黃 越 聞 丞 陳 煒 李雪珊 譚羚迪

1 背景、目的和意義

1.1 研究背景和必要性

在生態(tài)文明建設(shè)時代背景下，建設(shè)安全、美麗、與自然萬物和諧共生的生活環(huán)境是城鎮(zhèn)綠地建設(shè)和管理工作亟須完成的任務(wù)[1]。景觀水體是城鎮(zhèn)綠地的重要組成部分，具有不可替代的游憩功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[2]。然而，大規(guī)模營造的景觀水體往往是硬質(zhì)、渠化的，不利于生

態(tài)系統(tǒng)發(fā)展和物種生存[3]。已有研究指出，盡管濱水空間是風(fēng)景園林學(xué)科實(shí)踐的重點(diǎn)之一[4-5]，但與生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科存在隔閡，存在重審美輕生態(tài)，重人文輕自然的問題[4]。這導(dǎo)致景觀水體自凈能力受限，限制了景觀水體發(fā)揮美學(xué)價(jià)值和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，且管理、運(yùn)行成本高昂[6]。城市化過程中，很多原先分布于城市周邊的天然水體消失或者被改造、營建為景觀水體，這些景觀水體維持的生物多樣性通常低于天然水體。生態(tài)系統(tǒng)的諸多功能需生物多樣性體現(xiàn)，生物多樣性降低會直接影響生態(tài)系統(tǒng)及其服務(wù)功能的穩(wěn)定性[7-9]。營建、修復(fù)、維持高水平的生物多樣性有利于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和服務(wù)功能發(fā)揮。

1.2 研究進(jìn)展

人工濕地是“為了人類的利用和利益，通過模擬自然濕地，人為設(shè)計(jì)與建造的由飽和基質(zhì)、挺水植物、沉水植物、動物和水體組成的復(fù)合體”[10]。伴隨著城市化進(jìn)程不斷加快，城市水資源日益短缺[11]。構(gòu)建人工濕地并在此基礎(chǔ)上營造景觀水體，提供低成本、有效的污水處理以及合理開展水的再利用，是緩解我國水資源危機(jī)的重要途徑之一[12]。自20世紀(jì)中期以來，經(jīng)由匯集Max-Planck-Institute-Process處理系統(tǒng)、根區(qū)法、Lelystad Process表面流處理系統(tǒng)、“礫石床”系統(tǒng)[13-15]、復(fù)合垂直流人工濕地[16]等技術(shù)，人工濕地應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，并被廣泛應(yīng)用到各類風(fēng)景園林項(xiàng)目中[17]。然而，近年對一些運(yùn)行時間較長的案例效能評價(jià)結(jié)果顯示，景觀水體營建中涉及的人工濕地技術(shù)生物相關(guān)部分通常只是人為植物種植配比[18-19]，而這些植物需要專業(yè)性地管理、維護(hù)，并須與水流管理相配合，某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，景觀水體的整體美學(xué)價(jià)值和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能就會受到較大影響[20]。目前被廣泛認(rèn)可并應(yīng)用的基于生物群落的濕地修復(fù)方法為“生物操縱”(biomanipulation)，它是一種基于生態(tài)系統(tǒng)途徑的濕地生態(tài)修復(fù)方法[21]，其含義為通過操縱生物群落中的關(guān)鍵組成部分來干預(yù)一個生態(tài)系統(tǒng)，是一種控制淡水初級生產(chǎn)者爆發(fā)的方法[22]。典型生物操縱方法為通過食肉魚控制捕食浮游動物的魚類，從而增加浮游動物對浮游植物的捕食壓力，達(dá)到控制浮游植物增值的目的。非典型生物操縱為通過放養(yǎng)濾食性的魚類直接捕食浮游植物[23-24]。

圖1 景觀水體生態(tài)修復(fù)的步驟和方法

1.3 目的和意義

本研究旨在了解水體生物多樣性的恢復(fù)與維持機(jī)制，找到生物多樣性重建和風(fēng)景園林空間組織與營造，以及與人工濕地營造技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)。探討并回答以下問題：第一，如何理解生物群落對景觀水體的重要性？第二，如何設(shè)計(jì)、重建景觀水體中的生物多樣性？第三，在景觀水體中重建的生物群落，對景觀水體發(fā)揮了怎樣的效益？本文提出：生物棲息地的設(shè)計(jì)、營建和生物群落重建應(yīng)是溝通風(fēng)景園林學(xué)和生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)的基本出發(fā)點(diǎn)；應(yīng)遵循自然地理和歷史狀況，按群落演替的規(guī)律，采取人為設(shè)計(jì)與自然發(fā)展結(jié)合的方式營建景觀水體；以一個北京城郊的景觀水體營建過程為實(shí)例，檢驗(yàn)生物群落對景觀水體發(fā)揮的效益，以及景觀水體對生物多樣性保護(hù)的作用。

2 理論依據(jù)和設(shè)計(jì)思想

2.1 生態(tài)學(xué)理論依據(jù)

2.1.1 物質(zhì)流理論

物質(zhì)循環(huán)和能量流動是生態(tài)系統(tǒng)的基本生態(tài)過程。城市景觀水體會接納城市下墊面、污水處理設(shè)備、農(nóng)業(yè)排灌等富含有機(jī)物和植物營養(yǎng)素(氮、磷)的來水。這些營養(yǎng)物質(zhì)被水生生物吸收，進(jìn)入濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程，從而得到消解。如果濕地生態(tài)系統(tǒng)不足以消耗這些營養(yǎng)物質(zhì)，就會引起初級生產(chǎn)者大量增殖，導(dǎo)致水體溶解氧濃度快速下降，其他水生動物因水體缺氧大量死亡，過量營養(yǎng)物質(zhì)被“禁錮”在生產(chǎn)者這一營養(yǎng)級內(nèi)，水質(zhì)得不到凈化。在湖泊生態(tài)學(xué)中，此過程被稱為從“草型清水態(tài)”退化到“藻型濁水態(tài)”[23]。

2.1.2 食物網(wǎng)理論

物質(zhì)循環(huán)和能量流動依賴食物網(wǎng)[25]。食物網(wǎng)中的各種生物緊密參與有機(jī)物和無機(jī)營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化的物理、化學(xué)過程[26]。濕地生態(tài)系統(tǒng)中的生物群落包括高等維管束植物、浮游動植物、底棲動物、昆蟲、兩棲爬行類和鳥類等組分，他們共同組成了濕地食物網(wǎng)[25]。完整的食物網(wǎng)能夠充分消解利用營養(yǎng)物質(zhì)，從而使?jié)竦厮|(zhì)得到凈化。

2.1.3 “種-面積”關(guān)系

隨著棲息地面積增大，棲息地內(nèi)的生物種類也隨之增加，最初增加很快，以后逐漸緩慢，形成一條曲線，叫作“種-面積”曲線(Speciesarea curve)[27]。這是濕地生物群落重建的基本原理，即一定面積的人工濕地，僅能支持相應(yīng)營養(yǎng)級數(shù)的生物群落，恢復(fù)的生物種類數(shù)有其上限。

2.2 生態(tài)修復(fù)依據(jù)和設(shè)計(jì)思想

2.2.1 歷史生物和景觀依據(jù)

景觀水體所在區(qū)域的歷史生物數(shù)據(jù)是生態(tài)修復(fù)的生物依據(jù)。特別在城市環(huán)境中，原生生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度上受到干擾，恢復(fù)的目標(biāo)狀態(tài)，以及需要恢復(fù)什么生物，需要以歷史生物數(shù)據(jù)為依據(jù)。自然地理環(huán)境是景觀水體生態(tài)修復(fù)的景觀依據(jù)，需從區(qū)域氣候、地形、水文條件等入手，以歷史景觀數(shù)據(jù)來支撐水體恢復(fù)的景觀目標(biāo)。

2.2.2 “人為設(shè)計(jì)”和“自然發(fā)展”

在濕地生態(tài)修復(fù)方面，有人為設(shè)計(jì)(designer-wetland)和自然發(fā)展(self-design)2種思路。前者認(rèn)為應(yīng)該種植足夠的植物來達(dá)到特定的效果，后者認(rèn)為為了加速自然恢復(fù)，可人為創(chuàng)造一些必要的條件，但是還是需要給自然提供足夠的時間讓其恢復(fù)[28-30]。實(shí)際上，這兩種思路是相輔相成的，人為設(shè)計(jì)是修復(fù)過程中的必要步驟，以此為基礎(chǔ)，自然發(fā)展一步一步展開，鞏固人為設(shè)計(jì)的效果。

2.3 基于生物群落重建的景觀水體生態(tài)修復(fù)流程

在景觀水體中重建生物群落以開展生態(tài)修復(fù)的基本思路是：人工重引入擴(kuò)散能力較弱的生物類群，吸引擴(kuò)散能力較強(qiáng)的生物類群，形成食物網(wǎng)，使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)順暢流動并最終能被生物(如水鳥)或人工移除出水體。修復(fù)流程包括：1)修復(fù)方案設(shè)計(jì)：依據(jù)景觀水體所在區(qū)域的歷史生物數(shù)據(jù)、自然地理?xiàng)l件、歷史景觀環(huán)境和生物本底調(diào)查結(jié)果，明確生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)生物物種，從景觀水體物理空間結(jié)構(gòu)和生物群落重建2個方面進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；2)工程施工：按照方案塑造水體的物理空間結(jié)構(gòu)，按照搭建食物網(wǎng)的思路重引入關(guān)鍵生物物種；3)恢復(fù)監(jiān)測：(1)生物監(jiān)測，包括重引入物種的生存和繁衍情況和自然遷入生物的種類和數(shù)量；(2)水質(zhì)監(jiān)測；4)管理維護(hù)：需人力維護(hù)以抵消人造環(huán)境對水體產(chǎn)生的負(fù)面影響(圖1)。

3 實(shí)例研究

3.1 景觀環(huán)境

小毛驢市民農(nóng)園景觀水體位于北京市海淀區(qū)蘇家坨鎮(zhèn)后沙澗，西山鳳凰嶺的山前平原上，是地下水位較高的區(qū)域。該農(nóng)園是一處都市農(nóng)業(yè)示范園區(qū)，屬于廣義的城市綠地[31]。園區(qū)內(nèi)不噴灑農(nóng)藥，施用有機(jī)肥料(牛糞)。水體位于農(nóng)園的東南角，其原本是一個池塘，但是因?yàn)榈叵滤幌陆?，池塘季?jié)性干涸時間超過半年。水體面積約2 600m2，分為西池(680m2，深1.2m)和東池(1 920m2，深0.5～0.8m)。水源為地下水、農(nóng)地排灌水和雨水。排灌水和雨季地表徑流順著排水渠匯入水體，從南側(cè)排入城市河道(圖2)。

圖2 小毛驢市民農(nóng)園景觀水體位置和排水方向圖示

3.2 修復(fù)依據(jù)

3.2.1 生物依據(jù)

小毛驢景觀水體所在北京地區(qū)涉及的濕地生物數(shù)據(jù)歷史文獻(xiàn)如下：《北京動物調(diào)查》《北京地區(qū)兩棲動物區(qū)系及生態(tài)分布》《北京魚類和兩棲、爬行動物志》。2000年以后出版的動物志類文獻(xiàn)如下：《北京及其鄰近地區(qū)的魚類物種多樣性、資源評價(jià)和原色圖譜》《北京蜻蜓目昆蟲名錄及地理分布》《北京蜻蜓生態(tài)鑒別手冊》。以上文獻(xiàn)共記錄魚類85種，蛙類7種(平原地區(qū)5種)，蜻蜓目62種。景觀水體生態(tài)修復(fù)的最終目的之一是恢復(fù)上述物種的棲息地。圖3所示為筆者根據(jù)以上文獻(xiàn)繪制的北京平原地區(qū)水體生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)。該食物網(wǎng)揭示了水體中各類群生物之間的營養(yǎng)級關(guān)系，以及營養(yǎng)物質(zhì)如何通過食物網(wǎng)進(jìn)行消解。

3.2.2 歷史景觀依據(jù)

小毛驢景觀水體所處的北京海淀區(qū)域，“……無論是當(dāng)時還是現(xiàn)在，這座城市真正景色迷人之處，還是在城區(qū)與西山之間的西北郊。那里既有雄偉的山色，也有注入湖泊泉水的豐沛水源”[32]。歷史上的海淀區(qū)域濕地沼澤遍布，隨著北京四季變化歲歲枯榮。此區(qū)域適宜開展景觀水體的恢復(fù)。

圖3 北京平原地區(qū)典型濕地生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)[26]

3.3 修復(fù)方案及實(shí)施過程

3.3.1 物理空間結(jié)構(gòu)營造

場地原貌為平坦池底和豎直駁岸，此種水體空間結(jié)構(gòu)不利于多種生物生存，因此通過水體豎向設(shè)計(jì)，島嶼、淺灘、平臺和深潭等水底地形被營造出來，水深從坡岸入水至1.5m，滿足不同水生生物對水深的需求(圖4)。水體主入水口在東池東北角，出水口設(shè)置在東池南角。設(shè)計(jì)最高水位1.5m，夏季蓄水達(dá)到最高水位；春秋季節(jié)水位維持在0.6～1.0m；冬季結(jié)冰前，補(bǔ)水至1.0m。駁岸形式采用草坡。于2017年5月2—12日進(jìn)行土工施工。施工過程包括按照設(shè)計(jì)塑造水底地形，鋪設(shè)防滲毯，回填底泥?；靥畹啄嗪穸戎辽?0cm，以保證原池塘底泥中的生物群落被完整保留。在5月13—14日，蓄水并種植沉水植物。圖5顯示了自2017年4—8月，水體的景觀恢復(fù)過程。

3.3.2 生物群落重建步驟

1)人為設(shè)計(jì)和管理。

“人為設(shè)計(jì)”部分：從5月中至8月底，沉水植物、挺水植物、底棲生物、魚類依次被重引入(圖6)，各種生物均為華北地區(qū)原生鄉(xiāng)土物種。沉水植物種植在水深0.5m以深區(qū)域，挺水植物種植在水深0.2m以淺區(qū)域，形成層次鮮明的水生植物景觀。除原生魚之外，適當(dāng)引入觀賞性草金魚，在保證生態(tài)功能的同時，也使魚類易于觀賞。進(jìn)入雨季(6月下旬開始)后，大量富含肥料的雨水在短時間內(nèi)排入該水體，漂浮植物大量生長，此時需要人力將漂浮植物撈出，協(xié)助水體生態(tài)系統(tǒng)維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

2)自然發(fā)展。

5—9月，每周一次的生物監(jiān)測結(jié)果揭示了自然發(fā)展進(jìn)程(圖6)。主要事件如下。

蜻蜓：黃蜻(Pantala flavescens)在蓄水當(dāng)日即前來產(chǎn)卵，6月17號首次記錄到黃蜻羽化。7月7日，記錄到碧偉蜓(Anax parthenope)大規(guī)模羽化。

兩棲類：黑斑側(cè)褶蛙(Pelophylax nigromaculatus)在蓄水次日產(chǎn)卵；6月21日記錄到其蝌蚪長出4條腿。6月26日，入夏第一場大雨之后，記錄北方狹口蛙(Kaloula borealis)蝌蚪。

鳥類：蓄水滿一月后，小

(Tachybaptus ruficollis)被記錄，這是該景觀水體吸引來的第一種水鳥。7月8日，記錄池鷺(Ardeola bacchus)、夜鷺(Nycticorax nycticorax)等鷺鳥。7月21日，記錄普通翠鳥(Alcedo atthis)。8月4日和26日，均記錄一只成年池鷺和亞成鳥在濕地捕食，可以推測有一窩池鷺在水體附近繁殖，該景觀水體為池鷺雛鳥提供了生長所需食物。

魚類：6月28日重引入第一批魚類，7月21日，記錄鯽魚(Carassius auratus)魚苗。9月，通過魚籠誘捕，記錄鳑鲏(Rhodeinaesp.)、黃?(Hypseleotris Swinhonis)幼苗，以及大量麥穗魚(Pseudorasbora parva)，表明魚類群落恢復(fù)良好。

蛇類：8月2 6日，記錄虎斑頸槽蛇(Rhabdophis tigrinus)。

3)“人為設(shè)計(jì)”和“自然發(fā)展”的關(guān)系。

“人為設(shè)計(jì)”決定了水體地形和水生植物、魚類和底棲動物群落，為蜻蜓、蛙類、蛇和鳥類的“自然發(fā)展”提供了棲息地物理環(huán)境和食物條件。蓄水后，坡岸、淺水環(huán)境為蛙類繁殖提供了便利。不同種類的蜻蜓在蓄水和水生植物出現(xiàn)之后即來產(chǎn)卵。在水體中出現(xiàn)蝌蚪、底棲動物和蜻蜓幼蟲后，以此為食的小 被吸引前來。蝌蚪大批長成蛙后，以此為食的鷺類被吸引前來。魚類重引入并開始繁殖后，以此為食的翠鳥被吸引前來。人為設(shè)計(jì)的適宜物理空間和充足食物是生物群落賴以自然發(fā)展的關(guān)鍵因素。食性不同的生物在生物群落建立過程的不同階段出現(xiàn)，并參與到建立過程中來。

圖4 小毛驢景觀水體水底地形設(shè)計(jì)圖

圖5 小毛驢水體4—8月景觀恢復(fù)過程

3.4 修復(fù)效果

3.4.1 凈化水質(zhì)效果

該景觀水體在5月中旬蓄水之初，水源為地下水。經(jīng)過3日浸泡，水體總氮含量均值達(dá)1.33mg/L，略低于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)[33]。6月下旬進(jìn)入雨季后，大量富含有機(jī)肥的雨水匯入水體。7月中旬，水體總氮含量均值達(dá)到2.40mg/L，為劣Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[33]。水綿(Spirogyrasp.)、剛毛藻(Cladophorasp.)和水網(wǎng)藻(Hydrodictyonsp.)等大型漂浮植物生長茂盛，迅速吸收水體里的氮素。由于濕地動物群落尚未發(fā)展成熟，當(dāng)時濕地動物的生物量尚不足以消化短時間內(nèi)大量爆發(fā)的漂浮植物，因此需人工將其打撈移除。隨著生物群落的發(fā)展，8月水體總氮和總磷含量分別降低到0.36mg/L和0.02mg/L，達(dá)Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，同時，葉綠素a濃度也優(yōu)于剛蓄水的5月(表1)。

3.4.2 生物棲息地功能

在5個月修復(fù)過程中，該水體記錄到兩棲類2種，水鳥5種，爬行類1種，蜻蜓20種(表2)。其中，黑斑側(cè)褶蛙和北方狹口蛙本就在這個區(qū)域棲息，常水體狀態(tài)給這兩種蛙類繁殖提供了適宜的棲息地，估計(jì)繁殖數(shù)量可達(dá)1 000只以上。5種水鳥中，3種為鷺鳥，小為游禽，還有一種依賴濕地捕魚的普通翠鳥。鷺類鳥類是大面積游蕩型覓食的鳥類，在濕地成效的指示效果上不及游禽。一種爬行類被記錄到，為虎斑頸槽蛇(Rhabdophis tigrinus)，它是一種喜好在濕地區(qū)域棲息的蛇類，主要捕食大量繁衍的蛙類。

4 討論和結(jié)論

4.1 修復(fù)前后價(jià)值對比

在凈化水質(zhì)方面，修復(fù)之前，該水體僅在7—9月有常水體，由于下滲，水體深度較淺，且在7—8月雨季，富含有機(jī)肥的農(nóng)田排水直接與地下水混合，或溢流排入城市河道，對地下水和城市河道產(chǎn)生負(fù)面影響。修復(fù)之后，防滲毯隔離了富含農(nóng)家肥的雨水和地下水，水體經(jīng)過濕地生物群落凈化再排入城市河道，發(fā)揮了凈化水質(zhì)的作用。在生物多樣性方面，修復(fù)前只有種類較少的水生植物(1種)、蜻蜓(1種)和兩棲類(2種)，以及偶爾記錄的鷺類水鳥(訪談)。修復(fù)之后，沉水植物恢復(fù)到8種，蜻蜓20種，水鳥5種，包括鷺類、類和翠鳥，生物多樣性得到豐富。在管理方面，修復(fù)之前該水體抽取地下水種植蓮藕，修復(fù)之后，需在7—8月打撈漂浮植物，9—10月打撈沉水植物(表3)。農(nóng)園景觀水體生態(tài)修復(fù)是一種“有代價(jià)的恢復(fù)”，主要是鋪設(shè)防滲毯和抽取地下水。然而，其生態(tài)價(jià)值也是顯著的，一是為多種大量的濕地生物提供了穩(wěn)定的棲息地，二是在雨季凈化了富含肥料的農(nóng)業(yè)面源污水，同時，擁有豐富多彩生物的景觀水體也具有美學(xué)價(jià)值。

表1 小毛驢景觀水體水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.2 景觀水體生態(tài)修復(fù)的有限性

城市景觀水體修復(fù)工作必須考慮客觀現(xiàn)實(shí)條件，包括水源、工程措施、管理方法、濕地的功能等方面的內(nèi)容，在客觀現(xiàn)實(shí)條件的限制下選擇性恢復(fù)適宜環(huán)境的濕地生物群落。同時，在城市區(qū)域?qū)坝^水體進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，并不是一勞永逸，而是需要采用人力干擾來抵抗周邊環(huán)境對水體生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，使其維持在一個水質(zhì)清潔、生物多樣性豐富的相對穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 小毛驢濕地“自然發(fā)展”的28種濕地動物

4.3 結(jié)論

城市景觀水體生態(tài)修復(fù)基于物質(zhì)流、食物網(wǎng)、種-面積關(guān)系等生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論，以水體所在區(qū)域的歷史生物和景觀數(shù)據(jù)作為修復(fù)依據(jù)，在“人為設(shè)計(jì)”和“自然發(fā)展”2個過程的共同作用下修復(fù)完整的濕地生物食物網(wǎng)，保證水體生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流順暢，被排入景觀水體的過量植物營養(yǎng)素可以被生物群落消解，水質(zhì)得到凈化。本研究將此過程與景觀工程結(jié)合起來，總結(jié)出以下基于生物群落重建的景觀水體修復(fù)流程：修復(fù)方案設(shè)計(jì)、工程施工、恢復(fù)監(jiān)測和管理維護(hù)4個步驟，歷史生物數(shù)據(jù)/自然地理文獻(xiàn)查閱，場地踏勘，生物本底調(diào)查，水底地形設(shè)計(jì)，景觀工程施工，物種重引入，生物監(jiān)測和水質(zhì)監(jiān)測8種方法。通過小毛驢市民農(nóng)園景觀水體生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目的實(shí)踐，結(jié)果顯示，完善的生物群落對景觀水體水質(zhì)凈化功能的發(fā)揮具有關(guān)鍵作用，同時，該景觀水體也為保護(hù)地區(qū)性生物多樣性起到重要作用。

表3 小毛驢景觀水體生態(tài)修復(fù)前后價(jià)值對比

圖6 小毛驢景觀水體生物群落重建過程，“人為設(shè)計(jì)”和“自然發(fā)展”時間表

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制或拍攝。

致謝：感謝匯豐銀行資助該項(xiàng)目，感謝牛加翼在該項(xiàng)目中的貢獻(xiàn)。