水位变化下菜子湖湿地多目标生态修复方案研究

郝好鑫，李红清，陈雪宝，耿 飞，刘芷兰，仲 夏，江 波*

(1.长江水资源保护科学研究所，湖北武汉 430051；2.长江水利委员会湖库水源地面源污染生态调控重点实验室，湖北武汉 430051；3.安徽省引江济淮集团有限公司，安徽合肥 230601)

湖泊在洪水调蓄、生物多样性保护、食物供给和气候调节等方面发挥着不可替代的作用[1-3]。作为最易受到气候变化和人类活动影响的生态系统之一，湖泊正面临着萎缩、水体污染、生物多样性水平降低和生态系统功能退化的威胁[4-5]。筑坝拦蓄、跨流域调水和退田还湖等工程是湖泊面积增大的主要驱动力[1]，上述工程虽然对维持湖泊面积和保障水资源具有积极作用，但是也对湖泊的水文过程产生了深远的影响[6-8]。

湖泊的水文过程，如水位的持续时间、变化范围和周期等，塑造了湖泊的主要生态结构和功能[3,9]。湖泊水位的变化是驱动水生植物群落形成和演替的关键因素，长期高水位或者低水位都将减少水生植物群落的分布面积和物种多样性。例如，高水位促使水生植物趋向近岸集中分布，低水位则大幅度减少沉水植物和挺水植物的适宜生长区域。水位周期性节律的改变也将抑制一些水生植物的正常生长。例如，春季水位的抬升将导致沉水植物无法正常萌发和生长[10-11]。对于湿地中的动物而言，水位变化直接影响鸟类的适宜生境分布，例如，冬季水位抬升减小了泥滩地、草本沼泽和底栖生物的出露面积和程度，进而减小了越冬候鸟的栖息和取食面积[12-13]。水位抬升不仅会增加湖泊水体的环境容量，而且也改变了湖泊的水文连通性，进而对湖泊水体中的营养物质和污染状况产生影响[7,14]。水位变化能引起湖泊水域和滩地的空间分布和面积变化，并且驱动着湖泊周围区域的土地利用方式的改变，影响湖泊湿地的景观多样性和斑块面积、破碎度和连通性等[15-16]。湖泊水位变化通过改变湖泊与河流的侧向水文连通性和地表水与地下水的垂向水文连通性，影响周围土壤的盐碱化过程，调节泥碳地的固碳功能[17-18]。例如，水文过程对菜子湖的草-藻型生态类型演变特征产生了影响[19]。

湿地生态修复是指通过人为措施结合自然恢复的方法修复或者补偿原有湿地生态系统的结构和功能[17,20]。随着人们对湿地生态功能及其生态价值的认知，已经广泛开展了湿地生态修复的理论研究和实践工作[21-22]。常采取的湿地生态修复措施主要有物理、化学和生物修复措施[23]。例如，通过跨流域调水，实现湖泊的蓄水和水体净化目标[24]。通过向湖泊水体中施加絮凝剂、除藻剂和沉磷剂等，实现迅速控制水华的目标[25]。通过人工种植和种子库措施，实现恢复湿地中植物的目标[26]。尽管针对湿地退化的不同问题都有具体的修复措施，但是以往的湿地生态修复的目标多为单一目标，例如，只改善水质、只恢复湿地的连通性和只恢复植物等[27-28]。对湿地中水鸟栖息地进行生态修复越来越受到重视，针对水鸟栖息地的修复已经开始考虑多种环境因素和多物种的生存环境需求[21,29-30]。水位变化对湖泊生态系统的影响也是多因素的，涉及水文、植物、水环境、水生生物和景观因素等。由于各种因素的变化并不总是协同的，侧重单一因素的修复策略或许会与其他因素冲突[21]，因此，对于水位变化下的湖泊湿地修复，应该采取以修复关键退化过程为主、兼顾多目标的生态修复策略。

引江济淮工程是在建的跨流域重大水资源配置工程。引江线路以菜子湖作为主要调蓄湖泊，工程运行不可避免地对菜子湖的水文情势产生影响。为了减轻水位变化对菜子湖的影响程度，结合湖泊的退化过程，本研究提了水位变化下湖泊湿地多目标生态修复的框架，并以该框架为指导，分析了安徽省引江济淮工程的主要调蓄湖泊菜子湖的多目标生态修复方案的适用性，以期为其他水位变化下的湖泊湿地生态修复提供参考。

1 数据和方法

1.1 研究区

菜子湖(30°43′N至30°58′N，117°1′E至117°9′E)位于安徽省长江北岸。菜子湖是长江中下游地区典型的浅水湖泊，总面积为249.9 km2。

该区域的气候属于北亚热带季风性湿润气候，年平均气温为16.5 ℃，年降水量为1 389 mm。根据1956 年至2018 年菜子湖车富岭水位站的实测水位数据可知，菜子湖的月平均水位在8 月(10.90 m)最高，在1 月(6.90 m)最低。菜子湖周期性的水位变化形成了湖泊、湖漫滩和沼泽等多类型湿地，促进了这些湿地中植物的生长。菜子湖湿地是东亚-澳大利西亚迁飞路线上水鸟的重要越冬栖息地。在历史上，菜子湖是中国东部鱼类洄游和繁殖的重要场所[13,31]。

为了保护区域珍稀鸟类和湿地生态系统，已经建立了菜子湖国家湿地公园、安庆沿江湿地省级自然保护区(菜子湖片区)和嬉子湖国家湿地公园等自然保护地(图1)。

图1 菜子湖区自然保护地分布图Fig.1 The distribution map of natural protected areas in Caizi Lake area

1.2 多目标生态修复框架

湖泊生态系统的水文过程与各种因素在空间和时间尺度上相互耦合[3,10]。针对水位变化的影响，结合菜子湖的退化过程，本研究提出了水位变化下湖泊湿地的多目标生态修复框架(图2)。

图2 水位变化下湖泊湿地的多目标生态修复框架Fig.2 A multi-goal rehabilitation framework for lake wetlands under water level change

该框架以生态系统的修复为核心，采用工程实践中常用的“以新带老”的方式，修复已经退化的湖泊湿地。通过恢复植物和建立替代环境等方法，实现降低或者消除水位变化对湿地生态系统的影响和保障工程生态安全的目标。

该框架包括识别湿地关键退化因素模块(模块1)、预测水位变化关键影响过程模块(模块2)、修复目标确定模块(模块3)、修复方法确定模块(模块4)和效果评估模块(模块5)共5个模块。

模块1用于分析湿地的生态演变，识别关键退化因素，包括植物、水生生物、水鸟、景观结构、水质和土壤因素等。

模块2 用于预测水位变化对水文、水生生物、湿地类型、植物、水鸟和土壤因素等的影响过程，分析各种因素间的耦合关系，明确影响程度、方向和与其他因素的协同变化特征。此外，对于沿海和干旱地区的湿地而言，还应该预测水位变化对土壤盐碱化的影响。

模块3以关键因素为直接修复对象，在模块1和模块2的基础上，筛选出需要修复的关键因素，包括模块1 中的关键退化因素和模块2 中受水位影响较大的因素，所筛选出的因素需要随水位协同变化(即修复因素之间不冲突)。各因素的修复目标参考模块1 中退化前和模块2 中水位影响前的各因素水平制定，同时满足行政、林业、渔业和环境保护主管部门等的相应管理要求。例如，水质的修复目标应该满足各级环境保护部门制定的水功能区划或者水源保护区的水质管理目标。湿地类型、分布、面积和湿地中的植物、水生生物和水鸟多样性等相关因素的修复目标应该符合湿地保护和珍稀动植物保护的相关法律法规，例如，《中华人民共和国湿地保护法》和《安徽省湿地保护条例》等。此外，鉴于多数湖泊湿地已经纳入自然保护地管理体系，修复目标也应该满足各级林业和草原主管部门、渔业主管部门审批的湿地公园、湿地自然保护区、湿地风景名胜区、水产种质资源保护区等的相关规划，并符合各级、各类自然保护地的相关法律法规的要求。

模块4 的框架针对不同因素提供多种常用的湿地生态修复方法。

模块5以模块3确定的因素为评估指标，以模块3提出的修复目标为评估标准，通过野外调查、遥感监测和公众评价等方式，综合评估湿地生态修复成效。

优化调整是针对模块5效果的评估结果，对修复效果较差因素的修复策略进行优化调整的修复方法。

1.3 数 据

以菜子湖车富岭水位站1956 年至2018 年的实测水位数据作为菜子湖现状水位数据。根据水量调度的方式，确定工程对菜子湖水位的影响程度，预测出调水前、后工程规划水平年2030 年和2040年的逐旬水位，规划水平年2030年和2040年枯水期(12月至翌年3月)的平均水位分别按7.5 m和8.1 m控制(图3)。

图3 2030年(a)和2040年(b)调水前、后菜子湖的逐旬平均水位Fig.3 The average 10-day water level of Caizi Lake before and after water transfer in 2030(a)and 2040(b)

利用了2009年5月3日、9月16日和11月3日的Landsat 5 TM的空间分辨率为30 m的多光谱影像数据，对应日期的菜子湖车富岭水位站的实测水位分别为8.1 m、9.4 m 和8.6 m；还利用了2015年1月22日的高分一号卫星分辨率为2 m的全色影像和2015 年12 月16 日的高分一号卫星分辨率为8 m 的多光谱影像数据，对应日期的菜子湖车富岭水位站的实测水位分别为7.0 m和7.5 m。

1.4 方 法

工程前期调研的结果显示，菜子湖水位的变化对湿地类型、湿地面积和越冬候鸟生存环境产生影响。利用5景遥感影像数据，分析菜子湖水位变化对环境的影响。

菜子湖区的土地利用类型可以分为水域、泥滩、草本沼泽、水田、林地和建设用地。根据各种土地利用类型的光谱特性，结合现场调查数据，利用ERDAS IMAGINE 9.2 软件，解译5 景影像，对地物进行遥感分类。

采用线性回归方法，构建湖区主要湿地类型面积与菜子湖水位的线性回归方程，分析候鸟越冬期(12 月至翌年3 月)因水位变化而导致的湿地面积变化，判断工程运行对越冬候鸟生存环境的影响。

有关菜子湖的研究文献[15,19,31-35]很多，以“菜子湖×生态”为检索式，在中国知网进行主题检索，筛选与菜子湖的鱼类、湿地、植物、水鸟和土壤相关的文献。利用这些文献资料，分析不同生态要素的关键退化过程。其中，有关菜子湖湿地土壤的研究集中在重金属污染风险方面。研究表明，菜子湖湿地土壤的重金属污染程度和风险都较低[35]。因此，在菜子湖湿地的主要退化因素中，首先将土壤因素排除。

2 结果与分析

2.1 菜子湖湿地退化的特征

文献分析结果表明，菜子湖湿地的退化主要体现在鱼类多样性和湿地中植物的多样性水平下降、湖滩和沼泽萎缩、从草型生态系统向藻型生态系统演替等方面。

由于受枞阳闸的影响，近50 a来，菜子湖中的鱼类物种多样性水平明显降低，其中洄游性鱼类资源严重衰竭，放养鱼类物种逐渐占绝对优势，例如，鲢(Hypophthalmichthys molitrix)和鳙(Aristichthys nobilis)等人工养殖物种的生物量占鱼类总生物量的90%以上[31-32]。监测资料表明，2005 年之前，菜子湖湿地中的植物种类丰富且分布广泛；之后，由于草食性鱼类和蟹类的围网养殖活动，使菜子湖区的植物物种数量明显减少，苦草(Vallisneria natans)、轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)和马来眼子菜(Potamogeton malainus)等沉水植物逐渐被浮叶植物和挺水植物取代。当前，菜子湖区的植物覆盖度还不到3%，沉水植物的分布范围明显萎缩，生态系统呈现从草型生态系统向藻型生态系统演替的趋势[19,33]。2011 年至2017 年期间，受农田和养殖塘的影响，菜子湖区的滩地和草本沼泽面积在显著减少[33]。尽管当前菜子湖中的围网养殖设施已经被拆除，但是菜子湖的水生动物和植物等仍然处于退化趋势，湖泊生态系统需要开展生态修复。

2.2 菜子湖湿地对水位变化的响应

菜子湖区是东亚-澳大利亚迁徙路线上水鸟的重要越冬栖息地，菜子湖的水位是影响越冬水鸟栖息地环境的重要因素[15]。在水鸟越冬期，菜子湖的水位下降，泥滩和草本沼泽出露后，为水鸟提供了食物资源和栖息、活动的场所。在菜子湖区的泥滩和水域活动的水鸟包括白头鹤(Grus monacha)、东 方 白 鹳(Ciconia boyciana)、大 白 鹭(Ardea alba)、苍 鹭(Ardea cinerea)、鸿 雁(Anser cygnoides)、豆 雁(Anser fabali)、白 琵 鹭(Platalea leucorodia)和小天鹅(Cygnus columbianus)等。

图3 显示，引江济淮工程运行后，在水鸟越冬期，菜子湖的平均水位分别升高了0.33 m 和0.93 m。

菜子湖的水域面积(y)与其水位(x)的线性回归方程式为y=1806x-1170(n=5，R2=0.98，p＜0.01)；泥滩面积(y)与其水位(x)的线性回归方程式为y=-886x+12085(n=5，R2=0.95，p＜0.01)；草本沼泽 面积(y)与其水位(x)的线性回归方程式为y=-846x+10575(n=5，R2=0.93，p＜0.01)。由此可见，在水鸟越冬期，随着水位的升高，菜子湖区的泥滩面积和草本沼泽面积显著减小。

引江济淮工程运行后，在规划水平年2030 年和2040 年的水鸟越冬期，工程运行前适宜越冬水鸟的部分水域的水位升高，导致白头鹤、白鹤(Grus leucogeranus)、东方白鹳等水鸟的觅食难度增大。在规划水平年2030 年，当菜子湖的水位为7.5 m时，菜子湖区的泥滩地和草本沼泽面积将分别减少14%和6%；在规划水平年2040 年，当菜子湖的水位为8.1 m时，菜子湖区的泥滩地和草本沼泽面积将分别减少30%和22%[13](图4)。泥滩和草本沼泽面积的减少导致了白头鹤、白鹤、东方白鹳、白琵鹭和大白鹭等重要越冬水鸟的栖息地和觅食范围萎缩，12 月至翌年3 月的水位抬升还会抑制泥滩上植物的萌发。因此，水位变化会导致越冬水鸟的适宜生存湿地退化和水鸟的多样性水平降低。

图4 不同水位下菜子湖湿地的土地利用类型分布图Fig.4 The distribution map of land use types in Caizi Lake wetlands under different water levels

菜子湖流域的来水排泄入江和引江都由枞阳闸控制，引江济淮工程导致的菜子湖水位变化不会改变现状湖区水系连通性，对鱼类洄游通道不产生新的阻隔。泥滩和草本沼泽等适宜越冬水鸟的生存环境的面积的变化规律一致。泥滩和草本沼泽面积的协调变化是实现菜子湖多目标修复的前提。

2.3 具体修复目标

以鱼类多样性、沉水植物覆盖度、泥滩和草本沼泽面积、越冬水鸟多样性为生态修复对象，参考菜子湖湿地退化前和水位变化前拟修复对象的水平，制定修复目标，并满足行政、林业、渔业和环境主管部门等的相应管理要求，总体修复目标为修复或者重建水位抬升影响区的生态系统的结构和功能，提高鱼类多样性水平，维持菜子湖湿地生态系统结构和功能的完整性，满足越冬水鸟对生存环境的需求。

本研究对菜子湖越冬水鸟的监测结果显示，2019 年至2020 年，菜子湖区水鸟的物种数量为31～45 种。根据安徽省林业厅组织的2004 年至2015 年菜子湖水鸟监测资料和文献[15]的研究结果，2004 年至2020 年，菜子湖区越冬水鸟的物种和种群数量基本维持在30～40 种和20 000 只，总体上较为稳定，其中有14 种水鸟为国家重点保护野生动物。2008 年至2010 年菜子湖湿地中的植物群落实地调查结果显示，马来眼子菜群落、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)群落和黑藻(Hydrilla verticillata)群落等沉水植物群落的最大盖度为50%～70%，2010以后，其迅速减小[36]。因此，参照菜子湖以往的水鸟和植物资料，具体修复目标为到2030年和2040年，菜子湖水鸟的物种数量不少于30～40种，种群数量超过20 000只，重要保护水鸟的物种和种群数量至少维持不变，修复区域的沉水植物覆盖度不低于60%。此外，根据原国家环境保护部对引江济淮工程环境影响报告书的批复(环审〔2016〕77 号)要求，水生态的修复目标为恢复鱼类资源。

2.4 具体修复方案

采取减缓、恢复和新建替代环境的思路，制定鱼类资源保护、微地形改造和植物恢复方案。

拆除菜子湖区中的养殖设施，以减缓人工养殖鱼类和蟹类物种对菜子湖中鱼类和水生植物的影响，同时在适宜水域，布置人工鱼巢，以达到鱼类资源保护的目的。

由于水鸟越冬期的水位抬升会导致泥滩和草本沼泽出露面积减小，并且影响了沉水植物的露滩和晒滩过程，抑制了沉水植物的生长。因此，采用改造微地形的方法，对修复区域的泥滩地表进行阶梯式垫高，使泥滩的高程既能满足近期规划水平年菜子湖水位按7.5 m 调控时露滩的需求，也能满足远期规划水平年菜子湖水位按8.1 m 调控时露滩或者维持浅水水域(水深小于0.5 m)的需求。

考虑在菜子湖中分布广泛的水生植物物种和菜子湖水位变化的特征，在菜子湖地面高程为7.0～8.1 m 的水域中，种植根生浮叶植物四角菱(Trapa quadrispinosa)和沉水植物大茨藻(Najas marina)；在地面高程为8.1～8.5 m的水域中，种植沉水植物黑藻、穗状狐尾藻(Myriophyllum spicatum)、菹草(Potamogeton crispus)、竹叶眼子菜(Potamogeton wrightii)、金鱼藻、四角菱和莕菜(Nymphoides peltatum)；在地面高程为8.5～9.4 m的水域中，种植沉水植物苦草、浮叶植物芡(Euryale ferox)和四角菱；在地面高程大于9.4 m的水域中，沿高程梯度构建挺水植物芦苇(Phragmites australis)、菰(Zizania latifolia)、红 蓼(Polygonum orientale)、酸 模 叶 蓼(Polygonum lapathifolium)和湿生植物朝天委陵菜(Potentilla supina)、陌 上 菅(Carex thunbergii)、肉 根 毛 茛(Ranunculus polii)等组成的植物群落带。

选取菜子湖南部某处10 hm2的泥滩为例，制定一种地形改造和水生植物修复方案。首先，根据拟修复区域的实测水下地形数据，对地形进行阶梯式垫高，使地面高程升高(图5a)；然后，在不同高程的地面上，分别种植黑藻、苦草、四角菱、竹叶眼子菜和穗状狐尾藻等水生植物(图5b 和图5c)。此外，在微地形改造实施过程中，对种子库丰富的表层土壤集中堆放，用于垫高区域的表土回覆。

按照2040 年水鸟越冬期菜子湖水位不超过8.1 m的规划，地形改造总体上能满足苦草、黑藻、竹叶眼子菜和穗状狐尾藻等沉水植物对水位(适宜水深)的要求[34]。

2.5 修复效果评估与优化调整

采用野外监测和无人机多光谱监测相结合的方法，以鱼类多样性、沉水植物盖度、水鸟越冬期泥滩和草本沼泽出露面积、水鸟物种和种群数量作为评价指标，以年为周期开展上述指标的监测，进行修复效果评估。

其中，对于鱼类多样性的评估重点是人工鱼巢的使用效果，若未监测到有鱼类使用人工鱼巢，则改进人工鱼巢形式；对沉水植物盖度的评估重点是微地形改造区和植物恢复区的沉水植物覆盖度，若丰水期沉水植物的覆盖度小于60%，则需要用其他沉水植物物种代替现有沉水植物物种，或者优化微地形设计方案；水鸟越冬期泥滩和草本沼泽出露面积的评估重点是微地形改造区的草本沼泽面积和质量，若草本植物的覆盖度低于湖区同期的平均水平，则在地形改造中增加阶梯式垫高面积，并且放缓坡度；水鸟物种和种群数量的评估重点是重要保护水鸟的数量，并监测其在地形改造区域的出现频率，对水鸟出现频率较小的改造区域进行植物和地形优化。现阶段修复为研究性修复设计，下一步根据各种指标的修复效果评估结果，优化修复方案，开展规模化实地修复。

3 讨 论

水文过程塑造了湖泊的主要生态结构和功能，影响着其中的植物、水生生物、水鸟和水质等。根据水位变化识别湿地的关键生态过程和因素，在多目标协同修复和工程应用上具有显著优势[3,9]。近年来，在气候变化以及筑坝拦蓄、跨流域调水和航运等人类活动影响下，湖泊水位变化已经成为威胁湖泊生态系统平衡的重要因素[6-8]。中国建设了南水北调中线和东线一期、引滦入津、引江济淮、滇中引水、引大济湟等跨流域、跨区域的引调水工程，未来在国家水网建设过程中，还要建设大量河、湖连通和调蓄工程，很多湖泊的水文情势将不可避免地受到工程运行的影响。

事实上，为了应对湿地退化的问题，在全球范围内，已经开展了大量的退化湿地修复实践，并且逐渐形成一系列技术成熟的方案[23]。例如，为了满足白洋淀生态需水的要求，采取了加大上游水库下泄、实施“引岳济淀”、“引黄入冀”和“南水北调”工程等措施，为白洋淀补水，避免了白洋淀水位不断降低、甚至发生干淀的风险，在一定程度上遏制了白洋淀水体质量的恶化[24]。在美国的Tulula Creek湿地，为了满足不同种类植物生长的需求，通过人工营造连续的“山脊”和“洼地”微地形，为湿地中的植物和动物提供了丰富的生态位[27]。为了解决湄公河河口区域运河水位抬高对水鸟栖息地面积和水文节律的影响，在越南的Tram Chim国家公园，采用水闸调度方式，恢复了公园中湿地的天然水文节律，维持了水鸟栖息地的环境质量[30]。然而，现有的生态修复方案多为针对单一目标的修复方案，由于水文变化对湿地生态系统的影响涉及多种因素，而且多种因素对水位变化的响应并不一致。例如，人工补水缓解了白洋淀的生态缺水问题，同时也改变了白洋淀年内入淀流量的过程，洪峰流量由出现在7 月至8 月变为出现在生态补水条件下的2 月至4 月，因此，干扰了部分生物的生命节律[27]。基于近年来生态修复领域的大量研究成果和实践经验，现有研究已经提出了被广泛接受的四个生态修复原则[37-38]，即提高生态完整性、可持续性、基于历史和预测未来、提供生态系统服务价值和社会福利的原则。

本研究提出的水位变化下的湖泊湿地多目标生态修复框架，以水文过程与生态系统的相互耦合为基本原理，在识别水位变化对湖泊水文、植物、水生生物、水鸟、景观结构、水质和土壤因素等影响的基础上，以降低或者消除水位变化对多因素影响为目标，在提高湖泊生态系统的完整性、可持续性和生物多样性方面具有明显优势。此外，该框架兼顾历史与现状的关键退化因素，以退化前或者影响前的历史生态系统为参照目标，具有较强的可行性。

4 结 论

以水位变化下的湖泊湿地多目标生态修复框架为指导，制定的修复退化的菜子湖湿地的方案，可以为其他类似的研究提供参考。

基于多目标生态修复框架的修复方案能满足包括鱼类多样性保护、沉水植物恢复、泥滩和草本沼泽面积维持、水鸟多样性保护等多目标的退化湿地修复需求，在提高菜子湖湿地生态完整性、可持续性和生物多样性保护方面具有显著的优势和可行性。