湿地生态系统设计的一些基本问题探讨

　　湿地生态系统设计的些基本问探讨崔保山刘兴土中国科学院长春地理研宄所，长春130021原则。较详细地讨论了设计中的指标水文指标化学指标基质指标和生物指标要求。根据湿地生态系统设计的用途不同。探讨了3种主要的湿地生态系统设计类型。即作为废水处理湿地的设计。作为调整湿地的系统设计和作为洪水及非点源污染控制的湿地设计。

　　关3词湿，生态系统指标生态工和类甩文章编号1001 1引言湿，是，球1独特的生态忝统。功能和价值已为众多学者所研宄24131.近些年，由于经济的不断发展，对湿地造成的压力越来越大。使湿地生态特征发生了明显变化9+5.合理利用湿地和有效保护湿地已成为多方关注的焦点，采取的实际行动也多种多样，如严格控制湿地开垦。出台系列法规制度。湿地恢复和改逃划分自然保护区等。实际上，由于没有正确的湿地管理以及不健全的湿地法规制度。许多湿地正在消失。目前，美国加拿大等许多国家已将湿地没有净损失作为国家保护湿地的目标8，通过湿地恢复。重建以及调整来增加或平衡湿地。这是当前保护湿地同时发展经济的*有效手段。其中湿地生态系统设计是没有净损失的关键。研宄湿±也生态系统设计的理论和方法有助于湿地的恢复构建和调整，以便实施正确的保护管理措施。

　　2湿地生态系统设计概念湿地生态系统设计是应用生态工程的原理和方法对湿地进行构建恢复和调整。以利于湿地正常功能的运作和生态系统服务的可持续性。生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理结构和功能协调原则。结合系统工程的*优化方法设计的分层多级利用物质的生产工艺系统。生态工程的目标是在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力。防止环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展7.早法。他认为。由人类提供的能量远小于自然源，但足以产生并导致影响力极大的景观格局和过程；人类通过运用少量的附加能对环境进行操纵来控制系统。而这些系统的主要能量仍来自于自然源。20世纪80年代后期。生态工程和生态技术已扩展到包括人类社会及其自然环境在内的双重利益。成为设计和操作经济与自然的技术。1989年美国纽约出版时生态工程专著中。12项研宄与应用案例有9项与环境保护和污染物处理有关。如美国北卡罗来纳州的摩洛赫得市于19681971年期间就研宄与应用了河口区池塘的污水处理生态工程；佛罗里达州水中的营养盐问17.需要指出的是。生态工程不同于环境工程或生态技术，更多地包含了对生态系统的设计。厘如山1和啤1320世纪90年代初在研宄湿地过程中。对生态工程提出了自己的看法。他们认为。生态工程在某种意义上是指运用量化方法和基础科学对自然环境的设计。它是运用基本工具创造自我设计系统的门技术，它的组成可以是多种生物物种1993年如1又将这些内容修改为为了人类社会及其自然环境的利益。而对人类社会及其自然环境加以综合的且能持续的生态系统的设计。它包括开发设计建立和维持新废弃物的回收海岸带保护等。同时还包括生态恢复生态更新生物控制等目的1321.

　　国家自然科学基金重点项目49631040及国家九科技攻关通讯联系人。

　　泥炭层+粘土芦笔香蒲草等肖笃宁胡远满王宪礼等1995水文指标化学指标基质指标生物指标湿地生态系统设计需要坚实的生态学理论基础及多学科间的联系。其理论生忘学和应用生态学为生态工程提供丁强有力的保障8+29，湿地构建和恢复是湿地生态系统设计的重要方面，也是个较新的领域。国内外尽管已有了这方面的实践。但常常在生境替代水质改进和洪水控制方面不尽人意，机理的研宄及深度还远远不够。所建立的数学模型和定性定量模拟也很不完善，进步进行理论和实践探索是个长期的研宄课。

　　3湿地生态系统设计的基本原则3.1适用性和多用性原则根据湿地没有净损失的原理。设计系统应强调适用性，亦即要体现系统设计的主要目标。如洪水控制，废水处理，非点源污染控制野生生物的改进，渔业提高。土壤替代。研宄和教等。用性贝1汴重适统构建。1的多目标即次要！标。设计活统是为了功能的发挥，而不是形式。因而在构建湿地的发展过程中，即使*初引进的动植物未能如愿。但整个湿地功能*初有利于营养物的保持。

　　湿地生态系统设计涉及到生态学。地理学。经济学环境学等多方面的知识，具有高度的综合性。这就要求方面设计系统应是花费*小的系统。即由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；另方面，设计系统应利用自然能量。包括脉动水流以及其它的潜在能量作为系统发展的驱动力。这就要求多学科的相互协作和合理配置。

　　3.3地域性以则1同区域良1不同的坏境背景。地域的差异仞特殊性要求在湿地生态系统设计中，要因地制宜。具体问具体分析1313不要将湿地设计过分强调为矩形盆地渠道以及规则由于设计的湿地系统是景观或流域的部分。因而必须将构建3.4生态关系协调原贝1指标类型要素该原则是指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与生态系统之间的协调，应将人类作为系统的个组成部分而不是独立于湿地之外。人类试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，以保持设计系统的自然性和持续性。

　　3.5生，美学原则设计的湿地系统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，特别注重对美学的追求。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了这点口生，卞以则主要，闱色原则仞健康原则本现在湿地的清洁性独特性愉悦性和可观赏性等方面，是湿地价值的重要休观。

　　4设计中的主要指标要求4.1水文指标在湿地生态系统设计中水文指标是*重要的变量。如果羊f适宜的水文状况，化学及生物要素将相应发展。水文状况依赖于气候水流或径流的季节性以及地下水特征。常要求的水文指标有水深及水周期水的入流负荷以及水的持续时间li.hr 4.1.1水深及水周期湿地生态系统设计中水的来源主要是河水井水和降水。般情况下，如果构建的湿地离水源较远需要用各种方法来引水进入湿地，例如用地下管道和水泵抽水等方式引水。若离水源较近。则可挖渠或沟引水。前者与自然水流的周期性不同步。后者则可以完全同步于自然径流特性。实践中这两类价况均会出现七等人从只年开始在俄亥俄州州立大学校园内设计了两个肾形湿地。块种植13种植物2400个个体。另块未种植。这两块湿地距离阶河很近。因此，通过抽水及渠道输送就保证了设计湿地水的持续性问。通常情况下，根据湿地设计内容的不同。要求的水深及水周期亦有差异季节性应有定的变化。主要是随着季节别对于缺氧的不同敏感性，在水浸条件下敏感物种能够生存仅仅是因为它们占有排水良好的微地貌生态位或者通过浅层伸参考数训来源。！荷时除！期负续去深周流持学水水入水化氧a荷含构成物。！

　　负质结组生氧学机壤被大解化有土植*溶根进入有氧土壤层，因此干湿交替的水周期变化非常重要。

　　4.1.2水的持续时间如果构建的湿地主要用于废水处理。那么水在湿地中的持续时间就变得非常重要。会直接影响到废水是系统的宽度，是孔隙度，主要根据有无植被情况而定。没有植被的湿地孔隙度为1.有植被的湿地孔隙度小于般为，从是平灼水深为扑均流对城市废水处咒的河岸湿地生态系统水的持续时间，在干季是214湿季是74以这种湿地主要用来充当非点源污染净化带。3，0和肘；101989估算了1湖滨湿地水的持续时间变化在24 4.事实上。无论是为哪种目的而构建的湿地，水的供应都具有人为和自然双重因素。在某些环节必须遵从自然规律，要依赖湿地的自我设计能力，即湿地系统的自组织能力。这己被大量实践所证明02.281.

　　4.1.3水的入流负荷作为废水处理湿地的系统设计。水的入流负荷也是需要考虑的个重要因素。即单位时间单位面积应用水的体积需多大进入湿地才能达到理想的效果。在比较高的入流负荷情况下，水质的改进和沉积物的滞留将可能变低，因而控制层流的负荷需要精心的设计。贾8.6，1889等人对来自城市废水的研宄认为，废水层流的负荷率应在1.422之间，实际上，这是个变幅较大的范围。8，1987则认为，水的负荷率在2.2厂1*合适；人指南则将水的负荷率定在0.7厂1以下18.在这方面，对非点源污染的研究非常少，设计中需要考虑*理想的负荷率应是多大才能进入湿地以便*有效地达到净化目的仍是个重要课。目前在这方面尽teii fiii！j！。rf57iiflM.131IS而在湿地设计中还有许多难以克服的问有待进步证实。

　　4.2化学源汇指标当水流进入湿地后。其中的化学物质对湿地功能的发挥可能是有益的，也可能是有害的123.在农业流域内。这种入流将可能包括诸如和，的营养物以及各种杀虫剂中的痕量元素。化学源指标包括化学去除效率化学负荷率和沉积作用等。

　　4.2.1化学去除效率岭1荷率如果构建的湿地被用来滞营养物，净化水质，化学去除率就显得非常重要。研宄明。化学去除率不仅同湿地的大小有关。也同湿地植被以及废水本身的为8，化学去除效率随着湿地规模的，加而增加，直到湿地面积是所在流域面积的1.在此面积以上。化学去除率仍会慢慢提高。实际上。构建的湿地不可能太大，因而在许多情况下。湿地植被类型以及水的滞留时间必须认真研宄和考虑。另方面，湿地的化学负荷率也是构建湿地所必须考虑的。这同前面提到的水的入流负荷相致。

　　4.2.2沉积作用在滞留特定化学物质中沉积物提供了特定的作用，同时为各种动植物提供了栖息环境。低流速的湿地特性有助于化学物质的滞留。高流速则可能会起到相反作用。沉积过程，但从另方面讲，湿地中高效率的沉积作用可能会使湿地迅速发生变化，而*终使沉积变缓影响湿地本身的生态和水文价值。关于沉积效率的测试方法目前已有报道山1821曾用水泥板围成的沉积池和粗质平板放入沉积底层来估算沉积效率。实际上，无论用什么方法来测定沉积效率，*主要的决定因素是构建湿地的本身特性。包括低湿地的深度层次性植被组成以及基质特征等。这些要素在设计中要充分保证滞留营养物和沉积物的有效性，同时季节降雨径流的差异性也会影响到湿地的沉积特性。这就需要人为来干预。确保湿地功能的正常发挥。

　　4.3基质指标基质对湿地功能的正常发挥非常重要，也是支撑有根植被壤将会截留特定的化学物质。基质指标包括有机质含量。土壤结构营养物铁和招等。

　　43.1有机质含量湿地中土壤有机质含量对滞留化学物质具有重要作用。有机土壤同矿质土壤相比。有较高的离子交换能力。有机1壤起夸啦，作用。而矿吣土壤则各种以14离子所左右。因此有机土壤可以通过离子交换转化些污染物。并且可以通过提供能源和适宜的厌氧条件加强的转化。湿地土壤的有机质含量般在1575之间。相比而言，所构建的沼泽湿地有较高的含量，而河缘湖滨湿地由于经受着矿物沉积和侵蚀而有低的有机质含量。因此在构建湿地时，些有机质诸如菌肥。泥炭或碎屑经常可以加入构建湿地的亚层，这样可以大大提高化学物质的净化效果。

　　43.2土壤结构±壤结构对湿地构建也起着重要作用，由于粘土矿物有助于防止水直接渗入地下水，并且可以限制植物根和根茎穿透而将水带入更下层，因而常用粘土来构置在湿地下层。对于砂土而言，般由于营养物含量低，阻止了植物生长，同时还容易使水直接渗入地下。不宜在*下层布设砂土。如果没有粘土，壤土也是可能的，这时必须将壤土加厚些。实际上。构建湿地的层位是项复杂的生态工程，常常需要作长期4.4生物指标生物指标是湿地生机和活力的象征。在构建湿地生态系统过程中，生物指标特别是植物物种的选取直接影响到湿地功能特别在构建用于废水处理的湿地以及用于美学旅游的湿地其植被组成差别很大，同时，也要考虑到当地的气候及水文条件。

　　常关注的生物指标有植被组成*大生物量水生生物代谢和溶解氧等。

　　4.4.1植被组成植被组成依赖于构建湿地所在区域的气候及设计特征。根据构建湿地用途的不同，应选择不同的植物组成。

　　就废水处理湿地而言。常用的些植物有芦苇属押，奶；姑等。同时在湿地演替过程中，还常伴随着外来物种的侵入，可能对湿地的发展起着至关重要的作用。大量的实践己经证明。湿很大，可能增加也可能减少228.为了湿地功能的正常发挥，需要长期的定位监测和人为控制。另方面，需要特别关注植物群落的*大生物量。植物生产率的估算，主要由*大生物量束决定。植物群落的*大生物量是湿地生态系统健康的重要指标，也代着湿地演替的相关阶段。湿地之所以被认为是*具生产力的生态系统，其中很重要的方面就是其生物量的征。

　　4.4.2溶解氧通过测定湿地溶解氧日变化可估算水柱或水体生产率。在夏季如果溶解氧不发生变化，则可能明湿地缺少营养物，或者它己被有毒物质所影响。溶解氧的变化，不但同曰变化有关，也有明显的季节变化。溶解氧的变化对水生生物提出了严格的要求，需要生物来适宜这种变化的环境。在构建湿地中，也常常用单位水柱总初级生产率与呼吸的比值，来作为湿地健康的指标。单位水柱内主要测定植物的初级生产率和呼吸过程，呼吸是光合作用的反过程，通过测定正常状况下算来获取呼吸数值。许多研宄已明，只值在夏季常大于而在秋末小于8.这主要是因为在秋末太阳能和温度迅速下降从而使生产率下降的原因。个健康的湿地生态系统预着只值在生长季中期接近于1.这也是生态系统水平上的指标。

　　无论是构建湿地，还是自然湿地，大量的研宄己证明了这5湿地生态系统设计类型5.1作为废水处理湿地生态系统设计自20世纪50年代湿地因为净化水质功能而被广泛应用82+26.自然湿地和人工湿地样，现出多种类型和净化能力。自然湿地包括湖泊边缘湿地。广的低位沼泽湿地州泛滥平原沼泽。这里主要研究构建湿地人工湿地的两种1处类型层流湿地废水水平流动，通过湿地而沉积和渗漏湿±也废水垂直流入。经渗透沉积后排水去除。在过去的20年里研究己经关注在量化信息1年1；的废水处理湿地对自然和构建湿地废水净化功能给予了详尽iikidji.

　　大量实验明。湿地对水质净化主要依赖于负荷率以及湿地特殊的水文和生态学特征。从实践的观点看。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800，和营养物转化过程以及对水文和植物管理的*大控5.1.1农以流8出地设计友邑水流湿地段包枯浈，1好的盆地以及带有浅水。0.20.41的组隔室1种植有些水生植物如芦苇属香蒲属和草属等。2，30.废水经常同层水流相混合，在系统内流动，持续滞留时间般应为101左右。净化过程主要包括1悬浮固体颗粒的沉降；2溶解的营养物扩散并进行沉积；3有机物矿质化；4营养物被微生物和植物吸收；5微生物分解有机物并将其转换成为气体组分；6物理化学吸收和沉淀。这些过程将使入流物的物理和化学性状发生巨大变化，污染物将得到有效控制。

　　51.2渗漏湿地设计渗漏湿地般有个质地相对较粗的沉积层砂质层以便废水可以较容易地穿透土壤。通过排水沟围绕湿±。排水沟应有较低的水层，废水通过重力垂直进入沉积层。渗漏过程可以通过在6010，深处埋藏排水管来得到加强，有必要在较低的沉积层通过压实的粘土层或塑料衬布将湿地与下层封闭起来。水的垂直流动将废水直接同沉积物相联系，这样的营养物撄移过程*理想。粗砂层在干湿交替循环的户季也有个较适宜的通气性，这种循环可以加强湿地的净化能力。

　　513例证与评价近年来，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。我国目前在这方面的研宄也有了很大发展，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宄所1995在辽河角洲对构建层流湿地的研宄明，对污水中600的净化力为10.43842，800全1净化力为0.288.2.对采油污水中油的净化率搡8以而渗漏湿±也的净化力分别为18.23.1.47.1.5.5每131.对落地匣泊和钻井泥浆的净化申。在90左右13.中国科学院生态环境研宄中心19981999对构建湿地土壤因素对污水处理作用的模拟研宄。污水净化湿地模拟系统中细菌和藻类的生态分布研宄5，北京市环境保护科学研宄院1998对构建湿地土壤毛管渗漏污水净化绿地利用的研究33等都提供了很强的实用技术和参照。对城市及工业区美化绿化环境和节约水资源等将会起到重要作用。

　　国内外大量实验明，层流和渗漏湿地设计，对废水中000800的处理率都在90左右。细菌污染物在99左右。

　　但对营养物的转换率均较低，对1的转换效率在1535左1为151.251.左右。对1仍和81仍如此1；1的转换率土要是悬浮固体颗粒的沉积作用和迅速的分解过程。的转换过程主要是细菌的变化，硝化作用是铵通过硝化菌氧化为硝酸盐的过程在有氧环境下进行反硝化作用在厌氧条件下分，过程类型，咖应用范围却现1名6使用技术1叫，作为废水处理的湿地生态系统设计作为调整湿地的生态系统设计作为洪水及非点源污染控制的湿地生态系统设计渗漏湿地设计就地湿地调整设计异地湿地调整设计洪水控制湿地设计非点源污染控制湿地设计城市污水，工业污水，家庭废水采油污水，工业污水，家庭废水湿地丧失区湿地开发区的相当地区流域农业区及农场区流域农业区物理化学及生物处理技术物理化学技术土壤生物自净技术湿地恢复与重建技术；就地保护技术生态系统构建与集成技术生态工程设计技术；水土保持林草技术非点源控制枝术水土流失控制与保持枝术分两步首先硝酸盐被转换为0.然后被进步生成气态义两个*后的产品21进入大气。如果口4则被抑制而*终以0排入大气。从般的环境质量来看。废水湿地土械的应在广以上因而反硝化作的砧终结果大。

　　对于，而言。土壤颗粒对磷酸盐的吸收是个重要的转换过程。吸收能力依赖于粘土矿物中，人1.，3的现或对土壤有机质的束缚。在有氧环境中性到酸性条件下，仙束缚的磷酸盐可以是稳定的复合依如果土壤被淹而转换为厌氧环填。将，对磷酸盐的吸收和绎放变傲弱。，对磷酸盐的吸收发生在碱性或中性条件下。除了吸收过程外。磷酸盐也可以同，6人1和土壤组分起沉降。这些过程包括磷酸盐在粘土矿物基质中的固定以及磷酸盐同金属的复合。

　　5.2作为调整湿地的生态系统设计湿地调整主要是指根据没有零损失原则。避免或*大程度地减轻。修正。消除对湿地生境的负面影响或者通过合理的替代途径进行补偿1334.主要是通过构建新的湿地来达到目标。湿地调整从80年代中期就己提出，目前是美国。加拿大及其它些国家在湿地保护中的项策略。美国清洁水项目条款404有关规定要求湿地的丧失应按照定比率来替代。同时要求为调整而构建的湿地*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。湿地调整强调补偿生境的功能具有可替代性。至少在主要功能方面得到补偿。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。

　　5.2.1就地调整湿地生态系统设计就地调整湿地即在原湿地被破坏或扰动基础上的重新建立或恢复。包括小范围修补。修复和彻底的重建和再生。即通过人类的些行为使个受干扰干扰前的结构和功能以及相关的物理化学和生物学特性。包括提高地下水位来养护沼泽，改善水禽栖息地；增加湖泊的深度和广度以扩大湖容，增加调蓄功能；迁移湖泊。河流中的富营养沉积物以及有毒物质以净化水质；恢复泛滥平原的结构和功能以利于蓄纳洪水。提供野生生物栖息地以及户外娱乐区等。

　　此类调整湿地的生态系统设计主要依赖于原湿地的受扰程度和恢复潜力。由于地形。地貌没有改变或轻微改变退化的症状主要现在水文状况即水供应的持续性方面以及以上带来的植被退化栖息地丧失等。因此系统设计应建立在生态工程原理基础之上，依赖湿地系统的自我设计和自组织能力，亦即通过定的人工设计和自然方式主要是人为诱导，系统本身通过选择植物动物微生物以适应现有的条件。达到自我完善的目的。

　　5.2.2异地调整湿地生态系统设计由于农业开发商业发展。

　　城市建设等使原有湿地丧失。需要在其它地区重新构建湿地来达到原湿地的主要功能以便尽可能替代和补偿原有的湿地，这种类型称为异地调整湿地。因为重新构建的湿地与原湿地存在着地域性的差异。因而在生态系统构建中要特别关注功能参数是否在同流域；与丧失区相似的水文地貌区是否已被用作替代湿地。2土壤构建区土壤是否适合构建湿地；目前及未来这些土壤是否具有水力特性。3植被在调整区湿地植被是否己经建立；构建区的植被是否相似于原湿地植被；同丧失的植被相比构建区的植物是否具有多样性。4野生动物野生动物是否适应调整的湿地。野生动物常被选择作为生态系统演替的可能指标之，因为湿地经常作为野生动物的筑巢区或食物源。

　　缺乏野生动物可能明湿地功能问。5水质调整湿地在流域中是否有助于防止水质退化。

　　5.3洪水及非点源污染控制的湿地生态系统设计这类湿地生态系统主要构建在流域内以减少洪水发生，提高水质。大量的实践明17415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。则可能是野生动植物栖息的*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流域内构建湿地位置的选择应力求发挥湿地的其它些功能。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，所以要在农业生产区域找出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，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些初级产品等。平时所容纳的般是作物肥料。动物分娩物及动物废料等。由于非点源污染起源于分散。多样的土地区13.其地理边界和位置难以识别和确定。因而其危害规模大，防治困难，常常在入流区域构建个适宜的湿地生态系统，以控制非点源污染物对河流湖泊的危害。这种方法在北美大湖的1湖西部进行了实验湿地阻留了每年大约20001非点源排放的，中851的并且证明在湖泊边缘发展！撕的浞，可以减少这湖中输入量2.

　　汇的控制和管理。是净化环境。促进生态系统健康的有效手段。

(完)