南四湖新薛河人工湿地的植物多样性、土壤汞风险及生态可持续性评价

发布时间：2020-04-02 10:49

【摘要】：由于人类对湿地盲目开垦、任意排放污染物等不合理的利用,造成湿地生态系统的生物多样性减少、土壤基质污染不断加剧,生态服务功能严重退化,因此,湿地的恢复和保护一直是近年来生态学研究的热点问题。目前通过适当的生态工程,对退化或消失的湿地进行逐步的修复或重建,再现退化前湿地生态系统的结构和功能,最终达到湿地生态系统自我持续的状态,是湿地修复的主要方法。理解湿地恢复过程中生态系统特征功能之间的关系,并科学评估生态修复的效果,对于生态修复设计方案及后续管理措施至关重要。但目前湿地生态系统生物多样性与生态系统服务功能的关系及潜在的生态机制还存在争议,土壤重金属污染物的迁移转化机制仍有待研究,湿地恢复后如何对其生态系统的可持续性及服务价值进行科学的评估尚未有定论。 南四湖是中国南水北调东线工程重要的输水通道及调蓄湖泊,其湿地生态系统健康是确保南四湖水质安全及调水工程顺利实施的重要保证。为了提高南四湖水质、恢复湿地生物多样性,“十一五”期间,南四湖流域进行了大规模的湿地修复工程。本研究以最早建成的新薛河人工湿地示范工程为研究案例,通过样地调查和资料调研,对湿地恢复过程中植物多样性与生态系统特征的关系及生态机理、土壤汞风险及其生态可持续性和生态系统服务价值进行了深入的分析：1)通过群落调查,从多样性的四个组分(即优势度dominance、丰富度richness、平均度evenness及分歧度divergence)出发,利用8个分类多样性(taxonomic diversity)和功能多样性(functional diversity)指数,对湿地的植物多样性进行研究,同时结合湿地的地上生物量、土壤理化性质及营养状况等生态系统特征,分析了植物多样性与生态系统特征的关系,讨论了湿地恢复过程中植物多样性影响生态系统功能的潜在生态机制；2)采用连续提取法,分析了湿地土壤中三种形态的汞及总汞含量,对南四湖湿地重金属汞含量进行了风险评价,结合土壤基本理化性质、金属元素含量、营养状况及水力条件,研究了湿地土壤中重金属汞的迁移转化机制,及其对不同水力条件、营养因子的响应；3)利用能值分析模型,通过计算人工湿地生态经济系统的物质、能量流,采用能值产出率、环境负载率、能值自给率、能值投资率、可更新能源投入率和能值可持续性指标一共六个能值指标,对新薛河人工湿地示范工程的生态可持续性进行研究,同时,对湿地的生态系统功能(环境服务)及生态系统结构(自然资本)的价值进行了评估。 样地调查结果显示,南四湖新薛河人工湿地中共发现31科61属79种湿地常见物种,湿地不同群落物种组成差异较大,由于优势种的不同,不同群落的地上生物量差异也很大。植物多样性对生态系统功能特征影响的研究结果显示,代表优势度(dominance)的功能特征平均值指数(mean trait value)能最好的解释多样性与生态系统功能的相关关系,是多样性对湿地生态系统功能影响的首要因素,也表明了人工湿地生态系统中,优势种的某些功能特征是生态系统功能的重要决定因素之一,这也验证了选择效应(selection effect)的存在并在多样性影响生态系统功能的过程中占据主要地位。分别代表丰富度(richness)和分歧度(divergence)的物种丰富度指数(species richness)和功能多样性指数(functional diversity)在一定程度上也影响了生态系统功能,这表明互补效应(complementary effect)的存在并在一定程度上影响生态系统功能。此外,多样性4个组分中,优势度(dominance)、丰富度(richness)和分歧度(divergence)比均匀度(evenness)能更好解释生态系统特征变量,而基于植物功能特征的功能多样性指数(functional diversity indices)比传统的分类多样性指数(taxonomic diversity indices)能更好的解释多样性与生态系统特征的相关关系。本研究结果表明在管理人工湿地生态系统时,与优势度相关的多样性指标是增强湿地生态系统功能首要的考虑因素,其次再考虑与丰富度和分歧度相关的多样性指标。 对南四湖新薛河人工湿地的土壤中三种形态汞(可移动性汞、半移动性汞和不移动性汞)含量的研究结果显示,有毒的可移动性汞及半移动性汞占土壤总汞的50%-67%。土壤有机质对有毒的可移动性汞的形成有重要作用,土壤总铝、总铁和锰能促进半移动性汞的形成,土壤游离氧化铝及游离氧化铁则能促进土壤中总汞的积累。与常年水淹的湿地相比,季节性水淹的湿地更能减少可移动性汞的生成。此外,土壤氨氮对汞的移动性有抑制作用,硝态氮对汞的移动性有促进作用,但总体来讲,土壤氨氮的抑制作用大于硝态氮的促进作用。调水工程通水后,由于湿地水位的升高,大面积的季节性水淹湿地将会变成常年水淹湿地,同时为保证调水水质,氮投入会减小,这两种改变都可能会提高南四湖湿地汞的潜在毒性,因此为保证调水过程中的水质安全,南四湖湿地汞的潜在毒性问题值得关注。 在对南四湖人工湿地生态系统可持续性及生态服务功能的能值分析中,计算了湿地恢复及运行过程中所有的物质及能量投入,包括自然环境投入及经济反馈投入,可更新资源投入及不可更新资源投入共四种物质、能量流,采用6个能值指标分析该人工湿地的生态可持续性,利用能值转换,计算新薛河人工湿地的生态系统服务价值。研究结果发现湿地中的湿地进水是整个系统的主要能值投入,是整个系统的能量驱动力。此外,新薛河湿地和国内外其他人工湿地相比,具有较好的自给能力及更小的能值投资率,并且该湿地的生态设计会有效提高湿地的恢复进程,湿地系统更加稳定,有更好的自组织能力。通过对新薛河人工湿地生态系统结构特征及服务功能价值的能值分析,结果表明新薛河湿地在人工恢复5年后具备了和自然湿地相近的生态系统服务价值。对南四湖新薛河人工湿地生态系统的能值分析研究结果显示,南四湖新薛河人工湿地可看做是长期可持续性的生态经济系统,在恢复退化湿地、净化南四湖水体、保障南水北调工程生态安全上具有重要作用。 综上所述,本研究通过对南四湖新薛河人工湿地生态系统的案例研究发现,植物多样性在影响生态系统特征及功能时,选择效应大于互补效应,在管理生物多样性时,要提高湿地生态系统功能,优势度应首先考虑,其次考虑丰富度和分歧度；南水北调工程调水开通后,南四湖水位的提高及营养因子的变化以及相应的土壤性质的变化会提高湿地土壤中可移动的毒性汞的含量,湿地重金属汞的风险不容忽视；南四湖湿地人工恢复后具有较好的自给能力,并具备了较高的生态系统服务功能,是长期有效的生态可持续性系统,在维持南四湖生态系统健康、保障南水北调工程的生态安全中具有重要作用。
【图文】：

出的瀑布模型形象地总结了四者之间的关系(Haines-Young and Potschin, 2010)(图1-1)。多个生态系统特征及过程的组合可以产生某一种特定的生态系统功能，也可以同时产生其他几种生态系统功能。生态系统功能从根本上讲是生态系统特征的产物。因此，研究生物多样性组分及生态系统特征的关系有可能有助于从根本上理解“生物多样性/生态系统功能”关系的辩论。15

土样采集于2012年6月份在新薛河人工湿地进行，根据该湿地水环境类型选择了 17个30 m X 30 m的样地（图4-1)，包括9个常年水淹湿地样地（样地编号1-9)和8个季节性水掩湿地样地（样地编号10-17)。每个样地随机选取6个1 m X 1 m的样方（Smith 1983)。用直径5 cm的螺旋取土钻取表层土壤或沉积物样品（0-10 cm)，每个样方用五点取样法取五次土样，6个样方的30个土样混合均匀成混合土样，取其中约500g土样带回实验室后，，用供箱烘48h (温度保持40 °C—下，防止

本文编号：2611852