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關(guān)鍵詞:湖泊濕地;濕地保護(hù);濕地修復(fù);研究進(jìn)展
中圖分類號:S157:TV213.4文獻(xiàn)標(biāo)識號:A文章編號:1001-4942(2017)05-0151-08
Research Progress on Protection and Restoration of Urban Wetlands
Yan Xiong,Wei Xianliang,Wei Qianhe,Wang Chen,Peng Errui
(College of Hydraulic Engineering,Yunnan Agricultural University, Kunming 650201,China)
AbstractIn this paper, we analyzed the problems faced by lake wetlands, such as water pollution, area shrinkage, biodiversity loss, serious biological invasion, single research method, ambiguous direction, lagging education, imperfect legal system and management chaos. Start from the functionality of lake wetlands, eight major principles concerning lake wetlands protection and restoration were put forward. In addition, the research progress of wetland restoration both at home and abroad was also summarized from three aspects of physical measures, chemical measures and biological measures. In the end, we raised the overall framework of lake wetlands protection and overall planning, focusing on integration with eco-hydraulics, market operation mechanism and other protective countermeasures. With the purpose to promote the research on lake wetlands, and the overall development of the subject of wetlands protection and restoration, the future was expected from ecology monitoring, system regulation, degradation diagnosis, evaluation mechanism, scientific planning, deepening research, strengthening management and other aspects.
KeywordsLake wetlands; Wetland protection; Wetland restoration; Research progress
《竦毓約》中的濕地定義:“陸地上所有的水體、濕地內(nèi)水深超過6 m的水域和低潮時(shí)水深不超過6 m的海濱”[1]。照此定義,濕地應(yīng)包括湖泊、沼澤、水庫、池塘、水田、蓄滯洪區(qū)、濕草甸、河流河口三角洲以及低潮時(shí)水深淺于6 m的海域部位,其中湖泊濕地包括永久性淡水湖、咸水湖、內(nèi)陸鹽湖和季節(jié)性淡水湖、咸水湖[2]。
湖泊濕地作為一種重要的自然資源,發(fā)揮著供水、灌溉、調(diào)洪、養(yǎng)殖、畜牧、航運(yùn)、旅游、維護(hù)生物和遺傳多樣性、降解污染、凈化水質(zhì)和控制侵蝕等多種功能,在維持區(qū)域生態(tài)平衡和促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[3]。然而近20年來,人們在開發(fā)利用湖泊資源的過程中,忽視了對湖泊的有效保護(hù)和管理,致使出現(xiàn)了以下新情況:湖泊濕地的水體污染加劇、富營養(yǎng)化嚴(yán)重;生物入侵嚴(yán)重、多樣性下降;大規(guī)模圍墾種植、面積萎縮等,這些現(xiàn)象使湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)逐漸喪失其功能,造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此,采取積極有效的措施,促進(jìn)湖泊濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)功能恢復(fù),已是當(dāng)務(wù)之急。
從19世紀(jì)起國外學(xué)者就開始了對湖泊濕地的保護(hù)與修復(fù)研究工作,而我國在2006年也制定了《全國濕地保護(hù)工程規(guī)劃》,明確了濕地保護(hù)工作的指導(dǎo)原則、任務(wù)目標(biāo)、建設(shè)布局和重點(diǎn)工程,但湖泊濕地的保護(hù)和修復(fù)工作在上述規(guī)劃中并沒有被突出強(qiáng)調(diào),也沒有引起相關(guān)專家學(xué)者的足夠重視。
1湖泊濕地面臨的主要問題
通過歸納前人的一些研究成果,本研究對湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)有了相對比較全面的功能界定,其最主要的功能在于其生態(tài)功能和社會功能(見表1)。
近幾十年來,人們對湖泊濕地功能缺乏了解,保護(hù)意識淡薄,在短期利益驅(qū)動下,違背自然規(guī)律,不合理開發(fā),使?jié)竦毓δ苁艿絿?yán)重干擾和破壞。
1.1水質(zhì)污染,富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重
雖然國家對保護(hù)環(huán)境逐年重視,環(huán)境治理力度也不斷增加,但是治理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上水體污染的步伐。2014年我國污廢水排放總量達(dá)716.2億噸[8],在監(jiān)測的28個(gè)重點(diǎn)湖泊中,滿足Ⅱ類水質(zhì)要求的只有1個(gè),而其中滇池、巢湖和太湖等均處于不同程度富營養(yǎng)化狀態(tài)[9]。陳小鋒等[10]對中國典型湖泊的富營養(yǎng)化情況進(jìn)行調(diào)研,表明近30年是我國湖泊富營養(yǎng)化的高速發(fā)展階段。
1.2面積萎縮,生態(tài)功能衰退
湖泊濕地面積萎縮,導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)蓄洪水、水體凈化等各項(xiàng)功能逐漸喪失。近30年來,我國面積大于1.0 km2的新生湖泊有60個(gè),但原面積大于1.0 km2的湖泊卻消失了243個(gè)[11]。2000―2010年全國最大面積超過1 000 km2的湖泊共有12個(gè),但其中6個(gè)在萎縮,鄱陽湖萎縮速率最快,為54.76 km2/a[12],其中東北地區(qū),湖泊面積由12 234.02 km2銳減至11 307.58 km2[13]。
1.3生物多樣性下降,資源銳減
湖泊濕地中水陸交錯(cuò)的自然生態(tài)系統(tǒng),是各種動植物的棲息地,然而人類對湖泊濕地的無序開發(fā),造成生境和物種群落多樣性下降、生物資源退化,尤其是造成珍稀動物資源面臨瀕危和滅絕的危險(xiǎn)。例如:1998―2003年期間,洪澤湖底棲生物原有76種,減至50種,魚類減少29種;鳥類原有194種,減至146種,其中Ⅱ類重點(diǎn)保護(hù)鳥類減少14種[14]。鄱陽湖由于圍墾和排水開墾等原因,魚類、越冬候鳥等生物的生境大量減少,導(dǎo)致生物多樣性嚴(yán)重破壞[15]。
1.4生物入侵嚴(yán)重
在湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中,盲目引進(jìn)外來物種,致使本地物種瀕危的現(xiàn)象,已成為21世紀(jì)全球性環(huán)境問題[16]。例如,在水生生態(tài)系統(tǒng)中,最為突出的入侵物種有鳳眼蓮[17]和水花生[18],目前它們已經(jīng)對濕地和水生生態(tài)系統(tǒng)造成了極大危害,特別是滇池濕地受鳳眼蓮之害,治理難度大。在陸生生態(tài)系統(tǒng)中,紫莖澤蘭[19]、豚草[20]和大米草[21]的入侵,嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)匚锓N的生長,其中大米草在東南沿海局部地區(qū)對當(dāng)?shù)厣锒鄻有栽斐善茐?。薇甘菊[22]在浙江、廣東大面積入侵農(nóng)田,暴發(fā)成災(zāi)。另一方面,引進(jìn)外來魚類對土著魚類也造成危害[23]。綜上所述,隨意引入外來物種,其后果在短期內(nèi)是不可預(yù)見的。
1.5研究手段較單一,研究方向不清晰
目前大部分濕地恢復(fù)研究主要圍繞局部濕地格局恢復(fù)和調(diào)整的模式,缺乏對流域尺度格局與水生態(tài)過程的系統(tǒng)研究[24],很難建立對濕地進(jìn)行整體性水生態(tài)過程恢復(fù)和調(diào)控的機(jī)制。另一方面,N、P和COD主要源于生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田施肥和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)及畜牧業(yè)等[25,26];而在沒有做到控源截污的前提下,只是片面強(qiáng)調(diào)通過采用生態(tài)恢復(fù)措施來凈化湖泊濕地水環(huán)境[27],竟然一度成為湖泊富營養(yǎng)化治理的主流方向。
1.6宣傳教育滯后,法制體系不完善,管理混亂
目前我國濕地合理利用與保護(hù)的宣傳、教育工作嚴(yán)重滯后于現(xiàn)階段資源保護(hù)形勢和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,且其強(qiáng)度和輻射范圍均不夠,人們對濕地的保護(hù)意識和對濕地價(jià)值的全面認(rèn)識尚有所欠缺[28]。此外,目前我國沒有專門針對湖泊濕地規(guī)范利用與保護(hù)的法律、法規(guī)。已有的相關(guān)法律、法規(guī)中有關(guān)湖泊濕地規(guī)范利用和保護(hù)的條款較為分散、不成體系、不夠全面,并且各法條間相互交叉、重復(fù)的情況并存,很難發(fā)揮其實(shí)質(zhì)效能[29]。最后,湖泊濕地開發(fā)利用及保護(hù)管理牽涉面廣、涉及部門多,尚未完全形成良好的內(nèi)部協(xié)調(diào)機(jī)制,且管理手段和方法滯后[30]。
2湖泊濕地保護(hù)與修復(fù)的研究進(jìn)展
2.1濕地修復(fù)原則
①生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益相統(tǒng)一原則。即湖泊濕地的效益是綜合性的[31,32]。目前國外的生態(tài)功能―經(jīng)濟(jì)效益綜合評價(jià)缺乏定量方法,采取描述或D形表示兩種形式,我國董哲仁等[33]提出經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)功能綜合評價(jià)矩陣方法,建立了一種數(shù)學(xué)表達(dá)方法,實(shí)現(xiàn)湖泊濕地功能和效益綜合評價(jià)的定量化;②風(fēng)險(xiǎn)最小和效益最優(yōu)原則[34]。在湖泊濕地修復(fù)規(guī)劃中權(quán)衡方案,對被恢復(fù)湖泊濕地進(jìn)行全面的綜合分析、論證,在考慮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效益最大化的同時(shí),兼顧風(fēng)險(xiǎn)和投資;③整體性原則。湖泊濕地恢復(fù)不僅應(yīng)促進(jìn)退化濕地構(gòu)成要素的原位恢復(fù),還應(yīng)重視恢復(fù)濕地所處集水區(qū)域內(nèi)的橫向水文聯(lián)系、與所處流域上下游之間的縱向水文聯(lián)系以及地下水和地表水系統(tǒng)的垂直方向的水文聯(lián)系;④地域性原則。制定湖泊濕地修復(fù)計(jì)劃前,應(yīng)全面掌握濕地類型、氣候條件、地理?xiàng)l件、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)等修復(fù)區(qū)的相關(guān)信息。充分分析修復(fù)計(jì)劃對湖泊區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值的影響,突出地域性特征,最大可能維持地帶性植被,減少對當(dāng)?shù)厣锶郝涞钠茐?;還需尊重當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)鄉(xiāng)土文明,保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境的成分,維持地域性的生態(tài)平衡[35];⑤穩(wěn)定性原則。保護(hù)和修復(fù)湖泊濕地應(yīng)重視系統(tǒng)內(nèi)部各組成要素之間和系統(tǒng)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)及統(tǒng)一程度、生物群落的組成、群落功能和結(jié)構(gòu)的完整;⑥可行性原則。在湖泊濕地保護(hù)與恢復(fù)工程實(shí)施前,應(yīng)考慮項(xiàng)目的環(huán)境可行性和經(jīng)濟(jì)可行性;⑦優(yōu)先性和稀缺性原則。湖泊濕地保護(hù)與修復(fù)項(xiàng)目需突出針對性,應(yīng)優(yōu)先保護(hù)瀕臨滅絕物種的生物棲息和地稀缺濕地[36];⑧景觀和美學(xué)原則。李春暉等[37]人將水質(zhì)、生態(tài)和景觀定為濕地修復(fù)的三大目標(biāo),闡明恢復(fù)濕地景觀和添增美學(xué)效果的重要性。
2.2修復(fù)技術(shù)與進(jìn)展
總結(jié)國內(nèi)外湖泊濕地修復(fù)的研究成果,湖泊濕地修復(fù)技術(shù)可分為物理措施、化學(xué)措施和生物措施三大類共13種(見表2),且這些技術(shù)已在國內(nèi)外湖泊濕地修復(fù)工程中得到廣泛應(yīng)用。
2.2.1物理措施劉華麗等[38]分別從外源污染、沉水植物、作業(yè)區(qū)域和深度3個(gè)方面,研究了對沉積物疏浚技術(shù)效果的關(guān)鍵影響因素;張杰等[39]基于DEM和土地利用土地覆蓋的適宜性分析為濕地恢復(fù)提供了理論依據(jù);張修峰等[40]通過使用STELLA軟件,構(gòu)建了三濕地水體TP變化生態(tài)模型并成功的進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果表明對底泥不同程度的疏浚,會影響對水質(zhì)改善效果;萬玉文[41]通過采用柱形管槽靜態(tài)的模擬塘堰濕地,模擬了不同水深處理下的底泥氮磷釋放對上覆水水質(zhì)的影響,結(jié)果表明水流的擾動會導(dǎo)致底泥中磷的釋放加速;夏紅霞等[42]利用頁巖空心磚構(gòu)建自動增氧型濕地系統(tǒng),增強(qiáng)了系統(tǒng)內(nèi)部供氧能力和濕地系統(tǒng)的除氮能力;潘繼征等[43]研發(fā)了人工增氧復(fù)合型濕地工藝,其對不同水力負(fù)荷和污染負(fù)荷都展現(xiàn)出了較強(qiáng)的緩沖調(diào)節(jié)能力和很高的凈化效果 ;黃等[44]利用遙感技術(shù)對濕地恢復(fù)及生態(tài)調(diào)水進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測,及時(shí)掌握宏觀地表下的快速變化,也為長期的區(qū)域生態(tài)效應(yīng)評價(jià)提供技術(shù)支持;董張玉等[45]結(jié)合GIS/RS,對濕地恢復(fù)潛力從地貌條件、河流及道路密度、景觀結(jié)構(gòu)因子、濕度指數(shù)、耕地生產(chǎn)力五方面進(jìn)行空間分析,明確了東北地區(qū)濕地修復(fù)的優(yōu)先、次優(yōu)先區(qū)域,并利用景觀指數(shù)、作物生產(chǎn)與濕地協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)驗(yàn)證恢復(fù)效果。國外學(xué)者也做了相關(guān)研究,Kowalski等[46]通過采用便攜式圍堰技術(shù),恢復(fù)了伊利湖湖濱濕地挺水植被;Tian等[47]在密西西比―俄亥俄―密蘇里河盆地進(jìn)行濕地水文恢復(fù),其中的“牛軛”設(shè)計(jì),有效降低了水體中可溶性活性磷、硝態(tài)氮、總磷和總氮的含量;Zedler[48]對有關(guān)濕地恢復(fù)理論做了全面的總結(jié),認(rèn)為濕地恢復(fù)應(yīng)遵循生態(tài)位理論、島嶼生物地理學(xué)理論、種群理論和營養(yǎng)級理論;Malson等[49]通過田間和溫室試驗(yàn),利用苔蘚配子體片段進(jìn)行濕地恢復(fù)。
2.2.2化學(xué)措施黃潔慧等[50]提出采用“徑流雨水匯集、滲流、預(yù)處理+河水造流生化預(yù)處理+主湖造流生化+構(gòu)建全湖生物多樣性”的全生態(tài)組合技術(shù),應(yīng)用于湖泊中;鄭駿宇等[51]采用化學(xué)強(qiáng)化―復(fù)合人工濕地組合工藝,對濕地的大量顆粒懸浮物和水體中的COD、BOD5和TP的去除效果明顯;徐軼等[52]針對海新河污染特點(diǎn),采用絮凝沉淀結(jié)合人工濕地技術(shù)進(jìn)行修復(fù),效果良好;張帥等[53]探討了生物水處理系統(tǒng)和加載絮凝沉淀技術(shù)相結(jié)合的研究方法;李曉威等[54]通過試驗(yàn)確定了最佳絮凝效果時(shí)間,并且推算出絮凝劑與泥漿絕對濃度的函數(shù)關(guān)系,以及泥漿與絮凝劑的最佳配比。按照得出的函數(shù)關(guān)系配比絮凝劑,可以縮短絮凝時(shí)間,提高脫水和施工效率。李星等[55]通過研究復(fù)合除藻劑,表明了其對藻類具有很好的去除效果;劉愛民等[56]研究了鏈霉菌WH63的抑藻效應(yīng),效果明顯;周全等[57]研究了藻存量削減和磷營養(yǎng)控制兩種方法,均能在水華形成的早期對小型富營養(yǎng)化水體藍(lán)藻水華起到阻遏作用;李靜會等[58]通過進(jìn)行化學(xué)除藻劑治理藍(lán)藻水華的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,除藻劑除抑藍(lán)藻效果顯著;王正興等[59]利用國外新型除藻劑―去藻247,研究滇池水藻類污染的治理,并通過線性回歸方程來擬合水體中葉綠素a和總磷的相關(guān)性。
2.2.3生物措施吳國旭等[60]研究表明,生物接觸氧化工藝可以實(shí)現(xiàn)降解有機(jī)物,并利用類似曝氣池的曝氣方法提供氧氣,同時(shí)起到混合攪拌的效果;李少華等[61]采用調(diào)水補(bǔ)水、生物調(diào)控等技術(shù)對滄州濕地水環(huán)境修復(fù);李靜[62]提出水解酸化―人工濕地處理技術(shù);馬秋莎等[63]通過利用長鏈烷烴的微生物降解作用,對濕地進(jìn)行研究;鄧志強(qiáng)等[64]通過植物刈割、水生動物強(qiáng)化法、優(yōu)勢植物篩選、微生物強(qiáng)化技術(shù)等途徑,解決了人工浮床技術(shù)凈化能力差和適用范圍有限的缺陷;朱鳴鶴等[65]通過研究潮灘植物中翅堿蓬對重金屬累計(jì)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)銅、鋅、鉛、鎘4種重金屬在不同潮灘中均有明顯的累計(jì)效應(yīng);王曙光等[66]用真菌生產(chǎn)生物菌肥,不僅能增加農(nóng)作物產(chǎn)量,還減少了面源污染對濕地水體的污染;吳迪等[67]在上海青浦大蓮湖濕地修復(fù)示范工程中,采用改變土地利用模式、水系改造和植被配置等技術(shù),使?jié)竦厣辰Y(jié)構(gòu)和生物多樣性組成都分得到改善;張明祥等[68]根據(jù)研究區(qū)的水文條件、土地利用現(xiàn)狀、海拔和受威脅程度的不同,通過研究結(jié)果可知在黃河鄭州段的二灘、嫩灘和部分老灘區(qū)域均可以采用溪流型、蓄水型、多塘型濕地恢復(fù)模式;董凱凱等[69]在黃河三角洲蘆葦濕地,通過比較退化區(qū)與淡水恢復(fù)區(qū)的土壤pH值、鹽分、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)碳的含量變化,闡明了濕地恢復(fù)對土壤碳氮含量的影響;王國棟等[70]采用溫室萌發(fā)法,對天然濕地、不同開墾年限濕地種子庫的規(guī)模和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,詳細(xì)地闡述了濕地種子庫的特征及其在植被恢復(fù)中的潛力;中國科學(xué)院通過研究固定化增殖氮循環(huán)細(xì)菌群SBR法,對富營養(yǎng)化湖泊進(jìn)行水質(zhì)凈化,實(shí)現(xiàn)總氮量和COD下降了75%,氨氮量下降了91.5%[71]。黃磊等[72]研究了空心菜和菖蒲等植物在凈化微污染潛流人工濕地中對N、P的不同去除效果;Tuncsiper[73]對水平潛流式、自由水表流式、表面流式的人工濕地進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)此三種形式的濕地系統(tǒng)對NH4+-N的平均去除率為49%~52%,其中表面流式濕地系統(tǒng)的平均去除率為58%,水平潛流式人工濕地對TP的平均去除率為60%,效果明顯。
2.3湖泊濕地保護(hù)對策研究
2.3.1制定湖泊濕地保護(hù)總體框架,明確功能定位,分類型、分層次保護(hù)根據(jù)湖泊濕地所處范圍內(nèi)的自然環(huán)境特點(diǎn)和社會經(jīng)濟(jì)層次,制定湖泊濕地保護(hù)目標(biāo)和總體框架,確定不同區(qū)域、類型湖泊濕地保護(hù)的路徑和側(cè)重點(diǎn);在此基礎(chǔ)上,明確湖泊濕地的功能定位及其保護(hù)對象、目標(biāo)和范圍,繼而整治與其功能定位不相符且不合理的開發(fā)行為,逐步恢復(fù)其被破壞功能,保證其生態(tài)功能的完整性和系統(tǒng)健康;劃分重要開發(fā)利用區(qū)、緩沖區(qū)、保護(hù)區(qū)等,分層次進(jìn)行有效保護(hù),從而引導(dǎo)和規(guī)范湖泊濕地資源的可持續(xù)利用,并且維護(hù)和提升湖泊濕地的主導(dǎo)功能。
2.3.2從流域整體性角度,進(jìn)行全面濕地修復(fù)規(guī)劃湖泊往往與池塘、渠道、河流等部分組成復(fù)雜的濕地水生態(tài)系統(tǒng),各部分間互相影響,相互制約[88]。因此,對湖泊濕地修復(fù)規(guī)劃,應(yīng)從流域的層面上進(jìn)行整體性考量[3,89]。近10年來,國際上學(xué)者突出濕地生態(tài)系統(tǒng)整體恢復(fù)和調(diào)控思想,從大尺度上考慮毗鄰集水區(qū)域和湖泊濕地所處整個(gè)流域的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完整性[90]。長江中游的“重建江湖聯(lián)系,恢復(fù)濕地生命網(wǎng)絡(luò)” 和鄱陽湖的“山江湖”等示范項(xiàng)目,即是在流域尺度上的濕地保護(hù)與修復(fù)的研究[91];“萊茵河行動計(jì)劃”濕地修復(fù)項(xiàng)目就是以流域尺度為出發(fā)點(diǎn),進(jìn)行水生態(tài)過程和水環(huán)境修復(fù),取得顯著效果[92]。Hermoso等[93]研究表明濕地恢復(fù)過程中,地下水深度變化對土壤和植被類型影響很大,濕地恢復(fù)除應(yīng)強(qiáng)調(diào)流域之間連接性的修復(fù)外,還應(yīng)考慮到地下水與地表水之間的水文聯(lián)系。
2.3.3湖泊濕地修護(hù)側(cè)重與生態(tài)水工結(jié)合20世紀(jì)90年代開始,美國在南佛羅里達(dá)大沼澤區(qū)域的濕地恢復(fù)項(xiàng)目,應(yīng)用生態(tài)水工學(xué),將人工直線型重新恢復(fù)曲線型河道,減緩了區(qū)域內(nèi)雨季水體的排泄速率,實(shí)現(xiàn)了大沼澤竦厴態(tài)需水補(bǔ)給[94]。日韓等國提出“與自然親近工程”的修復(fù)理念,如采用新型生態(tài)材料建造人工島,為動物提供棲息地[95]。在湖泊濕地修復(fù)工程中,結(jié)合生態(tài)水工學(xué)原理,在一定程度上保持其原有自然生態(tài)水文過程,在滿足安全的條件下,改善濕地的生態(tài)功能,采用有益于濕地生態(tài)系統(tǒng)及生物多樣性保護(hù)的施工規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),作為湖泊濕地修復(fù)重要思路之一[96]。
2.3.4完善湖泊濕地修復(fù)市場運(yùn)作機(jī)制美國20世紀(jì)90年代基于“無凈損失”濕地恢復(fù)與保護(hù)政策發(fā)展了“濕地銀行”等濕地恢復(fù)市場機(jī)制[97]?!皾竦劂y行”商業(yè)化的市場運(yùn)作模式,使土地開發(fā)與濕地保護(hù)形成一種良性互動;美國密西西比河流域濕地恢復(fù)提出一種“氮農(nóng)業(yè)”的運(yùn)作模式,鼓勵(lì)農(nóng)民恢復(fù)建立濕地以降低輸入海灣的氮負(fù)荷,其中政府向個(gè)人提供補(bǔ)貼,用于恢復(fù)可儲蓄洪水的濕地,且建立了“氮農(nóng)業(yè)”交易市場,促進(jìn)各方參與交易,最后評估得到去除1噸氮的濕地相當(dāng)于2 500美元的補(bǔ)貼價(jià)值[90]。該市場機(jī)制在減輕農(nóng)業(yè)從業(yè)者對政府補(bǔ)助依賴的同時(shí),還減少了這些區(qū)域的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染,及增強(qiáng)了防洪安全。
3研究展望
3.1加強(qiáng)湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與調(diào)控
結(jié)合3S技術(shù),收集其生態(tài)特征的變化指標(biāo),建立信息數(shù)據(jù)庫,及時(shí)動態(tài)掌握其環(huán)境狀況,針對性的采取科學(xué)的保護(hù)與修復(fù)措施,實(shí)施調(diào)控。
3.2建立湖泊濕地退化診斷與評價(jià)機(jī)制
研究湖泊濕地結(jié)構(gòu)和功能的退化過程,探求其驅(qū)動因子和關(guān)鍵過程,辨析湖泊濕地退化機(jī)制和模式。將實(shí)體模型與數(shù)值模擬相結(jié)合,剖析水循環(huán)過程對濕地演變的作用機(jī)制,模擬湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特征、規(guī)模對人類活動的響應(yīng),建立湖泊濕地評價(jià)機(jī)制。
3.3科學(xué)規(guī)劃,恢復(fù)河湖連通性
基于河湖水系在水文和水環(huán)境等方面的復(fù)雜性,目前對河湖水系連通及其區(qū)域系統(tǒng)間相互影響還缺乏充分認(rèn)識,迫切需要針對自然因素和人類活動因素造成的連通性削弱或中斷問題以及河湖水系間連通性方面的戰(zhàn)略需求,開展河湖水系間生態(tài)連通規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究,在基礎(chǔ)理論、工程體系、仿真平臺及效果評估等方面創(chuàng)新研究,構(gòu)建河湖濕地水系間生B連通規(guī)劃技術(shù)體系。
3.4建立湖泊濕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)管理模式
可持續(xù)管理模式具體措施如下:加強(qiáng)濕地旅游管理;加大宣傳教育力度,普及濕地及其保護(hù)的知識、法律法規(guī),強(qiáng)化民眾的濕地生態(tài)憂患和保護(hù)意識;進(jìn)行濕地立法,及完善地方法律法規(guī),使?jié)竦乇Wo(hù)或開發(fā)利用進(jìn)入有序和法制狀態(tài);制定湖泊濕地經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃時(shí),突出生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。
3.5加強(qiáng)國際交流與合作,深化濕地科學(xué)研究
加強(qiáng)濕地的基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)研究,及時(shí)掌握國內(nèi)外濕地修復(fù)學(xué)術(shù)動態(tài),總結(jié)并推廣開發(fā)利用及保護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn);擴(kuò)大合作領(lǐng)域,建立國際交流機(jī)制,開展多課題、多學(xué)科綜合研究。
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關(guān)鍵詞 農(nóng)藥;光生物;降解;生物修復(fù)
中圖分類號 X132;X592 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739(2012)19-0218-03
1 農(nóng)藥污染狀況
隨著農(nóng)業(yè)病蟲害的增多,農(nóng)藥的使用量也與日劇增。我國20世紀(jì)末農(nóng)藥的投放量如表1所示[1]。與化肥相比,農(nóng)藥具有毒性大、不易降解的特性,對水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)影響更為惡劣,客觀上造成我國水域環(huán)境及生態(tài)環(huán)境污染的日趨嚴(yán)峻。
2 光生物降解農(nóng)藥
2.1 光降解土壤中農(nóng)藥
2.1.1 有機(jī)氯類農(nóng)藥。太陽光曝曬可增強(qiáng)土壤中有機(jī)氯類農(nóng)藥的降解:DDT可轉(zhuǎn)化為DDE。γ-BHC的光解符合一級動力學(xué)方程,其降解常數(shù)隨土壤有機(jī)質(zhì)含量增加而降低;當(dāng)有機(jī)碳含量不變時(shí),光解常數(shù)隨鐵含量增加而提高,低有機(jī)碳含量土壤中,F(xiàn)e2O3對γ-BHC有明顯的催化作用。
2.1.2 有機(jī)磷類農(nóng)藥。研究表明,土壤黏粒含量和土壤濕度是影響有機(jī)磷類農(nóng)藥光解的主要因素。光解速率隨黏粒含量減少而增大;土壤濕度對光解速率影響隨農(nóng)藥品種和土壤類型不同差異較大,濕土壤明顯有利于氟樂靈的光解。土壤的有機(jī)質(zhì)含量對光解速率影響不明顯。
2.1.3 有機(jī)氮類農(nóng)藥。阿特拉津除草劑在粒度較小的土壤中光解速率較大,光解深度也較大;阿特拉津的光解速率在濕土壤中大于在干土壤中;土壤的pH值對其光解速率也有影響,即酸性和堿性土壤均可促進(jìn)阿特拉津的光解,在中性左右的土壤中,它的光解速率會有一個(gè)最小值。另外,土壤中腐殖酸和表面活性劑的存在均會增加阿特拉津的光解速率。
2.1.4 菊酯類農(nóng)藥。光分解對擬除蟲菊酯類農(nóng)藥在表土中的消解起了重要作用。在田間條件下它們能被陽光迅速降解,因此它們幾乎不存在從土壤遷移轉(zhuǎn)化。氯氰菊酯等3種農(nóng)藥在0.5~1.0 mm粒徑范圍的土壤中光解速率最大,在0.10~0.25 mm粒徑范圍內(nèi)光解速率最小,說明其合適的通氣孔隙有利于農(nóng)藥在土壤中光解。
2.2 微生物降解土壤中農(nóng)藥
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用的農(nóng)藥是根治病、蟲害的最有效的方法之一,但農(nóng)藥能長時(shí)間地殘留在環(huán)境中,并隨食物鏈移動,產(chǎn)生生態(tài)毒害作用。土壤是農(nóng)藥在環(huán)境中的貯藏庫和集散地。農(nóng)藥進(jìn)入土壤后,可以被淋溶、蒸發(fā)、吸附和降解。土壤中農(nóng)藥的生物降解是農(nóng)藥轉(zhuǎn)化和解毒的主要途徑。
農(nóng)藥的生物降解受土壤溫度、含水量、pH值、有機(jī)質(zhì)等多種因素的影響。有的農(nóng)藥既可在厭氧條件下降解,又可在好氧條件下降解;有些農(nóng)藥則僅能在其中之一條件下進(jìn)行降解。
現(xiàn)已明確參與農(nóng)藥降解與代謝的微生物有:一是細(xì)菌類。如極毛桿菌、黃桿菌、農(nóng)桿菌、棒狀桿菌、芽孢桿菌、芽孢梭菌。二是真菌類。如交鏈孢、曲霉、芽枝霉、鐮刀霉、小從殼屬、青霉屬。三是放線菌類。如小單孢屬、諾卡氏菌和鏈霉屬。
土壤中的農(nóng)藥微生物代謝不同于礦化作用,也不同于動物代謝。微生物對農(nóng)藥的代謝除使農(nóng)藥被氧化或還原而降解外,它們還將農(nóng)藥作為營養(yǎng)或獲得能源的物質(zhì)。如在厭氧條件下很容易分解γ-BHC和α-BHC的契形梭菌,能將BHC的這2種異構(gòu)體分解為γ-4氯環(huán)乙烯和α-4氯環(huán)乙烯而獲得本身生長所需能源。但不論是細(xì)菌、真菌還是放線菌,其主要代謝反應(yīng)或途徑都是大致相同的,即為β-氧化作用、乙醚裂解作用、環(huán)氧化作用和脫鹵素作用等。此外,只有微生物才能裂解芳香環(huán)類農(nóng)藥。
2.2.1 有機(jī)氯農(nóng)藥。有機(jī)氯農(nóng)藥在土壤中較難降解,但還是可以緩慢降解的。這類農(nóng)藥雖然在厭氧和好氧條件下均能進(jìn)行微生物降解,但在厭氧條件下降解速度更快。例如:DDT在厭氧條件下,微生物能使之脫氯變?yōu)镈DD,或是脫氫脫氯變?yōu)镈DE。DDD和DDE都可以進(jìn)一步氧化為DDA。DDD、DDE的毒性雖比DDT低得多,但仍有慢性毒性。DDT在好氧條件下分解很慢。
與DDT相比,BHC(丙體666)比較容易降解。如前述,厭氧條件下,微生物很容易分解γ-BHC和α-BHC,使之成為本身的能源。胡榮桂[2]研究表明,稻田在淹水條件下,84 d后土壤中微生物對γ-BHC可降解98.4%,不淹水的稻田中微生物對γ-BHC只能降解34.5%。因此,有人提出,以加水的方法來促進(jìn)微生物對旱地BHC的降解。
其他的有機(jī)氯農(nóng)藥,如艾氏劑、異艾氏劑、狄氏劑、異狄氏劑、氯丹等是環(huán)境中最穩(wěn)定的農(nóng)藥,因此其降解的速度非常緩慢。
2.2.2 有機(jī)磷農(nóng)藥。有機(jī)磷農(nóng)藥在土壤中很易降解,既能直接水解和氧化,也能被微生物分解,其降解速度隨土壤溫度、濕度和酸堿度增高而加快。如馬拉硫磷可以水解,也可在綠色木霉和極毛桿菌屬作用下分解,反應(yīng)產(chǎn)物可徹底降解為磷酸鹽、硫酸鹽和碳酸鹽等。
其他的有機(jī)磷農(nóng)藥,如對硫磷、甲基對硫磷和乙基對硫磷,能被枯草桿菌降解,所含的硝基被還原為氨基。有些微生物能使對硫磷水解為P-硝基酚,將其中的毒害成分降解為無毒物質(zhì)。
2.2.3 菊酯類農(nóng)藥。擬除蟲菊酯類殺蟲劑是一類結(jié)構(gòu)類似天然除蟲菊的人工合成農(nóng)藥。這類農(nóng)藥急性、慢性的毒性都低,降解慢,除了氰戊菊酯等個(gè)別品種外,對人畜和環(huán)境較安全。
菊酯類農(nóng)藥在土壤表層,能被陽光迅速降解,在土層1 cm以下主要為生物降解。表2列出了3種菊酯類農(nóng)藥在不同土壤中降解的半衰期[3]。
2.3 光生物降解植物中農(nóng)藥
水系中在陽光輻射下藻類可引發(fā)產(chǎn)生H2O2、′O2、O2-等活性氧物質(zhì),經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)又可生成氫氧自由基OH和RO2、R等有機(jī)自由基。這些活性物質(zhì),對農(nóng)藥具有強(qiáng)烈地氧化、分解作用,最終可將有機(jī)污染物分解為二氧化碳和水。
處于這種水系的待降解農(nóng)作物,通過吸附作用、生物富集作用、自身的呼吸作用等,將上述活性自由基物質(zhì)吸收于植物體內(nèi),這些活性物質(zhì)則可將植物體中的農(nóng)藥殘留逐漸氧化、分解。例如,對BHC農(nóng)藥,則可使其產(chǎn)生脫氯反應(yīng),而逐漸降解,其降解產(chǎn)物在植物舒張收縮中隨細(xì)胞放水排出體外。
在陽光下,藻類產(chǎn)生一種過氧化氫酶,這種氧化酶對苯胺類化學(xué)物質(zhì)氧化速度很快;在陽光下,藻類釋放出一些光敏劑,它可以敏化水系中各種反應(yīng),加速對有毒污染物的降解。
在藻類存在的水系中,藻引起的光強(qiáng)度減弱作用很小,不會對光化學(xué)降解產(chǎn)生明顯影響。
光生物降解技術(shù),可以移植到人工光生化反應(yīng)器中進(jìn)行,其工作原理如圖1所示。此時(shí)的光源將采用人造光源,人造光源的光強(qiáng)在局部范圍內(nèi)可以比輻射于此的太陽光大許多。
3 生物修復(fù)
3.1 農(nóng)田土壤的生物修復(fù)
農(nóng)田污染是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的嚴(yán)峻問題,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全國受污染的耕地占其總面積的1/10以上,不僅污染面積大,而且每年由于土壤污染造成的糧食減產(chǎn)損失巨大,達(dá)250萬t[4]。
土壤污染一方面是由于自然現(xiàn)象如洪澇、火山爆發(fā)和礦化作用等因素造成;另一方面是由一系列的人類活動造成的,如工業(yè)活動、石油開發(fā)、化肥農(nóng)藥的過度施用等,導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被破壞,大量有害物質(zhì)積累和殘留。土壤的污染,使得有毒及致癌物質(zhì)在動植物體內(nèi)富集,通過食物鏈危害各類生物以至于人類。
3.1.1 農(nóng)田生物修復(fù)機(jī)理。生物修復(fù)技術(shù)是利用微生物及其他生物將存在于土壤中的有毒、有害有機(jī)污染物降解成二氧化碳和水或其他無害物質(zhì)的技術(shù)和方法。與物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比,生物修復(fù)技術(shù)具有安全、破壞性小、效果好、操作簡單及無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)微生物的來源,可將微生物修復(fù)分為自然衰減法、生物刺激修復(fù)技術(shù)和生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù),其中生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)具有菌濃度高、降解能力強(qiáng)、降解迅速等特點(diǎn),在污染土壤修復(fù)中應(yīng)用日益廣泛。
3.1.2 生物強(qiáng)化修復(fù)土壤程序。生物強(qiáng)化修復(fù)農(nóng)田土壤,工作程序如圖2所示。
(1)考察菌群??疾焐镄迯?fù)過程中污染物以及外源微生物對土壤微生態(tài)的影響:一方面,有助于獲得更加有效、對環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)的污染物降解菌;另一方面,是提高生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)實(shí)際成功率的基礎(chǔ)。
(2)菌群篩選。將具有污染物降解能力的微生物分離出來是生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)成功的基礎(chǔ)。例如,從微生物的微生態(tài)效應(yīng)出發(fā),利用真菌和細(xì)菌的生長條件及降解石油方面的互補(bǔ)性,構(gòu)建了由細(xì)菌和真菌組成的混合菌劑,接種這類混合菌對石油烴的降解率高于細(xì)菌和真菌分別降解率之和。
(3)菌群固定化。利用微生物固定化技術(shù),可以將微生物接種入土壤中,是一種保證外源微生物在陌生環(huán)境中生長并不斷積累生物活性的有效途徑。一方面載體(土壤)可以為微生物的生長提供附著的表面,其載體的內(nèi)部孔道可為各種微生物提供良好的保護(hù)性環(huán)境;另一方面載體內(nèi)包埋的營養(yǎng)物質(zhì)可有效促進(jìn)微生物的生長。微生物固定化技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于石油烴、苯酚、氯代苯酚等有機(jī)污染物的生物降解。
(4)引入共底物。一些難降解的有機(jī)污染物在自然條件下不能被微生物所利用(降解),而在可供微生物所利用的優(yōu)質(zhì)碳源存在時(shí),微生物可通過共代謝過程降解污染物。例如,在鄰苯二甲酸、二甲酯的生物降解過程中加入無機(jī)碳源,不僅能促進(jìn)微生物的生長,而且對污染物的微生物降解也有明顯的促進(jìn)作用,不失為提高生物強(qiáng)化修復(fù)效率的一條有效途徑。
(5)修復(fù)技術(shù)的聯(lián)用。對某地區(qū)的土壤進(jìn)行某一種單一的生物修復(fù)時(shí),有時(shí)會難以達(dá)到預(yù)期效果,因此應(yīng)當(dāng)考慮合理地使用多種修復(fù)技術(shù)的聯(lián)用。例如,石油污染的土壤往往伴隨著嚴(yán)重的鹽污染。高濃度鹽離子的存在會抑制微生物對石油污染的生物降解。如果將秸稈填埋發(fā)酵技術(shù)與生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)結(jié)合起來會達(dá)到土壤修復(fù)目的。此時(shí),利用秸稈及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物促進(jìn)土壤中微生物的生長,強(qiáng)化了石油烴的生物降解。
另外,將土壤生物修復(fù)過程與適宜的作物種植相結(jié)合,不僅可以提高生物修復(fù)的效率,還可以獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。
3.1.3 土壤生物修復(fù)實(shí)例。土壤污染生物修復(fù)的實(shí)際應(yīng)用,許多發(fā)達(dá)國家均有成功案例。據(jù)Susan報(bào)道,具有代表性的案例[5]如表3所示。
3.2 湖泊的生物修復(fù)
湖泊污染修復(fù)的關(guān)鍵是解決湖泊的富營養(yǎng)化問題。湖泊水體的富營養(yǎng)化實(shí)質(zhì)是活性氮、磷元素不斷從污染源進(jìn)入水體而造成的污染。污染源主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中(化肥、農(nóng)藥等)富含氮、磷的農(nóng)田排水及人類生活污水和工業(yè)廢水。此外,還有湖底淤泥中沉積的有害物質(zhì),其氮、磷的不斷釋放。
如何治理湖泊富營養(yǎng)化、恢復(fù)湖泊水體的功能是整個(gè)世界需要解決的難題。在過去幾十年中,世界各國科學(xué)家已經(jīng)探索嘗試了包括物理、化學(xué)、生物三大類幾十種方法,或工程費(fèi)用昂貴,或二次污染嚴(yán)重,或治理速度太慢,其效果都不盡人意。目前,可供選擇地生物修復(fù)湖泊技術(shù)有以下幾種。
3.2.1 李召虎的“源、流、庫”學(xué)說及其一體化治理技術(shù)。李召虎根據(jù)其在美國參與美國公司湖泊富營養(yǎng)化治理的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn),導(dǎo)入植物生理學(xué),提出了“源、流、庫”學(xué)說,開發(fā)了適合我國特點(diǎn)的《湖泊富營養(yǎng)化(源—流—庫)一體化治理技術(shù)》[6]。該技術(shù)采用生物學(xué)手段,對源—湖泊上游源頭排放的污染物、流—源頭至湖泊水流中的污染物、庫—進(jìn)入湖泊水體的污染物,進(jìn)行一體化治理。通過發(fā)揮嗜養(yǎng)微生物對污染物的轉(zhuǎn)化(惰性化)和清除養(yǎng)分的功能,健全湖泊生態(tài)系統(tǒng)食物鏈,徹底根除湖泊富營養(yǎng)化,修復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng),恢復(fù)水體自凈功能。
李召虎利用微生物組合與其他天然生物產(chǎn)品對富營養(yǎng)水體中的有機(jī)物進(jìn)行分解,在分解的基礎(chǔ)上將活性氮、磷物質(zhì)轉(zhuǎn)化為惰性物質(zhì)。應(yīng)用該項(xiàng)一體化治理技術(shù),已成功治理了富營養(yǎng)化湖泊水體1億m3,治理的湖泊面積從0.3 km2到數(shù)十平方千米。
3.2.2 EM法投放有效微生物。李雪梅等在華南植物園往重度富營養(yǎng)化的人工湖投加多糖EM菌劑進(jìn)行試驗(yàn)[7]。在1 000 m2的湖中投放60個(gè)固定了高濃度EM的泥球,75 d后湖水的變化如表4所示。
湖水透明度的提高,原因在于EM抑制了水體藻類的生長,從水體葉綠素看,投菌30 d,表面就從3 780 mg/m3降到130 mg/m3,下降了96.6%。從此案例看,EM治理湖泊富營養(yǎng)化是有效的。
3.2.3 Clear-FLO系列菌劑。該菌劑是由美國一家公司研究開發(fā)的系列產(chǎn)品[7],專門用于湖泊和池塘的生物清淤、養(yǎng)殖水體凈化、河流修復(fù)及污泥去除等[8-9]。采用此菌種修復(fù)湖泊、河流亦有不少成功案例(表5)。
4 參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞:生態(tài)水工學(xué)水環(huán)境工程理念
我國江河、湖泊和水庫普遍受到污染,直接威脅著飲用水的安全和人民的健康,影響到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)作物安全水污染也加劇了水資源短缺。究其污染原因,未經(jīng)處理的工業(yè)廢水排放是最重要的點(diǎn)污染源,工業(yè)廢水造成水污染占水污染負(fù)荷50%以上。由于農(nóng)田施用化肥、農(nóng)藥形成的農(nóng)田徑流,畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的廢水、廢物,是我國水環(huán)境的重要面污染源。湖泊、水庫、河流、海灣的底部沉積物蓄積著多年來排入的大量污染物,稱為內(nèi)污染源,目前已是水體富營養(yǎng)化和赤潮形成的重要因素。水環(huán)境整治的重點(diǎn)是對污染源的治理與控制,特別是抓好工業(yè)和生活廢水的源頭治理是解決問題的關(guān)鍵。
近幾年來,為改善流域的水環(huán)境,恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng),水利部門加強(qiáng)了流域的綜合管理,通過統(tǒng)一調(diào)度,初步扭轉(zhuǎn)了黃河、塔里木河及黑河持續(xù)斷流的局面。使黃河三角洲地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)得到明顯改善,塔里木河及黑河流域下游的胡楊林復(fù)蘇,鳥類及野生水禽返回,趨于惡化的生態(tài)系統(tǒng)得到了初步恢復(fù)。事實(shí)說明,水利工程不但在防洪、供水等方面作用巨大,而且在改善江河湖泊流域的生態(tài)系統(tǒng)方面也是大有作為的。生態(tài)建設(shè)已經(jīng)成了水利工作的重要任務(wù)。在這樣的大背景下,我們所討論的問題是:
一個(gè)地區(qū),一個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與改善,反過來對于改善水質(zhì)會產(chǎn)生什么影響?
新建的水利工程如何避免或減少對原有生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響?水利工程建設(shè)除了能滿足人對水的多種需求的同時(shí),如何對流域生態(tài)系統(tǒng)的改善作出貢獻(xiàn)?
一、水在生態(tài)系統(tǒng)中的地位和作用
我們需要討論的問題是:水質(zhì)狀況與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系,水在生態(tài)系統(tǒng)中扮演的角色,進(jìn)而討論在一個(gè)健全的生態(tài)系統(tǒng)中的水質(zhì)問題。
1.生態(tài)方法修復(fù)水體技術(shù)帶給我們的啟示
生態(tài)方法水體修復(fù)技術(shù),是利用培育的植物、動物或培養(yǎng)、接種的微生物的生命活動,對水中污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解作用,從而使水體得到凈化的技術(shù)。生態(tài)方法水體修復(fù)技術(shù)包括:人工濕地處理技術(shù)、生物膜法處理技術(shù)、土地處理技術(shù)及生物操縱技術(shù)等。人工濕地是利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重共同作用來實(shí)現(xiàn)對污水的凈化。生物膜法是指用天然材料(如卵石)、合成材料(如纖維)為載體,在其表面形成一種特殊的生物膜,可為微生物提供較大的附著表面,有利于加強(qiáng)對污染物的降解作用。這些微生物吞噬污染物分解為二氧化碳和水。土地處理技術(shù)是以土地為處理設(shè)施,利用土壤—植物系統(tǒng)的吸附、過濾及凈化作用和自我調(diào)控功能,達(dá)到某種程度對水的凈化。一般用污水灌溉牧草或農(nóng)作物。生物操縱技術(shù)的原理主要是利用營養(yǎng)級鏈狀效應(yīng)達(dá)到凈化水的目的。比如在湖泊水庫中投放經(jīng)選擇的魚類,用以吞食另一類小型魚類,借以保護(hù)某些浮游動物不被小型魚類吞食,這些浮游動物的食物正是人們所討厭的藻類。這些技術(shù)在國內(nèi)外都已經(jīng)有一些成功的工程實(shí)例。比如深圳沙田鎮(zhèn)人口10萬人有小工廠300余家。工業(yè)污水排入附近的田角河,造成水質(zhì)嚴(yán)重惡化。為解決污染問題,建立人工濕地污水處理廠,種植蘆葦、香蒲草和再力花等植物,日處理能力5000t/d,使廢水達(dá)到河流排放標(biāo)準(zhǔn)。韓國的漢江支流良才川地下生物廊道,利用河卵石表面形成的生物膜,使河流的BOD、SS等有較高的處理率。研究結(jié)果表明:在適宜的條件下,挺水植物如慈菇、茭白以及沉水植物伊樂藻、菹草等對水體中的氮和磷都有較高的去除率。常用的蘆葦對于磷的去除率達(dá)65%。
如果要問,生態(tài)方法處理污水的技術(shù)原理是什么呢?可以說自然界本身對于江河湖泊就具備一種很強(qiáng)的自我修復(fù)能力或稱自凈能力,這種技術(shù)不過是對自凈能力的一種強(qiáng)化,是人們遵循生態(tài)系統(tǒng)自身規(guī)律達(dá)到治污目的的一種嘗試。
大規(guī)模的水壩建設(shè)使得水庫對河川徑流的調(diào)節(jié)能力日益加大,有些流域的水庫調(diào)節(jié)庫容接近或超過河川的多年平均徑流量,以至造成水壩下游河流水量的減少,甚至干枯。這將造成下游河床的萎縮,對河流生態(tài)系統(tǒng)造成毀滅性的災(zāi)害。同時(shí),水壩的建設(shè)造成水流連續(xù)性、河床連續(xù)性、生態(tài)連續(xù)性的破壞,并在上游造成大面積的淹沒,大量移民又要造成許多新的環(huán)境問題。
河流的防洪標(biāo)準(zhǔn)不斷提高,河流兩岸的堤防越來越高,使得河流兩岸的洪泛區(qū)域與河流的水循環(huán)分離,河流兩岸的濕地消失,地下水得不到河流的補(bǔ)充,使得兩岸廣闊洪泛平原的生態(tài)狀況日益惡化。
大量興建的水資源開發(fā)工程造成流域水資源的過度開發(fā)利用,結(jié)果是流域地下水位下降、地表河流和湖泊萎縮、植枯,生態(tài)環(huán)境惡化。在近海地區(qū)由于地下水的降低,海水入侵地下水,造成地下水的污染。
概括來說,大量水利工程的建設(shè)對流域水循環(huán)的影響最大,主要表現(xiàn)是:
流域水循環(huán)的短路化,流域水循環(huán)的速度加快,降雨產(chǎn)匯流的速度加快,流域降雨很快匯入河道,泄入大海。
流域水循環(huán)的絕緣化,洪水只在大堤的范圍內(nèi)流動,不再泛濫。河流兩岸的廣大洪泛區(qū)不再受到洪水的侵?jǐn)_,但是也失去了洪水對地下水的補(bǔ)充和清洗。流域的水循環(huán)與河流的水循環(huán)絕緣化。
流域生態(tài)系統(tǒng)的孤立化,流域的水綠生態(tài)網(wǎng)絡(luò)被切斷、阻隔,流域內(nèi)的生物群落被局限在某一固定區(qū)域,不能自由移動,捕食和不能正常進(jìn)行,造成生物群落的退化和滅絕。
近年來,對于保護(hù)生物多樣性和流域社會可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識不斷被接受,提出了對遭受破壞的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)的新課題,許多國家提出恢復(fù)流域的自然特征,恢復(fù)多自然特征的河流,我國的一些流域也先后提出了生態(tài)修復(fù)的目標(biāo),在這樣的大潮流的推動下,出現(xiàn)了許多生態(tài)水力學(xué)的研究課題,比較引人注目的成果有:
湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。目前我國人口密集區(qū)的大多數(shù)湖泊出現(xiàn)了由于污染造成的湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象,即由于磷、氮類營養(yǎng)鹽大量進(jìn)入湖泊造成湖泊內(nèi)藻類的異常增殖,水體生產(chǎn)力提高,水質(zhì)惡化。對湖泊的治理除了控制污染源之外,最有效而可行的措施就是修復(fù)湖泊的生態(tài)系統(tǒng)。在我國的洱海、滇池、太湖都在開展生態(tài)修復(fù)的試點(diǎn)工程。如湖濱帶的生態(tài)修復(fù)、湖周濕地的生態(tài)修復(fù)等。湖流對營養(yǎng)鹽的輸送、湖流對湖泊內(nèi)泥沙的輸移、湖流對底泥污染物釋放量的影響、以及綜合各類研究成果建立的水域富營養(yǎng)化模型等都成為生態(tài)水力學(xué)中的熱門課題。中國水利水電科學(xué)研究院、中國環(huán)境科學(xué)研究院率先開展了這一領(lǐng)域的研究,目前類似的課題已經(jīng)有很多。已有三維的富營養(yǎng)化模型,包括流場、溫度、太陽輻射、光合作用、營養(yǎng)鹽、浮游植物、浮游動物、大型水生動植物在內(nèi)的諸多物理、化學(xué)和生態(tài)參數(shù)。
恢復(fù)河流自然特征的研究。傳統(tǒng)水力學(xué)的研究,比較注重河流輸水的經(jīng)濟(jì)性,結(jié)果造成河流斷面的均一化、河流渠道化,河流自然特征逐漸消失,河流生物多樣性減少。目前,在恢復(fù)河流自然特征的研究中,創(chuàng)造河床的灘——潭交互結(jié)構(gòu)、近岸的洄流結(jié)構(gòu)、創(chuàng)造適合特種生物生存和繁殖的流場等方面的研究也方興未艾。
以河流生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化為目標(biāo)的水利工程調(diào)度研究。以往的水利工程調(diào)度大多只考慮水資源優(yōu)化、水能經(jīng)濟(jì)優(yōu)化等目標(biāo),沒有將下游的水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境優(yōu)化作為調(diào)度目標(biāo),結(jié)果往往是達(dá)到了經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的目標(biāo),損壞了下游的生態(tài)環(huán)境。近年來結(jié)合下游河流環(huán)境、生態(tài)需水量的研究,提出了以下游生態(tài)環(huán)境優(yōu)化為目標(biāo)的水庫調(diào)度研究,增加了水庫的生態(tài)環(huán)境調(diào)度功能,有條件的地方將水庫的改善生態(tài)環(huán)境放在首位,被稱為生態(tài)型水庫。
洪水資源化的研究。傳統(tǒng)水利認(rèn)為洪水只是一種災(zāi)害,近來逐漸認(rèn)識到洪水不僅是災(zāi)害,還是一個(gè)生態(tài)過程,通過洪水泛濫補(bǔ)充地下水、恢復(fù)濕地、清洗河流、改良土壤等,因此不能完全消滅洪水。這方面的研究有,有控制的人工洪水調(diào)度、與溢流堰結(jié)合的堤防設(shè)計(jì)、利用洪水的地下水回灌等。
濕地修復(fù)技術(shù)研究。濕地的恢復(fù)需要適當(dāng)?shù)乃鳁l件,不同的濕地植物群落,需要相應(yīng)的水深、流速、水溫等。在濕地恢復(fù)過程中要注意流場的控制,以滿足濕地生態(tài)修復(fù)的要求。
植物群落對水中營養(yǎng)鹽降解的機(jī)理研究。水中的營養(yǎng)鹽在進(jìn)入水生植物系統(tǒng)后,經(jīng)過沉降、微生物分解、根系吸收等環(huán)節(jié),使水體內(nèi)營養(yǎng)鹽的濃度降低,達(dá)到凈化目的。上述過程,與流場關(guān)系密切,如水深、流速、水體滯留時(shí)間等。目前多是通過現(xiàn)場的實(shí)地實(shí)驗(yàn)確定各種參數(shù),試圖建立數(shù)學(xué)模型。
關(guān)鍵詞 湖泊資源;保護(hù)對策;漲渡湖;濕地保護(hù)區(qū)
中圖分類號 S937.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739(2013)06-0246-02
隨著社會的不斷發(fā)展,人類以各種方式支配著湖泊資源。武漢市湖泊星羅棋布,溝渠縱橫交錯(cuò),湖泊資源豐富,隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城鎮(zhèn)化步伐加快,湖泊資源環(huán)境不可避免發(fā)生改變,湖泊生態(tài)容量不斷縮小;改革開放以來,湖泊資源環(huán)境保護(hù)工作逐漸步入了法治軌道,相繼出臺了《中華人民共和國水法》《漁業(yè)法》《湖北省湖泊保護(hù)條例》和《武漢市湖泊保護(hù)條例實(shí)施細(xì)則》等一批法律法規(guī),但各地在執(zhí)行實(shí)施過程中,仍然存在一些缺陷和漏洞,為此,課題小組歷時(shí)4年對湖北省新洲區(qū)平原型湖泊漲渡湖進(jìn)行了專題調(diào)查,并結(jié)合法律政策背景和自然資源實(shí)際,在湖泊資源保護(hù)和利用等方面進(jìn)行了有益探索。
1 漲渡湖資源概況
漲渡湖位于湖北省武漢市新洲區(qū)境內(nèi),是長江北部中游地區(qū)一個(gè)平原型淺水湖泊,20世紀(jì)70年代和90年代相關(guān)管理部門在湖泊南北兩岸分別建立了4座節(jié)制閘以及與長江相連的溝港,可人為調(diào)節(jié)江湖水流交換頻率與湖泊蓄水量,通過機(jī)械涵閘調(diào)節(jié)與長江的聯(lián)系。湖泊現(xiàn)有水域面積約37.00 km2,承雨面積近524 km2,湖面東西寬6.50 km,南北長6.00 km,湖底原始平均高程17.70 m,最大水深2.30 m。沿湖筑有圍漬堤,堤頂高程23.00 m,常年調(diào)蓄水位在20.00 m左右,是一個(gè)兼有水產(chǎn)養(yǎng)殖和水量調(diào)蓄功能的湖泊,并吸納承擔(dān)與之相連的陶家大湖和七湖2個(gè)小型湖泊(2個(gè)湖總面積6.8 km2)的排澇御災(zāi)任務(wù)(圖1)。
2003年,世界自然基金會(WWF)將漲渡湖流域列入長江中下游流域濕地保護(hù)區(qū),漲渡湖列為核心保護(hù)區(qū),其年平均水產(chǎn)品產(chǎn)量3 800.00 t,產(chǎn)值4 101.60萬元。湖泊水面年承包收入241.00萬元,年純利潤65.00萬元。漲渡湖為國家建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了豐富的水生動植物食品和資金,為新洲區(qū)抗旱御洪提供了有力支撐。
2 資源保護(hù)現(xiàn)狀與存在的問題
從1990年起,湖泊經(jīng)營管理部門秉承“摸清資源存量、合理開發(fā)利用、維護(hù)水生態(tài)平衡”原則,與中國科學(xué)院長江水產(chǎn)科學(xué)研究所、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、農(nóng)業(yè)部(湖北)環(huán)境監(jiān)測中心等單位通力合作,對漲渡湖進(jìn)行了水體生物資源調(diào)查分析、水質(zhì)環(huán)境狀況跟蹤監(jiān)測、調(diào)整湖泊放養(yǎng)結(jié)構(gòu)等系列保護(hù)性開發(fā)工作。
2009年調(diào)查統(tǒng)計(jì)的湖泊水生動物有17科52種,主要水生經(jīng)濟(jì)動物為洄游性和半洄游性的青、草、鰱、鳙、長頜鱭、銀魚、螃蟹等,湖泊定居性品種為黃顙魚、長春鳊、團(tuán)頭魴、鯉、鯽、烏鱧、蒙古紅鮊、翹嘴紅鮊、鳡魚等。此外,還有龜、鱉、鱔、蝦、蚌等其他經(jīng)濟(jì)性水生動物。水生植物21種,其中蓮、藕、菱等占水生植物生物量的35.20%。2010年漲渡湖水生動植物減少了3個(gè)種類,湖泊生態(tài)復(fù)雜性和生物多樣性呈現(xiàn)出減少和降低態(tài)勢。
漲渡湖現(xiàn)行管理體制和職能框架設(shè)置與湖泊保護(hù)開發(fā)利用科學(xué)規(guī)律存在一定的沖突,權(quán)屬管理與經(jīng)營策劃、資源保護(hù)與規(guī)劃執(zhí)法相分離,一湖多主、一湖多頭管理現(xiàn)象較為突出。湖泊有近30年沒有進(jìn)行引水疏浚沖刷和適量的水體交換,加之湖周接壤的3個(gè)街鎮(zhèn)農(nóng)田水土流失殘?jiān)途用裆罾粩嘤窟M(jìn)沉積于漲渡湖,導(dǎo)致湖底高程不斷增加。2010年實(shí)地測算,湖床平均海拔高程增加到18.75 m,湖泊蓄水量急劇下降;漲渡湖東圍堤區(qū)、齊頭嘴和湯湖段出現(xiàn)過湖區(qū)草原景觀,湖泊生命和生態(tài)容量出現(xiàn)明顯的衰老萎縮跡象。
“漲渡湖黃顙魚”是漲渡湖區(qū)的特有品種,2008年12月被國家質(zhì)檢總局確認(rèn)為國家地理標(biāo)志保護(hù)產(chǎn)品,漲渡湖現(xiàn)建有5.5 km2的漲渡湖黃顙魚資源原種保護(hù)區(qū),同時(shí)建成了湖北省省級漲渡湖黃顙魚良種場。但是2010年以來,湖泊因干旱和灌江納苗配套工作沒有落實(shí)到位,“漲渡湖黃顙魚”產(chǎn)卵繁殖所依賴的生態(tài)環(huán)境和水生植被環(huán)境也因旱情嚴(yán)重而受到一定程度影響,“漲渡湖黃顙魚”苗種分布密度和資源存量下降50.00%以上,湖泊由原來年產(chǎn)魚苗3 700.00萬尾減少到目前的1 830.00萬尾。不僅“漲渡湖黃顙魚”的品質(zhì)出現(xiàn)下滑,同時(shí)給該品牌的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也帶來了負(fù)面影響。
3 湖泊資源保護(hù)對策
依據(jù)湖泊保護(hù)的有關(guān)法律法規(guī),按照“因湖制宜、科學(xué)修復(fù)”的原則,深入貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀,從發(fā)揮湖泊功能、修復(fù)湖泊生態(tài)環(huán)境、合理利用湖泊資源角度出發(fā),正確處理好湖泊開發(fā)利用與修復(fù)保護(hù)、近期效益與可持續(xù)利用及各類功能間的關(guān)系,促進(jìn)漲渡湖濕地保護(hù)區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1-2]。
3.1 明確湖泊管護(hù)責(zé)任權(quán)屬
政府要依據(jù)濕地保護(hù)區(qū)資源現(xiàn)狀和科學(xué)發(fā)展規(guī)律,與時(shí)俱進(jìn),以立法形式重新界定湖泊水域權(quán)屬范圍、水位控制線、水資源容量、生物資源量以及相關(guān)系統(tǒng)監(jiān)控臨界點(diǎn),出臺配套可操作性強(qiáng)的實(shí)施辦法。防止湖泊水面減少、湖泊污染,改善湖泊生態(tài)環(huán)境,保證湖泊保護(hù)工作所需經(jīng)費(fèi)。將湖泊資源保護(hù)工作作為地方政府政績考核的重要內(nèi)容之一,政績考核應(yīng)當(dāng)包括湖泊執(zhí)法巡查、檢查和湖泊整治、責(zé)任追究等內(nèi)容,嚴(yán)禁任何單位和個(gè)人非法侵占、圍墾或改變湖泊形態(tài)面貌。
3.2 制定出臺 “灌江納苗”地方性法規(guī)
以立法的形式,統(tǒng)籌解決濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)高新技術(shù)項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)、水利、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)利益各方矛盾糾結(jié)障礙,形成“灌江納苗”長效機(jī)制和制度化、常態(tài)化,在政策法規(guī)層面給湖泊資源保護(hù)與利用提供支撐。
3.3 建立產(chǎn)業(yè)經(jīng)營許可制度
圍繞“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會建設(shè)目標(biāo),在漲渡湖濕地保護(hù)區(qū)范圍內(nèi),建立健全產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入制度,強(qiáng)制性關(guān)閉淘汰高能耗、高污染、低效率的傳統(tǒng)落后產(chǎn)業(yè);推廣示范循環(huán)經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)等“三新”技術(shù)成果,使?jié)q渡湖成為長江中下游生態(tài)漁業(yè)的模板和長江中下游地區(qū)魚類資源種質(zhì)基因庫。
4 湖泊資源保護(hù)措施
4.1 溝通江、河、湖的聯(lián)系
將漲渡湖濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)呈線型分布的漲渡湖、七湖和陶家大湖3個(gè)湖泊進(jìn)行貫通,南由漲渡湖與長江聯(lián)通,西由陶家大湖與倒水河聯(lián)通,實(shí)現(xiàn)三湖連江、連河,從而增強(qiáng)漲渡湖的抗災(zāi)和自凈能力,同時(shí)建立一套較為完善的江湖聯(lián)系機(jī)制,促進(jìn)各水域之間水生生物物種和能量物質(zhì)的科學(xué)流動,增加漲渡湖的生物多樣性,恢復(fù)濕地的生態(tài)功能,達(dá)到保護(hù)湖泊濕地資源的目的。
4.2 增加湖庫容量
漲渡湖兼有抗旱、排澇、養(yǎng)殖等多重功能,屬平原型淺水性湖泊,湖濱帶灘涂面積較大,便于現(xiàn)代水利工程機(jī)械作業(yè),政府必須把湖泊整治項(xiàng)目資金列入年度預(yù)算,定期疏浚聯(lián)系江河湖溝渠管道和湖底淤泥,加固提高湖堤高程,提升漁業(yè)濕地功能和湖庫容量。
4.3 恢復(fù)水生植物群落
積極完善利用現(xiàn)有的江、河、湖聯(lián)系通道,人工調(diào)節(jié)湖泊水位,按照湖泊生態(tài)系統(tǒng)平衡原則,培植保護(hù)湖泊原生態(tài)的水生植物,定向性培植漂浮型、沉水型和挺水型水生植物群落,人工設(shè)置圍網(wǎng)蓄養(yǎng)水生植物群落;待湖泊水生植物群落恢復(fù)后,適時(shí)拆除圍網(wǎng),對湖泊生物資源實(shí)行動態(tài)監(jiān)測和跟蹤管理。
4.4 適時(shí)進(jìn)行“灌江納苗”
通江大閘的開啟和關(guān)閉主要依據(jù)防洪調(diào)蓄、排澇抗旱的需求來運(yùn)行。在魚類繁殖季節(jié)(4—9月),通過灌江納苗的方式,將長江天然江水、天然苗種和其他有益生物引入湖泊,使江湖在一定時(shí)間內(nèi)得到聯(lián)系,為洄游性魚類提供必要的繁殖場、育肥場、產(chǎn)卵場和洄游通道,增加湖泊魚類區(qū)系組成、復(fù)壯湖泊定居性產(chǎn)卵魚類;通過適時(shí)進(jìn)行灌江納苗,不但能凈化、改善湖泊水質(zhì)和水域的生態(tài)環(huán)境,還可以增加漁民的收入,促進(jìn)漁民增收及使湖區(qū)水產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。
4.5 補(bǔ)充湖泊魚類資源
以湖泊資源調(diào)查和湖泊生態(tài)系統(tǒng)平衡需要為依據(jù),通過人工放流和人為干預(yù),增殖補(bǔ)充與湖泊生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)的魚類品種,調(diào)節(jié)完善湖泊水體生物種群結(jié)構(gòu),提高湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生態(tài)容量。
4.6 實(shí)行湖泊禁漁期、禁漁區(qū)、休湖期制度
通過立法制訂符合湖泊資源實(shí)際和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)的禁漁期、禁漁區(qū)、休湖期,保證湖泊經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展;以法律手段保護(hù)修復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)和各種漁業(yè)資源,為漲渡湖濕地保護(hù)區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展提供法律保障與支持。
4.7 推進(jìn)保護(hù)區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展
充分發(fā)揮通江通河湖泊的自然資源潛在優(yōu)勢,在漲渡湖漁業(yè)濕地緩沖帶建立生態(tài)漁業(yè)示范基地,組建產(chǎn)業(yè)化集團(tuán),以“公司+基地+農(nóng)戶+市場”的運(yùn)行模式,引導(dǎo)保護(hù)區(qū)內(nèi)農(nóng)民由傳統(tǒng)單純的種養(yǎng)業(yè)向“種、養(yǎng)、加、銷、游”一體化轉(zhuǎn)化,由增量型農(nóng)產(chǎn)品向優(yōu)質(zhì)、高效型轉(zhuǎn)化;由傳統(tǒng)的種養(yǎng)業(yè)向設(shè)施農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化;由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)化,使?jié)竦乇Wo(hù)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、經(jīng)營產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)品綠色化、管理智能化、功能拓展化[3-6]。
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