内蒙古乌梁素海生态恢复工程试验与资源利用.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 0 5 年1 1 月 东北林业大学学报 j o u r n a lo fn o r t h e a s tf o r e s t r yu n i v e r s i t y v 0 1 3 3n o 6 n o v 2 0 0 5 内蒙古乌梁素海生态恢复工程试验与资源利用1 厚福祥 邓芳 ( 内蒙古农业大学，呼和浩特，0 1 0 0 1 8 )( 内蒙古林业勘查设计院) 摘要在典型草型富营养化湖泊内蒙古鸟梁素海设立试验研究基地，进行了较大规模的生态恢复工程 试验，实施了两项草型富营养化湖泊生态恢复技术措施：沉水植物收割工程与芦苇园田化生态管理工程。以机械 化方式收割沉水植物，能够削减湖泊内源性营养物负荷的积累和释放，减少二次污染，抑制生物填平作用，改善水 体环境；采用机械化技术控制芦苇蔓延、打开芦苇区通风道和通水道，可以重建湖泊绿色自然景观，提高全湖水流 循环速度。研究表明，有计划、合理地运用生态恢复工程不仅可以减轻草型湖泊所面临的巨大生态压力、延缓沼泽 化演化进程，而且可以在实施生态工程的同时开发利用水生植物资源，使湖泊环境与湿地综合利用得到持续发展。 关键词鸟梁素海；草型湖泊；富营养化；生态恢复；工程技术 分类号x 1 7 1 4 e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o np r o j e c ta n dr e s o u r c e su m i z a t i o nf o rw u l i a n g s u h a il a k ei ni n n e rm o n g o f i a h o uf u x i a n g ( i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ，h u h h o t0 1 0 0 1 8 ，p r c h i n a ) ；d e n 9 1 f a n g ( i n n e rm o n g o l i ad e s i g ni n s t i t u t eo f f o r e s t r yr e c o n n a i s s a n c ea n ds u r v e y ) j o u r n a lo fn o r t h e a s tf q r e s t r yu n i v e r s i t y 一2 0 0 5 ，3 3 ( 6 ) 一6 4 6 6 a ne x p e r i m e n t a lb a s ew a se s t a b l i s h e di nw u l i a n g s u h a il a k eo fi n n e rm o n g o l i a ，at y p i c a lp l a n te u t r o p h i cl a k ew h e r ea s e r i e so fe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ee o n d u c t e do nal a r g ea r e a t w ot e c h n i c a lm e a s u r e sw e r ei m p l e m e n t e df o r t h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fp l a n te u t r o p h i cl a k e s u b m e r g e dp l a n t sh a r v e s t i n gp r o j e c ta n dr e e dg a r d e n s t y l ee c o l o g i c a l m a n a g e m e n tp r o j e c t t oh a r v e s ts u b m e r g e dp l a n tb ym e c h a n i c a lm e a n sc o u l dr e d u c et h ea c c u m u l a t i o na n dr e l e a s eo fe n - d o g e n o u sn u t r i e n tl o a d s ，r e d u c es e c o n d a r yp o l l u t i o n ，r e s t r a i nt h ed e p o s i t i o ne f f e c to fl i v i n gt h i n g s ，a n dm e l i o r a t et h es u r - r o u n d i n g so ft h el a k e t oc o n t r o l t h ep r o c e s so fr e e ds p r e a d o u tb ym e c h a n i z a t i o nt e c h n o l o g ya n do p e nu pv e n t i l a t i o n c h a n n e la n dw a t e r w a yi nr e e dg r o w i n ga y e ac o u l dr e c o n s t r u c tag r e e nn a t u r a ll a n d s c a p eo ft h el a k ea n ds p e e du pw a t e rc i r - c u l a t i o ni nt h el a k e r e s u l t ss h o w e dt h a tt or e a s o n a b l ya d o p tt h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ne n g i n e e r i n gi nap l a n n e dw a yc a n l e s s e nt h eb u r d e no ft h el a k ef r o me c o l o g i c a le v o l u t i o n ，p o s t p o n et h ep r o c e s so fm a r s h l a n df o r m a t i o n ，e x p l o i tt h ea q u a t i c p l a n tr e s o u r c e s ，a n dr e a l i z et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n dw e t l a n do f t h el a k e k e yw o r d sw u l i a n g s u h a il a k e ；p l a n tt y p el a k e ；e u t r o p h i c a t i o n ；e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ；e n g i n e e r i n g 目前，湖泊富营养化已经成为世界范围内一个突出的环 境问题，我国三分之二的湖泊、水库都面临着日益严重的富营 养化的危害。在以大型水生植物响应型的草型湖泊内，各种 挺水植物和沉水植物过量生长，形成了极大的初级生产力，其 群落盖度可达1 0 0 ，最大生物量干质量为2 2 5k g m ，它 们充塞水体空间，破坏自然景观，危害渔业生产，植物沉落腐 败后对水体造成二次污染，同时起到了强烈的生物促淤作用， 导致草型湖泊迅速沼泽化。据调查，乌梁素海、哈素海、红山 水库、伊胡塔湖、于桥水库、异龙湖、南四湖、东太湖、固城湖、 滇池、洱海、赤湖、保安湖、隔湖等都在不同程度上存在着这方 面的影响。我国平均每年有3 0 个湖泊在消亡。在这些消亡 的湖泊中绝大多数都是浅水的草型湖泊，富营养化给这些草 型湖泊的沼泽化进程提供了巨大的动力，直接威胁到了湖? 白 的各项生态功能，给这些地区环境与经济的可持续发展造成 了不可挽回的损失。在大型水生植物响应型的富营养化草型 湖泊内，水生植物过量生长加大了湖泊内源性营养物负荷的 积累，在营养物负荷储备量已经很高的情况下，控制外源性营 养物输入的恢复效应要在很长时间以后才能体现出来，而且 耗资巨大，因此，有效地抑制内源性营养物的积累与储备更为 重要。如何选择控制富营养化的生态治理工程，这是大多数 草型湖泊所面临的现实问题。为此，笔者在内蒙古乌梁素海 设立试验研究基地，2 0 0 0 年投入8 个9 g s c c 一1 4 h 型水草 收割机船队进行沉水植物收割试验，以机械化方式大面积收 1 ) 国家自然科学基金资助项目( 3 0 1 6 0 0 2 2 ) ；国家科技成果重点 推广计划项目( 2 0 0 2 e c 0 0 0 1 2 8 ) 。 第一作者简介：厚福祥，男，1 9 5 7 年1 0 月生，内蒙古农业大学机 电工程学院，副教授。 收稿1 3 期：2 0 0 5 年9 月1 91 3 。 责任编辑：张建华。 获沉水植物，进行富营养化适度控制与水生植物资源开发利 用的研究。同时采用机械方式以及入工的办法打开芦苇区通 风道，促进水循环，排放过剩营养物质，在局部区域收割芦苇， 阻止芦苇蔓延连成大片，在全湖范围内探索生态恢复的途径。 1 试验地富营养化概况 乌梁素海位于内蒙古自治区乌拉特前旗境内( 4 0 。4 77 4 1 0 0 3 n ，1 0 8 。4 3 一1 0 8 。5 7 e ) ，湖面高程10 1 8 5m ，库容量2 5 3 亿m 3 ，最大水深3 9 m ，8 0 水域水深0 8 1 0 m ，现有水域 面积约2 9 3k m 2 。乌梁素海大型水生植物共6 科6 属1 0 种， 挺水植物有芦苇( p h r a g m i t e sc o m m u n i s ) 、宽叶香蒲( t y p h al a t i f o l i a ) 等；沉水植物有龙须眼子菜( p o t a m o g e t o np e c t i n a t u s ) 、柳 叶眼子菜( p o t a m o g e t o nn u l a i m w ) 、穿叶眼子菜( p o t a m o g e t o n p e r f o l i a t u s ) 、竹叶眼子菜( p o t a m o g e t o nz o s t e r i f o l i u s ) 、菹草( p o t - a m o g e t o nc r i s p u s ) 、大茨藻( n a j a sm a j o s ) 、轮藻( c h a e as p p ) 、 狐尾藻( m y r i o p h y l l u ms p i c a t u m ) ，芦苇和龙须眼子菜为优势 种。目前，乌梁素海挺水植物分布面积1 1 6k m 2 ，生产量干 质量约2 4 万t a ，平均生物量干质量2 0 6 9k g m ；沉水 植物分布面积约9 7 5 k m 2 ，群落盖度1 0 0 ，生产量干质量 8 5 万t a 一，平均生物量干质量8 7 2g m 。乌粱素海补 给水源主要是河套灌区的农田退水，河套灌区化肥用量已由 1 9 7 8 年的7 万t 迅速上升到1 9 9 7 年的4 3 8 万t ，至2 0 0 2 年， 化肥用量已经超过5 2 万t ，化肥利用率仅为3 0 一3 5 ，大 量流失的化肥随农田退水进入乌梁素海。据1 9 7 0 2 0 0 2 年 退水入口水质监测，总氮平均1 7 4m g l ，总磷平均0 0 7 m g l ，分别为国际通用判断富营养水平标准的8 倍与3 5 倍旧1 ，使乌梁素海成为以大型水生植物过量生长为主要表征 的富营养化草型湖泊。乌梁素海2 0 0 1 年水质监测结果见 表1 。 万方数据 第6 期 。 厚福祥等：内蒙古乌梁素海生态恢复工程试验与资源利用 6 5 2 大型水生植物对乌梁素海湖泊生态系统的影响 2 1 对鸟梁素海沼泽化进程的影响 2 0 0 1 年，卫星遥感显示乌梁素海沉水植物区面积为9 7 5 k m 2 ，芦苇区面积为1 2 2k m 2 ，沉水植物和芦苇区占全湖面积的 7 5 ，其余为沼泽区。目前，乌梁素海每年沉积湖底的大型水生 植物残骸干质量约为2 0 1 0 4 t ，生物填平作用为9 1 3m i l l a 。 对比1 9 7 5 年与2 0 0 1 年卫星遥感影像图，当芦苇产量干质量 由2 3 1 0 4 t 增加到1 2 1 0 4 t 时，芦苇区面积扩大了约6 倍。 乌梁素海的面积已由上世纪5 0 年代的6 6 0k m 2 缩减为2 9 3 k m 2 ，虽然湖泊萎缩的原因是多方面的，但是湖底淤积的底质 厚度已达3 6 0m m ，生物填平起到重要作用，因此可以推算出， 乌梁素海如果不治理，将在3 0 年内演变成为芦苇沼泽地。乌 梁素海1 9 8 7 年与1 9 9 6 年t m 卫星遥感各类地貌解析见表2 。 表2乌粱素海t 9 8 7 与2 0 0 1 年卫星遥感各种地类面积解析分析k m 2 2 2 对乌梁素海湖周围农业生态和排灌工程的影响 乌梁素海如果不能得到积极的治理，在近3 0 年内可能会 因湖底逐渐抬高而丧失调节水文的功能，乌拉特前旗和五原 县大片农田的地下水位将难以控制，无法保持根系层土壤处 于良好的盐分平衡状态。当河套灌区排水困难时，不得不占 用大量耕地去开设新的排水渠道，这将会使河套灌区水利工 程设施做出很大的改变才能满足排灌要求。 2 3 对乌梁素海渔业生态的影响 ， 乌梁素海每年自生自灭沉积湖底的大型水生植物残骸 通过碎屑食物链分解后向水中重新释放出n 、p 营养盐，在 冬季和初春时n h ，和n 最高值可达2 5 8m g l ，非离子氨浓 度远高于鱼类致死浓度，同时，形成的藻毒素和缺氧亦给渔 业带来极大的危害。1 9 7 3 2 0 0 2 年几乎每年在初春解冻时 都发生大面积死鱼现象，2 0 0 2 年甚至在7 月份也发生了大面 积死鱼现象。因湖中t p 含量高达0 ，6 7 7m g l ，喜磷的虾类 ( 草虾) 大量繁殖，近2 年间其数量提高了约7 倍，这是钙、磷 含量增加的一个显著信号。与此同时，青鱼( m y l o p h a r y n g o d o n p i c e u s ) 、草鱼( c t e n o p h a r y n g o d o ni d e l l u s ) 、瓦氏雅罗鱼( l e u c i s c 淞w a l e c k i i ) 、鳙鱼( a r i s t i c h t h y sn o b i l i s ) 、甲鱼( t r i o n y xs i n e n 一 如) 、湖蟹等1 9 种水产品均已绝种，只有鲤鱼( c y p r i n u s c a r p i o ) 、鲫鱼( c a r a s s i u sa u r a t u s ) 勉强存活，渔产量已由上世纪 6 0 年代的36 0 0t 骤减至2 0 0 2 年的5 0t ，平均1k m 2 水面渔产 量不足0 2t 。 2 4 对乌梁素海湿地生物多样性保护的影响 乌梁素海共有鸟类1 9 2 种另4 亚种，属国家i 、级重点 保护的鸟类3 0 种，其中玉带海雕( h a l i a e e t u sl e u c o r y p h u s ) 、白 尾海雕( h a l i a e e t u sa l b i c i l l a ) 、乌雕( a q u i l ac l a n g a ) 、黄爪隼 ( f a l c o 船啪，l ，l i ) 、青头潜鸭( a y t h y ab a e r i ) 、大鸨、遗鸥等为 世界受助鸟类。目前，乌梁素海湿地面临着各种污染和破坏， 直接威胁着数百万只鸟类的生存。由于水草充塞水体空间， 不得不使用网箔捕鱼，常使善于潜水取食的赤嘴潜鸭( n e t t a r u f i n a ) 、白骨顶( f u l i c ac z t r c z ) 等水鸟误入网箔而被闷死。 3 乌梁素海生态恢复的主要技术措施 乌梁素海水质控制的一个核心问题，是每年留在湖中参 与积累的氮和磷的数量，使超负荷储备的氮量、磷量越来越 高，引起初级生产量暴涨，其残体的分解造成水质的进一步污 染，并增加生物填平作用，从而导致湿地生态系统的有序性被 打乱。维持生态系统良性循环必须转移或减少这些不断增加 的超负荷氮、磷储备，否则乌梁素海的水质只能越来越差。 乌梁素海主要沉水植物龙须眼子菜( p o t a m o g e t o n p e c t i n a t u s ) 中氮平均含量1 6 5g k g ，磷平均含量0 1 7g k 一，每年收获干质量5 万t ，即可向湖外转移出8 2 5t 氮和8 5 t 磷。据宋福等口1 实验，沉水植物对水体中总氮和总磷的去 除率分别为8 0 3 1 和8 9 8 2 ，通过收割干质量5 万t 沉水 植物，即可从水体中去除氮6 6 2 5 6t ，去除磷7 6 3 5t ，从而使 输入与输出的营养盐逐渐趋于平衡”j 。 综合分析草型湖泊的特点，对其进行生态治理的主要技术 措施是：有计划、合理地收割水草与阻i l 芦苇蔓延，其核心问题是 使乌梁素海氮、磷营养盐的积累效应得到抑制，使输入与输出的 氮、磷营养盐趋于平衡，并将生物填平作用减少到最小程度。 水草和芦苇是乌梁素海宝贵的生物资源，是乌梁素海生 态系统物质与能量流的主要传递者，具有从水中和底质中吸 收与富集营养盐的能力，起着“营养泵”和“营养库”的作用， 它们的兴衰影响着乌梁素海生态系统的结构与功能。 3 1 沉水植物收割工程试验 3 1 1 乌梁素海沉水植物合理的收割原则 在乌梁素海生态治理中，既要保证水生植物资源的持续 开发利用，又要保证沉水植物净化水质功能长期稳定地运行， 严格控制藻类蔓延泛滥，必须正确掌握沉水植物最低限度维 持量。根据3 年生态治理实践，沉水植物合理的收割方式是： 在给水入湖口区10 0 0n l 10 0 0m 范围内保留所有的沉水植 物和挺水植物，以充分利用其净化水质和拦截固体颗粒物质 的作用；在水鸟栖息取食区以及产粘性鱼卵的鱼类活动区保 留足够的水草；在水深0 7i n 以下的水面不进行收割，其余湖 面采用分条或分块间隔收割的方法顺序收割，暂时保留3 0 水草，在水草沉落之前尽量全部收割，收割量为全湖沉水植物 生物量的6 0 。这种收割方式可以显著改善水体环境，并将 生物填平速率由7 1 3m m a “减少到2 3h i m a 。 3 1 2 鸟梁素海沉水植物收割工程试验结果 为了研究沉水植物收割后的繁殖以及草一藻制约关系等 项技术问题，保证沉水植物收割工程可以长期、稳定地运行， 于1 9 9 9 2 0 0 1 年不同月份做沉水植物收割工程试验，检测单 位面积沉水植物收获量，比较生物量变化，并在2 0 0 2 年继续 进行监测比较。 设6 块试验区，每块试验区面积5 0i n 5 0i l l ，平均水深 0 9 5i n 。 收割以切割、捡拾、传送、牵引、运输一体化作业方式进行 连续生产，其主要技术经济性能指标为：工作速度2 8k m h ，割幅1 4m ，切割深度在1 2m 内任意调节，每小时作业 面积0 3 9h m 2 ，漏割率0 ，漏收率5 2 ，动力1 4 7k w 。用1 台水草收割机、1 条牵引船和4 条装草运输船配套使用可连 续进行生产并取得最好的经济效益。1 9 9 9 2 0 0 2 年，在6 块 试验区及其他水域共计收割面积约16 5 0h m 2 。以2 0 0 1 年沉 水植物收割试验时间及收获量为例，见表3 。 在进行3 年收割试验后，于2 0 0 2 年6 1 0 月份继续监测 试验区内沉水植物生物量的变化，全体样方生物量干质量检 测结果为( 14 8 3 1 1 6 ) g i n ，试验区内沉水植物生物量和 对照水域沉水植物生物量没有显著区别。由此可以肯定，收 割沉水植物对富营养化进行适度控制的实用技术长期连续地 进行，能够不断地向湖外转移营养盐，直至将乌梁素海湖内 万方数据 东北林业大学学报第3 3 卷 氮、磷营养盐的储备量降低到合理的状态。 表3 沉水植物收割对比试验( 割刀入水深度0 7m ) 41 0 2 43 7 51 1 6 0 集中收割计平均值 50 8 2 03 3 20 7 2 1 0 水位下降，漏割漏收约8 ! q 二丝! ：z ! ：! ：! 篡生蝗型荭壬塑笪 60 7 - 2 13 4 60 7 2 0 0 水位下降，漏割漏收约8 3 2 乌梁素海沉水植物资源的开发利用 乌梁素海沉水植物是一笔未被利用的巨大财富，其干物 质生产量8 5x1 0 4 t a ，以收割6 0 计算，每年可开发利用 干物质5 1 0 4 t 高蛋白优质水草饲料。龙须眼子菜( p o t a m o g e t o np e c t i n a t u s ) 粗蛋白含量1 5 2 5g k g ，氨基酸含量 1 3 3 5g k g ，营养价值优于草原青干草、披碱草( e l y m u s d a h u r i c u s ) 、沙打旺( a s t r a g a l u sa d s u r g e n s ) 、向日葵盘粉、甜菜 叶，可喂养牛、羊、猪、鸭、鹅，营养指标符合家畜家禽饲养标 准，钙、碘、硒和蛋氨酸、胱氨酸含量比紫花苜蓿( m e d i c a g os 口 t i v a ) 高，可作为全价配合饲料的重要组元j 。开发利用水草 饲料可为湖泊保护及湿地利用提供一个有益的机会，在乌梁 素海投入3 5 个9 g s c c 一1 4 h 型水草收割机船队，每年生产 干物质为5 万t 的高蛋白水草饲料，可使乌梁素海生态治理 与水生资源开发利用取得和谐统一，使湖泊保护与区域经济 得到持续发展。几种沉水植物的营养成分见表4 。 表4 几种沉水植物与苜蓿、青千草营养成分对比g k g 。1 3 2 芦苇园田化生态管理工程试验 2 1 鸟梁素海芦苇在生态系统中的作用 乌梁素海芦苇干物质中总氮含量为0 9 6 ，总磷含量为 o 0 7 。近2 0 年来平均每年收获芦苇干质量4 5 万t ，向湖 外转移总氮约4 3 2 【、转移总磷约3 1 5t 。芦苇水上与水下部 分的质量约为1 ：1 ，芦苇水下部分近2 0 年共计留在湖内干质 量约9 0 万t ，芦苇水下部分约6 年左右腐败沉积湖底，一部分 氮、磷向水体释放，一部分氮、磷沉积在底泥中，现在底泥中有 机氮已达2 5g k g 、总磷已达0 5 4 7g k g 。 芦苇具有粗壮横生的匍匐根状茎，每个生长点都可以发 芽生出新枝，每年向外缘扩展蔓延的速度约为0 6m 。乌梁 素海1 9 7 5 年芦苇面积约2 9k m 2 ，芦苇干质量产量2 3 万t ，至 2 0 0 1 年，芦苇面积为1 1 6k m 2 ，芦苇干质量产量已达1 1 5 万t ， 芦苇产量在2 6 年间提高了5 倍，芦苇区面积蔓延扩大了近6 倍。芦苇的蔓延和增产可能导致乌梁素海迅速衰亡演变成为 芦苇沼泽地，不仅会使乌梁素海迅速丧失湖泊大部分生态功 能，并且会影响河套灌区水利排水功能。因芦苇造纸的经济 效益很高，维持现有面积，阻止芦苇蔓延，进行园田化生态管 理是科学的明智之举。这样，既可以保证乌梁素海生态的平 衡与良性循环，又可以满足芦苇资源的持续开发利用。 3 2 2 芦苇园田化生态管理工程初步试验结果 2 0 0 2 年，在乌梁素海采用湿地挖掘机、芦苇收割机、斗轮 式挖泥机以及人工办法实施芦苇园田化管理工程，打开芦苇 区通风道、通水道共计长度92 0 0m ，宽度为5 1 5m ( 根据通 风、疏浚、通航的不同需要进行规划设计) 。打开芦苇区通风 道、通水道，有的是从芦苇根部收割，使芦苇根部进水后不能 呼吸而死亡，控制其蔓延；有的是使用湿地挖掘机挖出芦苇的 匍匐根茎，阻断芦苇向外蔓延的线路。打开芦苇区通风道、通 水道后，全湖水循环状况得到明显改善，不仅可以防止芦苇连 成大片，还可以使芦苇获得更多营养，加强光合作用，减少