和上游工業(yè)園區(qū)等面源污染的影響, 目前金湖的水質(zhì)總體上只達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn), 富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題嚴(yán)重。為此我們?cè)诮鸷_(kāi)展了深入調(diào)查, 通過(guò)分析金湖不同時(shí)期透明度和水深情況以及沉水植物種子庫(kù)的分布, 確定合適的沉水植物恢復(fù)區(qū), 為金湖濕地公園的綜合治理提供理論依據(jù)和建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和采樣點(diǎn)設(shè)置

金湖(111°46′ E—111°50′ E, 30°26′ N—30°28′N), 面積5.77 km2, 分為劉家湖和東湖兩部分, 兩湖水系相通。該地區(qū)屬溫暖濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)季候,年均氣溫約19℃, 年平均降水量1039.4 mm。2018年6月8日—6月14日和2018年12月10日—12月14日對(duì)金湖進(jìn)行了兩次全面調(diào)查, 并在6月進(jìn)行了種子庫(kù)調(diào)查。共設(shè)置30個(gè)采樣點(diǎn)(S1—S30)和20個(gè)加測(cè)點(diǎn)(S1’—S20’, 圖 1)。

1.2 樣品采集與測(cè)定方法

在30個(gè)采樣點(diǎn)采集各1 L水樣帶回實(shí)驗(yàn)室中用于分析總氮、總磷和葉綠素。水溫、溶解氧、pH和電導(dǎo)率用YSI ProPlus(Yellow Spring Inc., 美國(guó))在半水深處進(jìn)行原位測(cè)量。水深用SM-5型便攜式超聲波測(cè)深儀(Speedtech, 美國(guó))測(cè)量, 透明度用Secchi盤(pán)測(cè)量。用1/40 m2Van Veen采泥器(Hydrobios, 德國(guó))采集沉積物用于分析沉水植物種子庫(kù)。加測(cè)點(diǎn)只測(cè)量水深、透明度、采集沉積物。總氮用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定(普析,TU-1810, 北京), 總磷使用鉬銻抗分光光度法測(cè)定,浮游藻類葉綠素a的測(cè)定使用GF/C濾膜(Whatman,GE Healthcare UK Limited, Buckinghamshire, 英國(guó))過(guò)濾水樣, 然后將濾膜于90%丙酮中, 在4℃下萃取20—24h, 再用分光光度計(jì)測(cè)定其在加10%鹽酸前后650和750 nm處的吸光度。所采集沉積物帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn), 用小孔徑(小于0.2 mm網(wǎng)孔)篩對(duì)土樣進(jìn)行濃縮, 用剔除雜質(zhì)和其他種子的沙子作為基質(zhì), 開(kāi)展為期6周的種子庫(kù)萌發(fā)實(shí)驗(yàn), 最后統(tǒng)計(jì)幼苗數(shù)量。用M9多普勒流速儀(Yellow Spring Inc., 美國(guó))對(duì)湖底地形進(jìn)行測(cè)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2016、ArcGIS 10.2和R 3.4.4。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理在Microsoft Excel 2016中完成, 理化數(shù)據(jù)分析用R 3.4.4完成, 用Arc-GIS 10.2分別對(duì)透明度和水深的比值、沉水植物種子庫(kù)密度進(jìn)行空間插值分析, 圖表繪制由R 3.4.4和ArcGIS 10.2完成。

圖1 金湖采樣點(diǎn)分布Fig. 1 Sampling sites of Lake Jinhu

2 結(jié)果

2.1 金湖湖底地形與水質(zhì)

金湖地形整體上呈現(xiàn)東部深和西部淺的情況。即東湖較深、劉家湖較淺。東湖平均水深為1.80 m, 劉家湖平均水深為1.33 m。對(duì)于單個(gè)湖區(qū)而言, 與長(zhǎng)江流域普通淺水湖泊湖底地形相似, 從岸邊向湖中央逐漸加深。而廣闊的湖區(qū)中央深度基本一致, 湖底地形較為平坦(圖 2)。

根據(jù)我們2018年的調(diào)查, 金湖年平均水深為1.65 m, 透明度為0.44 m, 總氮為0.54 mg/L, 總磷為0.05 mg/L, 浮游藻類葉綠素a為39.29 μg/L。

金湖主要富營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)從時(shí)間分布上來(lái)看, 金湖各樣點(diǎn)水深6月和12月基本相同(圖 3A); 12月金湖平均透明度(0.68 m)要高于6月(0.25 m)(圖 3B);6月浮游藻類葉綠素a平均為69.81 μg/L, 顯著高于12月的8.76 μg/L(圖 3C)。6月各樣點(diǎn)的平均總氮為1.27 mg/L略高于12月的1.11 mg/L(圖 3D)。6月各樣點(diǎn)的平均總磷為0.11 mg/L, 顯著高于12月的0.04 mg/L(圖 3E)。

從空間分布上來(lái)看, 東湖的水深整體略高于劉家湖(圖 3A); 東湖年平均透明度為0.41 m, 低于劉家湖的0.52 m(圖 3B)。東湖和劉家湖的年平均浮游藻類葉綠素a含量基本相等, 分別為39.31和39.26 μg/L(圖 3C)。劉家湖的總氮和總磷分別為1.46和0.09 mg/L, 整體要高于東湖的0.92和0.07 mg/L(圖 3D、3E)。

2.2 金湖主要富營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)之間的關(guān)系

從金湖主要富營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)的回歸關(guān)系可以看出, 透明度和總氮的關(guān)系不大(圖 4A); 無(wú)論是6月還是12月, 金湖的透明度和總磷都有顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖 4B); 12月透明度與浮游藻類葉綠素a有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖 4C); 12月浮游藻類葉綠素a和總磷有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, 但6月和12月的浮游藻類葉綠素a均與總氮無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(圖 4D、4E); 12月的總磷和總氮有顯著正相關(guān)關(guān)系(圖 4F)。

圖2 金湖湖底地形Fig. 2 Elevation map of Lake Jinhu

2.3 基于透明度-水深之比的空間插值分析

6月, 各點(diǎn)位透明度-水深之比都小于0.45, 不具備沉水植物生長(zhǎng)的條件。從空間分布來(lái)看, 東湖的西南部和劉家湖的西部透明度-水深之比較高(圖 5A)。12月, 透明度-水深比值整體都要高于6月,其中東湖的南半部、劉家湖的大部分的透明度: 水深之比>0.45, 具備沉水植物生長(zhǎng)的條件(圖 5B)。

2.4 金湖沉水植物種子庫(kù)空間分布格局

在全部50個(gè)采樣點(diǎn)中, 有沉水植物種子的采樣點(diǎn)有17個(gè), 占總數(shù)的34%。共有兩種沉水植物, 苦草(Vallisneria natans)和菹草(Potamogeton crispus)。其中苦草占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

從沉水植物種子庫(kù)的空間分布來(lái)看, 東湖的東南部分種子庫(kù)密度較高, 高于40 ind./m2; 東湖的西南部和劉家湖的西部種子庫(kù)密度較低, 普遍低于10 ind./m2或者沒(méi)有種子庫(kù)分布; 而東湖的西岸和劉家湖的東岸, 沉水植物種子庫(kù)也有較高的分布, 約為30 ind./m2(圖 6)。

圖3 6月和12月金湖各樣點(diǎn)富營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)Fig. 3 Eutrophication variables of various sampling sites in Lake Jinhu in June and December

3 討論

總體來(lái)看, 金湖的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題較嚴(yán)重。從區(qū)域分布來(lái)看, 劉家湖總氮和總磷整體略高于東湖,尤其是劉家湖西部為最高, 這可能是靠近居住區(qū),受到生活污水的污染較嚴(yán)重。從時(shí)間分布來(lái)看,6月全湖的營(yíng)養(yǎng)水平高于12月, 6月全湖的浮游藻類數(shù)量都處在很高的水平, 各位點(diǎn)的透明度都很低,平均只有0.3 m左右。從金湖主要水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系來(lái)看, 透明度和總氮關(guān)系不明顯, 但和總磷有負(fù)相關(guān)關(guān)系, 浮游藻類含量也與總磷有負(fù)相關(guān)系, 這與Wang等[13]對(duì)長(zhǎng)江中下游45個(gè)湖泊的調(diào)查結(jié)果有很大差異。我們依據(jù)王海軍等[14]給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了金湖的藻類濁度和非藻類濁度, 發(fā)現(xiàn)6月非藻類濁度占比為78.8%, 12月非藻類濁度占比高達(dá)83.2%, 這說(shuō)明影響金湖透明度的主要原因是非藻類濁度因素如無(wú)機(jī)懸浮顆粒等含量過(guò)多。這與王海軍等[14]對(duì)長(zhǎng)江中下游淺水湖區(qū)的調(diào)查結(jié)果類似。風(fēng)浪擾動(dòng)和底層魚(yú)類活動(dòng)都會(huì)促進(jìn)湖泊無(wú)機(jī)顆粒的再懸浮, 因此降低湖泊非藻類濁度、提高水體透明度的一個(gè)重要手段是清除鯉、鯽等底層魚(yú)類。

圖4 6月和12月金湖富營(yíng)養(yǎng)化基本參數(shù)之間的關(guān)系(n=30)Fig. 4 Regressions among key environmental variables of Lake Jinhu in June and December

從我們對(duì)全湖6月份透明度-水深比值的插值分析來(lái)看, 全湖沒(méi)有適宜沉水植物生長(zhǎng)的光照條件,因此如果在夏季恢復(fù)沉水植物, 必須要降低水位。以夏季平均透明度為0.3 m計(jì)算, 要使水下光照達(dá)到沉水植物生長(zhǎng)的要求, 則必須將沉水植物恢復(fù)區(qū)水位降低到0.67 m以下。可以選擇岸邊較淺的區(qū)域, 能有效減少降低水位的成本。12月全湖透明度較高, 東湖的南半部、劉家湖的大部分都符合沉水植物生長(zhǎng)的水下光照條件, 因此, 在冬季恢復(fù)沉水植物較好, 考慮到幼苗前期需要較多的光照, 可以在冬季適當(dāng)降低水位, 投放沉水植物種子, 等到春天正好迎來(lái)沉水植物的生長(zhǎng)季, 綜合成本也較低。

從沉水植物種子庫(kù)的空間分布來(lái)看, 可以通過(guò)降低水位的方法, 使東湖的東南部、東湖的西岸和劉家湖的東岸依靠本底沉積物中的種子庫(kù), 自行恢復(fù)其沉水植物群落。綜合透明度-水深情況和沉水植物種子庫(kù)情況, 結(jié)合金湖的湖底地形, 將東湖的東南部、東湖的西岸、劉家湖的東岸和西部作為沉水植物恢復(fù)區(qū)較為合適(圖 7), B區(qū)和C區(qū)由于具有一定的沉水植物種子庫(kù)資源, 可采用冬季降低水位的方法, 使其自然恢復(fù)。而A區(qū)由于種子庫(kù)資源匱乏,應(yīng)采用冬季降低水位和人工投放種子相結(jié)合的方法,對(duì)此區(qū)域的沉水植物群落進(jìn)行恢復(fù)。若有條件將水位降得足夠低, 則可在全湖范圍內(nèi)恢復(fù)沉水植物。

基于水深-透明度之比的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 不同于以往模型需要大量詳細(xì)的生理資料和環(huán)境參數(shù)的特點(diǎn), 運(yùn)用較少的變量便可以對(duì)沉水植物的分布和生物量做出預(yù)測(cè)。在國(guó)內(nèi)外都有大量應(yīng)用[7,15—22]。基于透明度-水深之比與沉水植物生物量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 輔以沉水植物種子庫(kù)的分布情況, 可以用較少的參數(shù), 確定沉水植物可以生長(zhǎng)的大致區(qū)域, 為沉水植物恢復(fù)區(qū)的劃分提供建議。在沉水植物恢復(fù)中有一定的應(yīng)用價(jià)值。但此方法只能粗略估計(jì)沉水植物的適宜恢復(fù)區(qū), 在自然條件下, 影響沉水植物生長(zhǎng)的因素眾多, 如湖底基質(zhì)和魚(yú)類牧食等, 因此在沉水植物恢復(fù)區(qū)劃分時(shí), 還應(yīng)結(jié)合湖底基質(zhì)、景觀需求等要素綜合考慮。

圖5 6月和12月金湖透明度-水深比值的空間分布Fig. 5 Spatial distribution of the ratio of Secchi depth to water depth in Lake Jinhu in June and December

圖6 金湖沉水植物種子庫(kù)的空間分布格局Fig. 6 Distribution patterns of submersed macrophyte seed bank in Lake Jinhu

圖7 金湖沉水植物恢復(fù)區(qū)Fig. 7 Submersed macrophyte restorable areas in Lake Jinhu

致謝:

和雅靜在ArcGIS繪圖方面進(jìn)行了指導(dǎo), 余紅、鄒時(shí)全、黃東明、姚凱勝、姚維林、梁磊和蔣威在調(diào)查時(shí)提供了幫助, 在此表示衷心感謝。