1 引言(Introduction)

上善若水, 水利万物而不争, 故几于道.水体环境承载着上善之水, 却在人类与自然的交互活动中发生着沧桑的变化, 着重体现在水陆交错带的巨大变化之中.研究交错带的特殊生态现象与过程, 对于水环境的修复和可持续发展有着重要的意义和价值.水陆交错带是指内陆水生态系统和陆地生态系统之间的界面区, 自被发现和提出以来已经得到了大量的研究和关注(Decamps et al., 1990; Howardwilliams, 1991; Kolasa et al., 1995; 尹澄清, 1995; Wang et al., 2002), 而与水环境密切相关的还存在多个交错带, 那就是水与沉积物之间的水固交错带和水与大气之间的水气交错带.有关这3个交错带的研究, 必将带动环境水质学领域的新发现、新理论和新的水质控制与转化技术, 从而推动相关领域研究的纵深发展.

白洋淀是我国华北地区最大的淡水湿地生态系统, 位于太行山东麓永定河冲积扇与滹沱河冲积扇之间的低洼地区, 是京津冀核心区域生态安全格局的重要一环(国家发展和改革委员会等, 2019).具有蓄洪滞沥、生态涵养、缓解冀中的缺水状况、调节当地的小气候、改善生态环境和繁荣经济与改善淀区人民的生活条件等多元功能, 故有“华北明珠”、“北国江南”之称.然而, 自20世纪80年代起, 气候干旱、上游断流、大量水库修建、上游和周边城镇工业的兴起等诸多复合因素, 使得白洋淀陷入了持续数十年的干淀和污染的恶性循环(图 1).

白洋淀的发展正处于一个关键的历史时期.白洋淀处于雄安新城建设的焦点之一, 是新区生态空间的核心所在(中共河北省委等, 2019).如何进行控污截留、提升水质、科学清淤和生态修复, 是恢复白洋淀“华北明珠”历史地位的必然过程和进行生态空间建设的关键.20世纪80年代后, 白洋淀每年均需依靠上游水库补水维持水位(杨泽凡等, 2018).然而, 事实证明仅靠补水无法使白洋淀摆脱干淀和污染的恶性循环.沉积物中氮、磷营养盐及难降解的有毒有害物质等污染物的内源释放已经成为白洋淀的主要污染源.因此, 对白洋淀内的典型区域进行生态清淤和生态恢复对白洋淀的整体环境修复具有重要的意义.

想要为白洋淀制定针对性的科学清淤(包括生态清淤和精准清淤)规划与实施方案, 构建科学清淤质量控制和效果评价体系, 首先就需要对水-沉积物界面、沉积物垂向结构、污染物分布特征和水生态健康状况开展深入系统的研究, 而目前相关领域并没有一个概念可以涵盖这些内容.以往研究大多都将沉积物-水界面当成“黑匣子”, 主要关注和研究其功能, 如沉积物-水界面的物质(营养盐、重金属及浮游藻类等)释放通量(Reddy et al., 1999; Islam et al., 2004; Zhang et al., 2016), 以及沉积物再悬浮对营养盐释放的影响等(罗潋葱等, 2005; Tang et al., 2019a; Yu et al., 2019), 而对于沉积物-水界面的结构研究甚少.另一方面, 清淤所关注的水-沉积物交错区域的垂向物理尺度依地质形成过程和污染程度不同有明显的地域差异性, 且大多固相厚度在30 cm以上, 个别地区甚至多达1 m(姜霞等, 2012; 张纯敏, 2018).而“沉积物-水界面”概念一般包括对数层(界面上约1 m)、粘滞亚层(界面上约1 cm)、分子扩散边界层(界面上约1 mm)和沉积物相(厚度 < 15 cm)(王永平等, 2013; 范成新, 2019), 其对应的物理尺度明显不满足生态清淤等内源污染控制研究领域的需求.为了弥补这一不足, 本文将水-沉积物界面、沉积物垂向结构、污染物分布特征和水生态健康状况这几个关键理念结合在一起, 提出“水固交错带”这一概念, 建立基于沉积物形成、结构演化和生态功能优化的多角度分析方法.通过分析边界层水体和不同深度沉积物各项物理、化学、生物指标和污染物空间分布特征, 结合白洋淀生态环境修复和科学清淤的目标, 提出研究水固交错带的重要性和基于弹性恢复机制的白洋淀科学清淤与生态空间重构研究方案.评价沉积物内源污染释放风险, 预测清淤的生态环境效应, 以期为浅水湖泊和湿地区域重污染沉积物科学清淤提供科技支撑.

2 生态交错带的研究概况(Overview of ecotone)

生态交错带是指特定尺度下相邻生态系统之间的过渡地带, 具有高生物多样性、特有种和外来种并存、物质流动频繁、时空动态性、结构异质性和脆弱性等一系列特点.生态交错带(Ecotone)最早由Clements提出, 是指由气候决定的植物群丛交迭的应力区(Clements, 1905).随后, Leopld(1933)研究发现, 群落交错带的物种种类与数量明显多于邻近的群落, 并据此提出了“边缘效应(Edges Effect) ”.1987年SCOPE(国际环境问题科学委员会)大会把生态交错带定义为“相邻生态系统之间的交错带, 其特征由相邻生态系统相互作用的空间、时间及强度所决定”(Holand, 1988).目前, 生态交错带的研究主要集中在以下几个方面: ①不同群落生态系统交错带的生物学特性(王庆锁等, 2000)；②生态脆弱带环境的演变(左小安等, 2005)；③湖周、河岸边、源头水及地下水/地表水的水陆交错带(尹澄清, 1995)；④城市进程中的城乡交错带(陈佑启, 2000).

水陆交错带是生态交错带的主要类型之一, 我国水陆交错带的面积初步估计有10万km².水陆交错地带有充足的水分和营养元素；非均一的环境为生物提供了充分的繁殖和生长场所；干湿交替的条件造就了土壤中氧化还原电位的交替和不同性质微生物群落的周期性繁殖, 为有机质的降解和腐质化, 以及营养物质和污染物质的截留、沉积及转化提供了有利条件(赵长盛等, 2012).与毗邻的陆地生态系统和水域生态系统比较, 水陆交错带中生物多样性、初级生产力、次级生产力、土壤中腐殖质含量、对有机物质的降解速率都比较高.

发育良好的水陆交错带的微地貌常以“水体-沼泽带-洲滩带-低湿地带-陆地”结构出现.浅水湖泊中的湖滨带和缓冲带就是典型的水陆交错带.水陆交错带是保护水体安全的最后一道防线, 健康的水陆交错带对流经的河流水体及其所携带物质具有较强的截留和过滤作用(Peterjohn et al., 1984).通过对营养物质的截留, 水陆交错带可以有效净化和保护地表水及地下水水质(Casey et al., 2001).但当水环境受到迫害后, 水陆交错带中的生态功能就会显著下降.表现为水位下降, 水质变化, 原有的清洁优势种濒于消亡, 而喜污耐污类动植物数量增多, 生物多样性明显降低, 从而使物质循环和能量流动不能正常进行, 逐步减弱甚至丧失了水陆交错带对陆源营养物质及污染湖(库)水的截留和缓冲功能, 造成水生态系统的进一步恶化.

3 水固交错带的概念和功能(Concepts and features of sediment water ecotone)

作为生态交错带的重要组成部分, 水-沉积物界面区域和沉积物中间隙水与固体颗粒的交错体系是天然水体营养物质和各种污染物质地球化学循环的重要环节与界面.一方面, 沉积物固体颗粒可以将氮、磷营养元素、重金属、有机污染物等通过吸附、氧化、络合、沉淀等作用沉积下来, 成为流域各种物质的汇.另一方面, 在湖泊外源污染或湖底环境发生变化时, 沉积物中赋存的污染物会随环境条件变化发生一系列物理、化学、生物反应, 从沉积物中转化、解吸、释放出来, 形成上覆水体的污染源.天然水体水-沉积物界面区域发生的固液界面作用包含了沉积交换、氧化还原、吸附解吸等物理、化学、生物多界面过程, 研究涉及物理化学、胶体化学、表面化学、生物化学、地球化学、水生生物学、微生物学、水动力学等众多学科(金相灿等, 2004).这一界面区域既发生着中、微观尺度的界面反应, 也发生着水生态系统与底栖生态系统的交互作用.

3.1 水固交错带的概念

水固交错带指水-沉积物界面上下一定范围内, 水生态系统和沉积物底栖生态系统的交错区, 是上覆水、沉积物和生物及各环境因子之间相互作用和相互制约形成的一个复杂系统, 是天然水体在物理、化学和生物特征等方面差异性最显著和负责水体与沉积物之间物质输送和交换的重要边界环境(图 2).水固交错带(湖底区)和水陆交错带(湖滨区)两个生态交错带共同组成了浅水湖泊中水生态系统和土壤/沉积物生态系统的界面区.

水固交错带这一概念是在现有文献中对于水-沉积物界面概念凝练的基础之上加入了宏观生态效应的理念, 增加了水-沉积物界面概念的垂向物理尺度, 重点关注由于沉积物形成过程和结构不同导致的污染物在水相、固相和气相及在水-固界面和水-气界面等区域的地球化学循环过程与机制的差异, 以及与其对应的特异性水生态和底栖生态修复理念与设计.

3.2 水固交错带的形成和演化

天然水体沉积物是不同地质、气候、水文条件下各类碎屑、黏土、自生/生物成因矿物及有机物质等的综合体.水固交错带中的上覆水体、沉积物、水-沉积物界面层三者之间无时无刻不进行着物质的迁移和交换.这种交换作用与沉积物的粒径、孔隙流体过程、生物混合作用、沉积物再悬浮、沉积速率等因素有关.因此, 要了解水固交错带的性质, 首先要明确水固交错带的形成和演化过程.

以浅水湖泊为例, 水固交错带中的沉积物主要来源于河流, 其次为湖岸岩石的破碎产物.碎屑物质从浅水区进入深水区, 由于动力逐渐减小, 逐步发生沉积.细小的粘土级物质被湖流搬运到湖心, 极缓慢地沉积到湖底, 形成深色的、含有机质的湖泥.其分布特征取决于湖水的密度分层和河流补给物的密度.由于风力、水力条件和生物扰动, 沉积物可能会处于再悬浮状态, 强烈地影响水固交错带表层和扩散亚层中沉积物的含水率、间隙水中污染物浓度、悬浮粘土含量和平均粒径等因子(吴丰昌等, 1996), 从而造成污染物在水-沉积物界面间的再分配.

水固交错带的第二个形成因素是化学作用.水体中溶解度大的组分, 如K、Na、Mg、Ca等的卤化物、硫酸盐很少发生沉淀.河流及地下水带入的Fe、Mn、Al等的胶体物质或盐类物质易受水质变化的影响, 成为化学沉积的主要组成部分.沉积物中的固体颗粒可以将水中的氮、磷营养元素、重金属、有机污染物等通过吸附、氧化、络合、沉淀、凝聚等作用沉积下来, 共同成为水固交错带中的一部分.另一方面, 在外源污染或环境因子发生变化时, 沉积物中赋存的污染物会随环境条件变化发生一系列物理化学和生物反应, 从沉积物中转化、解吸、释放出来, 形成上覆水体的污染源.

水固交错带的第三个形成因素是生物作用.在自然条件下, 水生动植物的残骸会随着水流运动或沉降到湖底, 形成水固交错带中固相物质的来源.有沉水植物分布的水体, 沉积物中的有机质主要来自于沉水植物和附着藻, 特别是硅藻.而无沉水植物分布的水体, 沉积物中的有机质主要来自于蓝藻、浮游藻类和陆源植物(Zhang et al., 2018).固相中动植物的衰亡和腐烂分解会造成氮、磷等生源要素释放, 进入间隙水和上覆水体.在水固交错带中还存在着不同类型的微生物, 如硫氧化菌、金属氧化菌、硫还原菌和金属还原菌等, 发生着硝化、反硝化、硫酸盐还原等一系列反应, 共同主导了水固交错带的生物地球化学循环.

3.3 水固交错带的物理化学性质和生态功能

水固交错带由水相、生物相和沉积物相三相结构组成, 具有明显不同于其他生态系统的结构特性和生态功能.

3.3.1 物理性质

水固交错带中的固相由沉积物、悬浮粒子及来自腐殖质和有机物的胶体粒子组成.沉积物和悬浮粒子的主要成分是粘土矿物、石英砂、金属氧化物、金属氢氧化物和金属碳酸盐等.具有生命的微生物, 如细菌和藻类, 构成了水固交错带中的胶体粒子.依含水率、密度和粒径的不同, 固相可分为易变层(絮凝污泥薄层, 含水率最高)、过渡层和沉积层(含水率最低, 主要由地质作用形成), 各层的抗风浪扰动能力和污染物内源释放能力有明显差异.含水率和孔隙度越大, 表明沉积物各层间弯曲度越小, 沉积物中污染物向上覆水的扩散能力越强.

3.3.2 化学性质

水固交错带特殊的边界效应使该区域的化学过程十分活跃, 主要由有机质、营养盐和污染物的化学性质所体现.

有机质主要为生物腐殖质及人为排放的有机化合物, 在物质循环过程中具有重要的作用.有机质的含量直接体现了沉积物中营养元素碳的赋存状况, 并对沉积物氮、磷等营养元素的释放具有重要影响.有机质的氧化分解会消耗湖泊中的氧, 释放大量可溶物质, 加重上覆水体污染.有机质还可促进沉积物对重金属等污染物的吸附和络合作用, 影响污染物的赋存.水固交错带中的无机氮主要有氨氮、硝氮和亚硝氮, 沉积物中无机氮因其多是可溶性的, 可通过间隙水向上覆水释放扩散, 与上覆水体关系密切.有机氮大多先在有氧条件下经过氨化作用生成氨氮, 然后部分氨氮可直接向上覆水体释放迁移；另一部分氨氮可在氧化条件下继续发生硝化反应生成硝氮和亚硝氮, 并可进一步发生反硝化反应, 形成气态氮.磷元素的主要来源为水体中悬浮颗粒物吸附沉降下来的无机磷及生物循环与人为排放沉积下来的有机磷.沉积物中赋存的磷元素是水体富营养化污染程度及潜在内源污染负荷的重要表征.水固交错带中磷营养元素的迁移交换将对上覆水体产生重要影响.

3.3.3 生态功能

水固交错带是水柱与沉积物物质循环与能量流动的重要区域, 是决定水生态健康与否的关键区域.

水固交错带中的底栖动物可以加速水底碎屑的分解, 调节泥水界面的物质交换, 提高水体的自净能力, 促进沉积物的硝化、反硝化水平, 延长生态系统的生物链.底栖动物对沉积物界面的生物扰动和代谢排放能促进氨氮向上覆水的释放并逐渐加强沉积层中的硝化活动, 加速沉积物中有机质的矿化分解和两相界面间氨氮离子的交换, 促进沉积物氮向水体的释放输出(陈振楼等, 2005).此外, 底栖动物的不同类群对环境污染物的敏感性较大, 因此, 底栖动物的多样性常被用来反映水生态的健康状况(Bere et al., 2016).

水固交错带中的微生物介导着一系列的生物地球化学循环过程, 包括甲烷代谢、脱氮、产氨、硫酸盐还原等.如甲烷从湖泊释放到大气是产甲烷过程和甲烷氧化过程的最终结果, 而甲烷的产生和氧化主要是在产甲烷菌和甲烷氧化菌等微生物的作用下完成的(Roland et al., 2017).微生物还是水固交错带中氮循环的主要驱动力, 如氨氧化细菌和氨氧化古菌等功能微生物可以介导氨氧化过程, 反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌则可以驱动反硝化作用和厌氧氨氧化作用(Zhu et al., 2013).硫酸盐还原过程是沉积物中硫的微生物地球化学循环的主要过程, 其驱动的硫酸盐还原反应是天然水体中SO₄^2-的主要去除机制.水固交错带中硫酸盐还原及硫离子的氧化均会影响水体的缓冲能力和自净能力(Tang et al., 2019b).微生物群落虽然功能十分强大, 但对环境干扰十分敏感, 其结构特征和功能状态可以充分反映水生态系统对污染输入胁迫的恢复力.因此, 生物完整性指数是水体生态系统健康评价的重要指标, 能反映多种生态胁迫对水环境的累积效应.

水固交错带中的沉水植物根系扎于沉积物, 可以通过水-沉积物-植物系统的过滤、渗透、吸收、沉积等物理、化学和生物作用, 控制、减少外源污染的溶解性污染物质, 达到降解污染物、净化水质的目的.但沉水植物的季节性强, 植物腐解过程中可能向水体及沉积物释放氮、磷和有机质, 形成二次污染.与之类似, 底栖藻类可以吸收并固定上覆水中的可溶性磷, 从而导致水体中的总磷和可溶性总磷均降低.但当底栖藻类死亡后, 磷等污染物可能重新释放进入水体中(Golterman, 1995).当发生高等水生植物耐污性种类逐渐代替寡污性种类, 浮游植物生物量明显增加而多样性指数明显降低时, 就代表水生态系统受到了胁迫, 水生态健康水平正在降低.

因此, 当内源污染程度较为严重时, 水固交错带的生态功能会发生明显的退化, 如出现生物多样性降低、生物量降低、动植物耐污选择趋势明显等现象.这时就有必要采取生态清淤等内源污染治理手段, 来有效清除底泥污染物, 减少内源污染释放, 从而提高水环境承载力, 为生境恢复提供前提保障, 促进生态系统的恢复重建.

4 水固交错带与科学清淤(Sediment water ecotone and sediment removal) 4.1 水固交错带特性对科学清淤规划的重要性

科学清淤规划制定要综合考虑水体沉积物组成结构、典型污染物蓄积及污染潜势和底栖生物状况, 通过层次分析法, 构建沉积物污染综合指数, 对目标区域沉积物进行空间分区、分质, 从而为水体水质生态恢复与清淤提供科学依据.

对水固交错带的沉积结构与污染分层进行解析是科学清淤工作的重要环节之一, 也是清淤深度制定的主要依据.目前湖泊清淤深度的确定方法主要有沉积学法、背景值法、拐点法和分层释放速率法(金相灿等, 2013).沉积学法主要根据底泥垂直方向显性物理指标的差异进行科学分层；背景值方法提供了底泥污染与否的比较标准, 适用于清淤深度的粗略判定；拐点法完全根据底泥中污染垂直分布的特征来确定适宜清淤深度, 但需要大量的柱状样采集和分析；分层释放法依据底泥释放速率和污染风险的大小, 判定底泥清淤深度, 但试验周期长且不同采样点结果相差很大.其中, 沉积学法最适用于工程应用.该方法根据底泥的颜色、气味、粒径和黏稠度等显性特征, 将底泥由上至下依次分为污染层、污染过渡层和正常湖泥层.

污染层一般呈黑色或灰黑色, 上部浆状, 下部呈流塑状, 有臭味, 地质沉积年代较新, 有机质沉积速度快, 为近几十年人类活动(富营养化或围隔养殖)对水环境影响的产物.污染层在水体中稍微被搅动就能再悬浮, 是水体内源污染物的主要蓄积库和释放源.污染过渡层多为灰黑色、灰色或灰黄色, 较污染层密实, 通常为淤泥质土, 有机质含量低, 且层内分布相对均匀, 多为弱氧化-还原沉积环境.正常湖泥层颜色为灰黄色、浅黄色至黄色, 多可塑, 质地密实, 粘质-粉砂质, 为氧化-弱氧化沉积环境.

各层之间含水率、容重、污染物含量、污染物内源释放潜力等指标均有显著差异.尤其是沉积物中有机质的量和质对微生物活动具有重要的影响, 与营养盐等污染物释放能力呈明显正相关, 很大程度上影响着水固交错带中水生生态系统和沉积物生态系统的各项参数.综合考虑上覆水体水质达标程度、底泥污染贡献(或生态风险)及多水源受水区水力停留时间, 构建相应指标体系, 综合计算不同水体单元清淤指数或清淤等级, 并进行分区.科学梳理清淤工程实施边界条件, 结合生态恢复、通航建设及防洪泄洪需求, 同时从经济可行性及安全性角度提出清淤工程量, 包括清淤范围、清淤深度和清淤量, 最终形成科学清淤规划方案.因此, 必须掌握水固交错带中沉积物的各项物理、化学、生物指标, 才能因地制宜地制定出科学的清淤规划.

4.2 清淤对水固交错带生态环境的潜在影响

清淤要挖走水固交错带固相中的污染层和部分过渡层, 因此, 引起的生态环境效应涉及一个湖泊从无机环境到生物群落, 从生态系统的基本结构到物质循环和能量流动等方方面面(刘剑彤等, 2017).若清淤深度不足, 则难以达到削减内源污染负荷的目的；若过度清淤会削弱底部对污染的缓冲能力, 破坏湖底生境, 给后续湖底可能进行的沉水植被恢复和生态工程重建增加困难.不同深度的清淤对去除内源污染的中长期效果和后期底栖生态恢复所需的时间有显著的影响(Kleeberg et al., 1999; 胡晓东等, 2016).

清淤会在短期内削弱水固交错带的生态功能, 如工程区域沉积物中动植物及微生物群落的短期退化(Cao et al., 2007; 钟继承等, 2010), 营养盐循环能力和初级生产力降低, 并通过上行效应作用于水固交错带的整个食物网.随着工程后期的群落演替和生境恢复, 生物多样性会逐步上升, 优势类群发生更迭, 重新趋向稳定于健康的生态系统.

疏浚区暴露出的沉积物亚表层将在氧化还原电位、pH、溶解氧等理化环境等方面发生不同程度和时间尺度的改变.污染物可能在清淤后新生表层的沉积物-水界面发生扩散、吸附、解吸等许多反应过程, 给水生态系统和底栖生态系统带来巨大的扰动(Zhang et al., 2010).清淤会使沉积物中的底栖生物群落遭受到严重干扰, 从而通过影响生物的作用影响到水中污染物的扩散或持留.清淤还可能通过改变水体理化环境和营养盐含量间接影响藻类的生长.由于清淤过程可能引起固体颗粒悬浮, 会降低水体的透明度, 抑制浮游植物的光合作用(钟继承等, 2007)；同时作为一种物理屏障, 悬浮颗粒物在一定程度上阻碍了水中的气体交换, 影响了水体中溶解氧的补给, 因此减弱了浮游植物光合作用和呼吸作用, 从而影响藻类的生长, 进而影响生态系统的整个食物链.

5 有关白洋淀科学清淤工作的设想─基于弹性机制的生态空间重构(Conception of sediment removal of Baiyangdian lake)

白洋淀属海河流域大清河水系, 总流域面积31199 km², 占整个大清河水系流域面积(45131 km²)的69.13%(安新县地方志办公室, 1996).流域内多年平均水资源量为31.18亿m³, 人均水资源量仅为297 m³, 大大低于国际公认的人均500 m³的极度缺水线, 属极度缺水地区(CIA, 2008).流域人口稠密, 每平方公里已超过448人, 大大高于全球人口密度45人· km^-2.由于受自然条件和人类活动影响, 河流地表径流减少, 且接纳了大量的城镇生活污水、工业废水和农业上大量的农药、化肥, 造成水质严重污染, 导致白洋淀流域生态环境受到严重威胁.据水利部海河水利委员会《海河流域水资源公报(2017)》评估结果, 白洋淀约一半水域水质为V类, 8%的水域水质为劣V类, 沉积物存在不同程度污染, 约2/3的水体达不到水域功能的基本标准.

目前, 白洋淀的生态系统主要存在以下环境问题：①区域入淀河流水资源禀赋差, 河流水污染严重；②白洋淀内源污染负荷高, 影响水体的水质改善；③白洋淀区生物多样性下降, 水动力学过程弱化, 水生生态结构和功能退化.沉积物是白洋淀湿地的重要内源污染源来源, 有大量污染物沉积其中.在一定条件下, 污染物会从沉积物中释放出来, 重新进入水体, 造成二次污染.沉积物中氮、磷营养盐及难降解的有毒有害物质等污染物含量较高, 已经成为白洋淀的主要污染源.因此, 有必要对淀区污染较重的沉积物进行科学清淤, 以促进淀区生态系统的恢复, 保障白洋淀地区水环境安全和水生态健康.

5.1 白洋淀湿地中的水陆交错带和水固交错带

作为永定河冲积扇与滹沱河冲积扇相夹峙的低洼地区, 白洋淀是典型的地球化学迁移-累积过渡区, 属于典型的水陆交错生态系统(章申等, 1995).白洋淀淀区内分布的苇丛、台地与纵横交错沟壕的净化和缓冲功能, 延缓了白洋淀的水质恶化和湿地退化进程.白洋淀内部错综复杂、纤脉纵横的沟壕-植物床系统成为淀区的典型景观特征, 淀内主要由白洋淀、烧车淀、藻苲淀等大小不等的143个淀泊和3700多条沟壕组成.白洋淀湿地具有开阔水体、养殖水体、河流、航道、沟壕等多种地貌特征, 分别对应不同类型的下垫面和水固交错带.

在白洋淀湿地中, 水固交错带和水陆交错带存在完美的结合.将两种交错带中的科学问题综合考虑, 才能制定出系统、科学的生态恢复方案.20世纪80年代以来, 由于白洋淀水源补给不足, 水位下降, 干淀频繁, 大量污染物质的排入及土地利用类型的改变, 导致白洋淀水陆交错带退化现象日益加剧, 沼泽化日益严重.因此, 需要针对白洋淀水生系统污染严重、淀区沉积物淤塞的问题, 研究水固交错带中污染物的迁移转化规律, 并对污染进行生态风险评估, 进一步耦合集成精准生态清淤方案, 才能实现污染负荷的削减和淀区水动力的提高, 为白洋淀淀区生态空间扩容提供技术支持.

5.2 白洋淀水固交错带中的沉积物特征 5.2.1 与时间相关

近几十年来, 白洋淀的地表水位随年份和季节波动较大.20世纪60年代以后因干旱少雨出现数次干淀, 1984—1987年曾连续5年干淀.1988年下半年由于连降暴雨及入淀河流上游山洪的汇集, 白洋淀重新蓄水.为维持湿地生态系统基本功能, 1996年以来引水济淀32次.遥感调查结果证明, 1995年白洋淀水域面积为177 km², 2005年仅为53 km², 2015年“引黄济淀”后为78.5 km²(图 3).

水位的大幅度涨落会导致湖泊沿岸带和水固交错带中的沉积物经历大面积的干湿交替过程.而逐渐干燥的沉积物会发生结构上的变化, 如收缩、致密及细颗粒的聚集或大颗粒的分解等(Bresson et al., 1995; 刘华丽等, 2012).干湿交替还将加速沉积物有机碳的分解, 强化沉积物硝化与硝化作用的偶联, 促进沉积物磷的酶促水解和厌氧解离, 从而增加再度淹没之后水中溶解有机碳和生物可利用性磷的浓度, 并减少溶解无机态氮的浓度.这些物理化学和生物性状的变化必然影响水固交错带中营养元素和污染物的含量、形态与吸附释放行为.

5.2.2 与空间相关

白洋淀地理环境复杂, 各区域的沉积物性质各有不同.通常依据白洋淀的水文地质、人为活动影响、污染来源和功能分区, 将白洋淀划分为8个片区(图 4)：藻苲淀、府河-南刘庄、唐、孝河-端村、烧车淀、淀头片、采蒲台片区、圈头东片区和光淀-枣林庄.按照使用功能, 又可分为大淀面、苇塘、鱼塘、旱地、荷塘、稻田、林草地等.各功能用地分布较为集中, 西侧自然湿地风貌完好, 北侧苇田密布, 中部以开阔水面和荷塘为主, 整体上淀区各区块功能碎片化.淀区地势平坦, 水位高差降幅小, 湿地内水域为静止或缓流型水体.总体而言, 白洋淀淀区下垫面类型丰富, 部分区域污染底泥淤积严重, 内源污染释放潜力大, 水动力阻隔明显.

5.2.3 与污染程度相关

白洋淀区域内草型湖泊、藻型湖泊水体环境转换特征明显.白洋淀一半区域为草-藻过渡型湖泊, 草型湖泊面积不足20%, 且草型湖泊主要分布在枣林庄片区和采蒲台片区；藻型湖泊主要分布在淀内人口聚居区南刘庄、王家寨周边和淀区西部淀边村周边及圈头养殖区；其他片区为草-藻过渡型湖泊分布区, 主要分布在北部烧车淀、东北部、前塘周边和东南部(刁晓君等, 2013).藻型湖区由于蓝藻水华的存在, 能显著增加水体中pH值并刺激沉积物中溶解性营养盐的释放或者降低表层沉积物对磷的滞留能力(Xie et al., 2003).

5.3 基于弹性恢复机制的白洋淀科学清淤与生态系统重构

白洋淀淀区下垫面类型丰富, 内源污染治理应根据水样、沉积物样品取样分析, 因地制宜地采取科学清淤、水生动植物平衡管控等不同的针对性措施.对于科学清淤而言, 白洋淀沉积物的历史演变研究是其中的基础所在.如何确定其历史演变的依据, 找到污染源迁移变化的途径, 构建沉积物内源污染数学模型, 是把握科学清淤范围的关键.对于白洋淀科学清淤与生态重建, 建议采取以下措施：

1) 基于沉积物污染空间分布调查结果, 勘探调研白洋淀沉积环境与沉积特征, 获得白洋淀重污染区域空间结构与沉积物淤积分布状况, 涵盖白洋淀重污染区域水下地形与沉积物空间数据, 反映白洋淀现阶段重污染区域沉积物淤积情况.

2) 考虑白洋淀淀区沉积物污染对水质的影响, 分析淀区潜在污染物清单, 制定淀内整体污染调查方案.通过测定不同区域、不同深度沉积物各项指标, 分析沉积物污染物空间分布特征, 评价白洋淀全淀区范围沉积物污染风险.

3) 基于现阶段白洋淀沉积物污染现状, 研究污染物在沉积物与上覆水中的分布特征, 确定其在上覆水与沉积物中的迁移规律；研究不同环境因子下内源污染物形态差异, 确定环境因子对沉积物污染物转化的影响.总结白洋淀淀区沉积物各项污染物在水固交错带中的迁移转化规律, 进一步揭示白洋淀沉积物潜在生态风险.

4) 基于沉积物污染物调查与迁移转化规律研究结果, 确定污染物在不同区域沉积物-上覆水界面的源汇特征.通过分析淀区水固交错带中不同层次污染物含量, 获得研究对象的垂向分布特征, 分区域计算沉积物-上覆水界面以营养盐为主的污染物扩散通量, 确定污染物在沉积物和上覆水中的交换量, 掌握淀区内源污染物负荷状况, 为评估沉积物内源污染贡献力、制定科学清淤计划提供理论依据和数据支撑.

5) 构建底栖生态系统修复技术方案, 包括淀区主要区域底栖大型沉水植物和大型底栖动物的现状分析、清淤区域底栖优势物种的确定、清淤区域大型沉水植物修复方案和食物网分析.通过人工辅助种植和自然恢复相结合的方法恢复水生植物, 恢复水固交错带生物多样性.

6) 在建立生态风险评估方法和数值模拟的基础上, 深入研究近年来白洋淀淀区的生态系统退化的原因, 围绕淀区生态系统恢复弹性的科学问题, 揭示淀区水量、水质和水生生物群落演替等对生态系统弹性恢复的影响, 揭示白洋淀生态系统的弹性恢复的科学方法.

6 结论(Conlusions)

水固交错带是水柱与沉积物物质循环与能量流动的重要区域.白洋淀部分区域水固交错带中沉积了大量的污染物且淤塞严重, 《白洋淀生态环境治理和保护规划(2018—2035年)》对这部分污染底泥提出了明确的治理要求.因此, 有必要在调查白洋淀水固交错带中沉积物历史演变、地质结构、淤积特征和典型污染物空间分布的基础上, 从沉积物组成结构、污染物蓄积及污染潜势、水生态健康状况等方面入手, 获得重污染区域空间结构与沉积物淤积分布状况.结合沉积物中各种污染物在水固交错带中的迁移转化规律, 找到控制目标水体内源污染的科学方法和清淤的范围和深度.在清淤的同时要考虑生态整治措施, 既要防止清淤后暴露出的厌氧层释放污染物引起的水污染反弹, 又要综合考虑清淤实施后底栖生态系统的重新构建.如此才能借清淤之手, 实现目标水域生态系统的弹性恢复.