南水北调东线调蓄枢纽东平湖水生植物群落结构分析

南水北调东线调蓄枢纽东平湖水生植物群落结构分析

东平湖位于山东省东平县。1954年至2003年的平均水位为40.45米，平均水面为133公里。这是一个典型的平坦而清淡的湖泊湿地。东平湖是南北线路的重要调整和储存中心。线路的实施将对东平湖产生重大影响。1979年，山东省水生渔业厅对东平湖水生植物的种类、数量和分布进行了专项调查研究。1994年，庞清江进行了系统的调查，包括水生植物。然而，在实施江南东线项目后，对东平湖水生植物可能产生影响的研究仍然是空白。因此，本文对东平湖水生植物进行了实地调查，根据相关数据，对东平湖水生植物的衰退进行了初步分析，并对该湖水生植物的形成进行了系统的探讨，为东平湖的生态信息安全和可持续发展提供了一些参考。1东平湖水生植物的衰退与活力分析1.1水生植物分类东平湖1979年有水生植物40种,分别属于2门18科30属.其中,挺水植物21种,沉水植物11种,浮叶植物4种,漂浮植物4种.9月份水生植物生物量为2147.3g/m2(湿重),总生物量为30.06×104t.从生物量来看,沉水植物轮叶黑藻(Hydrillaverticillata)、苦草(Vallisneriaspiralis)、马来眼子菜(Potamogetonmalaianus)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)以及穗花狐尾藻(Myriophyllumspicatum)合计占水生植物生物量的74.6%;浮叶植物中的优势种为菱(Trapanatans)、芡(Euryaleferox),合计占15.87%;挺水植物优势种为菰(Zizaniacaduciflora),占3.29%;芦苇(Phragmitascommunis)、蒲草(Typhaangustifolia)等其他种类合占6.24%.水生植物基本呈环带状分布,覆盖度85%.挺水植物主要分布在水深0.25～1.0m的湖岸带;漂浮植物和浮叶植物带不明显,多分布在水深1.0m左右,并常与挺水植物和沉水植物混杂伴生,如菱—轮叶黑藻群落,菱—芡—轮叶黑藻—马来眼子菜群落;沉水植物多分布在水深1.98～2.20m的广泛水域内.1994年东平湖有水生植物19种.其中,挺水植物6种,沉水植物9种,浮叶植物4种.漂浮植物已绝迹,物种多样性明显下降.挺水植物中,菰、水葱(Scirpustabernaemontani)、荆三棱(S.maritimus)以及鹅观草(Roegneriakamoji)等常见种已消失,芦苇面积逐年萎缩,仅存220hm2左右.浮叶植物菱、芡大多为1983年人工种植,面积呈现逐渐减少的趋势,从1983年7000hm2降至3600hm2,产量也从10000t降至5600t左右.根据作者的野外调查,2003～2004年东平湖水生植物共18种,挺水植物4种,浮叶植物3种,漂浮植物3种,沉水植物8种.主要物种群落的分布面积、平均生物量均有不同程度减少(表1).挺水植物菰、两栖蓼(Polygonumamphibium)、藨草(Scirpustrigueter)等已消失.芦苇仅在湖北部、老湖镇西部有少量分布,面积110hm2.蒲草主要分布在东金山以东湖区,面积约40hm2.两群落中有少量花蔺(Butomusumbellatus)、假稻(Leersiajaponicus)伴生.浮叶植物菱、芡以及四角菱(Trapaquadrispinosa)群落面积约3160hm2,主要分布在湖东及湖西部,边缘常伴生有少量的漂浮植物浮萍(Lemnaminor)、紫萍(Spirodelapolyrhiza)和凤眼莲(Eichhorniacrassipes).凤眼莲在1979年时还不存在,估计是大汶河流域漂流而入的,应防止其泛滥,危害生态安全.在沉水植物分布中,轮叶黑藻、金鱼藻、马来眼子菜、穗花狐尾藻等尚能构成单一或共优群落,而苦草、菹草(Potrmogetoncrispus)已成为伴生种.2004年9月采用GPS手段多断面调查,水生植物覆盖度已降至51%;平均生物量降为852.6g/m2(湿重).总体来看,水生植物群落的分布已经从环带状转变为断带状.1.2衰退动力分析1.2.1水质污染指标cod和类水标准大汶河流域的污废水以及水土流失严重地影响了东平湖的水质.主要污染指标COD虽然从1998年有所下降(图1),但仍高于地表水环境质量Ⅲ类水标准.1.2.2网围养殖使水生物量过至2004年东平湖网围养殖面积已达2670hm2,网箱养殖面积67hm2.过量的网箱、网围养殖形成了水质污染.2002年监测数据显示养殖区的水质指数P都在4级以上,远高于非养殖区.其次,网围养殖方式使网围内的水生植物逐渐枯竭:在2～3年内,鱼类喜食的马来眼子菜、轮叶黑藻以及苦草、小茨藻(Najasminor)、菰、芦苇等种群数量相继减少、直至完全消失;而不喜食的物种如穗花狐尾藻呈现扩大趋势.1.2.3围垦导致的水土流失,经营卫生事件造成,是造成受围垦者、是否对当地投资、是经营流动.两水生植物的营养价值较高,其营养指标符合家畜、禽的饲养标准.因此,当地渔民常大量毁坏性捞取沉水植物来喂养池鱼、家畜、禽,对植物群落形成了较为严重的破坏.此外,围垦导致的湖滩地消失、植物发芽期时的高水位也是水生植物衰退的原因.2长江水入东平湖水南水北调东线工程分三期实施.一期工程重点是治污,规划于2007年实现东平湖水质稳定达到国家地表水环境质量Ⅲ类水标准.二期工程规划水平年为2010年,长江水入东平湖流量为170m3/s,过黄河流量100m3/s,向胶东地区供水流量50m3/s;三期规划水平年为2030年,长江水入东平湖流量325m3/s,过黄河流量200m3/s,向胶东地区供水流量90m3/s.本研究主要讨论二期和三期工程东平湖水环境的变化.2.1湖东部下水位调水后,东平湖水位将有两次变化.二期工程设计蓄水位41.5m,高于多年平均水位1.05m.根据湖泊等深图计算,原湖区平均水深达3.0m.湖东部无坝地带将扩展23.5km2,平均水深1.2m.三期工程设计蓄水位43.0m,高于多年平均水位2.55m,原湖区平均水深4.50m.湖东部扩展29.9km2,平均水深2.7m.调水时间为3～10月,东平湖将呈现长期稳定的高水位运行状态.2.2换水周期变化由于受到闸、坝的控制,以及大汶河明显的丰枯水期特点,东平湖水体换水周期较长,约为337d.调水以后,将形成活性流动水体,换水周期大为缩短.经计算,二期工程时换水周期约为24d,三期工程为23d.换水周期的显著缩短,将使水体得到迅速更新.2.3改善东平湖水质按照南水北调东线工程规划,通过对大汶河流域的排污治理,使水体COD削减50%以上,BOD5等也将有较大幅度下降.此外,东平县规划到2010年网围、网箱养殖面积将分别下降至2000hm2和40hm2.这些措施都有助于东平湖水质的改善.调水以后,进入东平湖的总磷(TP)、总氮(TN)等营养盐将分别削减30%～50%左右,从而大幅度去除外源TP、TN的进入量;东平湖自南向北以往相对静态的水体将呈现流动状态,防止了P、N的内源性累积.但调水后水体与底泥之间N、P含量将产生密度差,以及流动水体形成的扰动会使底泥中的N、P释放.虽然COD、BOD5的大幅削减可使水体增氧,对底泥的释放产生一定的抑制作用,但底泥N、P释放对水体的补充过程将会存在相当长的时间.因此,上述因素的综合将会使东平湖富营养化程度有所降低,但短时期还难以根除.3东平湖水生植物的水环境变化可能会影响水生植物3.1经过2年的学习，项目结束后3.1.1水生植物极限生存高度、物种多样性与物种多样性就水生植物而言,挺水植物、浮叶植物适宜水深分别为0.5～1.0m和1.0～2.0m.沉水植物适宜水深较大,一般认为在淡水湖泊中水深5.0m以下由于缺少光照没有体形较大的植物生长,透明度也是限制沉水植物萌发和生长的关键因子.水深增加或透明度低均会增加光衰减指数,进而影响沉水植物的生长.有研究表明,当水深与透明度的比值超过2.50～5.59时,沉水植物生长受到威胁.按此方法计算,东平湖透明度取植物发芽期多年平均数值55cm,沉水植物的极限生存水深在3.07m以内.作者于2004年对东平湖的野外调查也验证了此观点.显然,41.5m水位时东平湖水生植物适宜发芽和生长水位相应高度的面积有所减少,分布区域将发生明显的变化.挺水植物受水位变化影响最大,湖北部挺水植物将全部消亡,湖东部新扩展的水深1.0m区域内将逐渐成为挺水植物的主要分布区.浮叶植物受水位变化影响也较大,也将随水深的增加向湖东部和湖岸带迁移,生存空间缩小.根据等深图测算,预计这时期浮叶植物和挺水植物的面积为30.3km2,比目前减少18%.由于极限生存水深在3.07m以下,故沉水植物原有部分分布区域诸如陈辛庄以北、南塘以东将丧失其生存条件.因此,预计其主要分布区为原有的卧牛山村以东、二道坡以北以及新扩展的湖东部无坝地带.另有研究表明,具有一定生物量的沉水植物的恢复与光补偿深度和透明度呈显著正相关,置信度为95%.根据此条件,推测新扩展的东平湖东部无坝地带沉水植物可能恢复生长区域的水深在2.0m以内.由于总体上沉水植物受水位影响相对小些,故其在水生植物中仍将成为优势类群.南水北调东线工程所经由的湖泊湿地水生植物较丰富,如南四湖有水生植物73种.预计调水形成的廊道效应将使个别物种进入东平湖.不过,受水环境及生境限制,能够生存的水生植物种类将十分有限,并可能为东平湖原有的菰、水葱等物种,生存空间也将限制在湖东部无坝地带.因此,预计二期工程时东平湖水生植物物种多样性不会发生较大变化.3.1.2提高区域生物量调水后水质好转,富营养化程度降低,浮游藻类生物量将有所下降.因此,能够生存下来的水生植物的株高、密度及分布区域内生物量将会有所提高,在一定程度上弥补水位升高对生存空间的不良影响.水质的改善将会使马来眼子菜、轮叶黑藻等对水质要求较高的物种有所发展、生物量提高,巩固其在群落中的优势地位;而穗花狐尾藻等耐污物种则会受到一定抑制,生物量相应减少.虽然水生植物生存区域总体趋于减少,但由于物种间季节演替形成生态位的不同,相互间的竞争不会很剧烈.3.2经过三年的开发，三个项目完成后3.2.1浮叶植物物种数量将继续下降三期工程后,水位的变化已成为影响水生植物生存、分布的决定因素.预计水生植物物种多样性将会明显下降.挺水植物失去了适宜的发芽和生存水位高度,受水位抑制作用强烈,仅会在湖岸边缘零星存在,最终将逐渐从东平湖淡出.浮叶植物虽然原有分布区水深已不符合生存,但在湖东部无坝地带适宜水深处仍能继续存在,部分漂浮植物会零星地混杂其中.沉水植物的物种数量预计变化不大.3.2.2浮叶植物生长分析三期工程后,水生植物带将会明显缩窄.随着时间推移,浮叶植物菱、芡将进一步向湖东部无坝地带迁移并缩窄,占据原挺水植物的分布区域.根据等深图测算,预计浮叶植物面积为11.0km2,比目前减少63%左右.而沉水植物分布区域所受影响亦很大,主要生存区域将为湖东部无坝地带及部分浅水湖岸,呈现出向湖岸带迁移、缩窄的趋势.水生植物种群结构将呈现出单一化的趋势,挺水植物基本消失浮叶植物菱、芡生存空间急剧减少;沉水植物也受到较大影响,能够适应较深水位的物种轮叶黑藻、马来眼子菜、金鱼藻、穗花狐尾藻等仍将成为优势群落.在其边缘地带可能与菱、芡形成混生群落.4水生植物物种多样性的工程影响4.1东平湖水生植物从1979年至今,呈现出一定的衰退现象,物种多样性减少,生物量逐渐下降群落结构趋向简单,由环带状分布向断带状发展.其形成驱动力主要为大汶河水质污染,过量的网围、网箱养鱼的影响,过度捞取以及水体富营养化的间接影响.4.2南水北调东线工程将对东平湖水生植物产生较大影响.二期工程之后,物种多样性变化不大也可能有外来种的进入;各物种分布面积会有不同程度的下降;各植物分布区的生物量将有小幅提高;湖东部新扩展地带随时间推移将成为挺水植物和浮叶植物的主要生存地带,水生植物群落总体的断带状分布将更为典型.三期工程以后,水生植物物种多样性将明显下降,种群