湿地创建与恢复（从理论到实践）

作者简介

内容简介

第1章 绪论
　　湿地，是水域与陆地的交会区，是对人类文明发展具有特殊作用的地域。水稻（Oryza sativa），是一种湿地植物，为全世界35亿人口提供了食物（Seck et al.，2012），滨岸水域及湿地的鱼类产品则是29亿人口主要的蛋白质来源（Smith et al.，2010）。水稻最早在印度、东南亚等地区和中国培育种植（Chang，1976），稻田养鱼同时也成为人类所需的蛋白质来源之一（Kangmin，1988）。在尼罗河沿岸地区的早期社会，人们主要依靠在三角洲洪泛区和沿海潟湖中的捕鱼活动获取食物（Sahrhage，2008）。人类文明的发展繁荣大都起源于大河及其三角洲地区，包括中国的长江、黄河流域，缅甸的伊洛瓦底江流域，印度的恒河流域及巴基斯坦的印度河流域，埃及的尼罗河流域，以及伊拉克的美索不达米亚沼泽区。在沿河、滨湖及近海水陆交错区域兴建的城市，一般都成为了交通和商业枢纽。为了满足城市扩展的需要，抽水排干或填埋低洼、潮湿、松软、沼泽丛生的湿地区域，显然是最为方便的选择。
　　18世纪工业革命以来，农业机械化和人工合成氮肥技术的出现，使大规模农业成为可能。作为人口增长和工业革命的必然结果，更多的湿地被抽水排干“围湖造田”。例如，在美国中西部的玉米种植带及加利福尼亚州的内陆山谷地区，大面积的湿地被抽水排干，改造为农田。随着规模化虾类水产养殖的发展，大片热带红树林湿地被挖掘形成众多养殖池塘。整个20世纪，在美国、欧洲及中国等温带气候地区，滨海及内陆淡水湿地数量都大为减少。20世纪后期，热带地区的发展中国家的开发活动也接踵而至，导致该区域大面积的红树林湿地或其他湿地被改造为人工林种植园或水产养殖场。迄今为止，在美国包括阿拉斯加州在内的广大地区，自欧洲移民以来导致的湿地累积损失已超过30% ，这种情况尤其在美国中西部和加利福尼亚州地区更为严重，该地区原始湿地的退化面积超过80%（Dahl，1990）。从世界范围看，红树林湿地、热带滨海湿地的原始面积的损失比例大致为20%～50%（Food and Agricultural Organization，2007；Valiela et al.，2001）。又如，1978～2013年中国经济社会快速发展，大约导致损失了30%的滨海湿地和25%的淡水沼泽（He et al.，2014；An et al.，2007）。相比较而言，三角洲地区的湿地，更容易因大规模农业开发活动造成退化或损失（Coleman et al.，2008）。但即便是泥炭湿地也正受到自然资源攫取性工业开发的侵蚀，湿地泥炭资源采掘和化石燃料开采，如加拿大的油砂采掘和西伯利亚的化石燃料开采仍在持续。
　　20世纪70年代，人们认识到湿地在以惊人的速度损失，促使1972年美国《清洁水法》（Clean Water Act ）的制定和颁布，以对湿地等水生资源加以保护。《清洁水法》中，特别提出了对退化湿地恢复或已损失湿地进行补偿性重建的要求。目前，美国农业部通过实施“湿地保护区和自然保护区计划”（Wetlands Reserve and Conservation Reserve Programs ）等政府项目，为湿地恢复提供了财政支持。2000～2007年，美国在中西部冰蚀平原区内陆地区和河岸缓冲地区完成了超过110000公顷的湿地恢复（Fennessy and Craft，2011）。在欧洲和其他地区，湿地恢复工作也正在开展，恢复或重建了部分因农业用地改造而损失的湿地，改善了流域水质，提升了流域的景观多样性（Comin et al.，2001）。湿地的恢复或重建，也可以作为因道路、城市及郊区建设等开发活动造成的生态损失的补偿措施。在国际湿地保护领域，《拉姆萨尔公约》尽管不具备法律约束力，但同样有效地促进了国际重要湿地的保护和恢复（见第2章）。
　　尽管湿地恢复科学还是一门较新的学科，但湿地恢复的实践工作已有多年历史。最早的湿地恢复工作，应该是以获取燃料和木材为目标而开展的红树林恢复造林计划，在东南亚中南半岛所实施的规模化红树林造林可追溯到19世纪末或更早（Chowdhury and Ahmed，1994）。西欧、美国、澳大利亚和新西兰等地区，为减缓海岸侵蚀对滨海开垦土地的影响，种植盐沼植物的历史也近百年（Chung，2006；Knutson et al.，1981；Ranwell，1967）。此外，美国鱼类和野生动物管理局等政府机构及非政府组织（Non-Governmental Organizations，NGO），也积极开展恢复水禽栖息地的工作，重新引水恢复淡水湿地（Weller，1994）。早期的湿地恢复活动，旨在达到用材造林、海岸线保护、水禽栖息地等特定功能目标，而当今的湿地恢复则要求完成对所有生态属性的重建，也就是要构建一个健康、功能良好，具备生物群落结构（物种多样性和栖息地）、湿地生态过程（能量流动和养分循环）及多样化的生态产品和生态服务价值的湿地系统。
　　按照《韦氏词典》的释义，恢复（restoration）的定义为：将某物还原到初始状态的行为或过程。因此，美国国家研究委员会（U. S. National Research Council，U.S.NRC ）在1992年出版的《水生生态系统恢复》中将“恢复”定义为：使某个生态系统尽可能接近其初始状态的过程和行为。本书在NRC 定义的基础上，将恢复的定义拓展为：以超过其自然变化的速率，使某个生态系统尽可能接近其初始状态的过程和行为。这一拓展的定义包括了两个关键点。一是实现加速演替和生态系统发展的恢复目标，也就是通过有目标的设计、繁殖体和种子的播散、幼苗培育和移栽及土壤营养物质（如氮）添加改良等实现“加速”恢复的目标。二是要认识到湿地恢复通常不可能完全达到其原始的、未受扰动的状态，与NRC 的定义一样，这是因为导致湿地生态系统退化的胁迫因素不一定能完全消除。一些来源于系统外部的胁迫因素，如径流节律失衡、营养盐累积、盐分及其他溶解物质等，都会对下游湿地产生危害（Palmer et al.，2010）。相反，一些与湿地内部水文过程相关的胁迫因素，如针对湿地内的堤坝、沟渠和弃渣等，则可以通过堤坝拆除、沟渠填埋、弃渣清除等措施相对容易地去除其不利影响。
　　本书将介绍恢复湿地（restoring wetland ）有关的科学概念和实践，具体包括淡水沼泽（freshwater marsh）、泛滥平原森林（floodplain forest）、泥炭地（peatland）、潮汐沼泽（tidal marsh ）和红树林（mangrove ）等多种湿地类型。从世界范围看，《拉姆萨尔公约》、美国的《清洁水法》、欧盟的《水管理框架》及其他一些具有重要国际地位的政策法令，积极推动了湿地的恢复工作。有充分的证据表明，以一般性生态学理论指导湿地修复，显然已不能满足实践工作的需求。从发展历程上看，湿地恢复更多的是吸收和改进相关农艺学及林学的成熟技术，最初应用于露天开采矿山的陆表生态修复，实现重建森林植被、牧场或野生动物栖息地的目标，在这些陆表生态修复实践中，多数因缺乏对水资源及淹水或饱和土壤水文概念的充分考虑，而影响或减缓了修复工作。从科学的角度看，诸如干扰、演替和生态系统发育等生态学概念，应作为理解和评价湿地或其他生态系统修复是否成功的评判框架和标准，因此，对生态系统动力学、能量流动、养分循环及湿地动植物的自然演化史的深入理解就显得十分关键。最后，应该认识到，既不能低估了人类自身活动对自然系统的干扰和破坏，又要充分考虑人为努力对湿地恢复的影响。
　　1.1 为什么要恢复湿地？
　　为什么人们会对恢复湿地感兴趣？主要基于两方面原因。①如前文所述，湿地正面临大规模快速退化，而所有的湿地损失几乎都是人类活动的结果，如排水、填筑及泥炭开采、采沙等人类活动，都是导致湿地损失的主要因素，老话说“失去方知珍惜”。②湿地具有多种社会效益（表1.1），而这些效益过去多数被人们所忽视，但其重要性正逐渐凸显，如湿地在提供生物生产力、调控和缓解外部干扰（海岸线保护和蓄滞洪水）、净化改善水质（泥沙截留和反硝化）、提高生境及生物多样性等方面的珍贵价值。
　　表1.1湿地的主要生态功能与服务价值
　　人们已认识到不同类型的湿地所能提供的生态服务功能的种类和水平具有差异性。湿地与水域生态系统（如漫滩/河岸、潮汐沼泽和红树林）保持着密切联系，湿地通过对污染物拦截滞留，来维持和提升水质状态。湿地也可以通过蓄滞洪水、消浪耗能和保护海岸线，来调节和减缓自然干扰。很多湿地具有高的初级生产力，这对维持商业和娱乐性鳍鱼种群的养殖、贝类捕捞及水禽种群繁殖等极为重要。美国中北部和加拿大的草原坑洼地区的淡水沼泽是北美野鸭的重要繁殖栖息地（Batt et al.，1989）。加拿大北部和西伯利亚的湿地对鹤类的繁殖至关重要（Chavez-Ramirez and Wehtje，2012；Kanai et al.，2002）。滨海湿地、盐沼和红树林，可为鱼类和甲壳动物提供栖息地，并通过输出有机物质来促进水生食物网。森林湿地、河岸地区和漫滩森林，则是维持包括溪流和河流在内的水生生态系统食物网的重要部分。泥炭地等类型的湿地可能缺少强烈的地表径流过程，但滞留大量的碳，并维持了高水平的湿地植物生物多样性。
　　湿地恢复项目从目标、范围到成本各不相同，由于很难做出对不同类型湿地生态服务功能经济价值的评估（见第2章），湿地恢复项目的成本与效益分析也较为困难。Bernhardt 等（2005）分析了大量美国水生态系统和湿地修复项目及其恢复成本，大多数项目都与水质管理有关，其次是河岸带管理、堤岸加固、流量调节和漫滩水系连通重建等方面的项目。相对于水质管理项目而言，河岸带管理和堤岸加固的技术成本较低（每个项目的造价为19000～41000美元），而流量调节和漫滩水系连通重建则是规模更大、价格更昂贵（每个项目造价为198000～207000美元）。这些项目大多数的恢复目标与水质管理相关。在湿地损失规模较大和损失速度较快的路易斯安那州，不同成本效益的恢复措施多样，从900美元的小规模湿地植物种植，到2000～4000美元的水系或沉积物较大规模的疏导工程（Merino et al.，2011）（见第12章）。
　　1.2 湿地的基本特征
　　湿地具有在水文、植被和土壤（图1.1）三个方面区别于陆地生态系统和水生生态系统的独特特征。湿地水文可以用淹水深度、持续时长、淹水频率、时间或季节性洪水或土壤水饱和度等来描述。从受天文大潮影响每天被淹没两次的潮汐沼泽和红树林湿地，到没有洪水泛滥但几乎处于永久水饱和状态的泥炭湿地，不同类型的湿地具有不同的水文节律特征。诸如低洼区湿地或春季融水补给的池塘，主要依靠降水获得大部分水源，但它们可能经历较长时期的干涸阶段，干旱期的持续时间甚至超过湿润期。根据湿地的类型，水的存在状态可能是永久性的，也可能是较为短暂的，但所有湿地共同的特点是，在植物生长季能够有足够长的淹水或土壤水饱和时段，以确保通过植被发育、繁衍能够形成湿地所特有的土壤和植被群落。
　　图1.1 湿地的三要素：水文、植被和土壤
　　使湿地淹没或使湿地土壤保持水饱和的水源各不相同，可能来自地表径流、河流和溪流的漫滩洪水、河口区的潮汐等。地下水也是一个重要的水源，尤其是在渗流湿地和低位沼泽渗滤情况下，地下水所产生的补给可能极为重要。另外的水源是雨和雪等大气降水，它们对几乎所有类型的湿地水文过程都有贡献。在不同情况下，上述三种水源对湿地水文的贡献比例各不相同，水源类型与湿地水化学、土壤化学及外部胁迫因子向系统内的传递作用都有密切关系。
　　当湿地土壤被浸没或处于饱和水状态时，土壤环境从有氧状态转变为缺氧状态。湿地土壤淹水发生后，土壤微生物通过呼吸作用以维持细胞生长、生存和繁殖；好氧的动植物也会受到厌氧土壤条件的影响，多数动物会迁徙到其他地方以逃避缺氧环境，而植物通常