人工湿地水生态系统服务研究进展

文／胡光亮 苏州大学金螳螂建筑学院 硕士研究生

张一新 苏州大学金螳螂建筑学院 教 授

顾 昕 苏州市吴江区水务局

翟 俊 苏州大学金螳螂建筑学院 教 授（通讯作者）

徐蕴清 西交利物浦大学城市与环境校级研究中心 副教授

引言

随着人类利用自然和改造自然活动的无序扩张，导致生态问题频发，人类生产和生活之间的冲突也变得日趋严峻，包括温室气体排放、生物多样性锐减、水资源短缺等问题[1]。湿地作为地球三大生态系统之一，其提供的生态系统服务，能够在应对人类发展同环境、资源和社会需求的挑战中起到关键性作用。除了固有的自然湿地外，人工湿地凭借在涵养水源、调节气候、净化水质、蓄洪排涝、维护生物多样性等方面重要的生态系统服务，可以有效减少生物多样性损失，缓解污水净化压力，促进水资源回用。文章从人工湿地的研究方向着手，明确人工湿地提供的水生态系统服务对城市水管理的重要作用，并提出其发展前景，旨在为我国新时代城市水管理提供新的思路与参考。

1 人工湿地的研究方向

以人工湿地为关键词，检索近5 年该领域的中英文文献。其中，中文文献数据来源于中国知网（CNKI）“学术期刊网络版”，经筛选选取中文文献2250 篇；英文文献数据共4300 篇，来源于WOS（Web of Science TM Core Collection 核心合集数据库）。通过VOSviewer 软件进行文献分析，分别得出中英文文献共现关键词聚类分析图（图1）。由图可知，国内外人工湿地研究可分为三大宏观方向，包括：“人工湿地性能优化”“循环经济与资源导向”“生态系统服务”。其中“循环经济与资源导向”文章相对较少，表明学术界更加关注人工湿地的优化，而非资源回用。并且三个方向的研究渗透程度较低，应该更多探讨如何通过人工湿地水生态系统服务的空间规划设计，来统筹三大研究方向的内容，最终实现人工湿地综合效能的提升。

图1 基于VOSviewer 的中文和英文文献共现关键词聚类分析图（图片来源：作者自绘）

1.1 人工湿地性能优化

人工湿地，作为一种废水处理技术的替代方案，可以通过遴选高效的基质、组合不同流态的人工湿地以及耦合其他工艺三个方面实现性能的优化，包括明矾污泥和碎石床人工湿地、复合型人工湿地、耦合微生物燃料电池人工湿地等。其中明矾污泥人工湿地将人造产品类的明矾石作为人工湿地的基质，研究表明明矾污泥人工湿地用于处理高浓度的农场废水，能够产生良好的去除效果[2,3]。复合型人工湿地是通过组合表面流和潜流型人工湿地，并以串联或并联的结构形式进行连接，主要为水平潜流和垂直潜流两种流态的组合，有利于强化硝化和反硝化作用[4]。耦合微生物燃料电池人工湿地不仅对场地面积要求不高，建造运营成本低，而且具有不产生二次污染、提高污水处理效率、可以回收能源的优点[5]。

1.2 人工湿地循环经济与资源导向

现阶段，水资源短缺已经成为全球日益严重的问题，人工湿地最重要的水质净化功能，在水资源循环利用中越来越受到重视，可以通过灰水处理、雨水净化储存、病原体去除等手段，进而减少浪费，实现水资源的回用。传统的治污技术通过去除氮磷元素，以实现达标排放，未考虑废水中氮磷元素的资源化利用问题，不符合循环经济与资源导向的要求。有学者通过构建绿狐尾藻生态湿地来吸附水中的氮磷污染物，并以收割植物，加工成饲料的方式，实现氮磷污染物的资源回用[6-8]。此外，人工湿地作为一种绿色基础设施，越来越多地被运用到“海绵城市”的建设中，共同构成城市的水管理系统，可建立对雨水、地下水和地表水等城市水源的高效整合的管理方式，使水资源实现多次循环，满足循环经济与资源导向的需求[9]。

1.3 人工湿地生态系统服务

生态系统服务（Ecosystem Service）顾名思义是指人类从生态系统中获得的所有物质产品和服务，分为供给服务、调节服务、文化服务和维持前三种的支持服务[10]。其中，作为一种绿色基础设施，其提供多种水生态系统服务可以用于城市的可持续水管理（图2），涵盖水资源、水环境、水生态、水景观四个方面，分别对应供给性服务（淡水供给、营养循环）、调节性服务（水量调节、废物处理）、支持性服务（生物防治、生境供应）、文化性服务（美感度提升、增加游憩机会）。

图2 人工湿地服务于城市水管理的框架（图片来源：作者自绘）

2 人工湿地应用于城市水管理的发展前景

以水生态系统服务为导向来提升人工湿地综合效能的建设仍有很多不明朗之处，关于人工湿地的研究仍集中在处理效率的优化上，未来的研究应该逐渐向资源回用、景观美学和系统适应性、灵活性方面倾斜，并探讨其组合效益（图3）。

图3 人工湿地应用于城市水管理的生态方案（图片来源：作者自绘）

2.1 源于自然——人工湿地耦合自然湿地的水生态系统服务

通过构建人工湿地，能够有效缓解自然湿地所面临的面积锐减、生态系统服务退化以及功能丧失的艰巨考验，同时在消解生物多样性危机和抵御生物入侵方面也存在很大的潜力，但是目前人工湿地的建设难以复制自然湿地生态系统的关键组成部分，会导致栖息地环境无法运作。人工湿地与天然湿地的多种生态功能长期观察和比较研究的价值不容小觑，所以，有必要更深入地研究人工湿地生境条件、水生态系统服务及其支持的生物多样性之间的关系，构建三者的概念模型，例如综合人工湿地的概念。综合人工湿地通过镶嵌复杂的栖息地来串联成湿地系统链，具有模拟自然条件的潜力，可以最大限度地提高大型无脊椎动物的多样性，同时也兼具景观适宜性[11]。

2.2 显露自然——人工湿地的多重水生态系统服务目标的建设

目前，人工湿地的设计和管理倾向于针对其多重功能中的一个或至多两个方面[12]。缺乏从综合的时间和空间尺度上衡量生态系统服务的演变的方法，可能会导致规划者、设计者着眼于单一的水生态系统服务。因此，需要人工湿地的多目标管理，整合多种生态资源和功能，可以平衡不同利益相关者偏好。前期调查时，在充分了解区域生态问题和需求的基础上进行多准则决策分析，取代传统的“成本效益”方法。设计阶段，考虑构建以水及营养物质回用为基础、生物资源保护为核心、景观美学资源为外延的多功能人工湿地的概念框架，实现人工湿地的水生态系统服务的最大化。这种多标准决策分析方法可以帮助这些利益相关者选择具有共同利益的备选方案，并帮助决策者确定存在分歧的关键领域[13]。

2.3 引导自然——人工湿地促进水生态系统的自然作功效率

为了高质量的人居环境建设，构建区域多尺度、系统化、网络化的人工湿地概念模型。在流域尺度上，强调流域上中下游的整体性和连接性，以流域的视角审视人工湿地的建设。在区域尺度上，加强人工湿地与邻近自然生态系统之间的联系，例如自然湿地、城市河流、湖泊等水生态环境。在场地尺度上，建设人工湿地时将陆地和水生态系统作为一个统一的整体来对待，以最大限度地提高人工湿地的生物多样性及其净化功能[14]。通过多尺度的湿地概念模型，可以引导自然生态系统更有效地发挥水生态系统服务，维持水生态环境稳定和支持生物多样性。

结语

通过模仿自然湿地结构、功能和机理，同时预留自然空间，在城市水管理中应用多重水生态系统服务目标的人工湿地，不但能创造巨大的生态效益，同时也能衍生出其他的潜在效益。“自然”既是气候变化影响的“受害者”，又是应对气候变化的“重要阵地”，人工湿地作为一种基于自然的解决方案，提供的多种水生态系统服务能够产生巨大的生态效益，是一种减缓和适应气候变化的重要手段。通过倡导人与自然和谐共生的生态文明理念，构筑尊崇自然、绿色发展的可持续发展体系，人工湿地作为人类生活和生产，以及保护生态环境所依赖的不可缺少的要素，能够满足各类资源回用、生物多样性保护和景观美学等水生态系统服务的需求。