河口潮汐栖息地生态恢复新技术CRT原理与应用——以比利时Schelde 河口为例

杨 欢，于瑞宏，郝瑞英，郝 韵，张宇瑾

(内蒙古大学 环境与资源学院，内蒙古 呼和浩特 010021)

潮汐湿地生态系统作为陆地和沿海水域的接口，在保持和改善水质、促进河口生物地球化学C、N、P 的循环中起着重要作用。完整的潮汐湿地生态系统能够保持生境的多样性，并促进能量及营养的循环，是许多鸟类、鱼类、底栖生物的重要栖息地。健康的潮汐栖息地湿地生态系统具有巨大的环境效益。然而，工业、农业及城市发展带来的过度开发和污染，使得全球范围原本丰富的潮间带生境及潮汐栖息地大幅度退化［1-5］，潮汐栖息地生态恢复已迫在眉睫。目前，北美和西欧越来越多的河口潮汐栖息地恢复计划已经开始实施。

潮间带生境的丧失是全球性的环境问题，而潮汐栖息地对河口生态功能起着至关重要的作用，为了对潮间带潮汐栖息地的侵蚀和水土流失进行补偿，并减少进一步的损失，许多国家已着手开展潮汐栖息地的生态恢复工作。现有的河口潮汐栖息地恢复技术主要包括Managed Realignment 和RTE(Regulated Tidal Exchange)。Managed Realignment 技术是通过破坏或拆除已有堤坝来恢复潮汐周期，进而恢复潮汐栖息地的生态环境［6］。该技术可以将潮汐栖息地恢复成盐沼地，但在低海拔区域无论大潮小潮都会造成整体的淹没，使其潮汐栖息地变为泥滩，若变更实施方案，则需要投入更多资金且工程复杂［7］，此外，由于其不能提供鸟类栖息地［8］，生物多样性修复效果欠佳，尽管提出了多种补偿措施，但仍不能获得公众的支持［9］。RTE 技术是通过使用较多的工程结构(溢洪道、涵洞、水闸、潮门或自流井)对潮汐系统进行调节［10］，这项技术已在美国、加拿大、英国、法国、比利时、德国和荷兰得到广泛的应用。但工程结构的人工调节消减了自然潮汐的变化及周期性，阻碍了潮汐栖息地的梯度修复，加之维护机械构件产生的高昂成本，使得RTE 技术的应用潜力大大降低。由于现有潮汐栖息地恢复技术存在的不足，在对RTE 优化改进的基础上，CRT 应运而生。

CRT(controlled reduced tide)技术最先由Cox 等学者提出，在比利时政府的推动下，于2006年3月成功应用于比利时Schelde 河口［11］，其后各专家学者围绕该河口CRT 系统从植被恢复、水文特征、鸟类群落等方面开展了深入细致的研究。2008年，Jacobs 等研究了Schelde 河口CRT 系统SiO2的时空分布［12］，阐明了系统入口及不同栖息地SiO2的来源及其缓冲能力，继而于2009年通过对淡水植被恢复效果的研究，揭示了区域植被群落发展的驱动因素［13］。2011年，Vandenbruwaene 等对CRT 系统与相邻自然潮汐沼泽的沉积作用及其对海平面上升的响应进行了比较分析，结果表明适当的库容管理能有效提高CRT 系统的安全性［14］，其后通过对CRT 系统潮汐网络形态剖析及水力参数计算，研究得出了潮汐通道网络的形成和演化过程［15］。Beauchard 等则于2011年通过对CRT 研究区形态及水文特征的分析［16］，揭示了CRT 的优越性，接下来的两年，深入研究了土壤生物扰动模式与底栖生物群落之间的关系，以及鸟类的群落结构恢复及其影响因素，进一步验证了CRT 系统的推广应用潜力［17.18］。Teuchies 等则在2012年及2013年探讨了沉积物及湿地植物重金属浓度的变化及累积过程，揭示了重金属的流动路径及去向，对CRT 系统内潮汐恢复对重金属的迁移、转化、富集的影响进行了研究［19-21］。

CRT 技术对潮汐栖息地的恢复研究已成为热点问题，并得到了广大从事河口湿地恢复研究学者的关注。作为一种新生的河口潮汐栖息地恢复技术，拥有巨大的发展潜力。

1 CRT 技术

CRT 克服了堤防建设和土壤沉降对沿海地区潮汐栖息地恢复的局限性，成功地将防洪和潮汐栖息地恢复相结合，可有效并完整地恢复潮间带潮汐规律及生境梯度，并且无需使用复杂的机械或电子系统，在节省大量维修费用及人工投入的同时更易于管理，恢复效果更接近自然状态。

1.1 CRT 技术原理

CRT 技术的本质是削减潮汐的闸控技术，通过双层孔流来控制进入到研究区内的潮汐流量，引入的大潮小潮动力，符合湿地生态修复的水动力需求，使低潮易进，高潮难进，并防御洪水。

CRT 技术的原理是在已有堤坝的基础上，通过运用简单的水闸结构恢复河口潮间带生境潮汐规律的技术(图1)。在低海拔区域引入CRT 技术来修复潮汐栖息地生态系统需要实施以下步骤:①建立一个环形堤坝(外坝)，以保护周围的土地免受洪水灾害;②降低临时存储潮水的河堤高度(内坝);③在内坝上构建一个较高的入口涵洞和一个较低的出口水闸来完成潮汐交换，实现潮汐周期规律［22］;④外坝高度高于内坝高度，使得CRT 系统在恢复生态的同时有效地防止洪灾发生。

CRT 通过高入口低出口(图1)驱动潮汐频率和高度，实现大小潮周期性变化［15］。在小潮期，潮汐高度在出口涵洞与入口涵洞高度之间，潮汐被阻隔在CRT 系统之外，系统内水位基本保持稳定;在大潮期，潮汐高度高于入口涵洞但低于内坝高度，部分潮汐通过高入口涵洞进入CRT 系统，系统内水位在大潮期仍低于河口水位，缓解了潮汐高峰的高度。潮期过后，河口水位降低到淹没区域(即低于出口涵洞)，系统内水位高于出口涵洞，内坝两侧水位压差将出口闸门打开使水部分排出;在洪水期，洪水高度大于内坝高度，洪水不仅可以通过高入口涵洞，还可以越过内坝顶部进入CRT 系统，部分洪水进入系统内，这对洪水峰值起到一定缓冲和延时作用。由于研究区海拔高度较低，在洪水期可以发挥巨大的储存量，这在一定程度上缓解了洪水流量，降低了洪水对附近地区的损害。

图1 CRT 工作原理［16］Fig.1 The working principle of the CRT［16］

1.2 CRT 技术适用性

CRT 适用于已建有堤坝的河口。尽管堤防建设破坏了河口水文完整性，但为沼泽水文的建立提供了条件，同时将研究区形态与水文条件相结合，可为潮汐沼泽发展提供适宜的物理基础。

在堤坝围垦区，由于缺少冲刷及沉降作用，研究区海拔较天然潮汐栖息地要低，CRT 技术的实施过程不依赖于河口水位高度和泥沙量的变化，拓展了可修复区域。在大潮期，潮水淹没整个CRT 区域，而在小潮期，仅淹没部分区域，大小潮交替及淹没频率的变化使系统内的大小潮周期更接近自然潮汐状态［23］。与其它水文因素相比，大小潮周期的淹没频率是驱动生态系统大部分恢复进程的必要条件，而CRT 对淹没频率的修复效果最为显著［16］。由于CRT 技术拥有的防洪功能，可以在一些洪水频率较低却又不得不筑堤保护的区域进行使用，进而克服了土地利用限制，增加了可利用土地资源［11］。

2 CRT 应用实例及修复效果

CRT 系统的首次应用位于比利时Hamme(51°05＇10＇N;4°10＇20＇E)的Lippenbroek，它是Schelde 河口潮间带的一个淡水区［17］，占地面积约10 hm2。Schelde 河(见图2)流经法国、比利时和荷兰［24］，流域面积21.863 km2。Lippenbroek 所在河口是一个高度富营养化的强潮河口，强潮侵蚀下形成了大面积的无植被沙泥区域，河口地表水中的悬浮物和沉淀物含有的微量金属浓度较高。

图2 Lippenbroek 研究区示意［18］Fig.2 Location map of the study area in Lippenbroek［18］

2003年以前，Lippenbroek 研究区土地类型以农田为主，集中轮种玉米、胡萝卜和马铃薯，低海拔区自然生长有杨树和柳树;2003年该轮种系统被废弃;2003 ～2005年为CRT 系统建设阶段［12］，在此期间农作物被密集的湿地先锋植物替换(主要是柳兰和荨麻)，湿地植被开始重新生长;2006年3月CRT系统开始对潮汐频率进行修复，随着泥沙淤积和潮汐侵蚀过程的加速，低海拔河口出现了清晰的物理梯度［15］，逐步形成典型的潮汐沼泽地貌，土地利用类型随之发生改变。经过对Lippenbroek 研究区的监测及研究，CRT 系统在恢复潮间带潮汐栖息地时，明显改变了圩田的沉积和侵蚀过程［19］，恢复了典型的潮汐淡水植被，在生态修复上取得了预期的效果。

CRT 技术在Schelde 河口的实施应用引起了广泛的关注，在Flemish 政府和环保基础建设部门的大力支持下，学者们对研究区恢复效果进行了多学科的研究［12-21］。

2.1 潮汐周期的修复

在恢复潮间带湿地生态的过程中，大小潮周期能够驱动许多生态过程，并且贯穿生态系统修复进程始终，因此对大小潮周期的恢复显得尤为重要。连续湿润和干燥阶段的交替，不仅可以促进脉冲气体的排放，而且可增强生物地球化学营养循环的动力以促进植物群落、鱼类、鸟类的定殖和发展。

2006年3月至2010年3月，Beauchard 等［16］在CRT 研究区连续监测及记录的基础上，对Lippenbroek 研究区内不同海拔位置的淹没频率进行计算，同时选择一个自然河口作为参照河口，与CRT 研究区的潮汐特性进行比较。为确保二者时空模式的配比精度，采用雷达高度表和声学验潮站对参照河口进行监测。以日尺度为例，通过比较CRT 和参照河口的大潮期(图3(a))和小潮期(图3(b))的潮汐高度，可以看出，CRT 系统较参照河口潮汐周期的潮汐高度振幅要小，有延迟潮汐峰值时间的功能。以月(季)尺度为例(图3(c)、(d))，将参照河口与CRT 系统的平均潮汐水位设为100%［16］，CRT 系统大小潮期间最高水位离均值更远，潮汐振幅更加明显，这一特征使得CRT 系统即使在低海拔区也能够恢复大小潮周期特性。

题目：图书馆门前建了两个同样大小的圆柱形花坛。花坛的底面直径为6米，高为0.9米，往里装泥土的高是0.7米，两个花坛中共需要填土多少方？

图3 CRT 与参照河口潮汐周期对比［22］Fig.3 Comparative illustration of the tide cycles between the estuary and the CRT［22］

Vandenbruwaene 等［14］在已有研究基础上，以月尺度为例(见图4)，在两个大小潮周期内对比CRT (图4下部线)与参照河口(图4 上部线)的水位(参照河口只截取4 m 以上的水位)。结果表明CRT 在恢复潮汐大小潮周期的同时，对潮汐振幅有所减缓，为营养物质沉积、动植物定殖提供了有力的条件，得到的CRT 潮汐周期特性与Beauchard 等所得结果［16］(见图3)几乎相同。

图4 CRT 与参照河口水位比较［14］Fig.4 Comparative illustration of the water level between the estuary and the CRT［14］

2.2 潮汐通道的恢复

潮汐通道是潮水由河海延伸向湿地或潮滩的潮流通道，它是水、沉积物、营养物、浮游生物和污染物在潮间带和潮下带河口及沿岸地区进行交换的主要路径。潮汐通道的修复对潮间带生态系统服务功能及潮汐沼泽区生态多样性的恢复起着至关重要的作用。

Vandenbruwaene 等［15］为了监控研究区潮汐通道的形成以及演变过程，首先在2006年3月对已经存在的潮汐通道进行测量(见图5(a))，作为实施CRT 系统的初始状态，之后每年进行一次实地测量(图5(b)～5(e))。通过GIS 处理，推导出通道宽度、深度、横截面面积、河网密度、主流长度、潮汐放电和流域面积等参数，运用地形动力学建模来研究潮汐通道网络的形成和演化过程。

图5 潮汐通道网络进化平面图［15］Fig.5 Planimetric evolution of the CRT marsh network［15］

研究表明经过2 ～3年的CRT 潮汐恢复，研究区内通道的横截面与潮汐流量相对平衡，主流长度、流域排水通道密度与潮汐放电也已平衡;经过3 ～4年，研究区内形成了多条新的支路通道，通道河网变得清晰明显，通道密度及深度都有所增加(图5(a)～5(e))。经过4年的潮汐恢复后，修复结果虽与自然潮汐沼泽通道网络相比尚有差距(图5(f))，但根据研究区通道网络的发展及演化，预计在未来几年，潮汐通道网络会进一步扩展和深化，CRT 研究区所拥有的巨大修复潜力将得以彰显［15］。

2.3 植被修复

CRT 大小潮周期脉冲形成的连续水淹和干燥的交替，促进了潮汐栖息地的气体排放及生物地球化学循环中养分的循环，为植物的定植和持久生长提供了适宜的生存环境。同时水位动态模拟也表明CRT 对大小潮的恢复最大限度地促进了湿地植被的生长。

在进行潮汐规律恢复以后，植被的组成、密度发生了变化［13］。在沼泽演替初期阶段，先锋树种以柳叶菜、陆地棉、千屈菜、荨麻为主，随后密集的芦苇、香蒲大面积扩展，泥滩总面积有所下降［18］;沼泽高潮演替阶段，内陆生总生物量减少，水生植物物种更占优势。CRT 系统植物群落的发展与自然状况的潮汐淡水沼泽植物群落的发展进程几乎一致，虽然初期植被的建立有些缓慢，但潮汐沼泽湿地物种能够逐渐占据主导地位并快速替代陆地物种，原来的农业区域很快被典型的潮汐淡水植被覆盖［13］。植被覆盖面积的增加降低了潮汐的水流速度，增强了污染物的沉降作用及底泥的有机质投入，强化了沼泽的营养保持能力，从而促进了潮汐沼泽的修复进程。

2.4 土壤重金属污染修复

20 世纪60年代和70年代，Lippenbroek 研究区作为农业区大量施用化肥，土壤污染较为严重。加之常年使用污水灌溉，导致河口附近地区土壤中的微量重金属浓度过高，浅层土壤中砷、铬、铜、镉、铅和锌浓度均超标［19］。在CRT 系统运行过程中，通过潮间带潮汐周期的重建，可以延长浸水时间，有助金属硫化物沉淀，降低表层沉积物的重金属浓度，改善水质，降低污染区的清洁成本。CRT 系统实施三年后，恢复区表层土壤重金属浓度显著下降，与邻近参照河口的沉积物金属浓度相近，土壤重金属污染修复效果良好。

基于前期研究结果，Teuchies 等［20］对CRT 研究区重金属浓度对土壤的影响进行了研究，并运用BCR 连续提取、酸挥发性硫化物(AVS)、同步萃取重金属(SEM)以及植物金属浓度测定等方法对重金属流动进行了评估。通过对研究区内29 种优势物种含有的重金属浓度与沼泽地生物质重金属浓度，以及不同季节抽样得到的植物重金属总量与陆生植物总量的研究(见图6)得出:植物总生物量从2007年秋季的3.18 ±0.87 t/hm2增至2011年秋季的9.47 ±2.15 t/hm2;植物体内总金属含量(铬，铜，铁，锰，镍，铅，锌)也相应增加。由于60%的镉累积在柳属类植物中，因此，总镉含量的减少可以归因于水生物物种优势增强导致的柳属生物量的减少［21］。

恢复过程中湿地植被的大量生长以及对重金属的富集，改善了研究区域重金属污染状况及水质，因此，将农业用地改为潮汐湿地降低了河口重金属对食物链的污染［20］。Teuchies 等［20］还根据总金属浓度金属分馏和SEM-AVS 以及优势种不同组织中的金属浓度研究，评估潮汐沼泽栖息地恢复受污染区域的金属流动性和可用性变化，为潮汐湿地修复在金属的生物利用度上提供数据支持。

图6 不同季节抽样得到的金属总量及陆生植物总量［20］Fig.6 Estimation of the total metal content and total biomass of the aboveground plants for different sampling seasons［20］

2.5 动物修复

Schelde 河口正常流速达1 m/s，而在CRT 系统内流速仅为2 cm/s。由于系统内流速低，剪切应力小，有机物等营养物质更容易在淤泥及粘土内的沉积物表面附着与储存，增加了底栖生物所需的食物量［20］。沉积物中微生物的代谢活动促进了无脊椎动物群落的建立，这对动物种群修复起到了重要作用。经Beauchard等［17］研究，CRT 研究区生物扩散量最大可达3.1 cm2/a，经过一年的修复，栖息地的生物扰动就可恢复到正常水平。

生物扰动是土壤中生物活性的表现形式，在自然与农业领域，陆地生物扰动主要由蚯蚓主导，而潮汐栖息地沿淹没梯度形成的生物扰动模式则具有梯度性，不同的梯度由不同的生物主导［17］。CRT 系统中，经常被淹没的低海拔区域主要生长无脊椎动物(水生蠕虫、水生昆虫和腹足类)，与参照区域相比，密度更大，季节性类群更加丰富;在不经常被淹没的高海拔区域出现了大量蚯蚓和腹足类，这些都是典型的沼泽淡水潮间带物种，它们直接或间接地调节其他物种的资源(如物理空间和食物)，促进潮汐栖息地土壤活性的修复。

此外，鸟类通常被作为栖息地恢复和生态系统功能恢复的重要指标。一般来说，栖息地创建之后，如果条件适宜，底栖无脊椎动物和鸟类的类群生长反应会相当迅速。在Schelde 河口，水鸟的行为和活动一般都受潮汐周期的影响，潮期鸟类利用陆地休息或在涨潮期间觅食，CRT 系统对潮汐高潮的延迟为鸟类提供了更长的栖息时间;同时，该河口是候鸟沿东大西洋迁徙路线的一个重要中转［21］，季节性对群落结构影响较大，某些常见的物种丰度呈现年际增加的趋势。目前观测的鸟类已涵盖103 种，其中56 种为湿地常见种类［16］，物种多样性高，其中三分之一物种在地区甚至国际上均有重要的保护价值。由此可见，CRT 系统为沼泽鸟类群落的建立提供了非常适宜的条件，并形成了具有不同梯度的生态栖息地。若扩大CRT 实施的面积，将更有助于栖息地鸟禽类物种的恢复［18］。

3 结 语

目前CRT 系统仅在Schedle 河口的Lippenbroek 研究区实施应用，其尚未得到广泛应用的原因主要包括:①CRT 需根据潮汐状况在相邻自然潮汐沼泽基础上增加高度，人工修建的工程较大，修建过程耗时较长;②CRT 技术主要是通过自然潮汐对潮汐栖息地进行修复，过程缓慢，恢复为完整潮汐栖息地需要时间长达数年，带来的社会效益及环境效益不能及时体现;③不同的区域需要不同的CRT 设计及生态预测，水闸的设计也因海拔和水深的差异而不同;④不同的淹没频率及潮汐高度可能会导致植被类型的差异，使得CRT 在不同河口条件下的植被恢复效果具有不确定性;⑤CRT 技术还处于发展初期，气候和地域等限制因素也可能成为CRT 未能广泛使用的原因。然而，由于其巨大的恢复潜力以及广泛的适用性，国际上已有在淡水及盐水潮汐沼泽实施CRT 技术的申请［13］。就我国而言，湿地恢复与重建的研究开展较晚，且多停留在理论探索研究阶段，缺少生态系统整体恢复及潮汐栖息地恢复的研究［25，26］，CRT 技术的实施将为我国潮间带潮汐栖息地的修复提供一个简单而有效的方法。

由于我国河口海岸带的自然、社会和经济条件的地区差别较大，各岸段的资源情况和开发潜力也不相同［27］，在选取CRT 研究区时必须进行深入细致的前期调研工作，尽可能选择潮汐资料详尽、潮汐状况规律性明显、闸下淤积相对较少的河口。国内具有代表性的河口湿地主要包括黄河口、长江口和珠江口的河口湿地等［28］。就黄河口而言，其尾闾的形成与黄河高含沙水在河嘴快速絮凝落淤堆积密切相关，黄河下游河道悬河的形成已有数千年甚至上万年，几千年来河口尾闾一直遵循着10年一改道的过程，形成了近代三角洲以宁海为顶点自然决口与摆动［29］。不难看出，黄河口的严重沉积作用及频繁尾闾摆动难以为CRT 系统的构建与运行提供基础条件，使其在黄河口的应用程度上受到了限制。对于长江口来说，其河口段河床在演变过程中不断束窄，水位提高，19 世纪以来不少年份连续发生洪水，组成丰水年组群［30］，洪峰及洪量年际变动较大，极易对CRT 的恢复效果造成不利影响;加之中上游大型水利工程投入使用、水土保持工程及南水北调工程的实施和展开［31］，都有可能影响长江口的潮汐规律，给CRT 的实施增加不确定性。与黄河口、长江口相比较，珠江口已建成较为完善的堤防工程体系［32］，加之河口大部分地势低平，汛期洪水峰高、量大［32］，口门区围垦加速了河口延伸，为CRT 建设提供了必要条件，尤其在洪奇门中山、番禺两地水道内不合理的围堤阻碍了泄洪道的畅通［33］，CRT 可以为该区域不合理围堤的整治提供技术选择，减少围堤整体拆除造成的资源浪费，提高土地利用效率的同时，为通过自然演替形成成熟完整的湿地生态系统提供了可能。综上所述，CRT 技术在国内的实施与应用仍需研究与探索，以上仅对国内河口湿地总体环境进行了综合分析，具体实施过程还要视河口的具体条件确定。

CRT 技术作为一种新生的河口潮汐栖息地恢复技术，拥有着巨大的发展潜力，它将生态保护与经济发展相结合，构建健康且多功能的河口生态系统，实现河口生境的可持续开发与利用，具有明显的优势及可行性，并且随着多学科研究的进行，该技术将日臻完善，并有望应用于国内外的其它河口湿地。

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