謝自建, 魏偉偉*, 李春華, 葉春, 王昊
1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復技術國家工程實驗室, 中國環(huán)境科學研究院2.國家環(huán)境保護湖泊污染控制重點實驗室, 中國環(huán)境科學研究院
湖濱帶是指湖泊流域中陸地生態(tài)系統(tǒng)與水域生態(tài)系統(tǒng)間的生態(tài)過渡帶,是在湖泊水動力和周期性水位變化等環(huán)境因子的作用下,形成的以水文過程為紐帶、以濕地生物為特征的水陸生態(tài)交錯帶[1-2]。湖濱帶分布范圍為湖泊的最低水位線延伸到湖岸濕生植物消失的區(qū)域,包括水向輻射帶、水位變幅帶和陸向輻射帶。作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2-3],湖濱帶對維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能起著積極的影響。緩沖帶是人為設置的由湖濱帶的陸向輻射帶上邊界向陸域擴展一定寬度的隔離生境,是從湖庫管理角度劃定的緩沖或減輕人類活動和自然過程對湖泊、水庫干擾的區(qū)域,其范圍根據不同水體的實際情況有所差別,一般寬度在幾十米到幾公里不等[4-5]。緩沖帶作為湖泊外圍的保護帶,是以綠色流域建設和協(xié)調發(fā)展為理念,在湖濱帶的外圍設立一定區(qū)域,建立流域經濟發(fā)展區(qū)與自然湖泊間的過渡區(qū),以有效攔截、凈化陸域污染物,減緩人類開發(fā)活動對湖泊的壓力,保護湖泊生境。湖濱緩沖帶由湖濱帶和緩沖帶組成[1,5],是湖庫水體與陸地之間的過渡帶和隔離緩沖空間。近年來,由于我國湖庫流域點源污染逐步得到控制,面源污染占比增大,湖濱緩沖帶的劃定和生態(tài)修復成為改善湖庫生態(tài)環(huán)境質量、實現生態(tài)增容的重要手段,對維護湖庫生態(tài)系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定具有重要意義[6-7]。
我國湖濱緩沖帶概念始于“九五”期間,經過不斷的推廣應用,從最初的模糊概念逐步發(fā)展為一系列理論及成套技術,并在我國湖泊生態(tài)保護修復中發(fā)揮了重要作用[8-11]。目前,湖濱帶和緩沖帶的劃定主要在太湖、巢湖等平原型湖庫開展[11-12],有關高山堰塞湖等山地型湖庫湖濱緩沖帶劃定的研究鮮見報道。平原型湖庫湖濱緩沖帶多因人類活動影響而遭到破壞,而山地型湖庫自身具有生境結構單一、土壤侵蝕嚴重等特點,其湖濱緩沖帶多因自身生態(tài)退化而受到破壞,因此,開展山地型湖泊的湖濱緩沖帶劃定并提出生態(tài)修復思路更具有迫切性和必要性。筆者以典型高山堰塞湖——鏡泊湖作為研究對象,通過資料收集和野外勘察,對鏡泊湖湖濱緩沖帶進行劃定,探明區(qū)域內湖濱帶和緩沖帶的特征及生態(tài)環(huán)境存在的主要問題,提出鏡泊湖湖濱緩沖帶生態(tài)修復思路,旨在為鏡泊湖流域水環(huán)境保護和水生態(tài)修復提供依據。
鏡泊湖位于黑龍江省東南部寧安市境內,是中國最大、世界第二大火山熔巖高山堰塞湖,是國家5A級風景名勝區(qū)、世界地質公園,流域總面積為 11 665 km2。鏡泊湖流域內有近30條河流,年均流入量為90.8 m3/s,年均徑流量為28.7×108m3,其中牡丹江是湖水主要來源[13]。湖泊南北長45 km,東西最寬處達6 km,平均水深為13.8 m,面積為79.3 km2。湖泊多年平均水位為347.95 m;最高水位為354.43 m,多出現在8—9月;最低水位為339.17 m,多出現在3—4月[14-15]。
流域土壤類型主要是基性巖火山石質土和暗棕壤火山灰石,流域內典型植被是紅松針闊葉混交林和以蒙古櫟為主的次生落葉闊葉林,植被覆蓋率達68%[16-17]。流域主要土地利用類型包括耕地、林地、草地、建設用地、水域、未利用地等,2000—2010年,耕地和建設用地面積分別由232.2和16.4 km2增至277.1和29.3 km2,而林地和草地面積則分別由 1 144和107 km2降至 1 133 和31.3 km2。由于凍融侵蝕、雨水沖刷和湖水沖擊作用,流域內水土流失嚴重,水土流失面積達 5 000 hm2,水土流失加重面源污染,給區(qū)內生態(tài)系統(tǒng)帶來不同程度的危害[18]。此外,近年來鏡泊湖湖濱區(qū)域大型水生植物生物量和多樣性明顯下降[19],導致植物吸收、富集的水體污染物量減少。
20世紀中期,鏡泊湖水質為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅰ類;由于旅游業(yè)發(fā)展和人類活動加劇,到80年代水質下降為Ⅲ類,湖面以藍藻為主的藻類分布面積逐漸增加,最高時占據40%的水面;2018年鏡泊湖水質為Ⅳ類,同比水質進一步下降[18,20]。目前,鏡泊湖執(zhí)行Ⅲ類水質標準[21]。
基于資料收集和現場勘察,對鏡泊湖湖濱帶和緩沖帶進行劃定,分析區(qū)域內的主要生態(tài)環(huán)境問題,并提出湖濱緩沖帶生態(tài)修復思路,研究的技術路線如圖1所示。
圖1 鏡泊湖湖濱緩沖帶劃定及生態(tài)修復的技術路線Fig.1 Technology roadmap of littoral zone and buffer zone demarcation in Jingpo Lake and ecological restoration
湖濱帶的自然結構一般分為陸向輻射帶、水位變幅帶和水向輻射帶[8]。但基于管理的方便,常選擇陸向輻射帶和水位變幅帶來代表湖濱帶的寬度范圍。本研究使用陸向輻射帶和水位變幅帶寬度之和作為鏡泊湖湖濱帶寬度。通過2018—2019年對鏡泊湖湖濱帶的實地勘察,結合鏡泊湖湖濱帶地形地貌、水文條件及灘地分布情況,將鏡泊湖湖濱帶分成山體型、大堤型、道路型、河口型、村落型和農田型6種類型。
水位變幅帶的寬度相對來說比較容易界定,即最低水位線與最高水位線之間的區(qū)域。陸向輻射帶寬度邊界可以認為是從水位變幅帶的上緣延伸到陸向喜濕植物消失的邊緣,陸向輻射帶寬度劃定需要確保該區(qū)域與湖泊水體有很強的關聯性,即延伸部分要實現與湖泊融為一體,而不是中間被道路、山坡、大地等障礙物隔離[1,5-6]。通過文獻調研、資料收集和現場調查,確定鏡泊湖不同類型湖濱帶陸向輻射帶寬度劃定方法為:1)山體型湖濱帶。指湖泊水體直接與山體相鄰的湖濱帶類型,其陸向輻射帶寬度由最高水位線延伸到山腳處。2)大堤型湖濱帶。指湖濱帶區(qū)域建有大堤,其陸向輻射帶由最高水位線延伸到大堤背水側向陸域延伸5~30 m,參照《水利部關于加快推進河湖管理范圍劃定工作的通知》(水河湖〔2018〕314號)要求,1級堤防防護堤寬度延伸20~30 m,2、3級堤防防護堤寬度延伸10~20 m,4、5級堤防防護堤寬度延伸5~10 m。3)道路型湖濱帶。指原岸帶空間修建有道路的湖濱帶,其陸向輻射帶由最高水位線延伸到道路背水側路基保護范圍的邊界線。4)河口型湖濱帶。指有出入湖庫河流、河道的湖濱帶區(qū)域,其陸向輻射帶是以河口中心線和湖岸延伸線交匯處為圓心,以河口寬度為半徑的扇形區(qū)域,并與其他類型的湖濱帶平滑連接。5)農田型湖濱帶。指原岸帶空間被開墾為農田,永久性或季節(jié)性被農田侵占的湖濱帶區(qū)域。農田型湖濱帶陸向輻射帶寬度采用歷史數據對照法或橫向類比法確定,且優(yōu)先選擇歷史數據對照法;同時應根據實際情況和發(fā)展狀況,因地制宜地確定寬度。結合鏡泊湖農田分布狀況,農田型陸向輻射帶寬度應從最高水位線向陸域擴展不少于15 m,最大寬度一般不超過50 m。6)村落型湖濱帶。指原岸帶空間被村落侵占的湖濱帶類型。村落型湖濱帶又可分為零星房屋型和集中居住區(qū)型,零星房屋型湖濱帶陸向輻射帶寬度劃定方法與農田型相同,采用歷史數據對照法或橫向類比法確定,且優(yōu)先選擇歷史數據對照法,并結合實際情況確定寬度,集中居住區(qū)型劃至集中居住區(qū)邊緣。結合鏡泊湖村落分布狀況,村落型湖濱帶陸向輻射帶寬度應從最高水位線向陸域擴展不少于15 m,最大寬度一般不超過50 m。
鏡泊湖湖盆形態(tài)由南向北逐漸加深,湖水呈南淺北深趨勢。湖區(qū)北部為深水區(qū),湖岸為陡峭的巖石或緊貼山坡,有山體阻隔,景區(qū)部分被大堤包圍,湖濱帶寬度較小,為0~50 m,其中陸向輻射帶寬度為0~40 m,水位變幅帶寬度為3~6 m;而湖區(qū)南部及被鏡泊鎮(zhèn)包圍的湖灣則以淺水區(qū)為主,部分深水區(qū)在靠岸處也有局部淺水區(qū)湖濱帶,湖濱帶寬度較大,為10~140 m,其中陸向輻射帶寬度為10~80 m,水位變幅帶寬度為0~60 m。
鏡泊湖山體型、大堤型、道路型、河口型、村落型、農田型(圖2)6種類型湖濱帶的分布及特點如下。
圖2 鏡泊湖不同類型湖濱帶分布Fig.2 Distribution of different types of littoral zones in Jingpo Lake
2.2.1山體型湖濱帶
湖水毗鄰山體,由于湖水長期的沖刷作用,水位變幅帶沿線底質以碎石、沙地為主,湖濱區(qū)域土壤侵蝕嚴重,很少有大型水生植物生長。山體型湖濱帶主要分布在鏡泊湖中部和北部湖岸,長約150.28 km,占湖濱帶總長度的78.3%,是鏡泊湖湖濱帶的主要類型。
2.2.2大堤型湖濱帶
鏡泊湖部分岸帶建有堤岸,且湖水在最低水位時已到達大堤的堤腳或以上部位。由于風浪對基底的持續(xù)沖蝕,該區(qū)域只有眼子菜、矮生耐寒枯草等少量沉水植物存活。大堤型湖濱帶一般建于旅游景區(qū)或居住區(qū)沿岸,通過堤岸建設保護湖濱帶或在湖濱區(qū)修建有碼頭,屬非自然岸坡。該類湖濱帶長5.91 km,占鏡泊湖湖濱帶總長度的3.1%。
2.2.3道路型湖濱帶
鏡泊湖原岸帶空間修建有道路,道路多依靠山體,由于長期受到湖水侵蝕,少有大型水生植物生長。道路人為改變了湖濱帶的地形地貌和徑流狀態(tài),一般無法去除干擾和恢復原貌。道路型湖濱帶主要分布在鏡泊湖中部和北部湖岸,長7.42 km,占鏡泊湖湖濱帶總長度的3.9%。
2.2.4河口型湖濱帶
該類型湖濱帶位于河流的入、出湖口,主要地貌特征為河口的邊緣處有邊灘,前緣有心灘和淺灘,有著復雜的灘地、水面鑲嵌結構,大型水生植物種類較多,其中濕生植物以菖蒲、毒芹為主,挺水植物以水蒿、蘆葦為主,浮葉植物以兩棲蓼、東北菱為主,沉水植物以眼子菜、杉葉藻為主。有些河流因輸沙量較大,泥沙堆積在河口,逐漸發(fā)育成河口三角洲濕地。有些河流基于人類通航及濱水環(huán)境利用的需要,河口處被采用不同方式進行了改造,如河口灘地被開挖,底質被疏浚,河口處水較深,加上過往船舶以及油污染的影響,大型水生植物難以生存。該類型湖濱帶零星分布,主要位于鏡泊湖南部入湖河口、北部出湖河口,湖濱帶長10.21 km,占鏡泊湖湖濱帶總長度的5.3%。
2.2.5村落型湖濱帶
鏡泊湖村落型湖濱帶與農田型湖濱帶交錯分布,湖濱區(qū)域有大型水生植物分布,其中濕生植物以菖蒲、三棱水蔥為主,挺水植物以蘆葦、藺草為主,浮葉植物以東北菱、丘角菱為主,沉水植物以馬來眼子菜、杉葉藻為主。村落型湖濱帶主要位于南部湖岸,長7.12 km,占鏡泊湖湖濱帶總長度的3.7%。
2.2.6農田型湖濱帶
該類型湖濱帶多位于湖灣區(qū)域,湖濱帶結構復雜,湖灣內水動力條件相對緩和,水質相對較好,有利于大型水生植物的生長,以蘆葦、水蒿等挺水植物為主,也有其他大型水生植物分布,但在湖灣間的岬腳下一般形成陡岸深水環(huán)境,多塊石,不適合大型水生植物生長。農田型湖濱帶主要分布在南部湖岸,長10.92 km,占鏡泊湖湖濱帶總長度的5.7%。
湖泊緩沖帶寬度的劃定需要考慮湖泊流域面積、水功能定位、水體深淺、土壤侵蝕狀況、周邊土地利用、污染源強度等。1)隨著流域面積增大,湖泊面臨的壓力也會增長,需要的湖泊緩沖帶寬度越大。一般將流域面積<10 km2的湖(庫)劃為小流域類型,流域面積為10 ~1 000 km2的湖(庫)劃為中流域類型,流域面積≥1 000 km2的湖(庫)劃為大流域類型。2)按照水功能定位,湖泊可劃分為飲用水水源地、非飲用水水源地,飲用水源地相較于非飲用水源地,水功能定位更高,湖泊緩沖區(qū)寬度更大。3)按照水體深淺,湖泊可劃分為深水湖泊和淺水湖泊(深/淺水湖泊水深界限一般為6 m),與淺水湖泊相比,深水湖泊需要設置更寬的緩沖帶。4)流域的土壤類型及土壤侵蝕強度直接關系到污染物的遷移擴散速率。土壤侵蝕強度越大,污染物遷移速度越快,對湖泊污染越嚴重,需要的緩沖帶寬度也越大。根據鏡泊湖的土壤類型及土壤侵蝕強度現狀,需設置較寬的緩沖帶。5)土地利用類型與流域污染源類型及強度密切相關,污染源強度高的流域應該設置更寬的緩沖帶。
鏡泊湖流域面積為 11 665 km2,屬大型湖泊,湖泊水體功能按照非飲用水水源地考慮,湖區(qū)北部為深水湖區(qū),南部湖灣區(qū)域為淺水湖區(qū)。結合鏡泊湖湖濱區(qū)域土地利用類型,將鏡泊湖緩沖帶劃分為山體型、農田型和村落型3種類型。通過文獻調研、資料收集和現場調查,確定鏡泊湖各類型緩沖帶的寬度劃定方法如下。1)山體型緩沖帶。指湖岸邊緊鄰山體的緩沖帶類型,其緩沖帶寬度延伸到山脊線處。2)農田型緩沖帶。指湖泊岸線向陸向延伸400 m以內具有分片或連片農田的緩沖帶類型,該類型緩沖帶寬度劃定原則:連片農田面積<3.333 hm2時,緩沖帶寬度不小于155 m,應因地制宜地設置生態(tài)攔截溝渠;連片農田面積為3.333~6.667 hm2時,緩沖帶寬度不小于180 m,且設置的農田生態(tài)攔截溝渠面積占比不少于農田面積的1%;連片農田面積≥6.667 hm2時,緩沖帶寬度不小于230 m,且設置的農田生態(tài)攔截溝渠面積占比不少于農田面積的1.5%,其中不少于0.5%的面積為生態(tài)水塘或濕地。3)村落型緩沖帶。指湖泊岸線向陸向延伸500 m 范圍內有村落分布的緩沖帶類型,結合鏡泊湖村落分布狀況,建議村落型緩沖帶的寬度設為155 m。
鏡泊湖3種類型緩沖帶分布如圖3所示,各類型緩沖帶寬度的劃定及主要特征如下。
圖3 鏡泊湖不同類型緩沖帶分布Fig.3 Distribution of different types of buffer zones in Jingpo Lake
3.2.1山體型緩沖帶
鏡泊湖周圍大都被山體包圍,又處于土壤侵蝕強烈區(qū)域,總體上可把湖體周圍第一重山脊作為湖泊緩沖帶的邊界。山體型緩沖帶長度約為205.9 km,是鏡泊湖最主要的緩沖帶類型,其寬度為80~550 m(水平距離),估算平均值為260 m,坡面距離按照實際山腳到山脊距離來定,山體第一重山脊距離鏡泊湖的斜面平均距離約為436 m。有些區(qū)域有多重山丘包圍,臨近水體的為小山丘,后面有更高的山體,且高山山腳與臨水小山丘相連,這種情況下需要把直接能匯入鏡泊湖水體的高山坡面也劃入湖泊緩沖帶范圍內。區(qū)域內植被類型以落葉闊葉林和針葉闊葉林為主,優(yōu)勢物種包括楓樺、山槐、臭冷杉、紅松、紫椴、魚鱗云杉等。
3.2.2農田型緩沖帶
農田型緩沖帶主要分布在鏡泊湖南部湖區(qū),尤其是瀕臨鏡泊鎮(zhèn)的區(qū)域。北部湖區(qū)有少部分農田區(qū)域,但因北部湖區(qū)農田區(qū)域臨界山體,緩沖帶劃定可參照山體型緩沖帶,因此鏡泊湖農田型緩沖帶劃定主要針對瀕臨鏡泊鎮(zhèn)區(qū)域的農田型緩沖帶。鏡泊湖岸帶農田類型包括水田和旱地,其中水田主要種植水稻,旱地種植的作物包括玉米、大豆、蔬菜等??紤]到湖區(qū)南部的連片農田區(qū)域面積均大于6.667 hm2,所以鏡泊湖農田緩沖帶的參照寬度設為230 m。劃定結果顯示,農田型緩沖帶外圍長度約為15.8 km。在農田型緩沖帶劃定時需注意,在坡度≥10°的岸帶不能有農田存在,否則緩沖帶再寬,起到的保護作用也甚微。在該情況下,首先考慮將臨湖200 m范圍內的農田全部退出,若近期實施存在困難,則要考慮實施農田面源污染控制氮磷生態(tài)攔截溝渠工程。
3.2.3村落型緩沖帶
村落型緩沖帶主要分布在南部湖區(qū)的鏡泊鎮(zhèn)。因北部湖區(qū)村落臨界山體,可參照山體型緩沖帶劃定,因此鏡泊湖村落型緩沖帶主要針對瀕臨鏡泊鎮(zhèn)區(qū)域的村落型緩沖帶。根據實際調查結果,村落型緩沖帶外圍長度約4.8 km。對分布在湖區(qū)周圍的村落型緩沖帶,管理上要求至少距離湖岸400 m內的村落設有分散式污水處理裝置或者接入城鎮(zhèn)污水處理廠管網,否則須將沿湖400 m內村落全部拆除。
湖濱帶植被能減緩陸向入湖水流,特別是洪水的流速,降低洪峰流量,使懸浮顆粒物沉降下來。濕生植物、挺水植物和沉水植物的根系和植株可直接減小風浪襲擊湖岸的強度,保護湖岸免受風浪的直接沖刷和侵蝕。同時,植被的持水能力對涵養(yǎng)水源和水土保持也很重要。鏡泊湖湖濱帶大型水生植物分布稀少,與20世紀80年代相比,挺水植物由原來的33種減少到4種,其他生活型大型水生植物減少了16種。大型水生植物生物量和多樣性明顯下降,部分臨湖灘地常年裸露,難以發(fā)揮湖濱帶原有功能。
鏡泊湖流域耕地主要分布于流域北部的吉林省敦化市。2000—2015年,鏡泊湖流域耕地面積逐步擴大。過量施用的化肥、農藥通過徑流、土壤侵蝕和淋溶等方式進入水體,造成鏡湖泊水環(huán)境質量下降。鏡泊湖流域(牡丹江市)面源入湖污染負荷中農業(yè)種植面源占比最高,其總氮、總磷、氨氮和化學需氧量(COD)占比分別為43.65%、83.42%、73.28%和35.81%。截至2019年5月,牡丹江市東京城林業(yè)局有超過 1 655 hm2林地被農田侵占,面積占流域內該局管轄總面積的17%,這些農田多沿湖分布,產生的污染負荷基本直接入湖,給鏡泊湖帶來很大的污染。此外,現存的林地遭到各種經營活動的干擾和破壞,森林結構發(fā)生了很大的變化,常綠針葉林面積縮減,落葉闊葉林面積增加,導致森林群落逆行演替,落葉腐解物入湖造成污染。
山體型緩沖帶是鏡泊湖緩沖帶的主要類型。從山體第一重山脊距離鏡泊湖的斜面平均距離約為436 m,鏡泊湖周圍山體沿鏡泊湖岸線長度約為205.9 km,則鏡泊湖周圍山體第一重山脊到鏡泊湖岸線匯水區(qū)面積約89 km2。鏡泊湖處于強土壤侵蝕區(qū),暴雨期由于桃花水、洪水影響,每年會出現3~4 次水量激增峰值,且攜帶大量污染物的徑流在短時間內進入湖泊,易造成水質急速下降。
鏡泊湖流域在牡丹江境內轄3鎮(zhèn)1鄉(xiāng)1局,除了景區(qū)內有分散式污水處理設施外,其他絕大部分區(qū)域都沒有污水處理設施,也沒有污水截污納管工程將污水接入污水處理廠。農村生活污水隨雨水徑流被快速沖刷入湖,影響湖泊水體質量。另外,村落內垃圾隨意丟棄在道路、農田、河溝及湖泊周邊,對周圍環(huán)境和湖泊水體造成污染。
針對鏡泊湖湖濱帶及緩沖帶的生境狀況,提出其生態(tài)修復思路如圖4所示。在湖濱帶區(qū)域,通過恢復大型水生植物群落結構,促進水體生境改善與水生態(tài)系統(tǒng)恢復,增加湖泊水環(huán)境容量,改善水環(huán)境質量。在緩沖帶區(qū)域,通過實施農田面源污染、農村生活污染治理方案,使污染源達標排放,減少污染物排放量,進而降低污染物入湖負荷量。此外,通過實施環(huán)湖山體水土保持措施,減緩融雪期桃花水和暴雨期洪水對湖泊水質的沖擊。
圖4 鏡泊湖湖濱緩沖帶生態(tài)修復思路Fig.4 Ideas on ecological restoration of littoral zone and buffer zone in Jingpo Lake
(1) 鏡泊湖湖區(qū)南部和北部湖濱帶寬度明顯不同,湖區(qū)北部湖濱帶寬度較小,約為0~50 m,湖區(qū)南部湖濱帶寬度較大,為10~140 m。鏡泊湖湖濱帶可劃分為6種類型,分別是山體型(長150.28 km,占78.3%),大堤型(長5.91 km,占3.1%),道路型(長7.42 km,占3.9%),河口型(長10.21 km,占5.3%),村落型(長7.12 km,占3.7%)和農田型(長10.92 km,占5.7%),其中,山體型是鏡泊湖最主要的湖濱帶類型。
(2) 鏡泊湖緩沖帶劃定參照大型湖泊、非飲用水水源地考慮,其中湖區(qū)北部和南部分別參照深水湖區(qū)和淺水湖區(qū)劃定方法劃定。鏡泊湖緩沖帶劃分為3種類型,分別是山體型、農田型和村落型,其中山體型緩沖帶是鏡泊湖最主要的緩沖帶類型。
(3) 根據鏡泊湖湖濱帶和緩沖帶類型,結合流域內生境條件、土地利用狀況、水文條件及植被分布狀況,明確湖濱緩沖帶面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題,提出鏡泊湖湖濱緩沖帶生態(tài)修復思路,包括湖濱帶大型水生植物恢復、環(huán)湖山體水土保持、農田面源污染綜合治理及農村生活污染控制等。