北方濱海人工濕地水生生物群落快速重建目標及適宜物種清單確定
——以天津臨港二期濕地為例

劉紅磊,李艷英,周 濱,馬徐發(fā),韓丁義,李 慧,邢美楠,鄒 鋒,顧修君

1 天津市環(huán)境保護科學研究院, 天津 300191 2 天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司, 天津 300191 3 華中農(nóng)業(yè)大學, 武漢 430070 4 天津臨港建設開發(fā)有限公司, 天津 300460

停歇點濕地是遷徙水鳥重要的能量補給地,在水鳥每年的往返遷徙過程中具有十分重要的生態(tài)意義[1]。環(huán)渤海濕地是東亞-澳大利西亞水鳥南北遷徙的重要中轉停歇點,每年數(shù)百萬只遷徙水鳥在此停歇、棲息,補充、儲備繼續(xù)飛行所需的能量[2]。近年來,環(huán)渤海三省一市實施了大規(guī)模圍填海,造成濱海自然濕地面積減少66%,而人工濕地面積增加了162.6%[3],濱海濕地逐漸向人工濕地演變[4-7]。濱海濕地的萎縮和消亡直接導致濕地水鳥繁殖適宜生境的破壞和喪失,從而對濕地水鳥多樣性構成威脅[8]。開展退化自然濕地或人工濕地生態(tài)修復,恢復或提升濕地生態(tài)服務功能,已成為濱海濕地保護與研究的重要工作。

人工構建水生生物群落是修復受損水生態(tài)系統(tǒng)的有效手段[9]。因此,濕地生態(tài)修復,不僅要恢復濕地生境,更要恢復包括植物、浮游動植物、底棲動物、魚類等在內(nèi)的生物群落,以恢復其系統(tǒng)結構與功能,并建立一個能自我維持、自我調控或在較少人為輔助下能健康運行的濕地生態(tài)系統(tǒng)[10-11]。孫立漢等[12]認為,要把灤河口濕地恢復為原黑嘴鷗的繁殖地的生態(tài)環(huán)境,最重要的就是恢復灤河口濕地植被群落特征。馬嘉等[13]通過對北京市常見的涉禽、游禽、鳴禽生活習性以及生存生境偏好的基礎研究,提出北京市蓮石湖濕地公園基于鳥類棲息地生境營造的城市濕地公園生態(tài)營造策略。劉旭等[14]針對北京房山琉璃河濕地公園鳥類分布特征,圍繞目標鳥種對于棲息地水系、植被等方面的需求,從岸線重塑、水深設計、植物配置、生態(tài)鳥島等方面規(guī)劃設計鳥類棲息地修復措施。長江口潮灘濕地鳥類適棲地營造工程[15-16],除了利用生態(tài)工程對原潮溝系統(tǒng)進行了人為生境改造外,還根據(jù)鳥類生態(tài)學向實驗工程區(qū)投放了舟形無齒蚌、中華圓田螺等動物性餌料(約400 kg/hm2)?；邙B類保護的濕地修復研究雖有不少,但多偏重于濕地物理生境構建與植被群落恢復,而對于如何快速恢復鳥類藉以生存的生物資源,如底棲、魚類等生物群落,即增殖放流的研究確定過程,鮮有系統(tǒng)報道。許多增殖放流工作,都存在增殖放流品種單一、未統(tǒng)籌考慮水域生態(tài)系統(tǒng)整體恢復等問題[17]；而科學合理的物種搭配,是受損水生態(tài)系統(tǒng)修復的技術核心[18]。由于我國濕地生態(tài)修復技術理論和實踐積累不足[11, 19],致使濱海濕地恢復過程中生物群落的快速重建缺乏指導與有效參考。尤其對于圍海造陸區(qū)的濕地重建/恢復,由于底質與水文系統(tǒng)的徹底改變,其生物群落重建目標及清單的確定更加困難。

天津港保稅區(qū)臨港經(jīng)濟區(qū)始建于2003年,前身為京畿門戶的海河入?？谀蟼葹┩繙\海區(qū),每年能為上萬只鸻鷸類提供覓食、棲息和繁殖場所,后被圍海造地形成工業(yè)新城,成為天津濱海新區(qū)重要功能區(qū)之一。為補償圍填海開發(fā)過程中被破壞的潮間灘涂濕地,區(qū)域先后規(guī)劃建設臨港一期濕地和臨港二期濕地,其中臨港二期濕地工程除設計表流濕地外,還增加了約40 hm2的生境恢復單元,以期提升其作為候鳥遷徙驛站的濱海濕地生態(tài)服務功能。項目的實施將有效改善該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量,同時可為東亞-澳大利西亞南北遷徙水鳥提供適宜的生境。本文以天津臨港二期人工濕地生境恢復為案例,以恢復濱海鳥類生存所需的食物鏈恢復為目標,通過對同區(qū)域類似濕地生物調查與生物多樣性比選,確定參照濕地,確定生物群落快速重建目標與物種清單,以期為同類型濱海人工濕地生態(tài)恢復提供借鑒。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域與調查樣點布設

(1)目標濕地

天津臨港二期人工濕地(簡稱臨港二期濕地)位于臨港經(jīng)濟區(qū)西部,緊鄰海濱高速和渤海十路(圖1),其前身為灘涂淺海濕地,后經(jīng)圍填海變成旱田。臨港二期濕地總體規(guī)劃面積107 hm2,其中生境保育區(qū)約40 hm2,位于臨港二期濕地南部,以修復和保護鳥類棲息地,提升濕地生態(tài)服務功能。

圖1 臨港二期濕地區(qū)域圖

(2)參考濕地

由于圍填海所帶來的永久性地形、水文變化,臨港二期濕地不可能恢復或重建至填海造陸前的海岸灘涂生態(tài),更現(xiàn)實的目標是構建出濱海高鹽的濕地生態(tài)(前期調查發(fā)現(xiàn)臨港一期濕地出水鹽度約3000—6000 mg/L,臨港二期濕地進水約5000—10000 mg/L)。

北大港濕地自然保護區(qū)位于天津市濱海新區(qū)東南部,面積為34887公頃,是天津市面積最大的“濕地自然保護區(qū)”。保護區(qū)內(nèi)可分為萬畝魚塘區(qū)、北大港水庫(分為東區(qū)與西區(qū))、馬棚口海灘區(qū)、錢圈水庫、沙井子水庫等多個分區(qū)；除馬棚口海灘區(qū)水體鹽度>20000 mg/L、錢圈水庫水體鹽度<3000 mg/L外,其他分區(qū)水體鹽度多在4000—12000 mg/L之間。因此,本研究選擇與臨港二期濕地同氣候、同(近)區(qū)域、同(近)鹽度水平的北大港濕地自然保護區(qū)以及臨港一期濕地作為備選參照濕地(以下簡稱參考濕地),通過參考濕地內(nèi)不同分區(qū)的生物群落測定與對比,確定臨港二期濕地生物群落恢復的參照濕地。

(3)濕地生物群落調查樣點布設

臨港二期濕地,以及參考濕地(北大港濕地自然保護區(qū)及臨港一期濕地),于2019年5月1—15日間開展生物資源調查。調查區(qū)域分布見圖2,共設置采樣點位79個,其中萬畝魚塘區(qū)15個、北大港水庫東區(qū)(簡稱北大港東)7個、北大港水庫西區(qū)(簡稱北大港西)11個、馬棚口海灘區(qū)(簡稱馬棚口)6個點、錢圈水庫5個、沙井子水庫5個、李二灣7個、李二灣南側區(qū)域(簡稱李二灣南)7個、臨港一期濕地(簡稱臨港一期)9個、臨港二期濕地(簡稱臨港二期)7個。各調查點位,均設置在水體濱岸淺水區(qū)(<1.0 m),以綜合測定浮游動植物、底棲動物。

圖2 北大港濕地及臨港人工濕地采樣區(qū)域分布

1.2 研究方法

(1)調查方法

浮游動植物和大型底棲動物樣品采集、保存、處理和分析參照《淡水浮游生物研究方法》、《湖泊生態(tài)調查觀測與分析》等提供的方法進行；其中底棲動物采用直接稱量法,計算其濕生物量。魚類樣品用地籠和刺網(wǎng)采集,每次放網(wǎng)時間為1 h；根據(jù)《中國動物志 魚類》《天津魚類志》等對采集的魚類進行物種鑒定；按漁具漁法對每次的漁獲物分類計數(shù)和稱重。

(2)數(shù)據(jù)處理方法

利用Shannon-Wiener(H′)多樣性指數(shù)、Margalef(D′)豐富度指數(shù)、Simpson(D)多樣性指數(shù)、Pielou(J)均勻度指數(shù),對臨港濕地的浮游生物作出評價。各多樣性指數(shù)的計算方法見式(1)—(4)。

H′=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

(1)

D′=(S-1)/lnN

(2)

(3)

J=H′/lnS

(4)

式中,Ni為第i種浮游生物/底棲動物個體數(shù)；N為個體總數(shù)；Pi為第i種浮游生物/底棲生物個數(shù)占總體個數(shù)百分比,即Pi=Ni/N；S為總種類數(shù)。

采用單因素方差分析方法對生物多樣性進行比較,統(tǒng)計與畫圖軟件為Origin 9.0。

2 結果

2.1 臨港二期濕地生物群落特征

臨港二期濕地浮游動植物各門類分布見圖3。臨港二期濕地浮游植物共7門62屬110種(包含若干未鑒定種),綠藻門種類最多,占比達到37.27%,其次是硅藻、藍藻。浮游植物密度范圍為632×104—2646×104個/L,均值達到1620×104個/L；生物量介于1.33—11.7 mg/L之間。調查發(fā)現(xiàn)浮游動物4類、28種,其中原生動物種類數(shù)量和平均密度最多,種類達到15屬16種,平均密度達到5700 個/L。調查僅鑒定出大型底棲動物1種,為水生昆蟲稻水蠅(Ephydrasp.),其密度為0—528.00 個/m2(均值134.86 個/m2),生物量為0—1.80 g/m2(均值0.60 g/m2)。由于臨港二期濕地在2019年通水不久,調查過程未發(fā)現(xiàn)魚類。

圖3 2019年春季臨港二期濕地浮游植物、浮游動物各門類分布

2.2 參考濕地生物群落特征

(1)臨港一期濕地生物群落特征

臨港一期濕地鑒定出浮游植物123種。生物密度為600.00×104—5125.00×104個/L(平均值為2248.02×104個/L),生物量為5.38—41.66 mg/L(平均值為13.82 mg/L)。

浮游動物鑒定出39種。生物密度為146.10—3727.20 個/L(平均值為1754.53 個/L),生物量為0.17—4.74 mg/L(平均值為1.39 mg/L)。

底棲動物鑒定出21種。生物密度為0—528.00 個/m2(平均值為186.67 個/m2),生物量為0—5.78 g/m2(平均值為1.98 g/m2)。整體來說,臨港一期濕地水體浮游植物較為豐富,浮游動物和底棲動物也檢出較多,水體生態(tài)系統(tǒng)已漸復雜。

在臨港一期濕地共采集到7種魚類,隸屬于3科7屬,其中鯉科魚類最多,占總魚類種數(shù)的71.4%；其次為異鳉科和烏鱧科,分別占總魚類種數(shù)的14.3%和14.3%。

(2)北大港濕地生物群落特征

北大港濕地浮游植物共鑒定出8門112屬304種,多數(shù)區(qū)域以藍藻門、硅藻門為主,硅藻優(yōu)勢種為小型硅藻,藍藻則以群體性的藍藻類(如魚腥藻、束絲藻和微囊藻等)占優(yōu)勢。

北大港濕地浮游動物共鑒定出原生動物、輪蟲、枝角類和橈足類4類,共計64屬87種；其中浮游動物密度最高值(15584.99 個/L)出現(xiàn)在錢圈水庫,最低值(102.55 個/L)出現(xiàn)在沙井子水庫；浮游動物生物量最高值(14.90 mg/L)出現(xiàn)在李二灣區(qū)域,最低值(1.54 mg/L)出現(xiàn)在馬棚口區(qū)域。

北大港濕地共鑒定出大型底棲動物4類32種。其中底棲動物密度最高值(825.60 個/m2)出現(xiàn)在萬畝魚塘,最低值(43.33 個/m2)出現(xiàn)在錢圈水庫；底棲動物生物量最高值(4.32 g/m2)出現(xiàn)在萬畝魚塘,最低值(0.08 g/m2)出現(xiàn)在沙井子水庫。

受調查時間與經(jīng)費限制,難以對每個分區(qū)都進行系統(tǒng)、科學的魚類捕撈調查；因次本次調查采用部分點位實地捕撈(地籠)結合文獻資料(北大港濕地自然保護區(qū)管理中心提供的內(nèi)部資料)的方法進行北大港濕地魚類調查分析。綜合分析表明,北大港地區(qū)共有魚類18種,分屬于6目10科,其中包括鯉形目的鯉科(9種)、鰍科(1種)；鲇形目的鲇科(1種)；鱸形目的鮨科(1種)、鱧科(1種)、鰕虎魚科(1種)、玉筋魚科(1種)；鯔形目的鯔科(1種)；鲉形目的魣科(1種)；鰈形目的鲆科(1種)。

2.3 臨港二期濕地與參考濕地生物多樣性分析

參考濕地與臨港二期濕地浮游植物、浮游動物、底棲動物各項多樣性指數(shù)的單因素方差顯著性分析見圖4—圖6。

圖4 各區(qū)域浮游植物Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou指數(shù)

圖5 各區(qū)域浮游動物生物多樣性Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou指數(shù)

圖6 各區(qū)域底棲動物生物多樣性Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou指數(shù)

圖4表明,浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)平均值在0.88—3.42之間,Simpson指數(shù)平均值在0.25—0.83之間,Margalef指數(shù)平均值在1.51—3.49之間,Pielou指數(shù)均值在0.23—0.73之間,北大港東、北大港西浮游植物生物多樣性最好,馬棚口、沙井子水庫最差。圖5表明,浮游動物Shannon—Wiener指數(shù)均值在1.27—2.19之間,Simpson指數(shù)均值在0.32—0.72之間,Margalef指數(shù)在0.54—1.22之間,Pielou指數(shù)在0.39—0.73之間,北大港東、北大港西浮游動物多樣性最好,馬棚口、萬畝魚塘最差。圖6表明,底棲動物Shannon-Wiener指數(shù)均值在0.074—1.380之間,Simpson指數(shù)均值在0.023—0.504之間,Margalef指數(shù)均值在0.045—0.59之間,Pielou指數(shù)在0—0.36之間,底棲動物多樣性最好的區(qū)域為臨港一期,最差的為臨港二期。綜上,在參考濕地中,北大港東、北大港西、臨港一期具有較好的浮游動植物、底棲動物多樣性,同時考慮到北大港水庫具有較好的魚類資源,因此這三塊濕地即可以作為臨港二期濕地修復的參照濕地。

3 討論

增殖放流,不僅可以使失衡的水生態(tài)系統(tǒng)增加物種多樣性或促進種群資源恢復,改善放流水域生態(tài)群落結構[17]；也可以起到凈化水質,維護水域生態(tài)平衡的作用[20],因此增殖放流已經(jīng)成為快速恢復濕地生物群落的重要舉措。在初級生產(chǎn)力旺盛的水域,放流低營養(yǎng)層次生物,可以有效填補增殖水域原有食物網(wǎng)中浮游植物食性魚類相對缺失的短板,豐富食物網(wǎng)結構組成及物質循環(huán)途徑[21]。調查結果表明,臨港二期濕地具有較好的浮游植物多樣性及生物量,初級生產(chǎn)力旺盛,但底棲與魚類生物匱乏?？紤]到底棲、魚類作為水生生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結構的重要組成部分,同時也是濱海濕地重點保護目標遷徙鳥類(如鸻鷸類)的主要食物來源,臨港二期濕地想要恢復其候鳥遷徙驛站的生態(tài)服務功能,應在物理生境構造及植物恢復后,通過科學的增殖放流進行底棲與魚類生物群落快速重建,快速提高水體生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。臨港二期濕地底棲動物、魚類等物種群落的快速重建目標與適宜清單確定方法如下。

3.1 底棲動物快速重建目標與適宜物種清單

底棲動物(雙殼類、腹足類、多毛類等)可以為鸻鷸類提供食物來源與能量保障[22-23],其生物密度可以影響到濕地鳥類的組成與數(shù)量[24]。由于底棲動物在濕地生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動中的重要作用,種類組成、群落結構等特征已經(jīng)成為濕地生態(tài)系統(tǒng)結構與功能評價的重要指標[25],而其快速重建也就成為濕地生態(tài)修復的重要工作。作為長江口規(guī)模最大的河口型潮汐灘涂濕地,崇明東灘在2016年進行了牡蠣増殖放流,增殖放流后各斷面區(qū)域牡蠣生境狀況均較放流前有所改善[26]。天津港東疆港區(qū)人工沙灘在將人工岸線修復成沙灘海岸后,通過增殖放流青蛤、縊蟶、菲律賓蛤仔和毛蚶等先鋒物種,使得示范區(qū)內(nèi)的大型底棲動物生物量增加了103.1%,并重建了巖石質海岸牡蠣-藤壺生態(tài)系統(tǒng)[27]。天津大神堂活牡蠣礁,也通過實施人工魚礁建設及增殖放流而部分修復了本已消失的活牡蠣礁[28]。

因此,本研究以北大港東、北大港西及臨港一期濕地作為參照,同時結合相關文獻資料,確定臨港二期濕地底棲動物快速重建目標。張掖國家濕地公園自2008—2009年實施退耕還濕地、水系疏浚、植被恢復等生態(tài)恢復工程后,濕地結構和功能不斷完善,在濕地棲息的水鳥總量在不斷增加,2013年共記錄到濕地水鳥1230只,2014年記錄到3260多只,2015年達到4700多只,其后水鳥總量仍呈逐漸增加的趨勢[29],說明一般濕地修復五年后,結構與功能即可顯著改善。但由于生態(tài)恢復是個極其復雜的過程,因此要達到更為成熟、穩(wěn)定的成功恢復狀態(tài),通常需要更長的時間[30]。因此,本研究參考湖南津市毛里湖辛家臺溪景觀生態(tài)恢復分階段規(guī)劃[31],將臨港二期濕地生態(tài)恢復目標分為近期(5年)目標與遠期(10年)目標；其中近期生態(tài)恢復目標依參照濕地現(xiàn)狀最優(yōu)值確定,遠期恢復目標則依參照濕地歷史數(shù)據(jù)或理論最優(yōu)值確定。臨港濕地及北大港濕地底棲動物多樣性特征比對及恢復目標見表1。

表1 臨港濕地及北大港濕地底棲動物多樣性特征比對及快速重建目標

由表1可知,臨港二期濕地底棲動物快速重建目標可設定如下。

①Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)：遠期恢復目標為3.00(一般將H′=3作為水體污染/無污染的評價閾值[32],在此作為多樣性指數(shù)評價的優(yōu)良閾值),近期恢復目標可設為1.58(臨港一期現(xiàn)狀)。

②生物密度：恢復目標為600 個/m2,近期目標可為300.00 個/m2。

生物群落快速重建目標的選擇,依參照濕地現(xiàn)狀檢出或歷史資料為基礎進行確定。本研究基于對臨港濕地環(huán)境的生態(tài)適應性分析,以參照濕地檢出或歷史資料為參考,同時考慮同類物種相互之間的競爭、抑制等種間關系,以及滿足生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈重構需求,確定臨港二期濕地底棲動物群落快速重建物種清單(表2)。

表2 臨港濕地底棲動物群落快速重建物種清單

3.2 魚類群落快速重建目標與適宜物種清單

北大港濕地自然保護區(qū)調查共有魚類18種,分屬6目10科；臨港一期濕地魚類7種,分屬3科7屬；參考區(qū)域魚類共計20種,分屬7目16科。其中鱸、大菱鲆、玉筋魚、鲬為海洋魚類,對水體鹽度有一定要求；彈涂魚的生活史一定程度上依賴海岸灘涂；中華鰟鮍需要將卵產(chǎn)在雙殼類外套腔中以繁衍,而臨港濕地中沒有雙殼類。因此,這6種魚不作為魚類群落快速重建的備選物種類均被排除在快速重建魚類物種清單外,將除這6種之外的14種魚類,設為臨港濕地魚類群落快速重建種,具體清單見表3。

表3 臨港濕地與北大港濕地魚類群落對比及快速重建目標種確定

圖7 臨港濕地恢復目標食物網(wǎng)示意圖

3.3 浮游動物快速重建目標與適宜物種清單

浮游動物生物多樣性shannon指數(shù),除萬畝魚塘最差外其他區(qū)域間無顯著性差異,因此理論上講臨港二期濕地無需進行浮游動物群落的生態(tài)恢復工作。但考慮到魚類覓食需求,可以在進行魚類群落快速重建的同時,適當輔助開展浮游動物的人工投放工作。已有研究[36]表明,大型溞還可以促進水體懸浮物沉降、有利于沉水植物生長和穩(wěn)定水生生態(tài)系統(tǒng)。臨港二期濕地生態(tài)恢復所需的浮游動物清單示于表4。

表4 臨港二期濕地浮游動物恢復清單(枝角類)

4 結論

(1)臨港二期濕地目前檢出浮游植物110種、浮游動物28種、大型底棲動物僅1種、魚類沒有檢出,水體生物種類結構單一,難以為遷徒侯鳥提供充足食源,需要進行濕地物種快速重建與濕地生態(tài)恢復。

(2)單因素方差分析表明,北大港東、北大港西、臨港一期具有更好的浮游動植物、底棲動物多樣性,同時考慮到北大港濕地具有較好的魚類資源,這三塊濕地即可以作為臨港二期濕地修復的參照濕地。

(4)進行濱海人工構建或退化濕地的生態(tài)恢復/重建時,可以同區(qū)域、同鹽度水平、生態(tài)狀況更好的(近)天然濕地作為參照濕地；通過生物多樣性比選確定待修復濕地生物群落快速重建目標與適宜物種清單,是合理可行的。