湿地生态工程

湿地生态工程摘要湿地生态工程是利用湿地的水文和化学物质贮存器的特点，所设计的控制过剩营养物质、沉积物和污染物，并且改善水质或整治低洼湿地，使其结构和功能得到改善和恢复的生态工程。综述湿地生态工程的发展背景，从湿地生态系统设计类型、设计原则分析典型案例，并总结湿地生态工程的一般模式。关键词湿地生态工程；生态恢复；设计原则中国面临的生态危机，不单纯是环境污染，而是它与人口激增环境、环境与资源破坏、能源短缺、食物供应不足等共同组成的“并发症”。在此背景下，作为解决这一“并发症”的途径而产生的中国生态工程，不但要保护环境与资源，更迫切的要以有限资源，高产、低耗、优质、高效地生产出更丰富的产品与商品，以供应日益增多的人口[1]。立足于本国情况和条件，要求同步取得生态环境、经济及社会效益的多目标，力求维护与改善生态系统的合理性，促进包括废物在内的物质良性循环，相互补偿，保证再生资源供给永续不断，人类生活与工作环境适宜与稳定。同时在经济方面有利，增加节耗，产品适销有出路，减亏增益。在社会效益方面，充分发挥物质条件及科学技术的潜力，从社会需求出发，促使各种社会职能机构的社会效益提高，政策、管理、社会公益、道德风尚为社会认同，并有利于全社会的繁荣昌盛，目标是系统的综合效益最高，而非单项效益最高。1湿地生态工程概述1.1湿地生态工程定义湿地(Wetlands)是地球上水陆相互作用形成的独特生态系统,是重要的生存环境和自然界最富生物多样性的生态景观之一。在抵御洪水、调节径流,改善气候、控制污染,美化环境和维护区域生态平衡等方面有其它系统所不能替代的作用。被誉为“地球之肾”、“生命的摇篮”、“文明的发源地”和“物种的基因库”。因而在世界自然保护大纲中,湿地与森林、海洋一起并列为全球三大生态系统[2]。湿地生态系统是指地表过湿或者常年积水,生长着湿地生物的区域。湿地兼有水域和陆地生态系统的特点,也是一类区别于农田、林地、草地等其他生态系统的较特殊的生态系统。在该系统上形成的湿地生态工程是利用湿地的水文和化学物质贮存器的特点，所设计的控制过剩营养物质、沉积物和污染物，并且改善水质的生态工程；或利用上述特点综合整治低洼湿地，使其结构和功能得到改善和恢复，使其成为良性生产—生态系统的生态工程[3]。1.2湿地生态原则湿地是通过〔如降雨（Rainfall）、表面径流（Surfacecurrent）、地下水流动和潮汐交换（Tideexchange）〕进行营养物和其他化学物的输入输出的。通过湿地生态系统特有的缺氧还原条件、枯枝叶覆盖层很厚的环境而发生了一系列生物地化过程；如固氮（Nitrogenfixation）和反硝化（Denitrification）,光合固碳（Photo-carbonfixation）和沼气化（Methanation），磷、硫等元素的氧化与还原以及矿物质的吸收和释放等等。而正是这一物质平衡原则支配下的系统生化过程，是改善水质极佳的天然工具。2湿地生态工程设计2.1湿地生态工程设计原则2.1.1适用性和多用性原则根据湿地“没有净损失”的原理，设计工程应强调适用性，即要体现工程设计的主要目标，如洪水控制，废水处理等。多用性则注重系统构建时的多目标即次要目标，设计工程师为了功能的发展，而不是姓氏，因而在构建湿地的发展过程中，即使最初引进的动植物未能如愿，但整个湿地功能最初的目标是完整的，湿地演替也就没有失败。因此应给系统一定的时间，使生物获得合理调整并适应新的湿地环境，同时有利于营养物的保持。2.1.2综合性原则湿地生态工程设计涉及生态学、地理学、经济学、环境学等方面的知识，具有高度的综合性。这就要求一方面设计工程应是花费最小的工程，即有植物、动物、微生物、土壤和水流组成的湿地系统应按照自我保持和自我设计来发展；另一方面，设计工程应利用自然能量。这就要求多学科的相互协作和合理配置。2.1.3地域性原则不同区域具有不同的环境背景，低于的差异和特殊性要求在湿地生态工程设计中，要因地制宜，具体问题具体分析。不要将湿地设计过分强调为矩形盆地、渠道以及规则的几何形，要根据不同的水文地貌条件设计湿地生态系统，由于设计的湿地系统是景观或流域的一部分，因而必须将构建的湿地溶入自然的景观当中，而不是独立于景观外。2.1.4生态关系协调原则人与环境、生物与环境、生物与生物、社会经济发展与资源环境以及生态系统之间的协调，应将人类作为系统的一个组成部分而不是独立于湿地之外。人类试图缩短生态演替或过渡管理系统的策略常常难以如愿，人类只能在设计和构建过程中对湿地发展加以引导，而不是强制管理，以保持设计工程的自然性和持续性。2.1.5生态美学原则设计的湿地生态工程一般具有多种功能和价值，在许多湿地构建中，除考虑主要目标外，特别注重对没学的追求，同时兼顾旅游和科研价值，许多国家对湿地公园的设计就体现这一点。生态美学原则主要包括最大绿色原则和健康原则，体现在湿地的情节性、独特性、愉悦性和可观赏性等方面，是湿地价值的重要体现[4]。2.2湿地生态工程设计类型2.2.1作为废水处理湿地生态工程设计自20世纪50年代湿地因为净化水质功能而被广泛应用，自然湿地和人工湿地一样，表现出多种类型和净化能力。自然湿地包括湖泊边缘湿地、广泛的低位沼泽湿地和泛滥平原沼泽。大量实验表明，湿地对水质的净化主要依赖于负荷率以及湿地特殊水文和生态学特征，从实践观点看，构建湿地比自然湿地能够提供更好的废水处理机会，它们可以被设计成适合的BOD、COD和营养物转化过程以及对水文和植物管理的最大控制。近年来，北美、澳大利亚和西欧相继兴建了许多人工湿地污水处理装置，成为去除有机营养物质的重要措施。我国在这方面的研究也有了很大的发展，成为许多生活区、办公区、工业区改善环境质量的有效手段。据中国科学院沈阳应用生态研究所（1995）在辽河三角洲对构建表层流湿地的研究表明，对污水中COD的净化力为10.43g/m2.a，BOD的净化力为0.77g/m2.a，矿物油的净化力为0.88g/m2.a，全N净化力为0.28g/m2.a，对采油污水中油的净化率高达80%以上，而渗漏湿地的净化力分别为18.23、1.47、1.51和0.50g/m2.a，对落地原油和钻井泥浆的净化率在90%[5]。中国科学院生态环境研究中心（1998,1999）对构建湿地土壤因素对污水处理作用的模拟研究，污水净化湿地模拟系统中细菌和藻类的生态分布研究[6,7]，北京市环境保护科学研究院（1998）对构建湿地土壤毛管渗漏污水净化绿地利用的研究等都提供了很强的实用技术和参照，对城市及工业区美化环境和节约水资源等将会起到重要作用。2.2.2作为调整湿地的生态工程设计湿地调整主要是指根据“没有零损失”的原则，避免或最大程度地减轻、修正、消除对湿地生境的负面影响或通过合理途径进行补偿[8]，主要是通过构建新的湿地来达到目标。湿地调整从80年代中期就已提出，目前是美国、加拿大及其它一些国家在湿地保护中的一项策略。美国清洁水项目条款404有关规定要求湿地的丧失应按照一定比率代替，同时要求为调整而构建的湿地最重要的特征是湿地规模、植被覆盖、水文、土壤、野生生物利用、水质等。湿地调整敲掉补偿生境的功能具有可替代性，至少在主要功能发面得到补偿。因而在功能参数方面，如初级生产力、营养物循环、有机质积累、种群维持、捕食与被捕食者之间的相互作用，对外来种的抗性及持续性方面需要进行较系统的评价和监测。2.2.3洪水及非点源污染控制的湿地生态工程设计这类湿地生态工程主要构建在流域内以减少洪水发生，提高水质。大量实践表明，构建湿地在流域里的具体位置应视其功能要求而定，例如在流域上游构建较小的湿地，其目的应是削减下游每年的正常洪水和改善水质，而在下游构建较大的湿地，由于其规模、正常的水文状况和耐久性等，则可能是野生动物栖息的最好场所。尽管在流域下游构建湿地可能对削减洪水更有效，但若上游没能同时设置湿地来改善流域的水文周期，则下游的河道及河堤冲蚀将可能增强[9]。流域内构建湿地位置的选择应力求发挥湿地的其它一些功能，如滞纳沉积物和吸收养分等，然后考虑对下游洪水的削减。因为大多数农业实践活动实施在流域上游，而且是非点源污染物基本来源，所以要在农业生产趋于找到适宜点构建湿地以净化水质，同时对削减下游洪水也起到极大的作用。这样的湿地至少应包括：一个沉积盆地，草皮过滤器和沼泽湿地。沉积盆地主要是收集来自农业区非点源污染物的入流，草皮过滤器是一个过渡区或缓冲区，目的是被用来对沼泽湿地提供保护和对早期的湿地恶化情况提出警示，而沼泽湿地的主要功能是滞留沉积物，同化或转化养分，削减洪水，提供游览景点、动植物栖息地及生产一些初级产品等。这种方法在北美五大湖的Erie湖西部进行了实验，湿地阻留了每年大约2000t非点源排放P，并且证明在湖泊边缘发展1000km2的湿地可以减少这个湖中24%~33%P输入量[10]，因此，实施有效的湿地生态工程设计，强化对非点源污染物源的控制和管理，是净化环境，促进生态系统健康的有效手段。3湿地生态工程实例分析3.1针对湿地水体生态工程的案例分析在20世纪90年代，欧洲一些国家以及美国就已经开始了河流修复工作。日德兰半岛大约11%的土地依靠Skjern河灌溉，但丹麦最大的水利工程使得丹麦近4000hm2的湿地变为农田。该工程同时改变了Skjern河自然流路，使河道变直，而建造堤坝，则截留了上游的水资源。该工程曾一度被认为是成功的农业工程，但是生态环境却为之付出沉重的代价；水生生物难以生长;河流的自净功能遭到破坏，污染和富营养化严重；下游泥炭地氧化而引起灌溉区下沉；自然河道的渠道化使得生境单调化；修建水闸控制水量，改变了自然式的脉冲水文周期[11]。类似的案例还有美国的弗罗里达大沼泽的Kissimmee河[12]。丹麦政府和美国分别在1998年和2000年制定了计划，投入巨资对这两条河进行修复。修复计划包括：恢复历史水文条件，回复河道自然走势和原有形状，回复河滨湿地，移除河流上的堤坝，回复洪泛平原，重新挖掘河道，恢复生态栖息地等。3.2针对湿地地质生态工程的案例分析美国路易斯安娜州是世界上湿地最丰富的地区之一,也是湿地损失最严重的地区。1990年美国国会启动了庞大的修复研究计划（CWPPRA），投资4000万美元。该计划包括转移密西西比河河水以及沉积物质来建造一个新的河口三角洲和一个小型的喇叭口形状的剖面,以模仿春季洪流；修复下沉湿地；开辟人工河道；培育和恢复河口湿地等[13]。在墨西哥海湾,由于开采的原油溢出,造成当地湿地土壤的严重污染。由于污染,植被无法生存,使得湿地大面积丧失,进而导致严重的侵蚀现象。当地政府采取移植植物、恢复植被的方法,对恢复湿地底质非常有效。在当地栽种互花米草（spartinaalterniflam）和大米草（soarinaanglica）后,有效地去除了原油造成的污染,原油的分解速率加快。3.3针对湿地生物生态工程的案例分析我国从20世纪60年代开始,在东南沿海一带引进米草属（Spartinaspp.)植物,90年代又在长江口的九段沙成功引种互花米草(Spartinaalterniflora)。米草属植物原产大西洋沿岸,在加拿大纽芬兰沿岸至美国的佛罗里达到墨西哥沿海一带均有分布。该属植物以无性分蘖繁殖为主,伴以种子繁殖。1978年引入我国，在我国海岸带迅速繁殖,具有良好的防浪促淤作用,几十年间将不毛之地的淤泥质岸滩变为绿色海滩,米草属植物提供了巨大的生产力[14]。4湿地生态工程的一般模式分析以上国内外湿地生态工程的若干案例，我们可以得到如下几个在湿地生态工程中普遍的应注意的问题：4.1确定合理的工程目标对于大部分湿地来说要恢复到所谓的原生态是无意义的,也是不现实的。湿地生态工程的目标不是恢复某一历史节点的湿地,而是恢复湿地的功能,尽可能与某一历史节点的湿地生态功能相近或相似,或根据社会经济可持续发展的目标,使湿地某一生态功能得到强化。因此,湿地生态工程实践有一个较宽的范围,对于退化的湿地生态系统可以通过生态工程手段进行恢复,对于破坏