（市政工程专业论文）长江淡水潮汐湿地演化规律及其水环境效应.pdf

摘要 摘要 分布于长江近河口段河滨和江心洲的受径流和海洋潮波双重影响的淡水潮 汐湿地是长江河口海岸湿地的重要组成部分，根据确定的六块典型湿地的特征， 总结了湿地的演化规律，重点研究了在水生禾草演替阶段具有典型代表意义的镇 江内江北固山湿地，在近三年连续观测的基础上，研究了湿地植物特性和植物群 落分布特征；以在水生禾草演替阶段中成长期和成熟期分别占优势的湿地植物荫 草和芦苇构建了湿地单元模型，得到了在不同季节两种湿地植物群落的对水体的 净化效果，揭示了湿地去除污染物质的一些净化机理。结合现场研究了湿地中营 养元素n 、p 的生物地球化学循环，初步揭示了作为长江近河口段水陆交错带主 体的淡水潮汐湿地的水环境效应。研究表明： ( 1 ) 在持续淤积的条件下，湿地植物群落要经过水生演替序列，此演替序列分 为水生禾草群落、禾草+ 灌木混生群落和乔灌木+ 陆生草本群落三个阶段。乔灌 木群落是植物生态演替的顶级群落；水生禾草阶段在冲淤平衡的条件下，芦苇群 落可成为群落演替的顶级群落。 ( 2 ) 对位于镇江北固山脚下的处于水生禾草演替阶段的北固山湿地进行了近三 年的连续观测，通过对湿地的土壤、水文和植物生态过程及其相互关系进行的研 究，在长江近河口段特殊的水沙条件下，密集型地下芽克隆植物荫草、芦苇、菰 和产生环境饰变的酸模叶蓼能够适应严酷的生境条件，从而成为湿地的优势植物 或伴生植物。 ( 3 ) 淡水潮汐湿地是典型的水陆交错带，其净化水体的缓冲带效应显著。在水 生禾草演替阶段，荫草群落在水水力负荷为0 6 m 3 m 2 d 、面源污水氮磷浓度分别 为o 8 7 m g l 1 2 2 1 m g l 和o 3 m g l - 2 8 2 m g l 条件下，自0 减能力分别为 0 0 3 4 0 4 4 8 9 m 2 d 和o 0 3 5 0 1 2 9 9 m 2 d ；芦苇群落在水水力负荷为o 6 m 3 r n 2 d 、 面源污水氮磷浓度分别为1 ，7 - 1 36 7 m g l 和o 3 8 3 1 1 m g l 条件下，削减能力分别 为0 , 0 4 5 0 7 1 5 9 m 2 d 和0 , 0 4 5 0 11 9 9 m 2 d 。 ( 4 ) 湿地在演化过程中其净化能力是变化的，从裸地到水生禾草成熟期，湿地 净化能力不断增大，在持续淤积的条件下，湿地淹水时间变短，湿地趋向成陆， 对污染物质的削减能力表现出一个出低到高再到低过程，即经历由“汇”转“源” 的过程。 l i l 关键词：长江淡水潮汐湿地，演纯规律，植物生态过程，优势植物生物学特 性，水环境效应。 i v a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o n ，t h et y p eo fm a r s hi nt h er i p a r i a na n d s h o a lo ft h eu p p e rr e a c h e so ft h ee s t u a r yo ft h ec h a n g j i a n gr i v e rw h i c hi sb o t h a f f e c t e db yr u n o f fa n dt i d ew a v ei sa s c e r t a i n e da n di tb e l o n g st ot i d a lf r e s h w a t e r m a r s h w h a tt h em a r s hm e n t i o n e da b o v ei sa l li m p o r t a n tp a r to fe s t u a r ya n dc o a s t a l w e t l a n do ft h ec h a n g i i a n gr i v e r a c c o r d i n gt ot h es i xt y p i c a lm a r s h e s ，r u l eo f e v o l v e m e n to ft h em a r s h e si sr e s e a r c h e dm a de s p e c i a l l y , b e i g u s h a nm a r s ho f z h e n j i a n gn e i j i a n gw h o h a st y p i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h ea q u i c o l o u ss u c c e s s i o t lp h a s ei s s t u d i e d b a s e do nt h r e ey e a r s o b s e r v a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i e so fp l a n t sa n dc o m m u n i t y d i s t r i b u t i o na r er e s e a r c h e d ，c e l lm o d e lo fm a r s hw h o s ed o m i n a n tp l a n ti sp h a l a r i s a r u n d i n a c e ali nt h eg r o w i n gp h a s ea n dp h r a g m i t e sc o m m u n i st r i ni nt h er i p ep h a s e i sc o n s t r u c t e d ，p u r i f i c a t i o ne f f e c to ft w ok i n d so fp l a n tc o m m t m i t i e so nn o n - p o i n t s o u r eo fw a t e rp o l l u t i o ni nd i f f e r e n ts e a s o n si so b t a i n e d ，p u r i f i c a t i o nm e c h a n i s mo f t h em a r s hi sa n a l y z e d , c o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c ho fs c e n eb i o g e o c h e m i c a lc y c l i n g o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h em a r s hi ss t u d i e d ，w a t e r - e n v i r o n m e n t a le f f e c t so f t i d a lf r e s h w a t e rm a r s h e so ft h ec h a n g j i a n gr i v e rw h i c hi st h ep r o m i n e n tp a r to f a q u a t i c - t e r r e s t r i a le c o t o n ei so p e n e do u t t h er e s e a r c hi n d i c a t e s ： u n d e rt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h ea l l u v i u m ，t h ew e t l a n dv e g e t a t i o n e c o l o g i c a lp r o c e s sw i l lu n d e r g os u c c e s s i o ns t a g ew h i c hi n c l u d eg r a m i n e o u ss t a g e ， m i x e ds t a g ea n da r b o r e a l - s h r u b b ys t a g e ，u n d e rt h eb a l a n c eb e t w e e nt h ee r o s i o na n d s e d i m e n t , t h er e e dc o m m u n i t yb e c o m et h ec l i m a xc o m m u n i t yi ng r a m i n e o u ss t a g e b a s e do no ft h r e ey e a r sc o n t i n u o u sr e s e a r c ho ft h eb e i g u s h a nw e t l a n di n z h e n j i a n gw h i c hi su n d e rt h ee v o l v e m e n to fh y d r o s e r e s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e m u t u a le f f e c to ft h es o i l h y d r o l o g ya n dp l a n th a v eb e e ns t u d i e d i nt h eh a b i t a tw i t h s p e c i a lh y d r o l o g i c a la n da l l u v i a lc o n d i t i o n si nt h eu p p e rr e a c h e so fe s t u a r yo ft h e c h a n g j i a n gr i v e gt h ec l o n a lp l a n tp h a l a r i sa r u n d i n a c e al ，p h r a g m i t e sc o m m u n i s t r i n ，z i z a n i ac a d u c i f l o r ah a n d 一m a z z a n dt h ep o l y g o n u ml a p a t h i f o l i u ml w h i c h e m b r a c et h ec a p a b i l i t yo fm o r p h o l o g yv a r i a t i o nc a l ls u r v i v ei nt h er i g o r o u sh a b i t a t ， a n db e c o m et h ed o n f i n a n to rc o n c o m i t a n tp l a n t s v a b s t r a c t t h et i d a lf r e s h w a t e rm a r s h e sa r et h em a i np a r to ft h ea q u a t i c - t e r r e s t r i a le c o t o n eo f t h er i p a r i a na n ds h o a l s ，w h i c hh o l dt h ee f f e c to f w e t l a n db u f f e rz o n e t h ec a p a b i l i t yo f t h ep u r i f y i n gi sm u t a t i v e ，u n d e rt h eh l to fo 6 m 3 m 2 - d ，w i t ht h et h i c k n e s so f n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u s o 8 7 m g l - 1 2 2 1 m g l a n d o 3 m g l - 2 8 2 m g l e a c ho t h e r , t h e p u r i f y i n gc a p a b i l i t y o ft h ew e t l a n dw i t hp h a l a r i sa r u n d i n a c e al a r e 0 0 3 4 0 。4 4 8 9 m 2 d a n d 0 0 3 5 - 0 ，1 2 9 9 m 2 t 正f o r t h ew e t l a n dw i t h p h r a g m i t e s c o m m u n i st r i n + t h ec a p a b i l i t ya r e0 0 4 5 0 7 1 5 9 m 2 a n d0 0 4 5 0 1 1 9 9 m 2 t du n d e rt h e t h i c k n e s so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u so f1 7 - 1 3 6 7 m g la n do 3 8 3 1 l m g l t h e c a p a b i l i t yo fp u r i f y i n gw a t e rq u a l i t yo ft h ew e t l a n du n d e r g ot h ep r o c e s sf r o ml o wt o h i 曲a n d t ol o ww i t hi t se v o l v e m e n t ，i ti sa t h a n g ef r o ms i n kt os o u r c e k e y w o r d s ：t h et i d a lf r e s h w a t e rm a r s h e so f t h ec h a n g j i a n gr i v e r ，e v o l u t i o nr u l e , p l a n te c o l o g i c a lp r o c e s s ，b i o l o g i c a lt r a i t so fd o m i n a n tp l a n t s ，w a t e r - e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s v i 前言 刖舌 近百年来，人类活动对自然界的影响日益强烈，各种自然地理单元受到前所 未有的冲击，产生了诸如酸雨、荒漠化、温室效应等全球性的生态与环境问题。 人类活动已经成为地表环境系统演化的强大驱动力，由于人类活动对环境的负面 影响，造成环境污染和生态退化，已由局地化、要素化，逐渐升级为整体化、区 域化和全球化。 长江流域面临的生态与环境问题表现在高强度围垦，水土流失，水体污染， 河流渠道化，湖泊和城市河流富营养化，生物入侵以及河口和近海海域赤潮发生 频率逐年增加。可持续发展以及人与自然和谐相处的理念已经深入人心，长江流 域生态系统的健康关系到社会经济的发展，保护长江生命之河已成为全社会的共 识。长江流域内湿地分布极为广泛，是长江流域生态系统的重要组成部分，随着 对湿地的认识日渐深入，湿地成为水环境治理和生态修复所涉的重要对象。 长江河口是中国最大的河口，孕育了具有丰富生态系统的长江三角洲。长江 近河口段西起安徽大同，东至江苏江阴，全长4 3 0 k m ，占河口总长度6 3 5 k m 的 6 7 7 ，占长江下游总长度8 3 5 k m 的5 1 5 ，长江近河口段是长江下游连接长江 河口段和东海的生态廊道重要的生态廊道，在两岸和江心洲发育了受长江径流和 潮波双重影响的湿地类型一淡水潮汐湿地( t i d a lf r e s h w a t e rm a r s h e s ) ，它不同于 一般的河漫滩湿地，有着丰富的生态系统、独特的结构和功能以及演化规律。 长江流域湿地的生态与环境功能被日益重视，湿地生态修复和保护已经提上 日程，长江河口段和河口海滨的半盐沼和盐沼较为发育，位于长江河口处的崇明 东滩自然湿地保护区已于1 9 9 9 年列为国际重要湿地名录。受长江径流和海洋潮 波双重影响的淡水潮汐湿地是河口海岸生态系统的重要组分；掌握长江近河口段 湿地系统的演化规律和水环境效应，是该类型湿地保护、管理和修复的前提。本 文主要针对位于长汀近河口段( 南京一镇江段) 的淡水潮汐湿地的植物生态过程 和水环境效应展开研究，主要工作包括以下四个方面： ( 1 ) 根据现场调查分析，较为系统地研究了长江近河1 ：3 段6 块处于不同演化时 期的淡水潮汐湿地的植物生态过程，总结了长江淡水潮汐湿地的演化规律。 ( 2 ) 对处于水生禾草阶段的具有典型代表意义的镇江内江北固山湿地进行了近 三年的连续观测，研究了湿地植物特性和植物分布特征。 前言 ( 3 ) 根据现场调查，构建了湿地单元模型，对湿地对水质的净化效果进行了研 究，揭示了湿地对污染物去除的一些机理。根据模拟试验结果，结合对湿地现场 土壤理化性质的研究，初步揭示了淡水潮汐湿地的水环境效应。 本研究得到国家“十五”重大科技专项( “8 6 3 ”课题) 镇江水环境质量改 善与生态修复技术研究及示范- - 2 0 0 3 a a 6 0 1 1 0 0 和江苏省自然科学基金重点项 目( b k 2 0 0 6 7 l o ) 的资助。 h 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：主【鱼垦塑刀少年弘月弓 e t 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登1 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：耋锄嘞即 哆砗笋月乡日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 澎地是地球上水陆相互作用形成的独特地理单元，虽然箕面积仅占地球表面 积的1 7 ，但它却是地球上重要的生存环境和自然界生物多样性最为丰富的生 态景观之一。混地在抵御洪水、补给地下水、调节径流、改蒂局域气候、削减污 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自然生态系统。 1 2 湿地概况和研究现状 1 2 1 湿地的定义 由于湿地学是一门自身科学体系有待完善的学科，对湿地的定义众多，各个 国家对湿地的定义有所不同，甚至一个国家不同部门对湿地的定义也不尽相间； 目前已统计到的定义有5 0 多种。在我国被广泛接受的湿地定义有两个：湿地 公约( r a m s a r 公约冲的定义和国际生物学计划中的定义。 湿地公约中的湿地定义为：湿地是指不问其为天然或人工、长久或暂时 性的沼泽地、泥炭地、水域地带，静止或流动的淡水、半威水、咸水水体，嗣时 湿地还包括邻接湿地的河湖沿岸、沿海区域以及位于湿地范围内的岛屿或低潮时 7 k 深不超过6 m 的海水水域。该定义是一种广泛的定义，在湿匏管理郓保护上有 明显的优点，它比较具体，具有明显的边界，具有法律的约束力，在湿地管理工 作中易予操作。另外，凡签署加入国际湿地公约的缔约国都已经接受这一定义， 在国际上具有通用性。 国际生物学计划中对湿地的定义为；陆地和水域之间的过渡区域或水陆交错 带( e c o t o n e ) ，湿地土壤是有上覆水或地表过温，所以有湿生、沼生或水生这样的 特征植物生长。此定义是一个狭义的湿地概念，将紧密联系的开阔水体和湿地分 割开来，强调湿地的过渡性，对于湿地的管理和保护有所不变，但为湿地生态系 统的结构、功能等方面的研究提供了一些便利。常见的水陆交错带往往是以河滨 湿地、湖滨湿地和沼泽为主体的湿地，其范围通常是指其景观和性质受水体和陆 地两方面影响的地带，具有强大的生态和环境功能。 另外，在1 9 9 4 年中国湿地生态环境保护规划会议上，学者们结合我国湿 第一章绪论 地的实际情况，对湿地的解释是：湿地处于陆地和水域的交汇处，水位接近或处 于地表面，或肖浅层积水，一般以低水位时水深2 m 为界，并具有以下特征：至 少周期性的以水生、湿生植物为优势种；底层土主要是湿土；在每年的生长 季节，底层土被水淹没4 个月以上。 1 2 2 湿地的结构和功能 f 1 ，温蟪结构 湿地一般具备三个特征结构要素：淹水条件，湿生植被，还原性土壤。淹水 条件和还原性土壤是湿地的基本环境条件，水生或湿生植被是湿地的指示物耱。 自然湿地植被具有种类多、生物多样性丰富的特点。莎草科和禾本科植物在湿地 植被中产生的作用极为明显，其中的地下芽克隆植物竞争力极强，往往成为湿她 植物群落的优势种。其中莎草科苔草属( c a r e x ) 的种数最多，建群种与优势种亦最 多，分布亦最广。莎革属( c y p e r u s ) 、藤革属( s c i r p u s ) 、羊胡子草属( e d o p h o m m ) 荸荠( 棉花莎草) 属( e l e o c h a l i s ) 、扁穗草属l y s m u s ) 、嵩草届( k o b r e s i a ) 等多种植物， 都是在湿地广泛分布的建群种、共建种或常见伴生种。 禾本科亦是湿地植被的主要组成者；其中芦苇属q h r a g m i t e s ) 的建群作用最 大，芦苇也是地下芽克隆植物，对环境适应能力强，耐淹、耐淤积。见于全园各 地湿地，并常呈单优群落。还有甜茅( g l y c e r i a ) 、拂予茅( c a l a m a g r o s t i s ) 、菰( z i z a n i a ) 等属的多稚植物亦是湿地植被的建群种、共建静或优势种。 ( 2 ) 湿地功能 湿地有多种生态、环境、经济和社会功能，具体表现在： 生物的栖息地；湿地是鸟类、鱼类和两栖动物的繁殖、栖息、迁徒、越冬 的场所，包括许多珍稀、濒危物种。据最近统计，现知我国湿地高等植物约有 1 7 2 科4 9 5 属1 6 4 2 种( 及变种) ，分别占全国科、属、种数的4 8 7 、1 5 ，5 和5 5 。其中蕨类、裸子植物和被子植物占全国该类科数皆为3 0 左右嚏 提供水源和补充地下水；湿地常常作为生活崩水、工业用水和农业髑水的 水源。溪流、河流、池塘、湖泊中都有可以直接利用的水，青藏高原的冰川和沼 泽被称为中国水塔。其它湿地，如泥炭沼泽森林可以成为浅水水井的水源。我们 平时所用的水有很多是从地下开采出来的，而湿地可以为地下蓄水层补充水源。 从湿地到蓄水层的水司以成为地下水系统的一部分，又可以为周匿地区的工农生 第一章绪论 产提供水源。 调节流量，控制洪水：湿地是一个巨大的蓄水库，可以在暴雨和河流涨水 期储存过量的降水，均匀地把径流放出，消减洪峰，减弱洪水危害，因此保护湿 地就是保护天然储水系统。 保护堤岸，防风；湿地中生长着多种多样的植物，这些湿地 直被可以抵御 海浪、台风和风暴的冲击力，防止对海岸的经蚀，同时它们的根系可以围定、稳 定堤岸和海岸，保护沿海工农业生产。如果没有湿地，海岸和河流堤岸就会遭到 海浪的破坏。 截窝、转化和去除营养物质，清除和转化污染毒物；流水流经湿逑时，其 中所含的营养成分被湿地植被吸收，或者积累在湿墟泥层之中，从而净化水体。 湿地中的营养物质养育了鱼虾、树林、野生动物和湿地植物。涩地有助予减缓水 流的速度，当含有毒物和杂质( 农药、生活污水和工业排放物) 的流水经过湿地时， 流速减慢，有利于毒物和杂质的沉淀和排除。处于水黼交错带的湖滨湿地和河滨 湿地被视为湖泊和河流生态恢复和维持的保障。 提供可利用的资源；湿地可以给我们多种多样的产物，包括木材、药材、 动物皮革、肉蛋、鱼虾、牧草等，还可以提供泥炭等多种能源利用。 保持小气候和局部气候：湿地可以影响小气候，湿地水份通过蒸发成为水 蒸气，然后又以降水形式返回地面。 旅游休闲、教育和科研价值；湿地具有独特的景观，是自然遗产，具有唯 一性，有自然观光、旅游、娱乐等美学方面的功能，蕴涵着丰富秀丽的自然风光， 成为人们观光旅游的好地方。复杂的湿地生态系统包含丰富的动植物群落、珍贵 的濒危物种，在自然科学教育和研究中都具有十分重要的作用。有魑湿地还保留 了具有宝贵历史价值的文化遗址，是历史文化研究的重要场所。 1 2 3 我国主要湿地的类型和分布 我国是世界上湿地类型最为丰富的国家之一，湿地公约中给出的2 7 类 自然湿地和8 类人工湿地在我国均有分布；我国漫地主要类型为：河口海岸浸地、 湖泊湿地、河流湿地、沼泽湿地和人工湿地。全慝自然湿她约2 5 0 0 万h m 2 ，其 中沼泽1 1 0 0 万h m 2 ，湖泊湿地1 2 0 0 万h m 2 ，滩涂2 1 0 万h m 2 ，以7 k 稻田和水库 为主的人工泣遗约3 9 0 0 h m 2 。我国主要色然湿地按区域分布主要有青藏高原湿 第一章绪论 地、西北内陆湿地、东北湿地f 河流湿地沼泽为主) 、华东、华中、华南湿地、云 贵高原湿地( 湖泊和河流湿地为主) 和沿海湿地 2 1 。 长江流域的湿地大致划分为长江河口地区湿地，长江中下游地区河流、湖泊 湿地，长江上游云贵高原湖泊群湿地三种类型日1 。 1 2 4 河口区的主要湿地类型和特点 河口湿地在湿地分类系统中属于滨海湿地大类，主要包括河口三角洲、河口 水域、红树林和部分潮间沼泽几种类型f 4 。 河阴湿地具有以下特点：从地质历史上看，河口瀑地形成的历史并不久远， 主要是河流与海洋在河流入海处相甄作用丽形成，这种相互作用使河口湿地的发 育处于动态变化之中；河口湿地是陆海相互作用的集中地带，其生态系统是融 淡水生态系统、海水生态系统、咸淡水生态系统、潮滩湿地生态系统等为一体的 复杂系统f 5 1 。各种过程( 物理、化学、生物和地质过程) 耦合多变，演变机制复杂， 生态敏感脆弱；河口湿地的地形地貌、沉积物的理化性质以及水的深浅和盐度 在时空上的变化使得河口湿地生境类型丰富，具有较离的生物多样性，并成为许 多生物栖息和繁殖的场所；河口湿地位于河流入海的三角洲地区，往往具备优 越的区位、丰富的水资源、油气资源、港口岸线资源以及多样的湿地资源，具有 非常重要的经济地位，因此受到人类活动影响较大，如快速城镇化、农业垦殖、 岸线开发、工业开发、上游的水利水电工程等诸因素造成河 _ l 湿地面积减小，湿 地功能逐渐退化【e 7 1 。 1 2 5 湿地和河口湿地研究的基本问题帮热点 湿地研究的基本问题和热点问题有：湿地的分类；湿地的发育和演化； 湿地的结构和功能；湿地退化机制和湿地修复；湿地保护与管理【引。 河口湿地由于其发育和形成过稷较为特殊，加上其特殊的地理位置、丰富的 动植物资源以及重要的经济地位，已成为湿地研究领域的一个新热点。河口湿地 研究的热点问题主要有：河口湿地生物多样性；河口湿地生态过程及动态变 化；河1 - 1 湿地的形成和发育机制；河口湿地景观格局及动态演变；河口湿 地恢复与重建；河口湿地的人地关系；河口湿地与全球变化：河口湿地评 价以及数字河口湿地建设。 我国河口湿缝来来研究的4 个重要方向：河口湿地的人地关系；河口浸 4 第一章绪论 地的恢复和重建；河口湿地与全球变化；河口湿地综合信息系统建设【9 】。 1 2 5 长江河口湿地面临的问题以及保护与利用现状 ( 1 ) 河口湿地面临的闻题 长江河v l 区是我国经济最为发达的地区，面临的和已经存在的生态与环境问 题主要有近海海域赤潮，湿地退化，湖泊富营养化，海岸带侵蚀，生物多样性减 少，环境污染和地表沉降。长江河i _ _ _ 海岸生态系统，也是在人类活动的干扰下， 结构趋向破碎化，系统自我调节能力下降睁14 1 ，沈新强等对2 0 0 0 2 0 0 3 年长江 口及邻近水域的水质、表层沉积物、浮游生物的监测数据进行了综合评价，参照 水质参数污染等级划分标准，显示长江口水域水环境综合质量已处于严重污染水 平，且呈逐年恶化趋势1 1 5 ：l 。长江河1 ：2 区的生态与环境面临巨大的压力，一些重要 的湿地匾待保护和修复。 f 2 ) 长江河口海岸澡地保护与利用现状 长江河口海岸湿地主要类型有：海岸盐沼湿地、江滩湿地及浅水水域等自然 湿地，以及以稻蹬为主的人工湿地。长江海口湿地具有巨大的生态与环境价值， 阎水玉等研究了经济学长江三角洲主要自然生态系统的价值1 1 6 1 ，经测算得出长江 三角洲生态系统服务总价值为2 7 2 3 4 亿美元，年，湿地生态系统贡献5 8 4 6 亿美 元年，占到总服务价值的2 1 5 3 ：河流与湖泊生态系统服务价值为1 2 9 4 8 亿美 元年，占总价值的4 7 5 4 。显然在长江三角渊的自然生态系统中湿地、湖泊河 流生态系统的服务价值最高，因此对该区湿地、河流和湖泊的保护和治理最为重 要。 长江口及其附近沿海滩涂现已形成一定规模的湿地鸟类保护带，其湿地生态 系统的保护功能主要定位为鸟类栖息地和繁殖地f 1 7 j 。河v l 己形成以沙洲自然漫地 为主体的崇明东滩和兴隆沙鸟类自然保护区，而且江苏省已经开始建设以兴隆沙 和永隆沙为依托的长江口托支湿地自然保护区，另外，江苏省在长江近口段镇江 的和畅洲省级自然保护区，重点保护江豚和白鳍豚。 1 3 湿地生态系统演化研究现状 湿地形成、发育与演化是湿地理论研究的核心问题 1 8 - 2 2 】；湿地植物是湿地综 合环境的指示者，在较大程度上能够反映湿地环境的变化。湿地植物是湿地生态 系统的第一生产力，在漫地物质、能量的积累和流动方面起到重要的作用 2 3 1 。 第一章绪论 湿地的演化是以植物群落的演替为表征的，因此研究湿地植物生态过程可成 为研究湿地演化的重要途径。研究湿地生态过程和功能是湿地保护的前提和理论 依据，分析湿地演化的规律，对于湿地自然功能的利用和保护，维护河口海岸生 态系统的完整性，具有重要的意义。湿地生态系统的演化是阻湿地植被生态演替 为标志的，湿地植被是湿地的初级生产力，是湿地演进过程中的指示物。湿地演 化过程中其土壤和水文过程也随之变化，湿地的植物生态过程、土壤过程和水文 过程构成了湿地演化过程的主体要素。 淡水潮汐漫地位于河口和河口湾上部，有禾草植被和乔灌本覆盖。受径流和 潮波的双重影响，水体盐度小3 a 5 o t 2 4 2 6 1 。长江淡水潮汐湿地依其特殊的地理位 罨和生境条件，其发育过程不同于一般的河漫滩湿地，也不同于下游的盐沼和半 盐沼，其演化过程有自身的特点。 一般陆地上的原生演替的基本路线是：原生裸地一遣衣、苔藓一禾蕈一灌木 一乔木；一般浅水湖泊和河岸带的原生演替的基本模式是：沉水植物一沼生植物 一湿生植物一禾草一灌木一乔木，这是湖泊和河流沼泽化的过程。 海洋代表的是最低级的生物群落，从第一生产力来讲是浮游植物的世界，而 在陆地生态系统中，森林植物群落是其生态演替的顶级群落，海洋的浮游植物群 落和陆地的森林植物群落是两种极端群落，而河口海岸湿地就是这两种群落的过 渡阶段。 河口湿地的演替在水文和土壤等因素的驱动下进行的，不断淤积的态势会 导致湿地系统的快速演替，发展到以乔木为优势种的顶级群落，完成由水体向陆 地的转变，对过去长江三角洲生态历史的研究已经证明了这一点。演化过程往往 和人类活动是伴生的，人的行为可以加速或减缓这个过程；冲淤平衡的态势会让 湿地处于某个阶段，水生植物也可能是其顶级群落；而冲蚀的态势会让湿地植物 群落向底层次退化，甚至强有力的径流和潮波的冲蚀会导致湿地的消亡，此处的 湿地消亡而促成河流另一侧或下游湿地的发商。 湿地的演化受到到多种环境因素的影响，不同的生境条件湿地植被的种类和 生物量不同，其演化的模式也各异。在长江河口海岸澡地研究方面，陆健健和唐 成佳对长江河口盐沼湿地的植物特性和演替特征进行了研究田1 ，发现地下芽克隆 植物芦苇、蔗草、海三棱蔗草、大米革和互花米草是长江河口盐沼的优势植物， 第一章绪论 并存在一定豹演替现象。郗金标和宋玉民等研究了黄河三角洲湿地生态系统的特 征和演替，认为赫分和地下水高程是湿地演化的主要驱动因素，随着泥沙淤积存 在由海演化到陆地的过程1 2 引。 1 4 湿地水环境效应和机理研究现状 上世纪五十年代开始，自然湿地和人工湿地净化水体的能力逐渐被认识，美 国用于处理污水厂排水和径流面源的多处睡然湿地处理系统相继投入健用 2 9 , 3 0 1 ， 用于处理分散点源特别是家庭生活污水的欧洲和澳洲则发展了数量众多的人工 湿地 3 1 - 3 4 】。我崮在自然湿她和人工湿地方面豹研究超步较晚，但近二十年来，已 经取得长足的进步，成果显著。 出予入口激增，持续工业化和城市化，湿地受到蓊所未有的冲击，中国湿地 损失5 0 ，欧洲的法国、德国、荷兰的损失在5 5 以上，美国损失5 4 ，湿地 破坏与退化带来的环境功能丧失帮生态问题触目惊心f 3 5 1 。随着对自然瀑地的认识 的深入，发现自然湿地处理污水特别是一些工业污水会产生诸多环境问题，湿地 同样会受到污染并退化，加上人类对湿地豹开发强度已经到了生态系统难跌承受 的程度，2 0 世纪7 0 年代后各国对自然湿地保护力度的加大，自然湿地用于处理 污水受到限剖，丽人工瀑缝的研究和建设强方兴未艾。 人工湿地是对自然湿地的模拟，也是一种半自然系统，人工湿地的植物也是 “自然”的，现实的情况是很少有自然湿地不受人类的直接或间接影响豹纯“自然” 湿地：很多自然湿地也是自然与人类共同演化的结果：对自然湿地的研究能为人 工湿地的构建提供理论爨础：对入工湿地的研究也为自然湿地提供了相关的资 料。 湿地系统是生物系统，生物作用过程对污染物的去除起着重要作用。光合作 用、呼吸、发酵、硝化、反硝化和鳞的去除这六种生物反应过程被认为是在湿地 系统中能够有效去豫污染物质的生物过程【3 ”。 1 4 1 湿地净水基本机理及影响因素 不同的湿地类型，其水环境功能是不同的，根掘湿地的地形特征，湿地分为 三种类型，第一秘是典型沼泽湿地，它地势高，脱离的地表径流的影h | f | l 依赖于 沉积物提供水分和营养物质，此类湿地缺少植物所需营养。第二种位于高原低 气压下的沼泽湿地，这类湿地利用径流从周围环境中获得营养物质，营养物质随 第一章绪论 径流进入和流出。第三种类型是占多数的介于水陆之间的湿地。例如，湖滨湿地、 河滨湿地和海岸湿地，此类湿地受人类影响和冲击较大这些湿地从陆地营养物质 向水体转移中获取营养元素，周期性的水位涨落也使得湿地从水体获取营养物 质，有些湿地营养元素过剩导致湿地退化，这类湿地是保护和修复的重点对象。 在湿地获取营养物质过程中，物理的化学的和生物的作用随之发生，物理作用主 要是悬浮颗粒的沉淀，悬浮有机颗粒的减少会导致b o d 的减小，化学作用主要 是吸收作用和螯合作用，它们对磷和重金属的去除至关重要；在生物作用中，最 重要的是以微生物为媒介的氧化反应和还原反应，c 、n 、s 元素的减少靠的就 是氧化反应，通常在高有机质污水中降解作用占主导，氮是在反硝化作用中被去 除。反应过程非常复杂，像铁、铝、锰等元素在除磷反应中起到至关重要的作用。 厌氧条件会导致反硝化作用，但这不利于磷的去除。 日本山t ) i 的人工湿地对比试验中【3 7 】对沉淀作用、土壤作用和植物作用的效 果进行了定量分析，认为对水体中的t - n 和t - p 的去除，三种作用所起的效果相 当，对s s 的去除沉淀作用最主要，对b o d 的去除植物的作用最主要。 1 4 1 有机污染物在湿地中的去除机理 湿地对污水有机污染物c o d c ，、b o d 有较强的降解去除能力m 】，污水流经湿 地时，其中的有机物被植物和底质颗粒吸附而截留，有机物迅速被微生物所氧化、 分解，转化成c 0 2 及无机盐类，并不断被植物作为营养而吸收。b o d 去除基本 上是在底质表层进行的 3 9 , 4 0 ，微生物生长和基质形成的生物膜对污水有机物的降 解起主要作用，其主要为好氧生化反应【4 l 】。污水不溶性有机污染物通过湿地基质 的沉淀、过滤作用，在厌氧条件下逐步分解，被微生物利用：废水中溶解态的有 机物则通过植物根际微生物系统的吸附、吸收及生物代谢过程而被分解去除。随 着处理过程的不断进行，湿地中的微生物相应地繁殖生长，通过对湿地底质的更 换及对湿地植物的收割而将有机物从系统巾去除。 1 4 2 氮在湿地系统中的去除和转化机理 污水中氮主要以有机氮和氨氮的形式存在，在处理过程中有机氮首先被异养 微生物转化为氨氮，而氨氮在硝化菌的作用下被转化为亚硝态氮和硝态氮，通过 反硝化菌以及植物根系的吸收作用而从系统中去除。人工湿地生态系统氮素去除 途径主要为水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及挥发等。氮在湿地系统生 第一章绪论 物化学循环较复杂，包括七种价态的转换，氮的转换受氧化还原特性及微生物分 解过程的影响。研究表明【4 2 j ，污水中的无机氮作为植物生长过程不可缺少的物质 而直接被植物摄取，并合成植物蛋白质等有机氮，通过植物的收割可使之去除， 但这部分仅占总氮量的1 2 1 3 “，不是主要的脱氮过程。在湿地系统中，植物 根茎周围形成有利于微生物硝化作用的好氧微区，同时在远离根系周围形成厌氧 区提供反硝化条件，所以人工湿地脱氮主要是靠微生物的硝化、反硝化作用。 m h e f t i n g ，j c c l e m e n t 等通过对河滨湿地现场实验研究表明，地下水在距 离地表1 0 3 0 c m 时，同时存在硝化和反硝化，对湿地土壤蓄积的n 有最大的去 除效果1 4 3 1 。 1 4 3 磷在湿地系统中的去除和转化机理 污水中无机磷是植物生长所必需的营养和能量物质，植物吸收无机磷同化合 成a t p , d n a 和r n a 等有机成分，可通过对植物的收割而将磷从系统中部分地 去除；另一方面，微生物吸收磷，通过聚磷菌对磷的过量积累，将其从湿地水中 去除，进入湿地底质。湿地由于植物光合作用及呼吸作用的交替进行，植物根系 输氧量的多少随光照强度而相应地发生变化，湿地内不同区域耗氧速率不同，致 使底质内部一些区域交替地出现好氧和厌氧状态，利于微生物对磷的释放和积累 作用的发生；人工湿地床体填料对磷的吸收及与磷酸根离子的化学反应f 如离子 交换作用等) ，对磷的去除亦有一定的作用。含铁质和钙质的填料可与水中的磷 酸根反应而沉淀下来，也有利于磷的去除。上述三种磷去除作用强弱不同，一般 以植物对磷的吸收为主( 如芦苇等快速且长期生长的挺水植物对磷的需求量 大) h ”，湿地中磷的去除是由植物的吸收、填料床的沉淀过滤固结及微生物的积累 协同作用完成的”7 1 ，底泥是湿地磷的主要归宿，但湿地底质对磷的吸附是有限的， 底质不更换磷不会从湿地中被去除，j o r d a n 等在实验中发现，人工湿地对悬浮物 和t p 的去除在最初几年是较高的，但是湿地运行4 5 年之后将达到饱和状态， 去除效果明显下降甚至停止。另外，有研究指出，当水中当水体d h 减少到小于 8 时，7 0 9 0 沉降的磷可转变为可溶性的磷，重新回到湿地水体当中，这是湿地 向环境释放磷的一个重要原因。 此外，湿地对金属离子的去除和转化机理也有相当的研究，湿地水生植物具 有富集重金属离子的功能，主要是被其根部所吸收，基质土壤对污水中金属离子 第一章绪论 也具去除作用【4 5 1 。金属离子在土壤中去除主要依靠吸附、沉淀、离子交换等，会 属离子在土壤胶体表面被鼹换吸附并生成难溶化合物，也可与土壤胶体颗粒鳌合 而生成复合物【4 6 】。 1 s 本研究所针对的问题和主要工作 长江淡水潮汐湿地在地理位置和生态系统组成方面在长江河口海岸生态系 统中占有重要的地位，要进行管理保护以及对受损瀑地进行生态修复，我们首先 要掌握淡水潮汐湿地发育过程及其演化规律。如图1 - 1 ，生态系统修复的前提是 了解其演化规律，认识湿地的自然瘦律，按自然规律进行湿地管理、保护和生态 修复，并在适当的条件下对湿地生态系统进行优化。湿地的水环境效应是湿地环 境价值的一部分，了解湿她的水环境效应，掌握湿地对水体的净化能力，对湿地 的水环境功能作合理的评价。 湿 地 生 态 系 统 演 化 方 向 时间 翻1 - 1生态系统演化方向与修复示意图 长江河口海岸澄地长期以来瓣长江三角滑i 经济发展起羞重要作用，然而由于 近年来经济的高速发展，污染加剧等因素的不利影响，长江和长江河口及邻近海 域面临众多的生态与环境问题，化学污染、淹势改变、过渡圈垦、生物资源过渡 利用使该湿地生态系统生态特征发生巨大变化，并形成严重衰退的局面，并波及 邻近海域，出现大面积的赤潮，为保持河嗣区遍地生态系统资源的可持续利用和 本区域社会经济和自然系统的和谐发展，应高度重视对其湿地生态系统的保护， 并应采取相应的对策。 本研究的主要工作是通过现场调查分析的方法，研究长江淡水潮汐湿地的水 1 0 第一审绪论 文、土壤和生态过程，总结湿地的演亿规律和植物特性，为瀑缝管理、保护、利 用以及生态修复提供理论依据；通过模拟试验和现场调查相结合的方法，揭示淡 水潮汐湿她的水环境效应。 第二章研究目的意义、思路和研究方法 第二章研究目的意义、思路和研究方法 2 1 研究目的意义 本研究针对在长江近河口段有代表意义的镇江和南京淡水潮汐瀛地，以湿地 植物生态过程研究为主线，通过研究湿地水文过程、湿地土壤过程和滠地植物过 程的特征及其相互作用，揭示湿地的演化规律，为淡水潮汐湿地的生态构建和生 态修复以及湿地管理、僚护和利用提供科学依据；逯过模拟试验，研究以地下芽 克隆植物为优势种的淡水潮汐湿地的净水效果，结合现场土壤理化性质研究揭示 湿地的水环境效应，合理评价湿媳的水环境价值。本研究是在三峡工程全厩蓄水 前( 2 0 0 6