【摘要】：由于人類對(duì)濕地盲目開墾、任意排放污染物等不合理的利用,造成濕地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性減少、土壤基質(zhì)污染不斷加劇,生態(tài)服務(wù)功能嚴(yán)重退化,因此,濕地的恢復(fù)和保護(hù)一直是近年來生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。目前通過適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)工程,對(duì)退化或消失的濕地進(jìn)行逐步的修復(fù)或重建,再現(xiàn)退化前濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,最終達(dá)到濕地生態(tài)系統(tǒng)自我持續(xù)的狀態(tài),是濕地修復(fù)的主要方法。理解濕地恢復(fù)過程中生態(tài)系統(tǒng)特征功能之間的關(guān)系,并科學(xué)評(píng)估生態(tài)修復(fù)的效果,對(duì)于生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)方案及后續(xù)管理措施至關(guān)重要。但目前濕地生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)系及潛在的生態(tài)機(jī)制還存在爭(zhēng)議,土壤重金屬污染物的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制仍有待研究,濕地恢復(fù)后如何對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性及服務(wù)價(jià)值進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估尚未有定論。 南四湖是中國南水北調(diào)東線工程重要的輸水通道及調(diào)蓄湖泊,其濕地生態(tài)系統(tǒng)健康是確保南四湖水質(zhì)安全及調(diào)水工程順利實(shí)施的重要保證。為了提高南四湖水質(zhì)、恢復(fù)濕地生物多樣性,“十一五”期間,南四湖流域進(jìn)行了大規(guī)模的濕地修復(fù)工程。本研究以最早建成的新薛河人工濕地示范工程為研究案例,通過樣地調(diào)查和資料調(diào)研,對(duì)濕地恢復(fù)過程中植物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)特征的關(guān)系及生態(tài)機(jī)理、土壤汞風(fēng)險(xiǎn)及其生態(tài)可持續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了深入的分析：1)通過群落調(diào)查,從多樣性的四個(gè)組分(即優(yōu)勢(shì)度dominance、豐富度richness、平均度evenness及分歧度divergence)出發(fā),利用8個(gè)分類多樣性(taxonomic diversity)和功能多樣性(functional diversity)指數(shù),對(duì)濕地的植物多樣性進(jìn)行研究,同時(shí)結(jié)合濕地的地上生物量、土壤理化性質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)狀況等生態(tài)系統(tǒng)特征,分析了植物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)特征的關(guān)系,討論了濕地恢復(fù)過程中植物多樣性影響生態(tài)系統(tǒng)功能的潛在生態(tài)機(jī)制；2)采用連續(xù)提取法,分析了濕地土壤中三種形態(tài)的汞及總汞含量,對(duì)南四湖濕地重金屬汞含量進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),結(jié)合土壤基本理化性質(zhì)、金屬元素含量、營(yíng)養(yǎng)狀況及水力條件,研究了濕地土壤中重金屬汞的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制,及其對(duì)不同水力條件、營(yíng)養(yǎng)因子的響應(yīng)；3)利用能值分析模型,通過計(jì)算人工濕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量流,采用能值產(chǎn)出率、環(huán)境負(fù)載率、能值自給率、能值投資率、可更新能源投入率和能值可持續(xù)性指標(biāo)一共六個(gè)能值指標(biāo),對(duì)新薛河人工濕地示范工程的生態(tài)可持續(xù)性進(jìn)行研究,同時(shí),對(duì)濕地的生態(tài)系統(tǒng)功能(環(huán)境服務(wù))及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(自然資本)的價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估。 樣地調(diào)查結(jié)果顯示,南四湖新薛河人工濕地中共發(fā)現(xiàn)31科61屬79種濕地常見物種,濕地不同群落物種組成差異較大,由于優(yōu)勢(shì)種的不同,不同群落的地上生物量差異也很大。植物多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能特征影響的研究結(jié)果顯示,代表優(yōu)勢(shì)度(dominance)的功能特征平均值指數(shù)(mean trait value)能最好的解釋多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的相關(guān)關(guān)系,是多樣性對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能影響的首要因素,也表明了人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中,優(yōu)勢(shì)種的某些功能特征是生態(tài)系統(tǒng)功能的重要決定因素之一,這也驗(yàn)證了選擇效應(yīng)(selection effect)的存在并在多樣性影響生態(tài)系統(tǒng)功能的過程中占據(jù)主要地位。分別代表豐富度(richness)和分歧度(divergence)的物種豐富度指數(shù)(species richness)和功能多樣性指數(shù)(functional diversity)在一定程度上也影響了生態(tài)系統(tǒng)功能,這表明互補(bǔ)效應(yīng)(complementary effect)的存在并在一定程度上影響生態(tài)系統(tǒng)功能。此外,多樣性4個(gè)組分中,優(yōu)勢(shì)度(dominance)、豐富度(richness)和分歧度(divergence)比均勻度(evenness)能更好解釋生態(tài)系統(tǒng)特征變量,而基于植物功能特征的功能多樣性指數(shù)(functional diversity indices)比傳統(tǒng)的分類多樣性指數(shù)(taxonomic diversity indices)能更好的解釋多樣性與生態(tài)系統(tǒng)特征的相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果表明在管理人工濕地生態(tài)系統(tǒng)時(shí),與優(yōu)勢(shì)度相關(guān)的多樣性指標(biāo)是增強(qiáng)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能首要的考慮因素,其次再考慮與豐富度和分歧度相關(guān)的多樣性指標(biāo)。 對(duì)南四湖新薛河人工濕地的土壤中三種形態(tài)汞(可移動(dòng)性汞、半移動(dòng)性汞和不移動(dòng)性汞)含量的研究結(jié)果顯示,有毒的可移動(dòng)性汞及半移動(dòng)性汞占土壤總汞的50%-67%。土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)有毒的可移動(dòng)性汞的形成有重要作用,土壤總鋁、總鐵和錳能促進(jìn)半移動(dòng)性汞的形成,土壤游離氧化鋁及游離氧化鐵則能促進(jìn)土壤中總汞的積累。與常年水淹的濕地相比,季節(jié)性水淹的濕地更能減少可移動(dòng)性汞的生成。此外,土壤氨氮對(duì)汞的移動(dòng)性有抑制作用,硝態(tài)氮對(duì)汞的移動(dòng)性有促進(jìn)作用,但總體來講,土壤氨氮的抑制作用大于硝態(tài)氮的促進(jìn)作用。調(diào)水工程通水后,由于濕地水位的升高,大面積的季節(jié)性水淹濕地將會(huì)變成常年水淹濕地,同時(shí)為保證調(diào)水水質(zhì),氮投入會(huì)減小,這兩種改變都可能會(huì)提高南四湖濕地汞的潛在毒性,因此為保證調(diào)水過程中的水質(zhì)安全,南四湖濕地汞的潛在毒性問題值得關(guān)注。 在對(duì)南四湖人工濕地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性及生態(tài)服務(wù)功能的能值分析中,計(jì)算了濕地恢復(fù)及運(yùn)行過程中所有的物質(zhì)及能量投入,包括自然環(huán)境投入及經(jīng)濟(jì)反饋投入,可更新資源投入及不可更新資源投入共四種物質(zhì)、能量流,采用6個(gè)能值指標(biāo)分析該人工濕地的生態(tài)可持續(xù)性,利用能值轉(zhuǎn)換,計(jì)算新薛河人工濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)濕地中的濕地進(jìn)水是整個(gè)系統(tǒng)的主要能值投入,是整個(gè)系統(tǒng)的能量驅(qū)動(dòng)力。此外,新薛河濕地和國內(nèi)外其他人工濕地相比,具有較好的自給能力及更小的能值投資率,并且該濕地的生態(tài)設(shè)計(jì)會(huì)有效提高濕地的恢復(fù)進(jìn)程,濕地系統(tǒng)更加穩(wěn)定,有更好的自組織能力。通過對(duì)新薛河人工濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及服務(wù)功能價(jià)值的能值分析,結(jié)果表明新薛河濕地在人工恢復(fù)5年后具備了和自然濕地相近的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。對(duì)南四湖新薛河人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的能值分析研究結(jié)果顯示,南四湖新薛河人工濕地可看做是長(zhǎng)期可持續(xù)性的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),在恢復(fù)退化濕地、凈化南四湖水體、保障南水北調(diào)工程生態(tài)安全上具有重要作用。 綜上所述,本研究通過對(duì)南四湖新薛河人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的案例研究發(fā)現(xiàn),植物多樣性在影響生態(tài)系統(tǒng)特征及功能時(shí),選擇效應(yīng)大于互補(bǔ)效應(yīng),在管理生物多樣性時(shí),要提高濕地生態(tài)系統(tǒng)功能,優(yōu)勢(shì)度應(yīng)首先考慮,其次考慮豐富度和分歧度；南水北調(diào)工程調(diào)水開通后,南四湖水位的提高及營(yíng)養(yǎng)因子的變化以及相應(yīng)的土壤性質(zhì)的變化會(huì)提高濕地土壤中可移動(dòng)的毒性汞的含量,濕地重金屬汞的風(fēng)險(xiǎn)不容忽視；南四湖濕地人工恢復(fù)后具有較好的自給能力,并具備了較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,是長(zhǎng)期有效的生態(tài)可持續(xù)性系統(tǒng),在維持南四湖生態(tài)系統(tǒng)健康、保障南水北調(diào)工程的生態(tài)安全中具有重要作用。
【圖文】：

出的瀑布模型形象地總結(jié)了四者之間的關(guān)系(Haines-Young and Potschin, 2010)(圖1-1)。多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)特征及過程的組合可以產(chǎn)生某一種特定的生態(tài)系統(tǒng)功能，也可以同時(shí)產(chǎn)生其他幾種生態(tài)系統(tǒng)功能。生態(tài)系統(tǒng)功能從根本上講是生態(tài)系統(tǒng)特征的產(chǎn)物。因此，研究生物多樣性組分及生態(tài)系統(tǒng)特征的關(guān)系有可能有助于從根本上理解“生物多樣性/生態(tài)系統(tǒng)功能”關(guān)系的辯論。15

土樣采集于2012年6月份在新薛河人工濕地進(jìn)行，根據(jù)該濕地水環(huán)境類型選擇了 17個(gè)30 m X 30 m的樣地（圖4-1)，包括9個(gè)常年水淹濕地樣地（樣地編號(hào)1-9)和8個(gè)季節(jié)性水掩濕地樣地（樣地編號(hào)10-17)。每個(gè)樣地隨機(jī)選取6個(gè)1 m X 1 m的樣方（Smith 1983)。用直徑5 cm的螺旋取土鉆取表層土壤或沉積物樣品（0-10 cm)，每個(gè)樣方用五點(diǎn)取樣法取五次土樣，6個(gè)樣方的30個(gè)土樣混合均勻成混合土樣，取其中約500g土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，，用供箱烘48h (溫度保持40 °C—下，防止

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