退化湖滨带水生植物恢复技术及工程示范研究

摘要

近二三十年来，我国湖泊水污染和富营养化问题日趋严重，湖泊生态系统的良性循环遭到破坏，湖滨带退化现象尤其严重。太湖是长江中下游地区典型的大型浅水湖泊，为我国五大淡水湖之一。太湖北部紧邻无锡市的五里湖是太湖污染最重的湖湾，处于重富营养状态，水生植物消失殆尽。水生植物作为重要的初级生产者，能够通过多种机制影响湖滨带生态系统，在改善水域生态条件、优化水域环境、促进物质循环、为水生动物提供栖息生存、繁衍生殖、索饵育肥、逃避敌害的场所方面起着极其重要的作用。水生植物的恢复可与生境条件形成良性的反馈关系，加速湖滨带健康生态系统的形成。因此，退化湖滨带生态恢复过程中，水生植物的恢复是十分重要的。湖滨带生态恢复中采用的水生植物包括挺水植物、浮叶植物和沉水植物三种生活型。水位变化是湖滨带的最主要特征之一，研究水位变化对挺水植物萌发和生长的影响，有助于确定挺水植物恢复的高程和利用季节性的水位变化快速恢复挺水植物。挺水植物的恢复能够提高湖滨湿地的脱氮除磷的效率，改善湖滨带的生境条件。沉水植物的恢复是水生植物恢复的难点，研究沉水植物与水质、水质与浮游动植物之间的关系，确定太湖沉水植物恢复的重要影响因子及其临界值。研究不同基底条件下人为植物配置对沉水植物恢复与群落结构的影响以及不同基底条件下黑藻的生长和生理生化反应。 本文采取“野外调查与实验研究相结合、室内实验与室外模拟相结合、技术研究与工程示范相结合”的方法，针对上述内容开展研究。通过人工气候室和室外栽培实验，分别研究了4种水位(-8cm潜水位，2cm浅水位；15cm深水位；2cm和15cm交替变动水位)和2种温度(15℃、25℃)条件对挺水植物芦苇和香蒲的生长以及芦苇和香蒲的存在对湖滨湿地净化水质的影响。结果表明：当以根茎方式种植芦苇时，潜水位供氧状况良好对芦苇发芽有利，淹水位更有利于芦苇幼苗的生长，较高的温度既有利于芦苇的发芽，也有利于幼苗的生长。与香蒲比较而言，浅水层更有利于芦苇的生长，而深水层更有利于香蒲的生长。在混合种植的情况下，无论芦苇还是香蒲，其生长状况均比单独种植时差。各种水位条件下，芦苇的存在都明显促进了湿地脱氮除磷能力的发挥，与无植物湿地比较，浅水位芦苇湿地对TN和NO3-N的去除率高40％以上，对TP和DTP的去除率高10～30％。芦苇对湿地反硝化过程的促进作用是湿地脱氮能力提高的主要原因，该过程主要是通过提供有机碳源实现的。对太湖的东太湖(E)、贡湖湾(G)、梅梁湾(M)三个典型湖区的调查研究结果表明：水生植物生物量与水质指标(TN、TP)之间呈显著负相关，太湖中水生植物占优势的TP的临界值为0.1mg/L。贡湖湾的TP水平正处于沉水植物消失的临界值。浮游动物生物量和浮游植物生物量都随着TN、TP浓度的升高而增大，在TP浓度和浮游生物生物量之间存在显著相关。浮游动物群落中原生动物占有优势地位。浮游动物与浮游植物之间的关系表明，在富营养化湖泊中，浮游动物在控制浮游植物中的作用有限，营养盐浓度在控制浮游植物增长中比浮游动物的捕食压力重要得多。在太湖的大部分湖区，控制营养负荷，同时增加沉水植物的生物量，对改善湖泊水质和调节湖泊生物结构十分重要。但对于梅梁湾，必须采取有效措施控制营养盐输入，而不是直接恢复沉水植物。通过模拟低光照条件(光照强度削减99％)和西五里湖经过不同的疏浚方式和不同程度疏浚后的生泥基底和淤泥基底条件，研究了人为配置的4种沉水植物群落的演替和群落结构变化的情况。每一种群落配置都包括4种沉水植物(黑藻、马来眼子菜、苦草、大茨藻)，其中一种为主栽种(22株，占55％)，其它3种为非主栽种(每种植物各6株，共占45％)。结果表明：植物的生物量随季节、植物竞争特性和生境条件而变化。4种植物由于株高和分蘖能力的不同导致它们对光竞争能力的差异。移栽后经过405天，2种基底上的4种群落配置在第二年自然恢复后，群落的优势种均演变为黑藻。黑藻的生物量占群落总生物量的90％以上，只有少量马来眼子菜存在，苦草和大茨藻基本消失。从2种基底上沉水植物的成活率和生物量来看，生泥基底有利于提高沉水植物的存活率，而淤泥基底丰富的营养更有利于沉水植物的生长。因此，生境条件和水生植物的生长特性和繁殖对策决定了水生植物的群落结构，人为配置对构建水生植物的群落结构所起的作用十分有限。 本研究在人为植物配置实验的基础上，进一步研究了在2种底泥上黑藻的生长和生理生化反应。淤泥有利于黑藻生物量的累积，并能促进植物增高和分蘖，提高地上部比重。黑藻的根数在生泥上较多，根长在生泥和淤泥上无明显差异。底泥性质对SOD、POD的活性影响不大。但适度疏浚的肥沃底质有利于累积可溶性蛋白质，富集氮磷，使得植物的叶绿素含量较长时间维持在高水平，延缓植物衰老。对于透明度较低(低光照条件)的富营养化水体，适度疏浚非常重要，既在一定程度上清除内源，又能够保持对沉水植物恢复有利的基底条件。根据前期研究成果并集成应用其它技术，在太湖西五里湖实施了260000m2的湖滨带生态恢复示范工程。首先进行适度疏浚并修复湖滨带基底，春季低水位时，在合适的高程种植挺水植物，使之能够在潜水位萌发、浅水位生长。利用陆生植物浮床和水位调控技术改善生境条件，使TP浓度降低到0.1mg/L以下，选用土著植物作为先锋物种，以移栽成苗和引进底泥种子库相结合的方式恢复水生植物(不进行人为植物配置)，构建挺水植物、浮叶植物、沉水植物组成的全系列或半系列的湖滨带植物系统，利用多种水生生物对湖滨带生态系统结构进行优化调控，恢复湖滨带生态系统功能。这一整套以水生植物恢复为核心的退化湖滨带生态恢复工程实施2年后，水生植物种类、覆盖度和生物量均明显增加，生物多样性指数为1.7-1.8，生态系统得到一定的恢复。光补偿点低，生存和繁殖对策适应低光照条件的高冠型和大生物量的沉水植物成为先锋物种。水生植物的分布与水深有显著的相关性，主要分布在西五里湖水深小于2m的区域，也即透明度达到水深1/3以上的区域。示范区水质得到明显改善，TN浓度值降低到了五里湖的一半，TP值可达到Ⅲ～Ⅳ类水质标准，优于五里湖一个等级，SD值较五里湖对照断面约增加30cm左右。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1湖滨带生态系统特征及其退化现状与原因

1.2退化湖滨带生态恢复的理论基础

1.3水生植被退化机理研究综述

1.4水生植物恢复技术综述

第二章课题背景及研究方案

2.1课题背景

2.2研究方案

第三章水位变化对挺水植物生长与水质净化的影响

3.1材料与方法

3.2结果

3.3讨论

3.4小结

第四章沉水植物与水质和浮游生物之间的相互影响

4.1研究方法

4.2结果

4.3讨论

4.4小结

第五章不同基底条件下沉水植物的群落配置研究

5.1材料与方法

5.2结果

5.3讨论

5.4小结

第六章不同基底条件下黑藻的生长和生理生化反应

6.1材料与方法

6.2结果

6.3讨论

6.4结论

第七章退化湖滨带生态恢复工程示范研究

7.1示范工程研究地点

7.2示范工程区环境概况

7.3示范工程内容

7.4监测与分析方法

7.5生态恢复效果

7.6水质改善效果

7.7示范工程生态环境效益评估

7.8讨论

7.9小结

第八章结论与建议

8.1研究结论

8.2创新点

8.3建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢