1 引言
湖泊富營養(yǎng)化控制是當(dāng)前國內(nèi)外環(huán)境領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)，而磷(P)作為湖泊中藻類生長的重要限制因子，其削減與治理直接影響著湖泊的水質(zhì)與生態(tài)健康.濕地作為連接陸地和湖泊的特殊生態(tài)系統(tǒng)，在有效攔截流域污染源輸入、恢復(fù)水陸生態(tài)交錯(cuò)帶功能等方面具有重要作用.在不同類型的濕地中，紅樹林、巖沼和人工濕地的物質(zhì)循環(huán)研究較為深入，淡水濕地研究也取得明顯進(jìn)展，但湖濱河口濕地的研究卻相對(duì)較少.湖濱河口濕地具有獨(dú)特的發(fā)育和演化規(guī)律：①水量受上游河流影響大，濕地截P效應(yīng)直接影響下游湖泊水質(zhì);②邊界干濕波動(dòng)大，導(dǎo)致濕地邊界不確定及底質(zhì)出現(xiàn)永久積水或間歇淹水，影響底泥理化性質(zhì)，進(jìn)而影響濕地P的截留效應(yīng);③具有自然演化而來的濕地底泥底質(zhì)，與人工濕地的基質(zhì)不同;④水生植物種類多樣.
由于濕地在截留流域營養(yǎng)物質(zhì)輸入中的作用，自1980年代始，國內(nèi)外開展了大量的湖濱河口自然濕地恢復(fù)與人工濕地建設(shè).但Richardson在Science上指出，已有的研究可能高估了濕地對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的截留作用.同時(shí)，現(xiàn)有的研究也證實(shí)，在上覆水不同的初始濃度下，濕地的基質(zhì)存在“源-匯”之間的功能轉(zhuǎn)換，并進(jìn)而影響濕地對(duì)磷的截留效應(yīng).因此，深入了解磷在濕地“水-植物-底泥”系統(tǒng)的輸移轉(zhuǎn)化過程，并明確導(dǎo)致濕地“源-匯”功能轉(zhuǎn)換的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制與關(guān)鍵影響因子具有重要意義.
2 濕地截磷效應(yīng)的發(fā)展與討論
濕地對(duì)磷的截留效應(yīng)主要通過物理、化學(xué)、生物過程實(shí)現(xiàn);Odum在Science上提出假設(shè)，指出在生態(tài)系統(tǒng)演替過程中，營養(yǎng)物質(zhì)可被生物體截留并參與內(nèi)部循環(huán)，且成熟或頂級(jí)群落的截留效果最明顯.1975年，Vitousek和Reiners的研究發(fā)現(xiàn)，Odum對(duì)早、中期的假說是正確的，但過了早、中期截留效應(yīng)增加的轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，營養(yǎng)物質(zhì)的去除率會(huì)有所下降，甚至出現(xiàn)凈輸出.Hopkinson將濕地分為2類：封閉系統(tǒng)(水量和營養(yǎng)物質(zhì)僅來自大氣干、濕沉降)和開放系統(tǒng)(水量和營養(yǎng)物質(zhì)可來源于上游輸入、暴雨徑流和漫灘洪水)，發(fā)現(xiàn)封閉濕地對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的截留高達(dá)90%以上，而開放濕地卻不足5%.
近年來，濕地對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的截留效率受到廣泛討論(圖 1).濕地運(yùn)行時(shí)間是影響截P效果的重要因素，研究發(fā)現(xiàn)濕地的去除能力隨著濕地發(fā)育不斷下降.同時(shí)，野外監(jiān)測和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)被大量開展以探討濕地的截磷能力.Wang等通過穩(wěn)態(tài)流模擬發(fā)現(xiàn)濕地底泥對(duì)上覆水中溶解態(tài)活性磷(DRP)的吸附作用呈準(zhǔn)U型曲線.Richardson與Del Campillo 等認(rèn)為濕地對(duì)P的截留效應(yīng)與底泥中Al離子含量呈線性關(guān)系.Richardson 等則提出了“1g閾值準(zhǔn)則”，即濕地截P量與磷負(fù)荷成正比，但當(dāng)負(fù)荷超出1 g · m-2 · a-1時(shí)，出流P濃度將隨負(fù)荷的增加呈指數(shù)上升.此外，水文、底泥理化性質(zhì)等因素對(duì)濕地截P效應(yīng)的影響也得到廣泛關(guān)注.
圖1 濕地截P效應(yīng)研究中的主要爭議
3 磷在湖濱河口濕地中的輸移過程及截留效應(yīng)
3.1 濕地中磷輸移的基本過程
生物地球化學(xué)過程是濕地研究的核心，主要包括：可溶無機(jī)態(tài)磷(DIP)的水生植物吸收、溶解態(tài)有機(jī)磷(DOP)和顆粒態(tài)有機(jī)磷(POP)的轉(zhuǎn)化與分解、磷酸鹽絡(luò)合物的生成與溶解、DIP的底泥吸附與解吸以及顆粒態(tài)磷的沉淀和再懸浮等.從濕地的短期功能考慮，底泥吸附、沉降、微生物及水生植物吸收是磷輸移轉(zhuǎn)化的重要機(jī)制;從長期功能看，濕地截P效率與底泥深層埋藏速率直接相關(guān).因此，本文將著重分析濕地截P效應(yīng)的3個(gè)重要機(jī)制：①植物機(jī)制;②微生物機(jī)制;③“上覆水-底泥”界面過程.
3.2 湖濱河口濕地磷輸移、轉(zhuǎn)化的主要機(jī)制
3.2.1 濕地磷截留的植物機(jī)制
植物截留是濕地磷截留機(jī)制中的重要過程，主要包括：①植物的吸收、富集作用;②植物對(duì)物質(zhì)的沉降、吸附和過濾作用，植物對(duì)水流的阻礙及植物葉片對(duì)P的吸附、過濾可降低水流速度和波流能量、固定沉積床，增加磷的沉降量，降低磷的再懸浮量;③植物根系的生化作用，根際微生物的數(shù)量約為非根際土壤的10~100倍，對(duì)根際微環(huán)境的氧化還原電位及酸堿性產(chǎn)生顯著影響，繼而對(duì)P在根-土界面的遷移轉(zhuǎn)化起著重要作用.濕地不同種類水生植物的截P機(jī)制也有所不同;與底泥有機(jī)磷的儲(chǔ)存機(jī)制相比，水生植物截P主要表現(xiàn)為短期機(jī)制(表 1).
表1 不同種類水生植物的截P機(jī)制
對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，種植水生植物的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)磷的截留量遠(yuǎn)高于無植物系統(tǒng)，有些水生植物甚至可以過度吸收磷.Grimshaw 等通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，濕地附生植物體內(nèi)實(shí)際磷含量為0.1~4.5 mg · g-1，而日常生長所需的P含量僅為1.1～2.2 mg · g-1.但也有研究指出，雖然水生植被同化作用能夠吸收大量磷，但植物組織凋落后，礦化作用會(huì)重新釋放磷，因此只能作為短期機(jī)制，甚至成為濕地磷的源，如Wang和Mitsch模擬發(fā)現(xiàn)，每年非生長季植物凋落物的礦化作用會(huì)釋放出0.31~1.66 g · m-2，導(dǎo)致濕地截P效應(yīng)下降5.1%.此外，水生植物對(duì)P的截留作用受水生植物種類、莖/根比例、碎屑組織的礦化速率、碎屑組織的C/P比、新陳代謝的類型及水體的理化特性等因素影響.植物不同部位對(duì)P的吸收能力不同，Kao等將5種作物地上莖對(duì)磷的截留能力排序?yàn)椋汉谌?gt;燈芯草>草蘆>蒯草>加拿大一枝黃花，地下根對(duì)磷的截留能力排序則為：蒯草>燈芯草>草蘆>黑三棱>加拿大一枝黃花.水生植物在生長期和非生長期對(duì)TP的去除率也是不同的，曹向東等發(fā)現(xiàn)水生植物在這兩個(gè)階段的截P率分別為15.89%~27.64%和9.21%~14.65%.需要指出的是，水體中P濃度與水生植物是交互反饋過程，水生植物截留P，而P濃度的高低影響水生植物的種類與存亡.Doren等通過對(duì)佛洛里達(dá)南部Everglades濕地的空間分析指出，長葉香蒲與P濃度有正向關(guān)系，但克拉莎與P濃度有反向關(guān)系.因此在濕地建設(shè)與恢復(fù)時(shí)，需要合理選擇并配置植物種類，適當(dāng)安排植物種植、收割時(shí)間，以提高濕地對(duì)P的凈化效果.
3.2.2 濕地磷截留的微生物機(jī)制
微生物對(duì)磷的去除作用也是濕地截磷的重要機(jī)制之一，但這方面的研究目前相對(duì)較少.該機(jī)制主要體現(xiàn)在：①吸收作用，包括微生物對(duì)磷的正常同化吸收以及當(dāng)水體中P濃度過高時(shí)，聚磷菌對(duì)磷的過量吸收作用.微生物對(duì)P的吸收會(huì)受到氧化還原電位的影響，有研究指出，在濕地底泥好氧、硝酸鹽、硫酸鹽和產(chǎn)甲烷條件下，微生物體內(nèi)的C/P比分別為56、43、9和6.②礦化作用，它是導(dǎo)致濕地成為P源及水生植物只能作為截P短期機(jī)制的主要原因之一.
同樣，微生物對(duì)濕地P的截留作用也備受爭議.少數(shù)研究認(rèn)可微生物的截P作用，如Lee等與Sloey 等發(fā)現(xiàn)河岸帶濕地處理系統(tǒng)中，大約有60%的P是被微生物截留下來的;李科德和胡正嘉認(rèn)為濕地磷的截留率與植物根際磷細(xì)菌數(shù)目呈正相關(guān).但多數(shù)研究認(rèn)為，微生物對(duì)磷的去除作用不大，礦化作用甚至可以釋放出大量磷，如：沈耀良和王寶貞發(fā)現(xiàn)磷酸鹽的去除與濕地中各類微生物的數(shù)量不具有明顯的相關(guān)性.Richardson(在Science上指出當(dāng)濕地中P負(fù)荷較低時(shí)，底泥微生物的吸收作用對(duì)P的截留起主導(dǎo)作用，但是微生物體積很小，很快就會(huì)吸收飽和.Wang和Mitsch則表明，微生物體內(nèi)吸收的磷在其死后會(huì)迅速分解釋放，微生物與磷的去除效率間并無顯著關(guān)系，與微生物吸收同化作用相比，微生物的生化及酶將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷的催化作用更顯著.
3.2.3 濕地磷截留的上覆水-底泥界面作用機(jī)制
濕地對(duì)P的截留作用主要包括吸附、沉降、固定，而與之對(duì)應(yīng)的解吸、溶解與礦化都是在上覆水-底泥界面所進(jìn)行的，因此上覆水-底泥界面過程是影響濕地截P源、匯功能的關(guān)鍵所在.濕地底質(zhì)與上覆水之間的磷交換過程十分復(fù)雜，具體包括：磷的生物循環(huán)、含磷顆粒的沉降與再懸浮、溶解態(tài)磷的吸附與解吸、磷酸鹽的沉淀與溶解等過程及其相互作用.其中，只有深層底泥的埋藏作用可作為永久除磷的長期機(jī)制，通過同位素標(biāo)記、粘土層測量及沉積物捕集等方法測量濕地底泥每年累積增加深度為0.03~0.80 cm不等，底泥中TP濃度也從0.007~1.2 mg · g-1有較大的變化范圍.吸附與解吸通常采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)孵化培養(yǎng)與吸附等溫線的方法來研究，其中最常用的為Langmuir吸附等溫線S=SmaxKLC/(1+KLC)與Freundlich吸附等溫線S=KFCN+ S0，通過Langmuir方程的Smax可反映最大吸附量，而吸附能力又與Freundlich方程的KF成正比例關(guān)系，因此可間接反映吸附潛力.常數(shù)N反映底泥吸附點(diǎn)位數(shù)量情況，N越接近1，表明底泥吸附點(diǎn)位越接近飽和.EFC0表示吸附和解吸達(dá)到平衡時(shí)的濃度(mg · L-1)，當(dāng)磷負(fù)荷大于此值時(shí)表現(xiàn)為吸附作用，反之表現(xiàn)為解吸作用(表 2).
表2 吸附等溫線參數(shù)值對(duì)比
濕地底泥受水文和外界輸入的影響，既可能是營養(yǎng)物匯，也可能是源，其影響因素為：底質(zhì)類型、微生物種類和數(shù)量、水力停留時(shí)間、營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷、水力負(fù)荷、試驗(yàn)條件、氣候狀況等.研究指出濕地底泥對(duì)P的截留作用在某種程度上只是作為一個(gè)“緩沖器”來調(diào)節(jié)水中磷濃度，截留的磷暫時(shí)貯存在底泥中，在一定條件下可釋放P到水體中.2010年，Wang等對(duì)太湖苕溪河濕地的室內(nèi)靜態(tài)模擬結(jié)果表明，底泥對(duì)上覆水中溶解態(tài)活性磷(DRP)的吸附作用可分為3個(gè)階段：緩沖反應(yīng)、快速吸附、緩慢吸收.Craft則研究發(fā)現(xiàn)P的截留主要依靠吸附、沉降作用;時(shí)間會(huì)影響濕地底泥對(duì)磷的截留作用，磷的截留率隨著底泥對(duì)磷吸附點(diǎn)位逐漸達(dá)到飽和而下降.徐進(jìn)和張奇指出當(dāng)濕地進(jìn)水溶解態(tài)反應(yīng)性磷濃度高于磷平衡濃度時(shí)，濕地底泥為匯項(xiàng);相反則為源項(xiàng).
3.3 濕地磷截留效應(yīng)的主要影響因素
3.3.1 水文條件對(duì)濕地磷截留效應(yīng)的影響
濕地磷截留效應(yīng)的影響因素眾多，除了水生植物及微生物的影響外，還有水文條件、氧化還原電位(Eh)、底泥類型、底泥離子含量與pH等(表 3).其中，水文是濕地生態(tài)系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)力，對(duì)其結(jié)構(gòu)與功能具有重要影響.湖濱河口濕地區(qū)別于其他水體的顯著特征表現(xiàn)為：底質(zhì)永久積水或間歇淹水、邊界不確定.上述特征也是影響其內(nèi)部過程及對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)P截留的主要驅(qū)動(dòng)因素.已有研究發(fā)現(xiàn)：水文條件(如：流量、水位、水溫、流速及其變化等)能改變底泥的Eh、底泥特性及pH值等，是營養(yǎng)物質(zhì)濃度、存在形態(tài)、濕地過程與截留效應(yīng)的重要影響因子.其中，水位變化對(duì)濕地截P率的影響尤為重要.水位下降，氧化現(xiàn)象明顯，反之在淹水條件下，底泥創(chuàng)造良好的還原條件.Ann等指出磷酸鹽隨著氧化還原電位的增加而減少，F(xiàn)e結(jié)合態(tài)P隨著Eh增加而增加，Ca結(jié)合態(tài)P與Eh無明顯變化.Niedermeier和Robinson認(rèn)為底泥的Eh與強(qiáng)降雨事件相關(guān)，表層0~10 cm通常維持在330 mV以上，30~100 cm 深度的底泥在淹水時(shí)Eh在-200～200 mV間變動(dòng)，導(dǎo)致Fe結(jié)合態(tài)P的水解，成為水體內(nèi)源污染的重大威脅. Surridge等指出底泥在被淹沒時(shí)，鐵、鋁結(jié)合態(tài)無機(jī)磷可釋放將近95%的P.盡管底質(zhì)在淹水時(shí)形成強(qiáng)還原區(qū)，但在“水-土”界面上可形成氧化薄層，特殊的氧化還原條件加上豐富的水生植被、底質(zhì)微生物和根際微生物條件，可為營養(yǎng)元素的遷移轉(zhuǎn)化創(chuàng)造條(表 3).除了水位，研究指出增加水力負(fù)荷有利于增加截P量，如：Hoffmann等發(fā)現(xiàn)TP截留量y(kg)與徑流量x(L · s-1 · km-2)滿足指數(shù)關(guān)系y=14.645e0.14x.然而，也有研究指出水力負(fù)荷會(huì)降低截P效率，如Wang and Mitsch指出當(dāng)濕地入流由8 cm · week-1增加到200 cm · week-1時(shí)，濕地截P率由90%下降到50%.因此，水力負(fù)荷只有滿足一定的范圍才有利于發(fā)揮濕地對(duì)磷的截留能力，太小不利于充分發(fā)揮濕地對(duì)P的截留能力，過大又影響水生植物的生長，并縮短營養(yǎng)物質(zhì)的停留時(shí)間，降低截留能力.
表3 濕地磷截留效應(yīng)的影響因素
3.3.2 多種影響因素交互作用
除上述因素外，濕地P的截留效應(yīng)還受到黏土含量、有機(jī)質(zhì)含量、磷酸鹽濃度、pH和氧化還原電位、Fe/Al/Ca離子含量等的影響，且各因素間相互作用、交互反饋(表 3、圖 2).在濕地恢復(fù)措施中，若通過引進(jìn)入流來連通斷流濕地或擴(kuò)大濕地面積，會(huì)導(dǎo)致Eh的降低，從而降低底泥的截P率：①Eh的變化進(jìn)而引起pH的改變，在好氧條件下，Eh的升高會(huì)降低水體的pH,反之會(huì)帶來高的pH.而pH升高會(huì)降低濕地底泥中Fe3+含量，導(dǎo)致Fe結(jié)合態(tài)P濃度降低，底泥對(duì)P的截留效率下降.②Eh的改變亦可直接影響底泥離子含量，而底泥的吸附系數(shù)與Al3+和Fe3+含量有強(qiáng)的相關(guān)性,如Eh降低促進(jìn)Fe3+被還原為Fe2+，導(dǎo)致Fe結(jié)合態(tài)P的水解.③Eh的變化意味著DO濃度的變化，以P:Fe的摩爾比0.33為臨界值，好氧條件下比值會(huì)小于0.33，因此有足夠的Fe與P吸附結(jié)合，相反導(dǎo)致多余的P釋放;高的DO濃度會(huì)促進(jìn)水生植物的生長，從而增強(qiáng)對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)P的吸收.有研究指出，低DO水平((0.32±0.27)mg · L-1)時(shí)，濕地洋麻對(duì)P的截留率是高DO((4.41±0.62)mg · L-1)時(shí)的50%~51%，但晚上低濃度、白天高濃度對(duì)P去除率無明顯抑制.此外，水生植物的莖葉會(huì)向根部傳輸氧氣，影響根際的氧化還原電位、pH、底泥離子含量及根際微生物的含量，同時(shí)，水生植物的死亡凋落會(huì)增加表層底泥有機(jī)質(zhì)的含量，對(duì)P的吸附作用產(chǎn)生影響，而有機(jī)質(zhì)的礦化降解需要消耗氧氣、降低Eh，促進(jìn)磷向孔隙水及上覆水的釋放.水生植物的大量生長還將阻礙水流運(yùn)動(dòng)，改變?cè)辛魉俸土鲬B(tài)，影響水生植物的生長，如David通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，Sagittaria lancifolia的生物量隨著淹沒時(shí)間的增長會(huì)顯著增加，Nymphaea odorata和Utricularia spp的生物量則與每年增加的水深呈明顯的負(fù)相關(guān).④DO濃度影響微生物截P作用，好氧條件下微生物可吸收大量P，但在厭氧條件下會(huì)釋放出磷.而微生物酶對(duì)有機(jī)質(zhì)的催化作用會(huì)降低Eh，其新陳代謝又將改變底泥有機(jī)質(zhì)含量.
圖2 多種影響因素的交互作用
4 湖濱河口濕地截磷效應(yīng)的研究方法
4.1 實(shí)驗(yàn)與監(jiān)測方法
野外定點(diǎn)試驗(yàn)、監(jiān)測、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方式已被廣泛用于濕地關(guān)鍵過程分析及截P率定量化評(píng)估研究中(表 4).Hoffmann等對(duì)已修復(fù)了5年的河岸濕地進(jìn)行為期2年的高頻率監(jiān)測與統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，河岸濕地的釋P作用比預(yù)期要低;Voss等通過對(duì)河岸帶濕地2011—2012年夏季的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，濕地低的pH值(大約為7)和低的DO濃度(出現(xiàn)小于1 mg · L-1的值)是促進(jìn)濕地底泥中磷解吸的重要原因，并會(huì)導(dǎo)致河岸帶濕地成為磷源.此外，野外底泥或水生植物樣品的采集可獲取室內(nèi)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)對(duì)象，在可控條件下識(shí)別湖濱帶河口濕地截P效應(yīng)的關(guān)鍵機(jī)制與主要影響因素，如Surridge等在英國諾福克河的Strumpshaw沼澤原位取底泥樣品孵化培養(yǎng)，分別在淹沒與不淹水條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn);Wang等取太湖苕溪河濕地與下渚湖濕地底泥分別進(jìn)行無流量的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)與有穩(wěn)態(tài)流的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，探索不同水文條件下濕地底泥的截P機(jī)制.目前，常用室內(nèi)培養(yǎng)方法研究底泥-上覆水界面過程或底泥吸附-解吸機(jī)制，并探討水文、氧化還原電位、底泥離子含量等對(duì)其產(chǎn)生的影響，其中吸附等溫線方法為最常用的方法;室內(nèi)水生植物培養(yǎng)方法可用于研究水生植物截P機(jī)制，并探索水生植物種類、溶解氧濃度等對(duì)吸收富集機(jī)制的影響;穩(wěn)定同位素示蹤可用來研究濕地沉積物累積速率，定量化長期截P機(jī)制(表 2).
表4 野外監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)方法的綜合應(yīng)用
實(shí)驗(yàn)室的研究在確定驅(qū)動(dòng)機(jī)制、驅(qū)動(dòng)因子的過程中發(fā)揮了不可替代的作用，但室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通常在控制變量的條件下進(jìn)行，且是對(duì)單因素或少數(shù)幾個(gè)因素的研究，與實(shí)際情況相差很大，因此實(shí)驗(yàn)研究的曲線、方程、參數(shù)，僅可作為粗略估算截留效果的參照.所以，湖泊濕地截P機(jī)制和效應(yīng)研究，必須在基于實(shí)驗(yàn)室和原位試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立各方面主要驅(qū)動(dòng)因素都包括在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)方程，方可實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地截留效應(yīng)的綜合評(píng)估.
4.2 機(jī)理模擬模型
在定量表征濕地過程及截留效應(yīng)的研究中，有2類模型得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用：(1)濕地生態(tài)水文模型：Dubnyak和Timchenko模擬了水動(dòng)力與生物反應(yīng)之間的關(guān)系，指出可通過調(diào)節(jié)濕地的水動(dòng)力和水文特征來直接控制生物的演化過程和水質(zhì);Mansell等開發(fā)了WETLANDS模型，將蒸發(fā)作用和多種植被的根區(qū)相結(jié)合，描述淹水區(qū)的季節(jié)性動(dòng)態(tài)水位變化和溶質(zhì)遷移過程;賈忠華等采用濕地評(píng)價(jià)水文模型DRAINMOD，探討了干旱和半干旱地區(qū)不同來水量對(duì)濕地地下水水位變化的影響.從發(fā)展歷程分析，濕地生態(tài)水文模型經(jīng)歷了由起初的水量模型到水文-磷循環(huán)模型，到水文-磷循環(huán)-底泥模型，再到水文-磷循環(huán)-底泥-水生生物模型，逐漸發(fā)展成多模塊化的濕地生態(tài)水文模型，同時(shí)經(jīng)歷了模擬變量由單個(gè)到多個(gè)、底泥模塊由單層到多層、水生植物由單種到多種的轉(zhuǎn)變(表 5)，其中，Van Der Peijl和Verhoeven開發(fā)的濕地生態(tài)模型具有重大意義，其提出的“mode”因子可以調(diào)節(jié)不同干濕邊界下的氧化還原電位，進(jìn)而改變反應(yīng)速率.目前的濕地生態(tài)水文模型存在諸多需要繼續(xù)改進(jìn)的地方：①多為箱式模型，無法表現(xiàn)空間差異性;②雖然包含多個(gè)模塊，但對(duì)每個(gè)模塊具體機(jī)制、影響因素的刻畫并不詳細(xì);③簡單的水量平衡無法很好地模擬干濕邊界變化.(2)濕地嵌入流域或水質(zhì)模型，如：HSPF、DUFLOW、QUAL-2E、MIKE12、RCA等.莫春華等引進(jìn)水侵蝕預(yù)報(bào)模型，以在廣西桂林進(jìn)行修正的WRSIS(美國灌溉-排水-濕地綜合水管理系統(tǒng))試驗(yàn)研究為例，模擬濕地系統(tǒng)土壤侵蝕等水文狀況，進(jìn)一步提高了濕地系統(tǒng)凈化水質(zhì)的能力.美國USDA-ARS開發(fā)的REMM模型可有效模擬濱水區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)、底泥轉(zhuǎn)運(yùn)和營養(yǎng)物循環(huán)過程，定量評(píng)估其削減污染的有效性.目前已有的水文模型可對(duì)濕地水位變化進(jìn)行很好地模擬;將濕地模型納入流域模型可為模擬P的遷移提供有效借鑒的途徑.但考慮到湖濱河口濕地的水文復(fù)雜性、邊界不確定性以、底泥的淹水特征及植物截留作用，上述模型均無法同時(shí)滿足對(duì)湖濱河口濕地磷截留效應(yīng)的定量評(píng)估.
表5 濕地生態(tài)水文模型的發(fā)展
盡管國際上已有湖泊三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型，如EFDC、DELFT3D、MIKE12等，可以詳細(xì)地模擬磷在水-底泥-浮游植物系統(tǒng)中的循環(huán)過程，并體現(xiàn)多種影響因子對(duì)機(jī)制的綜合作用，重現(xiàn)邊界水文的干濕交替變化.但若將其應(yīng)用于濕地中，仍有些不足：①?zèng)]有涉及干濕邊界變化對(duì)底泥理化性質(zhì)的影響;②對(duì)水生植物種類的模擬單一;③現(xiàn)有模型沒有涉及多種水生植物生長對(duì)水文過程的影響.因此，亟需將已有濕地水文模型與三維水動(dòng)力-水質(zhì)模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，開發(fā)新的湖濱河口濕地生態(tài)模型，為濕地磷在水-底泥-植物系統(tǒng)中的輸移關(guān)鍵過程識(shí)別及截留效應(yīng)評(píng)估提供有效途徑，并為濕地恢復(fù)的工程措施提供科學(xué)支持.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
5 結(jié)論和展望
1)濕地水文過程的變異性是湖濱河口濕地區(qū)別于其他濕地的重要特征，對(duì)湖濱河口濕地磷截留效應(yīng)的定量評(píng)估，必須充分理解濕地水文過程對(duì)磷截留機(jī)制的影響，識(shí)別能精細(xì)表征濕地水文時(shí)間變化及底質(zhì)干、濕條件下影響截留效率的關(guān)鍵因子，開發(fā)或應(yīng)用精度適中的模型表征湖濱河口濕地復(fù)雜的水文特性.
2)研究湖濱河口濕地底質(zhì)-上覆水界面磷的遷移特性，找出基質(zhì)中磷的源、匯臨界點(diǎn)，對(duì)于揭示湖濱河口濕地源-匯功能轉(zhuǎn)換機(jī)理、探明其轉(zhuǎn)換條件、定量評(píng)估其截留效率、改進(jìn)濕地設(shè)計(jì)及科學(xué)管理濕地具有重要意義.
3)在強(qiáng)化重點(diǎn)過程(上覆水-底泥界面過程;水生植物吸收富集作用)研究的基礎(chǔ)上，逐漸展開其他過程的綜合研究，如水生植物對(duì)根際微生物及根部理化性質(zhì)的影響;微生物礦化作用的動(dòng)力學(xué)機(jī)制等.
4)底泥表層有機(jī)磷的礦化作用，導(dǎo)致水生植物只能作為濕地截磷的短期機(jī)制而存在.但湖濱河口濕地中水生植物生產(chǎn)力很高，可以吸收固定大量磷酸鹽，因此如何合理安排水生生物種植種類與生長時(shí)間、及時(shí)收割凋亡的水生植物，對(duì)湖濱河口濕地磷的截留作用具有重大影響，是未來需要關(guān)注的重點(diǎn)問題.
(5)著眼于定量的角度解析濕地對(duì)磷截留的關(guān)鍵過程與影響因素，探索基于復(fù)雜的三維水動(dòng)力學(xué)-水質(zhì)-生態(tài)模型與實(shí)驗(yàn)?zāi)M相結(jié)合的評(píng)估方法，揭示高原湖濱河口濕地磷的“源-匯”動(dòng)力學(xué)過程及生態(tài)效應(yīng)，并探討對(duì)其他高原湖泊相關(guān)研究的可能借鑒.
