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从源头抓起:湿地恢复有助于改善水体氮污染

媒体:Nature Portfolio  作者:内详
专业号:中国沿海湿地保护网络
2021/10/8 15:10:13

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原文作者:Jacques C. Finlay

湿地能有效去除水中的硝酸盐污染。一项分析表明,在美国,这种作用受到湿地分布的限制,因此可以围绕硝酸盐源头有针对性地进行湿地恢复以此增加该效益。

人类活动已经导致环境中的活性氮化合物(可以被生物体直接利用于生长的氮元素形态)的数量增多。由此产生的过剩的活性氮对生态系统、气候、以及人类的健康和福祉都产生了深远影响[1]。肥料是全球最大的人为氮源[2],虽然人们已经作出了巨大的努力来减少氮从农田流向地下水和地表水系,但是结果喜忧参半。Cheng等人[3]在《自然》发表的论文指出,美国河流氮污染的源头通常与现有湿地是地理上隔开的(图1),这些湿地系统可以去除水中的硝酸盐,同时他们在文中展示了以硝酸盐源头为目标的湿地恢复将对下游水质产生重大利好影响。

湿地对于水质的有益影响已得到充分的记录,而且湿地在城市和农村环境中被广泛应用于消除人类活动所造成的污染[4]。硝酸盐往往是水体氮污染的主要形式,而湿地的生物地球化学条件特别有利于硝酸盐的去除。然而,在过去的两个世纪里,全球湿地面积急剧地减少[5-6],尽管建立了更多保护措施,湿地的衰退仍在继续。恢复湿地的必要性是显而易见的,然而恢复的湿地对于大型集水区内去除硝酸盐的潜在贡献很难通过将单一湿地的影响按比例放大去做量化。因为湿地在氮源周边的地理分布对于水质的好坏有着极其敏感的影响[7-9]。

Cheng等人通过将美国湿地分布清单与氮迁移模型相结合解决了这一难题。他们的分析比以往的研究更精准地确认了农村地区原有和恢复的湿地在减少河流氮污染问题上起到不成比例的巨大作用。如果没有这些湿地,氮污染在沿海地区以及许多内陆水域都将产生更为严重的负面影响。

然后,这几位作者又假想了扩大美国湿地覆盖范围后的情景,其中将当前湿地与径流中氮含量高的地区之间的巨大分布差异考虑在内。他们估计,与目前的水平相比,如果在氮流量最高的农村地区将湿地面积增加10%的话,湿地对氮的去除率几乎会增加一倍。当然,这样的恢复工程将是昂贵的,每年需要数十亿美元的投资才能将适量的生产性农田转作为湿地。然而,正如Cheng等人所讨论的,这个极具进取性的方案可能在规模上与现行的自然保护支出相当,因此重新确定资金的优先级,更有效地针对氮源做文章,就可能支付该方案的部分开销。这项研究有力证明了,更好地利用自然保护投资,能解决氮污染这一棘手问题。

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图1|旧金山南湾区恢复的湿地。Cheng等人[3]报道了针对美国硝酸盐污染最严重的地区进行的湿地恢复,可能会对改善环境水质产生重大影响。来源:Getty

在大规模扩展湿地恢复之前,还有许多其他挑战需要解决。如果要按照作者描述的方案去全面理解恢复的经济意义,就需要对收益和其他成本进行更全面的核算。例如,湿地还提供其他重要的生态服务功能,比如隔离大气中的碳、支持生物多样性、减少洪水和河岸侵蚀[6]。因此,湿地恢复的好处将扩展到其他生态服务功能上。

然而,湿地的危害,诸如温室气体的释放[10],可能会抵消掉其中一些好处。对于像磷这样的农业污染物,湿地无法有效地将其去除,因此需要持续不断的努力去阻断这些污染物的迁移。最后,必须解决美国联邦政府对于在私人土地上的水资源管理的政策和法律的巨大不确定性[11],方能克服保护工作上的障碍。尽管面临这些挑战,Cheng和同事的工作还是为实现美国长期以来难以实现的政策目标提供了一套方案。

作者指出,随着数据和建模工具的可用性不断增强,将会为湿地恢复创造更多在单个河流集水区内被有效利用的机会。例如,如果上游湿地已经减少了硝酸盐的进入量,那么下游湿地的效益可能就会随之减少;Cheng等人无法在他们的全国性研究中深入探讨这种影响,但是一些较小尺度上的具体研究(参见文献[9]和[12])可能有助于进一步优化恢复的湿地的布局,以最大限度地提高硝酸盐去除和其他生态服务的效益[13]。

鉴于全球竞争、贸易政策和气候变化給美国农业造成越来越大的经济压力,大规模湿地恢复的成本肯定将会是一项挑战。然而,在实现减少氮污染的目标方面缺乏进展,以及全球变暖可能会令这种污染恶化,意味着我们需要新的方法。Cheng和同事的研究结果为在流域规模的农业用地管理中重新重视湿地恢复提供了一个令人信服的案例。通过识别出目前美国氮污染的源和汇之间的不匹配关系,作者为更高效地释放出湿地恢复的潜力以帮助解决水质问题提供了路线图。

参考文献:

1. Organisation of Economic Co-operation and Development. Human Acceleration of the Nitrogen Cycle (OECD, 2018).

2. Galloway, J. N. et al. Bioscience 53, 341–356 (2003).

3. Cheng, F. Y. et al. Nature 588, 625–630 (2020).

4. Mitsch, W. & Gosselink, J. Wetlands 5th edn, Ch. 19 (Wiley, 2015).

5. Gardner, R. C. & Finlayson, M. Global Wetland Outlook: State of the World’s Wetlands and their Services to People 2018 (Ramsar Convention Secretariat, 2018).

6. Zedler, J. B. & Kercher, S. Annu. Rev. Environ. Resour. 30, 39–74, (2005).

7. Mitsch, W. J. & Gosselink, J. G. Ecol. Econ. 35, 25–33 (2000).

8. Crumpton, W. G. Water Sci. Technol. 44, 559–564 (2001).

9. Hansen, A. T., Dolph, C. L., Foufoula-Georgiou, E. & Finlay, J. C. Nature Geosci. 11, 127 (2018).

10. Burgin, A. J., Lazar, J. G., Groffman, P. M., Gold, A. J. & Kellogg, D. Q. Ecol. Eng. 56, 26–35 (2013).

11. Creed, I. F. et al. Nature Geosci. 10, 809–815 (2017).

12. Czuba, J. A., Hansen, A. T., Foufoula-Giorgiu, E. & Finlay, J. C. Water Resour. Res. 54, 1312–1337 (2018).

13. Zedler, J. B. Front. Ecol. Environ. 1, 65–72 (2003).

原文以Targeted wetland restoration could greatly reduce nitrogen pollution标题发表在 2020年12月17日的《自然》的新闻与观点版块上

© nature

doi: 10.1038/d41586-020-03515-7


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