基于生物群落重建的景观水体生态修复方法研究

黄越 闻丞 陈炜 李雪珊 谭羚迪Huang Yue Wen Cheng Chen Wei Li Xueshan Tan Lingdi   2018-06-19 04:00:32

Study on the Methods of Ecological Restoration of Landscape Water Bodies Based on Biological Community Reconstruction

摘要:城市中的景观水体是一种人工湿地,不仅是城市园林不可或缺的造景要素,也是众多生物的栖息地,还具有净化城市中水的潜力,是城市绿色基础设施的关键组成部分。基于生物群落重建的景观水体生态修复方法以物质流、食物网和“种-面积”关系等作为理论依据,以历史生物和景观数据作为修复依据,以“人为设计”和“自然发展”作为基本思路,重建完整食物网,使湿地生态系统中的物质顺畅流动并最终能被生物消解。以小毛驴市民农园景观水体为例,阐述重建生物群落生态修复方法包括:修复方案设计,工程施工,恢复监测和管理维护4个步骤及以下8种方法:历史生物数据/自然地理文献查阅,场地踏勘,生物本底调查,水底地形设计,景观工程施工,物种重引入,生物监测和水质监测。经修复的景观水体水质在当年生长季末期达到地表水Ⅱ类水质量标准,并为28种动物提供栖息地。基于生物群落重建的景观水体生态修复包括规划设计、施工建造、运营管理各环节,是我国华北平原地区建设人与自然和谐共生人居环境的有益尝试。

关键词:风景园林;生物群落重建;生态修复;食物网;人工湿地

文章编号:1000-6664(2018)04-0024-06

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2017-12-19

修回日期:2018-03-12

Abstract: The landscape water body in the urban area is one type of constructed wetlands. It not only serves the visitors by esthetics, but also the habitat for biodiversity. The landscape water body can be used to purify the recycled water discharged in the urban environment and it is one key component of the urban green infrastructures. Material flow, food web and “species number-area” relationship are three basic theories for the ecological restoration. Historical biology and landscape data are the restoration basis. "Designer-wetland" and "self-design" are two basic processes to reconstruct a complete food web through which the materials in the wetland ecosystem flow smoothly and can be digested finally. Taking the landscape water body on the Little Donkey Farm as example, the authors conclude that there are 4 steps for the ecological restoration: 1) restoration plan design, 2) construction, 3) monitoring, and 4) management, and 8 methods: 1) literature review on the historical biodiversity and geography, 2) site survey, 3) biodiversity survey, 4) underwater topography design, 5) landscape construction, 6) species reintroduction, 7) biodiversity monitoring and 8) water quality monitoring. The water quality of the restored landscape water body achieved the standard of levelⅡat the end of growing season and it provided habitats for over 28 animals. The ecological restoration of the landscape water body based on biological community reconstruction goes through the processes of planning and design, construction and management. It is a valuable attempt to build a beautiful human settlement where human and nature harmoniously develop in the North China Plain.

Key words: landscape architecture; biological community reconstruction; ecological restoration; food web; constructed wetland *

1 背景、目的和意义

1.1 研究背景和必要性

在生态文明建设时代背景下,建设安全、美丽、与自然万物和谐共生的生活环境是城镇绿地建设和管理工作亟须完成的任务[1]。景观水体是城镇绿地的重要组成部分,具有不可替代的游憩功能和生态系统服务功能[2]。然而,大规模营造的景观水体往往是硬质、渠化的,不利于生态系统发展和物种生存[3]。已有研究指出,尽管滨水空间是风景园林学科实践的重点之一[4-5],但与生态学、环境科学等学科存在隔阂,存在重审美轻生态,重人文轻自然的问题[4]。这导致景观水体自净能力受限,限制了景观水体发挥美学价值和生态系统服务功能,且管理、运行成本高昂[6]。城市化过程中,很多原先分布于城市周边的天然水体消失或者被改造、营建为景观水体,这些景观水体维持的生物多样性通常低于天然水体。生态系统的诸多功能需生物多样性体现,生物多样性降低会直接影响生态系统及其服务功能的稳定性[7-9]。营建、修复、维持高水平的生物多样性有利于生态系统稳定和服务功能发挥。

1.2 研究进展

人工湿地是“为了人类的利用和利益,通过模拟自然湿地,人为设计与建造的由饱和基质、挺水植物、沉水植物、动物和水体组成的复合体”[10]。伴随着城市化进程不断加快,城市水资源日益短缺[11]。构建人工湿地并在此基础上营造景观水体,提供低成本、有效的污水处理以及合理开展水的再利用,是缓解我国水资源危机的重要途径之一[12]。自20世纪中期以来,经由汇集Max-Planck-Institute-Process处理系统、根区法、Lelystad Process表面流处理系统、“砾石床”系[13-15]、复合垂直流人工湿地[16]等技术,人工湿地应用范围不断扩展,并被广泛应用到各类风景园林项目中[17]。然而,近年对一些运行时间较长的案例效能评价结果显示,景观水体营建中涉及的人工湿地技术生物相关部分通常只是人为植物种植配比[18-19],而这些植物需要专业性地管理、维护,并须与水流管理相配合,某个环节出现问题,景观水体的整体美学价值和生态系统服务功能就会受到较大影响[20]。目前被广泛认可并应用的基于生物群落的湿地修复方法为“生物操纵”(biomanipulation),它是一种基于生态系统途径的湿地生态修复方法[21],其含义为通过操纵生物群落中的关键组成部分来干预一个生态系统,是一种控制淡水初级生产者爆发的方法[22]。典型生物操纵方法为通过食肉鱼控制捕食浮游动物的鱼类,从而增加浮游动物对浮游植物的捕食压力,达到控制浮游植物增值的目的。非典型生物操纵为通过放养滤食性的鱼类直接捕食浮游植物[23-24]。

1.3 目的和意义

本研究旨在了解水体生物多样性的恢复与维持机制,找到生物多样性重建和风景园林空间组织与营造,以及与人工湿地营造技术的结合点。探讨并回答以下问题:第一,如何理解生物群落对景观水体的重要性?第二,如何设计、重建景观水体中的生物多样性?第三,在景观水体中重建的生物群落,对景观水体发挥了怎样的效益?本文提出:生物栖息地的设计、营建和生物群落重建应是沟通风景园林学和生态学、环境科学的基本出发点;应遵循自然地理和历史状况,按群落演替的规律,采取人为设计与自然发展结合的方式营建景观水体;以一个北京城郊的景观水体营建过程为实例,检验生物群落对景观水体发挥的效益,以及景观水体对生物多样性保护的作用。

图1 景观水体生态修复的步骤和方法2 理论依据和设计思想

2.1 生态学理论依据

2.1.1 物质流理论

物质循环和能量流动是生态系统的基本生态过程。城市景观水体会接纳城市下垫面、污水处理设备、农业排灌等富含有机物和植物营养素(氮、磷)的来水。这些营养物质被水生生物吸收,进入湿地生态系统的物质循环和能量流动过程,从而得到消解。如果湿地生态系统不足以消耗这些营养物质,就会引起初级生产者大量增殖,导致水体溶解氧浓度快速下降,其他水生动物因水体缺氧大量死亡,过量营养物质被“禁锢”在生产者这一营养级内,水质得不到净化。在湖泊生态学中,此过程被称为从“草型清水态”退化到“藻型浊水态”[23]。

2.1.2 食物网理论

物质循环和能量流动依赖食物网[25]。食物网中的各种生物紧密参与有机物和无机营养盐转化的物理、化学过程[26]。湿地生态系统中的生物群落包括高等维管束植物、浮游动植物、底栖动物、昆虫、两栖爬行类和鸟类等组分,他们共同组成了湿地食物网[25]。完整的食物网能够充分消解利用营养物质,从而使湿地水质得到净化。

2.1.3 “种-面积”关系

随着栖息地面积增大,栖息地内的生物种类也随之增加,最初增加很快,以后逐渐缓慢,形成一条曲线,叫作“种-面积”曲线(Speciesarea curve)[27]。这是湿地生物群落重建的基本原理,即一定面积的人工湿地,仅能支持相应营养级数的生物群落,恢复的生物种类数有其上限。

2.2 生态修复依据和设计思想

2.2.1 历史生物和景观依据

景观水体所在区域的历史生物数据是生态修复的生物依据。特别在城市环境中,原生生态系统已经在很大程度上受到干扰,恢复的目标状态,以及需要恢复什么生物,需要以历史生物数据为依据。自然地理环境是景观水体生态修复的景观依据,需从区域气候、地形、水文条件等入手,以历史景观数据来支撑水体恢复的景观目标。

2.2.2 “人为设计”和“自然发展”

在湿地生态修复方面,有人为设计(designer-wetland)和自然发展(self-design)2种思路。前者认为应该种植足够的植物来达到特定的效果,后者认为为了加速自然恢复,可人为创造一些必要的条件,但是还是需要给自然提供足够的时间让其恢复[28-30]。实际上,这两种思路是相辅相成的,人为设计是修复过程中的必要步骤,以此为基础,自然发展一步一步展开,巩固人为设计的效果。

2.3 基于生物群落重建的景观水体生态修复流程

在景观水体中重建生物群落以开展生态修复的基本思路是:人工重引入扩散能力较弱的生物类群,吸引扩散能力较强的生物类群,形成食物网,使湿地生态系统中的物质顺畅流动并最终能被生物(如水鸟)或人工移除出水体。修复流程包括:1)修复方案设计:依据景观水体所在区域的历史生物数据、自然地理条件、历史景观环境和生物本底调查结果,明确生态修复的目标生物物种,从景观水体物理空间结构和生物群落重建2个方面进行方案设计;2)工程施工:按照方案塑造水体的物理空间结构,按照搭建食物网的思路重引入关键生物物种;3)恢复监测:(1)生物监测,包括重引入物种的生存和繁衍情况和自然迁入生物的种类和数量;(2)水质监测;4)管理维护:需人力维护以抵消人造环境对水体产生的负面影响(图1)。

图2 小毛驴市民农园景观水体位置和排水方向图示

图3 北京平原地区典型湿地生态系统食物网[26]3 实例研究

3.1 景观环境

小毛驴市民农园景观水体位于北京市海淀区苏家坨镇后沙涧,西山凤凰岭的山前平原上,是地下水位较高的区域。该农园是一处都市农业示范园区,属于广义的城市绿地[31]。园区内不喷洒农药,施用有机肥料(牛粪)。水体位于农园的东南角,其原本是一个池塘,但是因为地下水位下降,池塘季节性干涸时间超过半年。水体面积约2 600m2,分为西池(680m2,深1.2m)和东池(1 920m2,深0.5~0.8m)。水源为地下水、农地排灌水和雨水。排灌水和雨季地表径流顺着排水渠汇入水体,从南侧排入城市河道(图2)。

3.2 修复依据

3.2.1 生物依据

小毛驴景观水体所在北京地区涉及的湿地生物数据历史文献如下:《北京动物调查》《北京地区两栖动物区系及生态分布》《北京鱼类和两栖、爬行动物志》。2000年以后出版的动物志类文献如下:《北京及其邻近地区的鱼类物种多样性、资源评价和原色图谱》《北京蜻蜓目昆虫名录及地理分布》《北京蜻蜓生态鉴别手册》。以上文献共记录鱼类85种,蛙类7种(平原地区5种),蜻蜓目62种。景观水体生态修复的最终目的之一是恢复上述物种的栖息地。图3所示为笔者根据以上文献绘制的北京平原地区水体生态系统食物网。该食物网揭示了水体中各类群生物之间的营养级关系,以及营养物质如何通过食物网进行消解。

3.2.2 历史景观依据

小毛驴景观水体所处的北京海淀区域,“……无论是当时还是现在,这座城市真正景色迷人之处,还是在城区与西山之间的西北郊。那里既有雄伟的山色,也有注入湖泊泉水的丰沛水源”[32]。历史上的海淀区域湿地沼泽遍布,随着北京四季变化岁岁枯荣。此区域适宜开展景观水体的恢复。

3.3 修复方案及实施过程

3.3.1 物理空间结构营造

场地原貌为平坦池底和竖直驳岸,此种水体空间结构不利于多种生物生存,因此通过水体竖向设计,岛屿、浅滩、平台和深潭等水底地形被营造出来,水深从坡岸入水至1.5m,满足不同水生生物对水深的需求(图4)。水体主入水口在东池东北角,出水口设置在东池南角。设计最高水位1.5m,夏季蓄水达到最高水位;春秋季节水位维持在0.6~1.0m;冬季结冰前,补水至1.0m。驳岸形式采用草坡。于2017年5月2—12日进行土工施工。施工过程包括按照设计塑造水底地形,铺设防渗毯,回填底泥。回填底泥厚度至少50cm,以保证原池塘底泥中的生物群落被完整保留。在5月13—14日,蓄水并种植沉水植物。图5显示了自2017年4—8月,水体的景观恢复过程。

3.3.2 生物群落重建步骤

1)人为设计和管理。

“人为设计”部分:从5月中至8月底,沉水植物、挺水植物、底栖生物、鱼类依次被重引入(图6),各种生物均为华北地区原生乡土物种。沉水植物种植在水深0.5m以深区域,挺水植物种植在水深0.2m以浅区域,形成层次鲜明的水生植物景观。除原生鱼之外,适当引入观赏性草金鱼,在保证生态功能的同时,也使鱼类易于观赏。进入雨季(6月下旬开始)后,大量富含肥料的雨水在短时间内排入该水体,漂浮植物大量生长,此时需要人力将漂浮植物捞出,协助水体生态系统维持在一个相对稳定的状态。

2)自然发展。

5—9月,每周一次的生物监测结果揭示了自然发展进程(图6)。主要事件如下。

蜻蜓:黄蜻(Pantala flavescens)在蓄水当日即前来产卵,6月17号首次记录到黄蜻羽化。7月7日,记录到碧伟蜓(Anax parthenope)大规模羽化。

两栖类:黑斑侧褶蛙(Pelophylax nigromaculatus)在蓄水次日产卵;6月21日记录到其蝌蚪长出4条腿。6月26日,入夏第一场大雨之后,记录北方狭口蛙(Kaloula borealis)蝌蚪。

鸟类:蓄水满一月后,小(Tachybaptus ruficollis)被记录,这是该景观水体吸引来的第一种水鸟。7月8日,记录池鹭(Ardeola bacchus)、夜鹭(Nycticorax nycticorax)等鹭鸟。7月21日,记录普通翠鸟(Alcedo atthis)。8月4日和26日,均记录一只成年池鹭和亚成鸟在湿地捕食,可以推测有一窝池鹭在水体附近繁殖,该景观水体为池鹭雏鸟提供了生长所需食物。

鱼类:6月28日重引入第一批鱼类,7月21日,记录鲫鱼(Carassius auratus)鱼苗。9月,通过鱼笼诱捕,记录鳑鲏(Rhodeinae sp.)、黄䱂(Hypseleotris Swinhonis)幼苗,以及大量麦穗鱼(Pseudorasbora parva),表明鱼类群落恢复良好。

蛇类:8月26日,记录虎斑颈槽蛇(Rhabdophis tigrinus)。

3)“人为设计”和“自然发展”的关系。

“人为设计”决定了水体地形和水生植物、鱼类和底栖动物群落,为蜻蜓、蛙类、蛇和鸟类的“自然发展”提供了栖息地物理环境和食物条件。蓄水后,坡岸、浅水环境为蛙类繁殖提供了便利。不同种类的蜻蜓在蓄水和水生植物出现之后即来产卵。在水体中出现蝌蚪、底栖动物和蜻蜓幼虫后,以此为食的小 被吸引前来。蝌蚪大批长成蛙后,以此为食的鹭类被吸引前来。鱼类重引入并开始繁殖后,以此为食的翠鸟被吸引前来。人为设计的适宜物理空间和充足食物是生物群落赖以自然发展的关键因素。食性不同的生物在生物群落建立过程的不同阶段出现,并参与到建立过程中来。

图4 小毛驴景观水体水底地形设计图

图5 小毛驴水体4—8月景观恢复过程3.4 修复效果

3.4.1 净化水质效果

该景观水体在5月中旬蓄水之初,水源为地下水。经过3日浸泡,水体总氮含量均值达1.33mg/L,略低于Ⅲ类水标准[33]。6月下旬进入雨季后,大量富含有机肥的雨水汇入水体。7月中旬,水体总氮含量均值达到2.40mg/L,为劣Ⅴ类水质标准[33]。水绵(Spirogyra sp.)、刚毛藻(Cladophora sp.)和水网藻(Hydrodictyon sp.)等大型漂浮植物生长茂盛,迅速吸收水体里的氮素。由于湿地动物群落尚未发展成熟,当时湿地动物的生物量尚不足以消化短时间内大量爆发的漂浮植物,因此需人工将其打捞移除。随着生物群落的发展,8月水体总氮和总磷含量分别降低到0.36mg/L和0.02mg/L,达Ⅱ类水标准,同时,叶绿素a浓度也优于刚蓄水的5月(表1)。

3.4.2 生物栖息地功能

在5个月修复过程中,该水体记录到两栖类2种,水鸟5种,爬行类1种,蜻蜓20种(表2)。其中,黑斑侧褶蛙和北方狭口蛙本就在这个区域栖息,常水体状态给这两种蛙类繁殖提供了适宜的栖息地,估计繁殖数量可达1 000只以上。5种水鸟中,3种为鹭鸟,小为游禽,还有一种依赖湿地捕鱼的普通翠鸟。鹭类鸟类是大面积游荡型觅食的鸟类,在湿地成效的指示效果上不及游禽。一种爬行类被记录到,为虎斑颈槽蛇(Rhabdophis tigrinus),它是一种喜好在湿地区域栖息的蛇类,主要捕食大量繁衍的蛙类。

4 讨论和结论

4.1 修复前后价值对比

在净化水质方面,修复之前,该水体仅在7—9月有常水体,由于下渗,水体深度较浅,且在7—8月雨季,富含有机肥的农田排水直接与地下水混合,或溢流排入城市河道,对地下水和城市河道产生负面影响。修复之后,防渗毯隔离了富含农家肥的雨水和地下水,水体经过湿地生物群落净化再排入城市河道,发挥了净化水质的作用。在生物多样性方面,修复前只有种类较少的水生植物(1种)、蜻蜓(1种)和两栖类(2种),以及偶尔记录的鹭类水鸟(访谈)。修复之后,沉水植物恢复到8种,蜻蜓20种,水鸟5种,包括鹭类、类和翠鸟,生物多样性得到丰富。在管理方面,修复之前该水体抽取地下水种植莲藕,修复之后,需在7—8月打捞漂浮植物,9—10月打捞沉水植物(表3)。农园景观水体生态修复是一种“有代价的恢复”,主要是铺设防渗毯和抽取地下水。然而,其生态价值也是显著的,一是为多种大量的湿地生物提供了稳定的栖息地,二是在雨季净化了富含肥料的农业面源污水,同时,拥有丰富多彩生物的景观水体也具有美学价值。

4.2 景观水体生态修复的有限性

城市景观水体修复工作必须考虑客观现实条件,包括水源、工程措施、管理方法、湿地的功能等方面的内容,在客观现实条件的限制下选择性恢复适宜环境的湿地生物群落。同时,在城市区域对景观水体进行生态修复,并不是一劳永逸,而是需要采用人力干扰来抵抗周边环境对水体生态系统的负面影响,使其维持在一个水质清洁、生物多样性丰富的相对稳定状态。

4.3 结论

城市景观水体生态修复基于物质流、食物网、种-面积关系等生态学基础理论,以水体所在区域的历史生物和景观数据作为修复依据,在“人为设计”和“自然发展”2个过程的共同作用下修复完整的湿地生物食物网,保证水体生态系统的物质流顺畅,被排入景观水体的过量植物营养素可以被生物群落消解,水质得到净化。本研究将此过程与景观工程结合起来,总结出以下基于生物群落重建的景观水体修复流程:修复方案设计、工程施工、恢复监测和管理维护4个步骤,历史生物数据/自然地理文献查阅,场地踏勘,生物本底调查,水底地形设计,景观工程施工,物种重引入,生物监测和水质监测8种方法。通过小毛驴市民农园景观水体生态修复项目的实践,结果显示,完善的生物群落对景观水体水质净化功能的发挥具有关键作用,同时,该景观水体也为保护地区性生物多样性起到重要作用。

注:文中图片除注明外,均由作者绘制或拍摄。

致谢:感谢汇丰银行资助该项目,感谢牛加翼在该项目中的贡献。

图6 小毛驴景观水体生物群落重建过程,“人为设计”和“自然发展”时间表参考文献:

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(编辑/王媛媛)

作者简介:

黄越1986年生/女/重庆人/北京大学生命科学学院在站博士后/研究方向为生态修复,城市生物栖息地营建(北京 100871)

闻丞

1981年生/男/云南人/北京大学生命科学学院在站博士后/研究方向为生物地理,生物保护规划,生态修复(北京 100871)

陈炜

1977年生/男 /北京人/北京大学生命科学学院工作人员/研究方向为城市生物多样性(北京 100871)

李雪珊

1994年生/女/北京人/山水自然保护中心/研究方向为城市湿地修复(北京 100871)

谭羚迪

1991年生/女/福建人/山水自然保护中心/研究方向为城市生物多样性,环境教育(北京 100871)

* 通信作者(Author for correspondence) E-mail: 82335884@qq.com

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