全 文 ：湿地生态系统设计的一些基本问题探讨 3
崔保山 3 3 　刘兴土　(中国科学院长春地理研究所 ,长春 130021)
【摘要】　湿地生态系统设计是恢复、调整湿地的重要手段. 本文从湿地生态系统设计概念入手 ,阐述了设计的基本
原则. 较详细地讨论了设计中的指标 (水文指标、化学指标、基质指标和生物指标) 要求. 根据湿地生态系统设计的
用途不同 ,探讨了 3 种主要的湿地生态系统设计类型 ,即作为废水处理湿地的设计 ,作为调整湿地的系统设计和作
为洪水及非点源污染控制的湿地设计.
关键词 　湿地生态系统 　指标 　生态工程类型
文章编号 　1001 - 9332 (2001) 01 - 0145 - 06 　中图分类号 　X171. 4 　文献标识码 　A
Discussion on some basic problems in design of wetland ecosystem. CU I Baoshan and L IU Xingtu ( Changchun Institute
of Geography , Chinese Academy of Sciences , Changchun 130021) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2001 ,12 (1) :145～150.
The design of wetland ecosystem is the key and fundament in wetland restoration and mitigation. In recent years , it has
been frequently applied to the proper construction of wetlands. The paper first reviews the concept of wetland ecosystem
design , as well as the basis of ecological engineering , and then presented the basic principles in the design of wetland
ecosystem. Some major ecological indicators including hydrology , chemical , substrate , soil and biotic indicatiors were also
discussed ,and some reference values for ecological indicators were presented. On the base of the designing purposes ,three
major types in the wetland design were analysed. They include constructing wetlands for wastewater treatment , for miti2
gation wetlands , and for controlling flooding and non2point source pollution.
Key words 　Wetland ecosystem , Indicators , Ecological engineering type.
　　3 国家自然科学基金重点项目 (49631040) 及国家“九五”科技攻关
资助项目 (962004202210) .
　　3 3 通讯联系人.
　　1999 - 06 - 14 收稿 ,1999 - 08 - 10 接受.
1 　引 　　言
湿地是地球上独特的生态系统 ,功能和价值已为众多学者
所研究[2～4 ,10～13 ,15 ] . 近些年 ,由于经济的不断发展 ,对湿地造
成的压力越来越大 ,使湿地生态特征发生了明显变化 [9 ,15 ] . 合
理利用湿地和有效保护湿地已成为多方关注的焦点 ,采取的实
际行动也多种多样 ,如严格控制湿地开垦 ,出台一系列法规制
度 ,湿地恢复和改进 ,划分自然保护区等. 实际上 ,由于没有正
确的湿地管理以及不健全的湿地法规制度 ,许多湿地正在消
失. 目前 ,美国、加拿大等许多国家已将湿地“没有净损失”作为
国家保护湿地的目标 [3 ,10 ,20 ,28 ] ,通过湿地恢复、重建以及调整
来增加或平衡湿地. 这是当前保护湿地同时发展经济的最有效
手段. 其中湿地生态系统设计是“没有净损失”的关键. 研究湿
地生态系统设计的理论和方法 ,有助于湿地的恢复、构建和调
整 ,以便实施正确的保护管理措施.
2 　湿地生态系统设计概念
湿地生态系统设计是应用生态工程的原理和方法对湿地
进行构建、恢复和调整 ,以利于湿地正常功能的运作和生态系
统服务的可持续性. 生态工程是应用生态系统中物种共生与物
质循环再生原理、结构和功能协调原则 ,结合系统工程的最优
化方法设计的分层多级利用物质的生产工艺系统. 生态工程的
目标是在促进自然界良性循环的前提下 ,充分发挥资源的生产
潜力 ,防止环境污染 ,达到经济效益与生态效益同步发展 [7 ] . 早
在 20 世纪 60 年代初 ,Odum 对生态工程就提出了自己的看
法[18 ] .他认为 ,由人类提供的能量远小于自然源 ,但足以产生
并导致影响力极大的景观格局和过程 ;人类通过运用少量的附
加能对环境进行操纵来控制系统 ,而这些系统的主要能量仍来
自于自然源. 20 世纪 80 年代后期 ,生态工程和生态技术已扩展
到包括人类社会及其自然环境在内的双重利益 ,成为设计和操
作经济与自然的技术. 1989 年美国纽约出版的《生态工程》专著
中 ,12 项研究与应用案例有 9 项与环境保护和污染物处理有
关 ,如美国北卡罗来纳州的摩洛赫得市于 1968～1971 年期间
就研究与应用了河口区池塘的污水处理生态工程 ;佛罗里达州
的 Garimaville 试验了种植柏树使之成林的湿地 ,来处理湿地污
水中的营养盐问题 [7 ] . 需要指出的是 ,生态工程不同于环境工
程或生态技术 ,更多地包含了对生态系统的设计. Mitsch WJ 和
Jorgensen SE 20 世纪 90 年代初在研究湿地过程中 ,对生态工程
提出了自己的看法. 他们认为 ,生态工程在某种意义上是指运
用量化方法和基础科学对自然环境的设计. 它是运用基本工具
创造自我设计系统的一门技术 ,它的组成可以是多种生物物
种[18 ] . 1993 年 Mitsch 又将这些内容修改为“为了人类社会及
其自然环境的利益 ,而对人类社会及其自然环境加以综合的且
能持续的生态系统的设计”. 它包括开发、设计、建立和维持新
的生态系统 ,以期达到诸如污水处理 (水质改善) 、地面矿渣及
废弃物的回收、海岸带保护等 ,同时还包括生态恢复、生态更
新、生物控制等目的[32 ] .
应 用 生 态 学 报 　2001 年 2 月 　第 12 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2001 ,12 (1)∶145～150
湿地生态系统设计需要坚实的生态学理论基础及多学科
间的联系 ,其中理论生态学和应用生态学为生态工程提供了强
有力的保障[18 ,29 ] ,湿地构建和恢复是湿地生态系统设计的重
要方面 ,也是一个较新的领域 ,国内外尽管已有了这方面的实
践 ,但常常在生境替代、水质改进和洪水控制方面不尽人意 ,机
理的研究及深度还远远不够 ,所建立的数学模型和定性定量模
拟也很不完善 ,进一步进行理论和实践探索是一个长期的研究
课题.
3 　湿地生态系统设计的基本原则
3. 1 　适用性和多用性原则
根据湿地“没有净损失”的原理 ,设计系统应强调适用性 ,
亦即要体现系统设计的主要目标. 如洪水控制 ,废水处理 ,非点
源污染控制 ,野生生物的改进 ,渔业提高 ,土壤替代 ,研究和教
育等. 多用性则注重系统构建时的多目标即次要目标. 设计系
统是为了功能的发挥 ,而不是形式 ,因而在构建湿地的发展过
程中 ,即使最初引进的动植物未能如愿 ,但整个湿地功能最初
的目标是完整的 ,湿地演替也就没有失败. 因此应给系统一定
的时间 ,使野生生物获得合理调整并适应新的湿地环境 ,同时
有利于营养物的保持.
3. 2 　综合性原则
湿地生态系统设计涉及到生态学、地理学、经济学、环境学
等多方面的知识 ,具有高度的综合性. 这就要求一方面设计系
统应是花费最小的系统 ,即由植物、动物、微生物、土壤和水流
组成的湿地系统应按照自我保持和自我设计来发展 ;另一方
面 ,设计系统应利用自然能量 ,包括脉动水流以及其它的潜在
能量作为系统发展的驱动力. 这就要求多学科的相互协作和合
理配置.
3. 3 　地域性原则
不同区域具有不同的环境背景 ,地域的差异和特殊性要求
在湿地生态系统设计中 , 要因地制宜 , 具体问题具体分
析[31 ,34 ] . 不要将湿地设计过分强调为矩形盆地、渠道以及规则
的几何形状 ,要根据不同的水文地貌条件设计湿地生态系统.
由于设计的湿地系统是景观或流域的一部分 ,因而必须将构建
的湿地溶入自然的景观当中 ,而不是独立于景观之外.
3. 4 　生态关系协调原则
该原则是指人与环境、生物与环境、生物与生物、社会经济
发展与资源环境以及生态系统与生态系统之间的协调 ,应将人
类作为系统的一个组成部分而不是独立于湿地之外. 人类试图
缩短生态演替或过渡管理系统的策略常常难以如愿. 人类只能
在设计和构建过程中对湿地发展加以引导 ,而不是强制管理 ,
以保持设计系统的自然性和持续性.
3. 5 　生态美学原则
设计的湿地系统一般具有多种功能和价值. 在许多湿地构
建中 ,除考虑主要目标外 ,特别注重对美学的追求 ,同时兼顾旅
游和科研价值 ,许多国家对湿地公园的设计就体现了这一
点[22 ] .生态美学原则主要包括最大绿色原则和健康原则 ,体现
在湿地的清洁性、独特性、愉悦性和可观赏性等方面 ,是湿地价
值的重要体现.
4 　设计中的主要指标要求
4. 1 　水文指标
在湿地生态系统设计中水文指标是最重要的变量. 如果有
适宜的水文状况 ,化学及生物要素将相应发展. 水文状况依赖
于气候、水流或径流的季节性以及地下水特征. 常要求的水文
指标有水深及水周期、水的入流负荷以及水的持续时间 (表
1) [1 ,18 ,27 ] .
41111 水深及水周期 　湿地生态系统设计中水的来源主要是
河水、井水和降水. 一般情况下 ,如果构建的湿地离水源较远 ,
需要用各种方法来引水进入湿地 ,例如用地下管道和水泵抽水
等方式引水. 若离水源较近 ,则可挖渠或沟引水. 前者与自然水
流的周期性不同步 ,后者则可以完全同步于自然径流特性. 实
践中 ,这两类情况均会出现. Mitsch 等人从 1994 年开始在俄亥
俄州州立大学校园内设计了两个“肾形”湿地 ,一块种植 13 种
植物 2400 个个体 ,另一块未种植. 这两块湿地距离 Olentangy
河很近 ,因此 ,通过抽水及渠道输送就保证了设计湿地水的持
续性问题. 通常情况下 ,根据湿地设计内容的不同 ,要求的水深
及水周期亦有差异 ,季节性应有一定的变化 ,主要是随着季节
的降水变动而改变. 水深及水周期的变化直接影响着湿地植物
的生长和分布 ,典型的湿地物种会展示对水浸的明显变化 ,特
别对于缺氧的不同敏感性 ,在水浸条件下敏感物种能够生存仅
仅是因为它们占有排水良好的微地貌生态位或者通过浅层伸
表 1 　湿地生态系统设计的主要指标要求
Table 1 Indicator considerations in the design of wetland ecosystem
指标类型
Index type
要　素
Element
参考值
Reference value
数据来源
Data source
水文指标 水深 (m) 0. 3～0. 6 Guardo M , et al . (1995) ,Mitsch WJ et al . (1998)
Hydrology 水周期 (m·yr. - 1) 20～40 Mitsch WJ et al . (1990 ,1998)
入流负荷 (cm·m - 2·d - 1) 2～5 WileI(1985) , Brown MT , (1987) ,Fennessy MS , et al . (1989b)
水持续时间 (d) 5～21 Wile I(1985) ,Watson J T et al . (1989)
化学指标 化学去除效率 ( %) 90 (COD ,BOD) Verhoeven J TA et al . (1999) ,杨丽萍、田宁宁、褚富春 (1999) ,李文朝 (1995)
Chemical 15～35 (N ,P) 肖笃宁、胡远满、王宪礼等 (1995)
化学负荷率 (g·m - 2·d - 1) 2～40 ( Fe) Fennessy MS et al . (1989b)
基质指标 有机质含量 ( %) 15～75 Faulkner SP et al . (1989)
Substrate 土壤结构 泥炭层 + 粘土 Allen HH et al . (1989) ,Mitsch WJ , et al . (1998)
生物指标 植被组成 芦苇、香蒲、?草等 Mitsch WJ et al . (1989) ,肖笃宁、胡远满、王宪礼等 (1995)
Biological 最大生物量 (g·m - 2·d - 1) 100～900 Mitsch WJ et al . (1990)
溶解氧 (mg·L - 1) 2～15 Mitsch WJ et al . (1990 ,1991 ,1998)
641 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷
根进入有氧土壤层 ,因此干湿交替的水周期变化非常重要.
41112 水的持续时间 　如果构建的湿地主要用于废水处理 ,那
么水在湿地中的持续时间就变得非常重要 ,会直接影响到废水
的净化效果. Watson J T ( 1989) 和 Hobson JA ( 1989) 用 t =
L W nd/ Q 来计算水的持续时间 [18 ] ,式中 , L 是系统的长度 , W
是系统的宽度 , n 是孔隙度 ,主要根据有无植被情况而定 ,没有
植被的湿地孔隙度为 1 ,有植被的湿地孔隙度小于 1 ,一般为
0. 86～0. 98 , d 是平均水深 , Q 为平均流量. 对城市废水处理的
最理想持续时间是 5～14d[8 ,18 ,24～26 ] ,Brown MT (1987) 研究了
河岸湿地生态系统水的持续时间 ,在干季是 21d ,湿季是 7d 以
上 ,这种湿地主要用来充当非点源污染净化带. Klarer DM 和
Millie DF(1989)估算了 Erie 湖滨湿地水的持续时间变化在 24
～114h. 事实上 ,无论是为哪种目的而构建的湿地 ,水的供应都
具有人为和自然双重因素 ,在某些环节必须遵从自然规律 ,要
依赖湿地的自我设计能力 ,即湿地系统的自组织能力. 这已被
大量实践所证明[10 ,17 ,20 ,28 ] .
41113 水的入流负荷 　作为废水处理湿地的系统设计 ,水的入
流负荷也是需要考虑的一个重要因素 ,即单位时间单位面积应
用水的体积需多大进入湿地才能达到理想的效果. 在比较高的
入流负荷情况下 ,水质的改进和沉积物的滞留将可能变低 ,因
而控制表层流的负荷需要精心的设计. Watson (1889) 等人对来
自城市废水的研究认为 ,废水表层流的负荷率应在 1. 4～22cm·
d - 1之间 ,实际上 ,这是一个变幅较大的范围 ,Brown (1987) 则认
为 ,水的负荷率在2. 2cm·d - 1最合适 ; EPA 指南则将水的负荷率
定在 0. 7cm·d - 1以下[18 ] . 在这方面 ,对非点源污染的研究非常
少 ,设计中需要考虑最理想的负荷率应是多大才能进入湿地以
便最有效地达到净化目的仍是一个重要课题. 目前在这方面尽
管已有了一定的进展 ,但由于非点源污染汇的复杂性 [13 ,18 ] ,因
而在湿地设计中还有许多难以克服的问题有待进一步证实.
4. 2 　化学源/ 汇指标
当水流进入湿地后 ,其中的化学物质对湿地功能的发挥可
能是有益的 ,也可能是有害的 [23 ] . 在农业流域内 ,这种入流将可
能包括诸如 N 和 P 的营养物以及各种杀虫剂中的痕量元素 ,化
学源/ 汇指标包括化学去除效率、化学负荷率和沉积作用等.
41211 化学去除效率及负荷率 　如果构建的湿地被用来滞留营
养物 ,净化水质 ,化学去除率就显得非常重要. 研究表明 ,化学
去除率不仅同湿地的大小有关 ,也同湿地植被以及废水本身的
特性有关[8 ,12 ,16～18 ] . Maristany AE和 Bartel RL (1989)的研究认
为[18 ] ,化学去除效率随着湿地规模的增加而增加 ,直到湿地面
积是所在流域面积的 1 %. 在此面积以上 ,化学去除率仍会慢慢
提高. 实际上 ,构建的湿地不可能太大 ,因而在许多情况下 ,湿
地植被类型以及水的滞留时间必须认真研究和考虑. 另一方
面 ,湿地的化学负荷率也是构建湿地所必须考虑的. 这同前面
提到的水的入流负荷相一致.
41212 沉积作用 　在滞留特定化学物质中沉积物提供了特定的
作用 ,同时为各种动植物提供了栖息环境. 低流速的湿地特性
有助于化学物质的滞留. 高流速则可能会起到相反作用. 沉积
物在构建湿地中的沉积对水质的提高来讲是一个特别重要的
过程 ,但从另一方面讲 ,湿地中高效率的沉积作用可能会使湿
地迅速发生变化 ,而最终使沉积变缓 ,影响湿地本身的生态和
水文 价 值. 关 于 沉 积 效 率 的 测 试 方 法 目 前 已 有 报 道 ,
Mitsch[18～20 ]曾用水泥板围成的沉积池和粗质平板放入沉积底
层来估算沉积效率. 实际上 ,无论用什么方法来测定沉积效率 ,
最主要的决定因素是构建湿地的本身特性 ,包括低湿地的深
度、层次性、植被组成以及基质特征等. 这些要素在设计中要充
分保证滞留营养物和沉积物的有效性 ,同时季节降雨、径流的
差异性也会影响到湿地的沉积特性. 这就需要人为来干预 ,确
保湿地功能的正常发挥.
4. 3 　基质指标
基质对湿地功能的正常发挥非常重要 ,也是支撑有根植被
的基本介质. 如果设计的湿地是用于提高水质 ,湿地基质或土
壤将会截留特定的化学物质. 基质指标包括有机质含量、土壤
结构、营养物、铁和铝等.
41311 有机质含量 　湿地中土壤有机质含量对滞留化学物质具
有重要作用. 有机土壤同矿质土壤相比 ,有较高的离子交换能
力. 有机土壤 H + 起着重要作用 ,而矿质土壤则由各种金属离子
所左右. 因此有机土壤可以通过离子交换转化一些污染物 ,并
且可以通过提供能源和适宜的厌氧条件加强 N 的转化. 湿地土
壤的有机质含量一般在 15 %～75 %之间 ,相比而言 ,所构建的
沼泽湿地有较高的含量 ,而河缘湖滨湿地由于经受着矿物沉积
和侵蚀而有低的有机质含量. 因此在构建湿地时 ,一些有机质
诸如菌肥、泥炭或碎屑经常可以加入构建湿地的亚表层 ,这样
可以大大提高化学物质的净化效果.
41312 土壤结构 　土壤结构对湿地构建也起着重要作用 ,由于
粘土矿物有助于防止水直接渗入地下水 ,并且可以限制植物根
和根茎穿透而将水带入更下层 ,因而常用粘土来构置在湿地下
层.对于砂土而言 ,一般由于营养物含量低 ,阻止了植物生长 ,
同时还容易使水直接渗入地下 ,不宜在最下层布设砂土. 如果
没有粘土 ,壤土也是可能的 ,这时必须将壤土加厚一些. 实际
上 ,构建湿地的层位是一项复杂的生态工程 ,常常需要作长期
的定位监测和不断改进才能获得成功.
4. 4 　生物指标
生物指标是湿地生机和活力的象征. 在构建湿地生态系统
过程中 ,生物指标特别是植物物种的选取直接影响到湿地功能
的有效发挥. 不同的湿地生态系统服务 ,需要不同的植被类型 ,
特别在构建用于废水处理的湿地以及用于美学旅游的湿地其
植被组成差别很大 ,同时 ,也要考虑到当地的气候及水文条件.
常关注的生物指标有 :植被组成、最大生物量、水生生物代谢和
溶解氧等.
41411 植被组成 　植被组成依赖于构建湿地所在区域的气候及
设计特征. 根据构建湿地用途的不同 ,应选择不同的植物组成.
就废水处理湿地而言 ,常用的一些植物有芦苇属 ( Phragmites) 、
香蒲属 ( Typha) 、?草属 ( Sci rpus) 、睡莲 ( Nym phaea odorata)
等. 同时在湿地演替过程中 ,还常伴随着外来物种的侵入 ,可能
对湿地的发展起着至关重要的作用. 大量的实践已经证明 ,湿
地生态系统设计初的物种数量同一个阶段后的物种数量差别
7411 期 　　　　　　　　　　　　　　　崔保山等 :湿地生态系统设计的一些基本问题探讨 　　　　　　　　　
很大 ,可能增加也可能减少 [20 ,28 ] . 为了湿地功能的正常发挥 ,需
要长期的定位监测和人为控制. 另一方面 ,需要特别关注植物
群落的最大生物量. 植物生产率的估算 ,主要由最大生物量束
决定. 植物群落的最大生物量是湿地生态系统健康的重要指
标 ,也代表着湿地演替的相关阶段. 湿地之所以被认为是最具
生产力的生态系统 ,其中很重要的一方面就是其生物量的表
征.
41412 溶解氧 　通过测定湿地溶解氧日变化可估算水柱或水体
生产率. 在夏季 ,如果溶解氧不发生变化 ,则可能表明湿地缺少
营养物 ,或者它已被有毒物质所影响. 溶解氧的变化 ,不但同日
变化有关 ,也有明显的季节变化. 溶解氧的变化对水生生物提
出了严格的要求 ,需要生物来适宜这种变化的环境. 在构建湿
地中 ,也常常用单位水柱总初级生产率与呼吸的比值 ( P/ R) 来
作为湿地健康的指标. 单位水柱内主要测定植物的初级生产率
和呼吸过程 ,呼吸是光合作用的反过程 ,通过测定正常状况下
的 CO2 排放量来代表呼吸作用 ,有时也通过溶解氧日变化的换
算来获取呼吸数值. 许多研究已表明 , P/ R 值在夏季常大于 1 ,
而在秋末小于 1 [18 ] . 这主要是因为在秋末太阳能和温度迅速下
降从而使生产率下降的原因. 一个健康的湿地生态系统预示着
P/ R 值在生长季中期接近于 1. 这也是生态系统水平上的指标.
无论是构建湿地 ,还是自然湿地 ,大量的研究已证明了这一
点[8 ,10 ,20～24 ,26～28 ] .
5 　湿地生态系统设计类型
5. 1 　作为废水处理湿地生态系统设计
自 20 世纪 50 年代湿地因为净化水质功能而被广泛应
用[8 ,18 ,24 ,26 ] .自然湿地和人工湿地一样 ,表现出多种类型和净
化能力. 自然湿地包括湖泊边缘湿地、广泛的低位沼泽湿地和
泛滥平原沼泽. 这里主要研究构建湿地 (人工湿地) 的两种主要
类型 :表层流湿地 (废水水平流动 ,通过湿地而沉积) 和渗漏湿
地 (废水垂直流入 ,经渗透沉积后排水去除) . 在过去的 20 年
里 ,研究已经关注在量化信息上 ,1996 年 Kadlec 和 Knight 的
《废水处理湿地》对自然和构建湿地废水净化功能给予了详尽
地记述 ,同时对构建和管理废水湿地也给予详细地工程指导.
大量实验表明 ,湿地对水质净化主要依赖于负荷率以及湿地特
殊的水文和生态学特征. 从实践的观点看 ,构建湿地比自然湿
地能够提供更好的废水处理机会. 它们可以被设计成适合的
BOD、COD 和营养物转化过程以及对水文和植物管理的最大控
制 (表 2) .
51111 表层流 (Surface2flow)湿地设计 　表层水流湿地一般包括
一个预置好的盆地以及带有浅水层 (0. 2～0. 4m) 的一组隔室并
种植有一些水生植物如芦苇属、香蒲属和?草属等 [11 ,26 ,30 ] . 废
水经常同表层水流相混合 ,在系统内流动 ,持续滞留时间 (一般
应为 10d 左右) . 净化过程主要包括 :1)悬浮固体颗粒的沉降 ;2)
溶解的营养物扩散并进行沉积 ;3) 有机物矿质化 ;4) 营养物被
微生物和植物吸收 ;5)微生物分解有机物并将其转换成为气体
组分 ;6)物理化学吸收和沉淀. 这些过程将使入流物的物理和
化学性状发生巨大变化 ,污染物将得到有效控制.
51112 渗漏湿地设计 　渗漏湿地一般有一个质地相对较粗的沉
积层 (砂质层)以便废水可以较容易地穿透土壤. 通过排水沟围
绕湿地 ,排水沟应有较低的水层 ,废水通过重力垂直进入沉积
层. 渗漏过程可以通过在 60～100cm 深处埋藏排水管来得到加
强 ,有必要在较低的沉积层通过压实的粘土层或塑料衬布将湿
地与下层封闭起来. 水的垂直流动将废水直接同沉积物相联
系 ,这样的营养物迁移过程最理想. 粗砂层在干湿交替循环的
干季也有一个较适宜的通气性 ,这种循环可以加强湿地的净化
能力.
51113 例证与评价 　近年来 ,北美、澳大利亚和西欧相继兴建了
许多人工湿地污水处理装置 ,成为去除有机营养物质的重要措
施.我国目前在这方面的研究也有了很大发展 ,成为许多生活
区、办公区、工业区改善环境质量的有效手段. 据中国科学院沈
阳应用生态研究所 (1995) 在辽河三角洲对构建表层流湿地的
研究表明 ,对污水中 COD 的净化力为 10. 43g·m - 2·a - 1 ,BOD
的净化力为 0. 77g·m - 2·a - 1 ,矿物油的净化力为0. 88 g·m - 2·
a
- 1
,全 N 净化力为 0. 28g·m - 2·a - 1 ,对采油污水中油的净化率
高达 80 %以上. 而渗漏湿地的净化力分别为 18. 23、1. 47、1. 51
和 0. 50g·m - 2·a - 1 ,对落地原油和钻井泥浆的净化率在 90 %左
右[30 ] .中国科学院生态环境研究中心 (1998 ,1999) 对构建湿地
土壤因素对污水处理作用的模拟研究 ,污水净化湿地模拟系统
中细菌和藻类的生态分布研究 [5 ,6 ] ,北京市环境保护科学研究
院 (1998) 对构建湿地土壤毛管渗漏污水净化绿地利用的研
究[33 ]等都提供了很强的实用技术和参照 ,对城市及工业区美化
绿化环境和节约水资源等将会起到重要作用.
国内外大量实验表明 ,表层流和渗漏湿地设计 ,对废水中
COD、BOD 的处理率都在 90 %左右 ,细菌污染物在 99 %左右.
但对营养物的转换率均较低 ,对 N 的转换效率在 15 %～35 %左
右 ,P 为 15 %～25 %左右. 对 COD 和BOD 如此高的转换率主要
是悬浮固体颗粒的沉积作用和迅速的分解过程. N 的转换过程
主要是细菌的变化 ,硝化作用是铵通过硝化菌氧化为硝酸盐的
过程 ,在有氧环境下进行 ;反硝化作用在厌氧条件下分解 ,过程
表 2 　湿地生态系统设计类型及应用范围
Table 2 Types and applied range in the design of wetland ecosystem
类　型 Type 分　类 Classification 应用范围 Applied range 使用技术 Technique
作为废水处理的湿地生态系统设计 表层流湿地设计 城市污水 ,工业污水 ,家庭废水 物理、化学及生物处理技术
渗漏湿地设计 采油污水 ,工业污水 ,家庭废水 物理、化学技术土壤生物自净技术
作为调整湿地的生态系统设计 就地湿地调整设计 湿地丧失区 湿地恢复与重建技术 ;就地保护技术
异地湿地调整设计 湿地开发区的相当地区 生态系统构建与集成技术
作为洪水及非点源污染控制的 洪水控制湿地设计 流域农业区及农场区 生态工程设计技术 ;水土保持林、草技术非
湿地生态系统设计 非点源污染控制湿地设计 流域农业区 点源控制技术 ;水土流失控制与保持技术
841 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷
分两步 :首先硝酸盐被转换为 N2O ,然后被进一步生成气态 N ,
两个最后的产品 (N2 、N2O)进入大气. 如果 p H < 4 ,则 N2 被抑制
而最终以 N2O 排入大气. 从一般的环境质量来看 ,废水湿地土
壤的 p H 应在 6. 0 以上 ,因而反硝化作用的最终结果是大气 N2 .
对于 P 而言 ,土壤颗粒对磷酸盐的吸收是一个重要的转换过
程 ,吸收能力依赖于粘土矿物中 Fe、Al、Ca 的表现或对土壤有
机质的束缚. 在有氧环境中性到酸性条件下 , Fe ( Ⅲ) 束缚的磷
酸盐可以是稳定的复合体 ,如果土壤被淹而转换为厌氧环境 ,
Fe ( Ⅲ)被还原为 Fe ( Ⅱ) ,将使对磷酸盐的吸收和释放变得微
弱. Ca 对磷酸盐的吸收发生在碱性或中性条件下. 除了吸收过
程外 ,磷酸盐也可以同 Fe、Al 和土壤组分一起沉降. 这些过程包
括磷酸盐在粘土矿物基质中的固定以及磷酸盐同金属的复合.
5. 2 　作为调整湿地的生态系统设计
湿地调整主要是指根据“没有零损失”原则 ,避免或最大程
度地减轻、修正、消除对湿地生境的负面影响或者通过合理的
替代途径进行补偿[3 ,34 ] ,主要是通过构建新的湿地来达到目
标.湿地调整从 80 年代中期就已提出 ,目前是美国、加拿大及
其它一些国家在湿地保护中的一项策略. 美国清洁水项目条款
404 有关规定要求湿地的丧失应按照一定比率来替代 ,同时要
求为调整而构建的湿地最重要的特征是湿地规模、植被覆盖、
水文、土壤、野生生物利用、水质等. 湿地调整强调补偿生境的
功能具有可替代性 ,至少在主要功能方面得到补偿. 因而在功
能参数方面 ,如初级生产力、营养物循环、有机质积累、种群维
持、捕食与被捕食者之间的相互作用 ,对外来种的抗性及持续
性方面需要进行较系统的评价和监测.
51211 就地调整湿地生态系统设计 　就地调整湿地即在原湿地
被破坏或扰动基础上的重新建立或恢复. 包括小范围修补、修
复和彻底的重建和再生. 即通过人类的一些行为使一个受干扰
的或全部改变了的状况恢复到先前存在的或改变的状况 ,再现
干扰前的结构和功能以及相关的物理、化学和生物学特性. 包
括提高地下水位来养护沼泽 ,改善水禽栖息地 ;增加湖泊的深
度和广度以扩大湖容 ,增加调蓄功能 ;迁移湖泊、河流中的富营
养沉积物以及有毒物质以净化水质 ;恢复泛滥平原的结构和功
能以利于蓄纳洪水 ,提供野生生物栖息地以及户外娱乐区等.
此类调整湿地的生态系统设计主要依赖于原湿地的受扰
程度和恢复潜力 ,由于地形、地貌没有改变或轻微改变 ,退化的
症状主要表现在水文状况即水供应的持续性方面以及以上带
来的植被退化、栖息地丧失等. 因此系统设计应建立在生态工
程原理基础之上 ,依赖湿地系统的自我设计和自组织能力 ,亦
即通过一定的人工设计和自然方式 (主要是人为诱导) ,系统本
身通过选择植物、动物、微生物以适应现有的条件 ,达到自我完
善的目的.
51212 异地调整湿地生态系统设计 　由于农业开发、商业发展、
城市建设等使原有湿地丧失 ,需要在其它地区重新构建湿地来
达到原湿地的主要功能以便尽可能替代和补偿原有的湿地 ,这
种类型称为异地调整湿地. 因为重新构建的湿地与原湿地存在
着地域性的差异 ,因而在生态系统构建中要特别关注功能参数
的变化. 需考虑的问题是 :1)水文和水文地貌 :调整区与原湿地
是否在同一流域 ;与丧失区相似的水文地貌区是否已被用作替
代湿地. 2)土壤 :构建区土壤是否适合构建湿地 ;目前及未来这
些土壤是否具有水力特性. 3) 植被 :在调整区湿地植被是否已
经建立 ;构建区的植被是否相似于原湿地植被 ;同丧失的植被
相比构建区的植物是否具有多样性. 4) 野生动物 :野生动物是
否适应调整的湿地. 野生动物常被选择作为生态系统演替的可
能指标之一 ,因为湿地经常作为野生动物的筑巢区或食物源.
缺乏野生动物可能表明湿地功能问题. 5) 水质 :调整湿地在流
域中是否有助于防止水质退化.
5. 3 　洪水及非点源污染控制的湿地生态系统设计
这类湿地生态系统主要构建在流域内以减少洪水发生 ,提
高水质. 大量的实践表明 [7～9 ,14 ,15 ] ,构建湿地在流域里的具体
位置应视其功能要求而定. 例如在流域上游构建较小的湿地 ,
其目的应是削减下游每年的正常洪水和改善水质 ,而在下游构
建较大的湿地 ,由于其规模、正常的水文状况和耐久性等 ,则可
能是野生动植物栖息的最好场所. 尽管在流域下游构建湿地可
能对削减洪水更有效 ,但若上游没能同时设置湿地来改善流域
的水文周期 ,则下游的河道及河堤冲蚀将可能增强 [10 ] .
流域内构建湿地位置的选择应力求发挥湿地的其它一些
功能 ,如滞纳沉积物和吸收养分等 ,然后考虑对下游洪水的削
减.因为大多数农业实践活动实施在流域上游 ,而且是非点源
污染物基本来源 ,所以要在农业生产区域找出适宜点构建湿地
以净化水质 ,同时对削减下游洪水也起到极大的作用. 这样的
湿地至少应包括 :一个沉积盆地 ,草皮过滤器和沼泽湿地. 沉积
盆地主要是收集来自农业区非点源污染物的入流 ,草皮过滤器
是一个过渡区或缓冲区 ,目的是被用来对沼泽湿地提供保护和
对早期的湿地恶化情况提出警示 ,而沼泽湿地的主要功能是滞
留沉积物 ,同化或转化养分 ,削减洪水 ,提供游览景点、动植物
栖息地及生产一些初级产品等. 平时所容纳的一般是作物肥
料、动物分娩物及动物废料等. 由于非点源污染起源于分散、多
样的土地区[13 ] ,其地理边界和位置难以识别和确定 ,因而其危
害规模大 ,防治困难 ,常常在入流区域构建一个适宜的湿地生
态系统 ,以控制非点源污染物对河流湖泊的危害. 这种方法在
北美五大湖的 Erie 湖西部进行了实验 ,湿地阻留了每年大约
2000t 非点源排放的 P 中 85t 的 P. 并且证明在湖泊边缘发展
1000km2 的湿地可以减少这个湖中 24 %～33 % P 输入量[21 ] .
因此 ,实施有效的湿地生态系统设计 ,强化对非点源污染物源/
汇的控制和管理 ,是净化环境 ,促进生态系统健康的有效手段.
参考文献
1 Adamus PR. 1992. Choices in monitoring wetlands. In : Daninel H ,
Mckenzie D , Hyatt E eds. Ecological Indicators. Barking : Elsevier Sci2
ence Publishers Ltd. 571～592
2 Barbier EB , Acreman M , Knowler D. 1997. Economic Valuation of
Wetlands. Gland :Ramsar Convention Bureaul. 5～21
3 　Bigford TE. 1996. Habitat mitigation. In : Sherman K , Norbert AJ ,
Smayda TJ eds. The Northeast Shelf Ecosystem : Assessment , Sustai2
nability and Management . New York :Blackwell Science. 361～365
4 　Boon PJ ,Calow P ,Petts GE. 1990. Trans. Ning Y(宁　远) ,Shen Ch2
Zh (沈承珠 ) , Tan B2Q (谭炳卿 ) . 1997. River Conservation and
Management . Beijing : China Science and Technology Press. 191～199
9411 期 　　　　　　　　　　　　　　　崔保山等 :湿地生态系统设计的一些基本问题探讨 　　　　　　　　　
(in Chinese)
5 　Chen B2Q (陈博谦) , Wang X(王 　星) , Yin Ch2Q (尹澄清) . 1999.
The role of soils in wastewater treatment in a simulated constructed
wetland. U rban Envi ron & U rban Ecol (城市环境与城市生态) ,12
(1) :19～21 (in Chinese)
6 　Chen B2Q (陈博谦) , Yin Ch2Q (尹澄清) . 1998. The ecological distri2
butions of bacteria and algae in the stimulation wetland system. Acta
Ecol S in (生态学报) ,18 (6) :634～639 (in Chinese)
7 　China National Natural Sciences Fund Committee (国家自然科学基金
委员会) . 1997. Ecology. Beijing :Science Press. 84～116 (in Chinese)
8 　Costa2Pierce BA. 1998. Preliminary investigation of an integrated aqua2
culture2wetland ecosystem using tertiary2treated municipal wastewater
in Los Angeles County ,Califormia. Ecol Eng ,10 :341～354
9 　Cui B2Sh (崔保山) . 1999. A study on changes of ecological characters
and sustainability of wetland ecosystem. Chin J Ecol (生态学杂志) ,18
(2) :43～49 (in Chinese)
10 　De laney TA. 1995. Trans. Zhang Z2H (张自华 ) . 1997. Creating
marshland for flood control and water quality enhancement in cultiva2
tion areas. B ull Soil and W ater Conser (水土保持通报) ,17 (4) :55～
62 (in Chinese)
11 　Dombeck GD , Perry MW , Phinney J T. 1998. Mass balance on water
column trace metals in a free2surface2flow2constructed wetlands in
Sacramento ,California. Ecol Eng ,10 :313～339
12 　Guardo M , Fink L , Fontaine TD. 1995. Large2Scale constructed wet2
lands for nutrient removal from stormwater runoff : An everglades
restoration project . Envi ron M an ,19 (6) :879～889
13 　He J2Sh (贺金生) ,Fu B2J (傅伯杰) ,Chen L2D (陈利顶) . 1998. Non2
point source pollution control and management . Envi ron Sci (环境科
学) ,19 (5) :87～91 (in Chinese)
14 　Li W2C (李文朝) . 1995. Ecological functions and its utilization of the
wetland of lake Taihu. In :Chen Y2Y(陈宜瑜) ed. Study of wetlands in
China. Changchun :Jilin Science and Technology Press. 191～201 (in
Chinese)
15 　Lu X2G(吕宪国) ,Li W2Ch (李文呈) . 1997. Study on prior scientific
research field of weland conservation in China. Sci Geogr Sin (地理科
学) ,17 (supp . ) :414～418 (in Chinese)
16 　Martin J F ,Reddy KR. 1997. Interaction and spatial distribution of wet2
land nitrogen processes. Ecol Modelli ng ,105 :1～21
17 　Metzker KD , Mitsch WJ . 1997. Modelling self2design of the aquatic
community in a newly created freshwater wetland. Ecol Modelli ng ,
100 :61～86
18 　Mitsch WJ . 1992. Ecological indicators for ecological engineering in
wetlands. In : Daninel H , Mckenzie D , Hyatt E eds. Ecological Indica2
tors. Barking : Elsevier Science Publisher Ltd. 573～558
19 Mitsch WJ ,Reeder BC. 1991. Modelling nutrient retention of a fresh2
water coastal wetlend : estimating the roles of primary productivity , se2
dimentation , resuspension and hydrology. Ecol Modelli ng , 54 : 151～
187
20 　Mitsch WJ , Wu XY , Nairn RW. 1998. Creating and restoring wet2
lands. Biol Sci ,48 (12) :1019～1030
21 　Nath B. 1992. Trans. Lu Y2L (吕永龙) . 1996. Environmental Manage2
ment . Beijing : China Environmental Science Press. 438～445 (in Chi2
nese)
22 　Shukla VP. 1998. Modelling the dynamics of wetland macrophytes :
Keoladeo National Park wetland , India. Ecol Modelli ng ,109 :99～114
23 　Sistani KR ,Mays DA , Taylor RW. 1999. Development of natural con2
ditions in constructed wetlands :Biological and chemical changes. Ecol
Eng ,12 :125～131
24 　Tilley DR , Brown MT. 1998. Wetland networks for stormwater ma2
nagement in subtropical urban watersheds. Ecol Eng ,10 :131～158
25 Tomas VP ed. 1996. Monitoring Mediterranean Wetlands : A Metho2
dological Guide. Lisbon :Medwet Publication. 9～22
26 Verhoeven J TA , Meuleman AFM. 1999. Wetlands for wastewater
treatment :Opportunities and limitations. Ecol Eng ,12 :5～12
27 　Ward RC. 1992. Indicator selection :A key element in monitoring sys2
tem design. In :Daninel H ,Mckenzie D ,Hyatt E eds. Ecological Indica2
tors. Barking : Elsevier Science Publishers Ltd. 147～157
28 　Wilson RF , Mitsch WJ . 1996. Functional assessment of five wetlands
constructed to mitigate wetland loss in Ohio ,USA. Wetlands ,16 (4) :
436～451
29 　Xiao D2N (肖笃宁) . 1991. Landscape Ecology : Theory , Methods and
Applications. Beijing :China Forestry Press. 68～73 (in Chinese)
30 　Xiao D2N (肖笃宁) , Hu Y2M (胡远满) , Wang X2L (王宪礼) . 1995.
The ecological and environmental characteristic and protection of the
littoral wetland in Northern China. In :Chen Y2Y(陈宜瑜) ed. Study
of Wetlands in China. Changchun :Jilin Science and Technology Press.
262～268 (in Chinese)
31 　Xiao D2N (肖笃宁) ,Zhong L2Sh (钟林生) . 1998. Ecological principles
of landscape classification and assessment . Chin J A ppl Ecol (应用生态
学报) ,9 (2) :217～221 (in Chinese)
32 　Yan J2S (颜京松) , Mitsch WJ . 1994. Comparison of ecological engi2
neering between China and the West . R ural Eco2Envi ron (农村生态环
境) ,10 (1) :45～52 (in Chinese)
33 　Yang L2P(杨丽萍) , Tian N2N (田宁宁) ,Chu F2Ch (褚富春) . 1999.
Study on sewage purification and green2land utilization based on soil
capillary percolation. U rban Envi ron & U rban Ecol (城市环境与城
市生态) ,12 (3) :4～7 (in Chinese)
34 　Zhang J2E(章家恩) ,Xu Q (徐　琪) . 1999. Major issues in restoration
ecology researches. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,10 (1) :109～
113 (in Chinese)
作者简介 　崔保山 ,男 ,1967 年生 ,博士 ,主要从事湿地生态过
程与环境响应研究 , 发表论文 15 余篇. E2mail : cuibaoshan
@mail. ccig. ac. cn
051 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷