湿地生态工程在生态环境中的应用

湿地生态工程在生态环境中的应用摘要：湿地是处于水陆之间的过渡类型的生态系统，具有特殊的生态结构和功能，但也是一类较为脆弱的生态系统，高强度的人类活动，导致湿地资源损失严重。本文综述了国内外湿地生态工程在水体、底质、生物三方面的研究应用，以及人工湿地的工程方法和应用，分析当前湿地生态系统存在的问题，对湿地生态系统的前景进行了展望。关键词：湿地生态工程，人工湿地，净化，污水前言森林、湿地、海洋为全球三大生态系统，湿地生态系统是介于陆地生态系统和水生生态系统之间的过渡生态系统，被称为“地球之肾”，在调节地球生物圈中大气成分平衡、促进淡水良性循环、涵养水源、调节气候和洪水径流、蓄洪防旱、促淤造陆、降解污染物、净化水质、保护生物多样化、控制土壤侵蚀、补充地下含水层和为人类提供生产、生活资源等方面具有十分重要的作用[1-3]。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。湿地的水文条件是湿地属性的决定性因子，湿地常年浸水或者季节性浸水，湿地土壤通常称为湿土或水成土，湿地生物50%以上为水生或者适应水生环境[4-5]。湿地生态工程包括湿地工程恢复和人工湿地。湿地生态系统与陆地生态系统和海洋生态系统相比，由于容易受到人为干扰而具有较快的演变速率。近几十年来，围垦、围堤、水利、航运等人为活动不断对湿地的形态结构造成深刻影响，湿地退化的现象十分普遍[6-8]。湿地的生态恢复与重建问题已成为湿地生态学的研究热点。人工湿地是根据自然湿地净化污水的原理，通过人工建造和监督控制来强化净化能力的污水处理系统[9]，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解实现对污水的高效净化[10]。1湿地生态工程目前，很多国家已经深入开展了湿地生态工程的理论研究和工程实践。概括起来，湿地生态工程针对不同的湿地要素，主要从湿地水体、底质、生物几方面展开。1.1针对湿地水体的生态工程目前，湿地水体面临的主要问题是湖泊、水库等的富营养化和严重污染；由于农业灌溉和盲目的景观需求，改变了河道原本的自然弯曲形状导致水质破坏以及一系列连锁反应。在20世纪90年代，欧洲一些国家以及美国就已经开始了对河流的修复工作。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]。丹麦政府和美国政府分别在1998年和2000年制定了 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，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，恢复河道自然走势和原有形状，修复河滨湿地，移除河流上的堤坝，恢复洪泛平原，重新挖掘河道，恢复生物栖息地等[11-12]。欧洲的德国、瑞士、奥地利等国在河川治理方面的生态工程建设也积累了丰富的经验。比较具有代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性的工程如德国创立的“近自然河道治理工程”，它注重发挥河流生态系统的整体功能；注重河流在三维空间内植物分布、动物迁徙和生态过程中相互制约与相互影响的作用；注重河流作为生态景观和基因库的作用。工程实施之后生物多样性有了明显增长，生物生产力提高，生物种群的种类、密度都成倍增加,而且水质得到了显著的改善[13]。1.2针对湿地底质的生态工程目前，湿地的底质面临的主要问题是由于围垦、建造堤坝等,排干湿地水，造成湿地土壤肥力下降；水质污染导致土壤污染；潮汐盐沼的水盐条件受到极大影响，导致盐沼湿地面积减小；由于海平面上升、大型水利工程的影响，流域来水减少，导致河口湿地退化。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(spartinaalterniflom)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[14]。美国新泽西州特拉华海湾湿地修复工程也是目前美国较大的盐沼湿地生态工程，涉及5000hm2盐沼湿地的修复与保护。该项修复计划由美国能源公司(PSEG)承担，该公司下的核能工厂排放的冷却水对于鲑鱼的生存产生潜在影响,因此计划修复盐沼湿地以增加鲑鱼的繁殖机会。该工程目前启动三项技术对湿地进行修复，包括向被堤坝隔绝的1800hm2盐沼湿地重新引入洪流，使水文得到修复；重新挖掘盐沼湿地；控制入侵植物等。1.3针对湿地生物的生态工程受损湿地的生物群落往往是缺乏植被覆盖或者种群结构单一，从而导致生态系统不稳定。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[15]。2人工湿地生态工程人工湿地是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益。2.1人工湿地生态工程的净化原理湿地是开放水体与陆地之间过度的生态系统，具有特殊的结构和功能属性，在生物圈中起着重要的生态作用。天然湿地具有净化污水的功能。早在20世纪70年代以前，国际上采用天然湿地进行废水处理，鉴于其淤积、负荷低、效果不太理想等缺点，于是70年代以来，科研工作者对天然湿地进行改造或人工建造湿地，从而使湿地净化污水的能力得到集约强化。人工湿地污水处理生态工程的净化原理是湿地生态环境中所发生的物理、化学和生物学作用的综合效应，包括沉淀、吸附、过滤、分解、固定、离子交换、络合反应、硝化和反硝化作用、营养元素的摄取、生命代谢活动的转化和细菌、真菌的异化作用等，从而降低水体中N、P等营养元素及有机物等的含量，提高水质。2.2人工湿地生态工程方法人工湿地处理系统可以分为以下几种类型，几种湿地比较见表1：(1)自由水面人工湿地。自由表面流人工湿地是仿真天然湿地的环境状态，进流水流动于湿地介质表面上，湿地底部介质为土壤层，约20~30cm，并且高密度地种植挺水性水生植物。本系统的水深约为20~30cm，当进流水流经植物的地下茎与根部时，经由地下茎和根部表面的微生物进行净化作用，用来改善水质。(2)表层下流动人工湿地。表层下流动人工湿地的基本架构为一洼地槽体，填充约40~60cm厚的可透水性砂石或碎石作为湿地底部介质，以此支撑挺水植物的生长，进水在表面下的砂土间流动，以达到净化水质的作用。(3)垂直水流式人工湿地。垂直水流式人工湿地的基本架构是结合自由表面流和表层下流动人工湿地建构而成。进水由表面进入后，垂直贯穿湿地介质，流向于埋于底部的集水设备，然后排出。表1表面流人工湿地与潜流人工湿地比较表面流人工湿地水平潜流人工湿地垂直潜流人工湿地复合流人工湿地水流方式表面漫流基质间水平流动基质间纵向流动水平流+垂直流湿地结构简单较复杂较复杂复杂管理控制简单较复杂较复杂复杂处理效果较差较好好最好占地面积很大大小大投资费用低较高高高季节影响很大较大较大小卫生状况夏季有臭味、蚊蝇滋生良好较差较好2.3人工湿地的应用湿地生态工程净化水始于1953年德国的MaxPlanck研究所，该研究所的Seidel博士发现芦苇能去除大量有机和无机物。“根区法”(TheRootZone-MethodRZM)理论的提出，极大地促进了湿地生态工程的研究热潮[16]。1974年西德首次建造人工湿地生态工程，用来处理废水，标志着湿地生态工程作为一种独具特色的新型废水处理技术正式进入水污染控制领域，湿地生态工程系统由试验阶段进入应用阶段，1990年7月，深圳在宝安县百泥坑村南500米处建起中国第一个人工湿地污水处理工程─白泥坑人工湿地处理系统，占地面积189亩，日处理废水量3100立方米。美国有1万多座人工湿地污水处理系统,丹麦有800多座,被用来处理各类水体,包括生活污水、工业污水、尾矿排出液、淀粉工业废水、制糖工业废水、食品加工废水、屠宰场废水等高浓度有机废水的处理、农业废水、农用化肥和除草剂废水以及垃圾渗滤液[17]等。3展望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，对于破坏严重的湿地生态系统，或者原本不存在湿地的地方(例如废弃矿山)通过重建的手段新建一个全新的湿地生态系统。人工湿地是涉及生态学、水力学、水文学和水化学等的复杂生态系统，从时间和空间上都缺乏有关大规模人工湿地的高质量数据，设计者通过从各种湿地的运行数据的集合来获取设计参数，不可避免地导致人工湿地水力学参数有效性的不确定。人工湿地需要较大的土地面积、对于污染严重的水体净化效果差、湿地植物向根部输氧的能力有限以及系统堵塞是湿地系统的不足之处。人工湿地的研究方向，通过回流、曝氧、接种微生物菌种等人工强化技术，提高人工湿地的净化效果；开发新型基质以及不同基质的组合工艺防止堵塞，延长湿地的寿命。参考文献[1]BolundP,HunhammarS,Analysisecosystemservicesinurbanareas[J],EcologicalEcomonics,1999,29:293-301.[2]王瑞山,王毅勇,杨青等,我国湿地资源现状、问题及对策[J].资源科学,2000,22(1):9-13.[3]朱广慧,毛安元,唐蓉等.苏州市人工湿地景观植物的应用现状及对策[J].北方园艺，2010(12):110-112.[4]安树青.湿地生态工程-湿地资源利用与保护的优化模式[M].北京:化学工业出版社,2003.15~20.[5]王宪礼.我国自然湿地的基本特点[J].生态学杂志,1997,16(4):64~67.[6]陈芳清,JeanMH.退化湿地生态系统的生态恢复与管理—以美国Hackensack湿地保护区为例[J].自然资源学报,2004,19(2):217~223.[7]DuganP.WetlandsinDanger[M].LondonMichaelBeasley.ReedInternationalBooks,1993.22-34.[8]HaslamSM.UnderstandingWetlands[M].Londen:Taylor&Francis,2001.226-243.[9]VymazalJ.Horizontalsub-surfaceflowandhybridconstructedwetlandssystemsforwastewatertreatment[J].EcologicalEngineering,2005,25(5):478-490.[10]KedlceRH,KightRL.VynlazalJ.,eta.lConstructedwetlandsforPollutioncontrolProcesses,performance,designandoperation[M].London,UK:IWApublishing,2000,55-78.[11]MitschWJ,JgensenSE.Ecologicalengineeringandecosystemrestoration[M].NewJerseyJohnWiley&Sons,inc,2003.125-161.[12]TothLA,ArringtonD,BradyMA,etal..ConceptualevaluationoffactorspotentiallyaffectingrestorationofhabitatstructurewithinthechannelizedKissimmeeRiverecosystem[J].RestorationEcology,1995,3:160-180.[13]董哲仁.河流治理生态工程学的发展沿革与趋势[J].水利水电技术,2004,35(1):39~41.[14]LinQX,MendelssohnIA.Thecombinedeffectsofphytoremediationandbiostimulationinenhancinghabitatrestorationandoildegradationofpetroleumcontaminatedwetlands[J].EcologicalEngineering.1998,10(3):263-274.[15]陈吉余,李道季,金文华.浦东国际机场东移与九段沙生态工程[J].中国工程科学,2001,3(4):1~8.[16]白晓慧,王宝贞,余敏等.人工湿地污水处理技术及其发展应用[J].哈尔滨建筑大学学报,1999,32(6):88-92.[17]SchnbornA.,ZüstB.,UnderwoodE.LongtermPerformanceofthesand-plant-filterSchattweid(Switzerland)[J].WaterScienceandTechnology,1997,35(5):307-314.