南四湖新薛河湖滨带湿地修复效果评价

摘要: 通过对南水北调东线南四湖新薛河入湖口湖滨带人工湿地修复区的植物群落组成和物种多样性进行调查,采用ShannonWiener指数、Simpson指数、均匀度指数和丰富度指数对该地区的植物物种多样性进行分析,以评价退耕还湿措施对湖滨带退化湿地的生态修复效果。结果表明,经过2年的生态修复工作,湖滨带退化湿地中的植物物种数量由修复前的16科25种提高到修复后的24科47种。修复后的湖滨带湿地生态系统具有较高的生物多样性,其物种多样性明显高于未修复地区,其中,修复后的湿地高位台田区ShannonWiener指数、Simpson指数、均匀度指数分别为1.619、0.745和0.860,远高于未修复高位台田区的0.060、0.012和0.065。通过退耕还湿措施修复的湖滨带人工湿地系统对于恢复南四湖湿地的物种多样性、实现湖滨带湿地生态系统的自然可持续性具有重要的意义。

关键词 :南水北调;南四湖;人工湿地;生态修复;物种多样性

湿地是自然界最富生物多样性的生态系统和人类最重要生存环境之一,在蓄洪防旱、调节气候、控制土壤侵蚀、促淤造陆、降解污染物以及维持区域生态平衡等方面具有极其重要的作用[1]。然而,由于自然和人为原因,大量湿地资源减少,污染加剧,生物多样性下降,生态功能也随之退化。国内外关于湿地的功能与生物多样性、湿地合理开发与保护以及退化湿地的生态恢复等方面开展了研究[2-5]。针对南四湖湖滨带人类活动剧烈、入湖河流和湖泊水体污染严重、湿地生态系统的结构和功能破坏等突出问题,通过退耕还湿措施在南四湖新薛河入湖口建设人工湿地示范区,针对高位台田和低位水塘等退化湖滨带湿地开展生态修复工作,保护南四湖湿地丰富的生物多样性资源,恢复与重建湖滨带湿地生态系统。本文通过实地样方调查湖滨带退化湿地修复区的植物群落及分布状况,采用植物物种多样性指数评价退化湿地生态系统的修复效果。

1研究地区概况

南四湖是南水北调东线工程的重要输水通道和调蓄湖泊,其湖面面积1 266 km²,流域面积31 700 km²,入湖河流53条。南四湖流域由于多年来延续的高消耗、高污染的粗放型经济增长方式,导致流域内结构性污染严重,湖水水质恶化。由于工农业生产、生活污水排污形成的点源、面源污染和湖区的人为过度开发,南四湖的自然生态环境受到了严重的破坏,湿地面积减少,湖泊的生态功能退化,自净能力受到严重影响。

新薛河是南四湖下级湖污染最为严重的三条河流之一,受人类生产活动的影响,新薛河入湖口处的湖滨带湿地生态系统已被完全破坏,大量湖滩地被开发为台田和鱼塘。2005年,山东省在该处建设了面积约140 hm²的新薛河人工湿地水质净化工程,一方面对入湖河水进行净化,另一方面修复湖滨带湿地生态系统,提高湖泊自净能力,并减少台田开垦造成的面源污染。新薛河人工湿地中栽种的先锋植物主要为芦竹、莲藕和菱角,在退耕还湿工作通过土地生态补偿、加强宣传和现场管理工作,尽量减少人类活动干扰对湖滨带湿地修复工作的影响。

2 研究方法

2.1 样地调查

选取新薛河人工湿地工程示范区和邻近的台田-鱼塘垦殖区分别作为修复后的湿地和未修复湿地的代表区域,高位台田-低位浅水域纵横交错的地形特征使得植物分布差异明显,根据高程差异和人为干扰因素,将调查对象分为高位台田、过渡带和浅水域3个不同区域。其中,高位台田指的是地面高程大于32.8m的陆地系统,浅水域指水面高程小于32.3m,且水深小于1.5m的区域,而两者之间的交错带即为过渡带(南四湖下级湖调水前后的水面高程分别为32.3m和32.8m)。设置样方,调查植被的分布状况,其中,两个地区的高位台田和浅水域分别设置3个样方,过渡带分别设置5个样方,共计22个样方,样方尺寸为1m×1m。调查内容包括:植物种类、株数、盖度、高度和生物量。

2.2 生物多样性测度

生物多样性测定的指标很多,一般由物种丰富度指数、多样性指数和均匀度3个指标组成的α-多样性指数表征。一般采用ShannonWiener指数和Simpson指数来评价物种多样性大小,二者同时考量物种丰富性及物种均匀性两种指标。本文采用丰富度指数、Simpson指数、ShannonWiener指数和Pielou均匀度指数来评价新薛河湿地的物种多样性。

丰富度(R)指数,即物种丰富度指数

R=S(1)

Simpson 指数(D)

D=1-ΣPi2=1-Σ(ni/N)2(2)

Shannon-Wiener 指数(H′)

H′=-ΣPilnPi(3)

Pielou均匀度指数(E)

E=H′/lnS=(-ΣPilnPi)/lhS(4)

彭艳红等:南四湖新薛河湖滨带湿地修复效果评价

中国人口•资源与环境 2010年 第1期式中,Pi=ni/N,为种i的相对多度;ni为种i的个体数;N为种i所在样方内所有物种的总个体数;S为种i所在样方内的物种总数,即丰富度指数。

3 结果与讨论

3.1 植被的物种组成

调查统计结果如表1所示。新薛河入湖口湿地及周边地区共有27科54种植物,以水生植物和湿生植物为主,优势科为禾本科和菊科,其中,禾本科(Gramineae)11种,菊科(Asteraceae)7种,共占总科数的7.4%,而种数则占33.3%;含4种以下的科有25科,占总科的92.6%,而种数仅占总种数的66.7%。可见,新薛河湿地植物种类组成种单种科较多,说明该区植物优势科较集中。

3.2 不同样地类型植物群落特征

各调查样地的植物种数及优势种群如表2所示。高位台田区高出湖水水位约0.5～1.5m,修复后的湿地分布有芦竹(Arundo donaxl)、芦苇(Phragmites australis)、播娘蒿(Descurainia)、艾蒿(Artemisia princeps)、複草(Humulus scandens (Lour.) Merr.)和泥胡菜(Hemistepta lyrata)等16种,其中菊科植物种类最多,芦竹为优势种;而未修复的高位台田区仅有小麦(Triticum aestivum)、蒲公英(Herba Taraxaci)

3种植物。

修复后的过渡带受湖水水位影响较大,该区分布的植物种类最多,主要由草丛植被、沼泽植被构成,修复后的湿地主要分布有马唐(Digitaria sanguinalis (L.) Scop.)、狗牙根(Cynodon dactylon (L.) Pers)芦苇、香蒲(Typha orientalis)、荆三棱(Scirpusyagara Chwi)、隵草(Scirpus triqueter)、酸模叶蓼(Polygonum lapathifolium)、泥胡菜、艾蒿、複草和喜旱莲子草(Alternanthera serpyllifolia)等28种植物,植物密度大,分布范围广;而未修复过渡带地区只有15种植物,且植物频度和盖度均较低。

浅水域区主要由沉水植物和浮叶植物构成。修复后的浅水域主要分布有菹草(Potamogeton crispus)、轮叶黑藻(Hydrilla vertlcillata)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum L.)、莲(Nelumbo nucifera)、荇菜(Nymphoides peltatm)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)和慈菇(Sagittaria sagittifolia)等12种植物,其中,菹草和轮叶黑藻为优势建群种;而未修复浅水域地区只有8种植物,水面及水下零星分布有漂浮植物水鳖(Hydrocharis dubia Backer)、浮萍(Lemna minor Linn.)、槐叶萍(Salvinia natans (L.) All.)和菹草等,频度和盖度均较低。

可见,经2年生态修复后,湖滨带湿地植物共有24科47种,而未修复地区共有16科25种,这说明了生态修复措施效果明显,退化湿地的物种多样性得到了显著改善。两个地区的物种数量对比同时也说明了人为过度干扰严重影响了湿地物种分布和物种多样性,未修复区台田只有3种植物分布就是因为人为过度干扰所致。

由表2还可以看出,六种不同类型样地的植物组成和主要建群种均表现出不同特点,不同样地具有各自不同的优势物种。其中,湿地内过渡带的物种丰富度指数最大,其次是台田区,而浅水域的物种丰富度指数最低,这说明植物的物种丰富度与基底高程之间有密切关系,区域高程是决定其物种数量的主要因素。

3.3 物种多样性分析

为了反映生态修复措施对退化湿地生态系统物种多样性的影响,分别对所设置的不同样地类型的Shannon

Simpson指数是反映群落优势度较好的指标,其统计分析结果如图1所示。可见,经过2年生态修复后,湖滨带湿地中不同样地类型的Simpson指数均大于未修复地区。其中,未修复高位台田区Simpson 指数仅为0.012,而修复后的高位台田区Simpson 指数为0.745,这是因为未修复高位台田主要种植小麦,其相对多度达99%以上,导致Simpson指数偏低,说明人为干扰因素严重影响植物群落优势度。对于过渡带和浅水域区域,由于受人为因素干扰较小,两个地区之间的Simpson 指数较接近,修复后湿地的Simpson 指数略高于未修复地区。

ShannonWiener多样性指数被认为是一种能较好地反映出个体密度、生境差异、群落类型、演替阶段的指数,能较好地反映出物种丰度和群落的均匀度。修复后的湿地与未修复地区ShannonWiener指数的统计分析结果如图2所示。其变化趋势与Simpson指数类似,修复后的湿地高位台田、过渡带和浅水域ShannonWiener指数均大于未修复地区。由于开展湿地生态修复前高位台田的物种极为单一,所以其ShannonWiener指数很低,仅为0.060;而经过湿地修复措施后,其ShannonWiener指数大幅度提高,达到1.619。对于过渡带和浅水区而言,由于其受人为因素干扰相对较小,两个地区物种ShannonWiener指数较接近,通过采取生态修复措施,湿地的过渡带和浅水区ShannonWiener指数分别由修复前的0.524、0.529升至0.553和0.721。在修复后的三种类型样地中,ShannonWiener指数均大于1,分别达到1.619、1.229和1.537,这说明经过生态修复后,湖滨带湿地系统的生物多样性达到了较高的水平。

Pielou均匀度指数反映了植物空间分布均匀程度,指数越大植物空间分布越均匀。修复后的湿地与未修复地区的Pielou均匀度指数的统计分析结果如图3所示。可见,修复后的湿地高位台田区均匀度指数远大于未修复地区,这是因为未修复高位台田区受人为因素干扰,形成了以小麦为主的顶级群落,导致均匀度偏低,而高位台田的退耕还湿措施对植物多样性恢复起到了积极的作用。未经修复的过渡带的均匀度指数要略大于修复以后的过渡带,分析其原因可能是由于修复后的过渡带由于受人类活动影响很小,某种物种数量达到一定程度后,出现了物种的优胜劣汰竞争,一些物种的生态优势度增加,导致物种

different sampleplots多样性减少,同时降低其均匀度,形成以个别物种为主的顶级群落。

可见,经过退耕还湿措施修复后的湖滨带湿地系统的综合植物物种多样性指数远大于未修复地区,其物种多样性和区域生态功能得到了明显改善。

4 结 论

(1)经生态修复后的新薛河湖滨带湿地生态系统的物种丰富度指数得到显著提高,植被由未修复地区的16科25种提高到24科47种,植物物种以水生植物和湿生植物为主,优势科为禾本科和菊科。

(2)湖滨带湿地植物的物种丰富度与基底高程之间有密切关系,区域高程是决定其物种数量的主要因素,湿地内过渡带的物种丰富度指数最大,其次是台田区,而浅水域的物种丰富度指数最低。

(3)经生态修复后的湖滨带湿地生态系统的生物多样性得到很大提高,其物种多样性明显高于未修复地区,其中,修复后的高位台田区ShannonWiener指数、Simpson指数、Pielou均匀度指数分别为1.619、0.745和0.860,远高于未修复台田区的0.060、0.012和0.065。

(编辑:于 杰)

参考文献(References)

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Evaluation of Ecological Rehabilitation of Xinxue River Wetland,

Nansi Lake of Eastern Route SouthtoNorth Water Transfer

PENG Yanhong1 JING Yuming2 LIU Daoxing2 MENG Fei2

(1.School of Finance and Banking,Shandong University of Finance,Jinan

Shandong 250014,China;

2.School of Environmental Science & Engineering, Shandong University, Jinan

Shandong 250100, China)

Abstract The methods of ShannonWiener index, Simpson index, community evenness index and abundance index were used to analyze the communities" composition and species diversity in the restoring constructed wetland ecosystem of Xinxue River in Nansi Lake, eastern route of SouthtoNorth Water Transfer. Through returning land for farming to wet land the effect of ecological rehabilitation on the degenerative lakeshore wetland was evaluated. The results showed that the species of wetland plant were 47, belonging to 24 families after ecological rehabilitation for two years, higher than that with 25 species, belonging to 16 families in raised fieldsfish ponds area. The biodiversity index and abundance index of rehabilitative wetland were bigger than those of raised fieldsfish ponds area without ecological rehabilitation. And ShannonWiener index, Simpson index and community evenness index of raised fields in rehabilitative wetland were 1.619, 0.745 and 0.860, higher than those with 0.060, 0.012 and 0.065 of raised fields without rehabilitation, respectively. The lakeshore constructed wetland system played an important role in protecting the species diversity and implement of natural durative lakeshore wetland ecosystem by the measure of returning land for farming to wetland.

Key words SouthtoNorth Water Transfer; Nansi Lake; constructed wetland; ecological rehabilitation; plant diversity

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