人工濕地水生態系統服務研究進展

文／胡光亮 蘇州大學金螳螂建筑學院 碩士研究生

張一新 蘇州大學金螳螂建筑學院 教 授

顧 昕 蘇州市吳江區水務局

翟 俊 蘇州大學金螳螂建筑學院 教 授（通訊作者）

徐蘊清 西交利物浦大學城市與環境校級研究中心 副教授

引言

隨著人類利用自然和改造自然活動的無序擴張，導致生態問題頻發，人類生產和生活之間的沖突也變得日趨嚴峻，包括溫室氣體排放、生物多樣性銳減、水資源短缺等問題[1]。濕地作為地球三大生態系統之一，其提供的生態系統服務，能夠在應對人類發展同環境、資源和社會需求的挑戰中起到關鍵性作用。除了固有的自然濕地外，人工濕地憑借在涵養水源、調節氣候、凈化水質、蓄洪排澇、維護生物多樣性等方面重要的生態系統服務，可以有效減少生物多樣性損失，緩解污水凈化壓力，促進水資源回用。文章從人工濕地的研究方向著手，明確人工濕地提供的水生態系統服務對城市水管理的重要作用，并提出其發展前景，旨在為我國新時代城市水管理提供新的思路與參考。

1 人工濕地的研究方向

以人工濕地為關鍵詞，檢索近5 年該領域的中英文文獻。其中，中文文獻數據來源于中國知網（CNKI）“學術期刊網絡版”，經篩選選取中文文獻2250 篇；英文文獻數據共4300 篇，來源于WOS（Web of Science TM Core Collection 核心合集數據庫）。通過VOSviewer 軟件進行文獻分析，分別得出中英文文獻共現關鍵詞聚類分析圖（圖1）。由圖可知，國內外人工濕地研究可分為三大宏觀方向，包括：“人工濕地性能優化”“循環經濟與資源導向”“生態系統服務”。其中“循環經濟與資源導向”文章相對較少，表明學術界更加關注人工濕地的優化，而非資源回用。并且三個方向的研究滲透程度較低，應該更多探討如何通過人工濕地水生態系統服務的空間規劃設計，來統籌三大研究方向的內容，最終實現人工濕地綜合效能的提升。

圖1 基于VOSviewer 的中文和英文文獻共現關鍵詞聚類分析圖（圖片來源：作者自繪）

1.1 人工濕地性能優化

人工濕地，作為一種廢水處理技術的替代方案，可以通過遴選高效的基質、組合不同流態的人工濕地以及耦合其他工藝三個方面實現性能的優化，包括明礬污泥和碎石床人工濕地、復合型人工濕地、耦合微生物燃料電池人工濕地等。其中明礬污泥人工濕地將人造產品類的明礬石作為人工濕地的基質，研究表明明礬污泥人工濕地用于處理高濃度的農場廢水，能夠產生良好的去除效果[2,3]。復合型人工濕地是通過組合表面流和潛流型人工濕地，并以串聯或并聯的結構形式進行連接，主要為水平潛流和垂直潛流兩種流態的組合，有利于強化硝化和反硝化作用[4]。耦合微生物燃料電池人工濕地不僅對場地面積要求不高，建造運營成本低，而且具有不產生二次污染、提高污水處理效率、可以回收能源的優點[5]。

1.2 人工濕地循環經濟與資源導向

現階段，水資源短缺已經成為全球日益嚴重的問題，人工濕地最重要的水質凈化功能，在水資源循環利用中越來越受到重視，可以通過灰水處理、雨水凈化儲存、病原體去除等手段，進而減少浪費，實現水資源的回用。傳統的治污技術通過去除氮磷元素，以實現達標排放，未考慮廢水中氮磷元素的資源化利用問題，不符合循環經濟與資源導向的要求。有學者通過構建綠狐尾藻生態濕地來吸附水中的氮磷污染物，并以收割植物，加工成飼料的方式，實現氮磷污染物的資源回用[6-8]。此外，人工濕地作為一種綠色基礎設施，越來越多地被運用到“海綿城市”的建設中，共同構成城市的水管理系統，可建立對雨水、地下水和地表水等城市水源的高效整合的管理方式，使水資源實現多次循環，滿足循環經濟與資源導向的需求[9]。

1.3 人工濕地生態系統服務

生態系統服務（Ecosystem Service）顧名思義是指人類從生態系統中獲得的所有物質產品和服務，分為供給服務、調節服務、文化服務和維持前三種的支持服務[10]。其中，作為一種綠色基礎設施，其提供多種水生態系統服務可以用于城市的可持續水管理（圖2），涵蓋水資源、水環境、水生態、水景觀四個方面，分別對應供給性服務（淡水供給、營養循環）、調節性服務（水量調節、廢物處理）、支持性服務（生物防治、生境供應）、文化性服務（美感度提升、增加游憩機會）。

圖2 人工濕地服務于城市水管理的框架（圖片來源：作者自繪）

2 人工濕地應用于城市水管理的發展前景

以水生態系統服務為導向來提升人工濕地綜合效能的建設仍有很多不明朗之處，關于人工濕地的研究仍集中在處理效率的優化上，未來的研究應該逐漸向資源回用、景觀美學和系統適應性、靈活性方面傾斜，并探討其組合效益（圖3）。

圖3 人工濕地應用于城市水管理的生態方案（圖片來源：作者自繪）

2.1 源于自然——人工濕地耦合自然濕地的水生態系統服務

通過構建人工濕地，能夠有效緩解自然濕地所面臨的面積銳減、生態系統服務退化以及功能喪失的艱巨考驗，同時在消解生物多樣性危機和抵御生物入侵方面也存在很大的潛力，但是目前人工濕地的建設難以復制自然濕地生態系統的關鍵組成部分，會導致棲息地環境無法運作。人工濕地與天然濕地的多種生態功能長期觀察和比較研究的價值不容小覷，所以，有必要更深入地研究人工濕地生境條件、水生態系統服務及其支持的生物多樣性之間的關系，構建三者的概念模型，例如綜合人工濕地的概念。綜合人工濕地通過鑲嵌復雜的棲息地來串聯成濕地系統鏈，具有模擬自然條件的潛力，可以最大限度地提高大型無脊椎動物的多樣性，同時也兼具景觀適宜性[11]。

2.2 顯露自然——人工濕地的多重水生態系統服務目標的建設

目前，人工濕地的設計和管理傾向于針對其多重功能中的一個或至多兩個方面[12]。缺乏從綜合的時間和空間尺度上衡量生態系統服務的演變的方法，可能會導致規劃者、設計者著眼于單一的水生態系統服務。因此，需要人工濕地的多目標管理，整合多種生態資源和功能，可以平衡不同利益相關者偏好。前期調查時，在充分了解區域生態問題和需求的基礎上進行多準則決策分析，取代傳統的“成本效益”方法。設計階段，考慮構建以水及營養物質回用為基礎、生物資源保護為核心、景觀美學資源為外延的多功能人工濕地的概念框架，實現人工濕地的水生態系統服務的最大化。這種多標準決策分析方法可以幫助這些利益相關者選擇具有共同利益的備選方案，并幫助決策者確定存在分歧的關鍵領域[13]。

2.3 引導自然——人工濕地促進水生態系統的自然作功效率

為了高質量的人居環境建設，構建區域多尺度、系統化、網絡化的人工濕地概念模型。在流域尺度上，強調流域上中下游的整體性和連接性，以流域的視角審視人工濕地的建設。在區域尺度上，加強人工濕地與鄰近自然生態系統之間的聯系，例如自然濕地、城市河流、湖泊等水生態環境。在場地尺度上，建設人工濕地時將陸地和水生態系統作為一個統一的整體來對待，以最大限度地提高人工濕地的生物多樣性及其凈化功能[14]。通過多尺度的濕地概念模型，可以引導自然生態系統更有效地發揮水生態系統服務，維持水生態環境穩定和支持生物多樣性。

結語

通過模仿自然濕地結構、功能和機理，同時預留自然空間，在城市水管理中應用多重水生態系統服務目標的人工濕地，不但能創造巨大的生態效益，同時也能衍生出其他的潛在效益。“自然”既是氣候變化影響的“受害者”，又是應對氣候變化的“重要陣地”，人工濕地作為一種基于自然的解決方案，提供的多種水生態系統服務能夠產生巨大的生態效益，是一種減緩和適應氣候變化的重要手段。通過倡導人與自然和諧共生的生態文明理念，構筑尊崇自然、綠色發展的可持續發展體系，人工濕地作為人類生活和生產，以及保護生態環境所依賴的不可缺少的要素，能夠滿足各類資源回用、生物多樣性保護和景觀美學等水生態系統服務的需求。