国际前沿研究探讨

自20世纪70年代以来,联合国先后召开了《联合国人类环境会议》(1972)、《联合国环境与发展会议》(1992)和《可持续发展世界首脑会议》(2002),并分别通过了《关于人类环境的斯德哥尔摩宣言》、《人类环境行动计划》、《关于环境与发展的里约热内卢宣言》、《21世纪议程》、《关于可持续发展的约翰内斯堡宣言》、《可持续发展世界首脑会议实施计划》。这三次具有历史意义的会议在全世界范围内确定了可持续发展的基本思路,极大地推动了各国在生态环境科学领域的深入研究。20世纪90年代,水及其相关生态系统的保护已经成为《世界水论坛会议》、《国际大坝会议》、《国际水利学会议》等一系列国际学术会议的核心议题,这些会议有力地促进了这一学科领域在全球的交流与发展。

目前,水及其相关生态系统的保护已经成为全球最受关注的科学热点之一。例如,美国生态学会和国际生态学会将水化学、土地利用和水资源利用等变化的生态学机制及效应、自然和人工生态系统的监测与评价、退化生态系统的修复与重建、自然生态系统的演化过程与人类社会系统的相互作用等列入优先研究计划;英国自然环境研究委员会在2002年发布的《可持续未来的科学2002～2007》中确定了地球生命支持系统(水、生物地球化学循环与生物多样性)、可持续经济(能源与环境、土地可持续利用及减灾)等作为英国生态环境未来5年(2002～2007)的战略和科学优先领域;欧洲委员会在2002年公布的“欧盟第6框架计划”(2002～2006)中将“可持续发展、全球变化与生态系统”列为7个优先领域之一。

作为新兴的热点研究领域,水及其相关生态系统科学研究在近几十年来的发展中一个最重要的特点就是与其他学科相互渗透、相互促进。由于水生态系统的多样性和复杂性,对水生态系统的深入研究需要生态学、生物学、环境科学、水文学、水力学、泥沙科学、地理学、经济学、社会学等多学科的交叉融合。这些多学科交融的前沿性研究一方面在众多重要交叉点上涌现了大量的突破与创新研究成果;另一方面也由于不同学科思想的融入而孕育出生态水文学、生态水力学、环境经济学等新兴的学科分支。

水及其相关生态系统科学的前沿研究可以划分为应用基础、应用技术与方法以及可持续发展相关理论三个方面。由于涉及学科广泛,对这三方面的前沿研究作出全面、准确的评价是非常困难的。从我国水利科技发展战略的角度,目前水及其相关生态系统科学研究主要前沿研究可概括如下。

(1)应用基础方面。

1)全球气候与生态系统变化。近百年来全球气候与生态环境的重大的变化,对人类的生存和社会经济的发展构成了严重的威胁,使全球气候与生态系统变成为世界各国共同关注的研究主题。研究的重点包括:①大气化学、生物排放和海洋生物化学等方面的生物地球化学过程;②陆地生态与气候的相互作用,主要研究植被在地球系统水循环中的作用和全球变化对陆地生态系统的影响;③将海气耦合模式与陆地过程模式及环境系统中的化学过程、人类活动的影响作用进行综合考虑的地球系统综合分析和模拟;④全球变化对农业、海岸带、能源等社会经济的影响。在水循环的生态环境效应方面,近年来国内给予了高度重视,具有代表性的“中国西部环境和生态科学研究计划(2003)”将“西部环境系统的演化及未来趋势”、“水循环过程与水资源可持续利用”、“生态系统过程与调控”和“人类活动与环境”作为计划的4大研究主题,重点开展西北地区水分循环与气候变化(区域尺度)、植被与水分循环、西部资源开发中水资源利用战略与流域管理理论、沙漠节水与植被恢复的新方法和新技术、多重胁迫下典型生态系统(特别是西南地区)受损与重建机理、人类活动对地表环境和生态系统的影响及其控制原理与技术、土地利用/土地覆被变化环境效应的评估模型、城镇体系建设的资源承载力与环境经济效应等内容。

2)污染物在不同水环境中的迁移转化规律。掌握不同水环境中污染物的迁移转化规律,对于水污染控制和水环境治理具有重要意义。其中,高含沙河流和地下含水层是两种既十分重要又十分复杂的水环境,目前对这两种水环境中的污染物迁移转化机理尚缺乏足够了解。对于高含沙河流,有关泥沙对重金属的吸附解吸已有很多研究,而泥沙对营养性污染物和有机污染物吸附作用则是近些年来水生态与水环境基础研究的一个前沿热点,研究的重点内容包括泥沙对营养性污染物和有机污染物的吸附解吸机理、吸附态营养性污染物和有机污染物的降解过程、沉积泥沙中营养盐和有机污染物的释放机制、细颗粒环境泥沙的输运规律与数学描述等。对于地下含水层,污染物的迁移转化一直是重点前沿研究之一,其研究的难点主要包括非均匀与非饱和含水层中污染物迁移转化机理及数学描述,不同好氧与厌氧微生物对各种污染物质的生物降解作用,以及地表与地下生态系统的作用过程等。

3)水体富营养化。水体富营养化是我国主要水环境问题之一。国际上,尽管近几十年来开展了大量的研究并取得了丰硕的研究成果,但富营养化问题一直未能得到很好解决,前沿研究的关键技术难点包括“水华”形成机理、底泥营养盐释放机制、富营养化的水动力条件、生物操纵技术与效应、藻毒素危害、生态修复技术、遥感监测技术应用等。由于不同水域,如水库与湖泊的富营养化成因不尽相同,因而富营养化的衡量标准也是目前的热点研究之一。此外,面污染源是水体富营养化的另外一个研究难题,其形成过程的量化与控制都是世界性的难题。

4)生物多样性与水利工程长期生态学效应。随着全球物种灭绝速度的加快,物种丧失可能带来的生态学后果备受人们关注,生物多样性与生态系统功能的关系成为当前生态学领域内的一个重大科学问题。当前研究的重点及前沿主要集中在:①长时间尺度上的物种多样性-生态系统功能关系;②非生物因素与多样性-生产力的交互关系;③营养级相互作用对于多样性-生态系统功能关系的影响;④物种共存机制在多样性-生态系统功能关系形成中的作用等方面。

生态效应的逐渐显现使水利工程的长期生态环境影响受到广泛高度重视。研究的前沿重点包括:①径流变化对水生生态系统及生物多样性的影响;②大坝拦截与调蓄对下游洪泛区生态系统及渔业生态系统的影响;③拦河筑坝导致生态系统扩大的次生环境效应;④流域梯级开发的累积效应;⑤减免水利工程对生态系统影响的措施;⑥失衡生态系统的修复与重建、水利工程对局地生态系统及其功能的长期影响等。以上这些评价所涉及的难点是生态评估的基本方法。

5)河道生态需水量及关键生物生态水力学。自然生态系统或者半自然生态系统都有自己的生态功能和人类对其的需求。比如,河流的自然净化能力随着河流或水域的形态不同而不同;而人类根据其获得性而将水域划为开发利用区或保护区等各种不同的水功能区。目前研究的热点是自然尽可能的将二者有机结合。一方面发挥自然生态系统的良好功能,另一方面在开发利用时不使其失去原有的生态平衡。这样,有关河道生态需水量等各种研究应运而生。生态系统对水的需求是近十几年最热门研究内容之一。研究的热点已从河流生态基流(最小生态需水量)的单一指标研究转向考虑满足生态全过程需求的生态水过程(水位过程和流量过程)研究。同时,旨在满足大坝下游关键水生生物生态水力学条件(如产卵要求等)的人造洪峰补偿措施研究也受到广泛重视;目前开展的水功能区划也逐渐地从单一水质指标向水质、水量和生态指标过渡。

关键物种的识别对生态系统的保护与修复具有重要意义。濒危及经济鱼类等关键水生生物物种是生物多样性保护的重点内容,其他一些重要生物也是生态系统变化的指示生物。栖息环境的水动力条件对生物个体的生活史和种群的发展至关重要。目前热点前沿研究包括关键生物物种产卵的生态水力学条件、水力学条件变化与关键生物种群数量的响应关系、生命体在水体中的输移与消长规律及其流场控制机理,受损水体的生态水力学条件修复等。此外,钉螺的生态水力学特性、钉螺在水中的迁移及扩散规律也是生态水力学研究的前沿课题,对于血吸虫病防治具有重要意义。

6)河流生态系统健康与水利水电规划的生态环境影响评价。河流作为一种重要的生态系统,其生态系统的健康越来越受到国际上的广泛重视。尽管生态学家至今尚未就河流生态系统健康的内涵达成共识,但是国外已经众多评价方法在实际中得到运用。目前国际上的研究前沿包括河道萎缩形成和演变机理、河流生态健康评价指标体系、河流生态健康评价的尺度效应等方面。在国内,河流生态系统健康方面的研究还刚起步,代表性研究——国家重点基础研究发展规划(973)项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”探索了黄河水资源可更新和可再生性维持问题,为更系统深入开展黄河健康生命研究奠定了基础。(www.xing528.com)

水利水电规划环境影响评价与河流生态系统健康评价密切相关。在这两方面我国目前都还缺乏系统的理论、技术、方法以及标准体系。未来我国水电工程规划的生态环境影响评价迫切需从末端单项评价转向源头评价、从微观发展为微观与宏观相结合、从局部发展到局部与整体相结合、从单个要素发展到系统的综合性评价。为此,河流生态系统健康理论、区域开发与规划的生态评价指标体系、区域生态补偿理论、生态服务功能评价方法、自然资源价值核算理论与方法,生态影响评价方法、累积生态影响评价方法以及水资源开发生态环境风险评价方法等成为水利水电规划环境影响评价理论中需重点研究的内容。

7)高新技术应用及流域水环境模拟。GIS、RS、DEM 等高新技术的持续迅猛发展,使高新技术应用成为长盛不衰的前沿研究内容。目前相关的热点研究包括信息管理与决策支持系统、数字仿真与可视化、遥感生态监测、“虚拟数值模拟”等方面。另外,从流域整体出发,动态仿真模拟流域生态系统内各种物理、生物、化学过程及其相互作用成为水环境数值模拟研究的趋势。高新技术的发展,为这种系统、综合的仿真模拟研究奠定了基础。目前,面污染源过程,生命物质的生长死亡过程,水、沙、污染物及生物的相互作用,以及地表生态系统与地下生态系统的互动关系等的数学描述是开展流域水环境系统仿真模拟研究的技术关键。

(2)应用技术与方法方面。

1)水污染治理技术。水污染问题的日趋严重,促使水污染治理技术研究在全球范围内不断深入。随着常规处理技术的不断完善,目前研究的重点逐渐转向微污染水处理、难降解物质处理等方面。前沿研究的内容包括低污染负荷废水脱氮除磷技术、藻毒素物质的分子调控降解技术、非点源污染控制技术、重点污染行业难降解有机工业废水污染防治高新技术、危险废物处理处置集成技术、特种废物、以及污废水回收利用技术等方面。此外,污染地下水的治理与恢复技术、受污染水域的自然和人工修复方法也一直是国际前沿研究课题。

2)失衡生态系统的修复技术。自然水生生态系统的失衡主要受污染和自然径流过程的超常规变化两方面主要因素的影响。水生态修复技术是近年来全球共同关注的热点,在发达国家已得到较为成功的运用,但在我国尚还处于试验研究阶段。目前的研究前沿包括健康河流(水域)的指示指标体系、水土资源合理利用、特殊气候条件下的生态修复技术(如生物种类、耐寒性、工艺结构、去除效率等)、富营养化水体的生态修复技术、湿地生态修复、物种引入的生态效应、修复工程的维护管理等。

3)生态水利工程学的探索。近年来,国内学者借鉴国际上生态工程的理论,探索发展新的交叉学科——“生态水利工程学”。传统的水利工程学是以建设工程设施、改造河流和控制水流为手段,达到开发利用水资源的目的。学科的基础是水文学和工程力学等。传统的水利工程理论忽略了河流处于一个完整的生态系统之中的事实,孤立地处理水资源中的水量、水质、水能等水文系统中的问题,忽略了河流生态系统中的动物、植物、微生物与河流生态系统之间的关系。其结果是在给人类带来巨大经济社会利益的同时对于河流生态系统造成不同程度的胁迫。对此反思的结论应该是:水利工程不仅能满足经济社会需求,还应该兼顾生态系统健康和可持续需求。传统的水利工程学需要吸收生态学的原理和方法,改善水利工程的规划和设计方法。对于已建工程,研究和开发受损水域生态修复的方法和技术。对于新建工程,研究和开发对于因工程建设造成对于河流生态系统胁迫所应采取的补偿工程措施、生物措施和管理措施。

(3)可持续发展相关理论方面。可持续发展是当代社会的生存与发展战略。可持续发展观为生态环境领域引入了全新的内容,集中体现在经济与环境的协调平衡关系上。如何在经济发展的同时,保护生态环境,维系人类赖以生存的生态系统的健康和活力,成为新的研究重点。

1)流域尺度的可持续发展。水生态及环境系统以流域尺度为基本单元,可持续发展在协调水生态环境和经济系统关系时,必须以流域整体思想为指导。恢复和逐步改善流域水生态环境系统的生机,是谋求可持续发展的必由之路。

2)水生态环境承载力。将生态环境承载力作为可持续发展的支持理论,已经得到国内外研究者的普遍认可。水生态环境承载力的研究从概念、内涵探讨开始,逐渐转向定量化分析方法和建立评价模式。其中的难点之一是承载力指标体系的筛选及规范化。度量具有自然及社会双重属性的水环境系统承载经济压力的能力,需要从社会、环境、经济等不同方面的指标综合反映,指标的有效获取也依赖于各个系统的大量相关信息。

3)水生态环境价值。描述并分析水生态系统与经济系统的关系,使得生态及环境价值化研究成为当前水环境经济领域的最前沿课题。现代水利建设及保护需要从价值观的角度,计量水生态及环境的功能价值及保护效益,进而实际指导保护和管理的决策。水环境的价值化研究,集中在水环境价值的内涵、类型及量化指标和方法,其中水环境的生态价值越来越受到关注。目前对水环境污染的经济损失已开展了相当工作,积累了实际评价水域污染损失、支持水污染治理决策的经验。价值化的进一步更全面、更深入的研究,将为水权、水价、排污权、水市场等水环境保护市场机制的形成奠定理论基础。

4)流域的可持续管理。流域尺度的可持续管理是恢复水生态环境健康活力、发挥其功能价值的关键,管理的战略调整应从目前的单要素分散管理转向以生态系统为对象的综合管理。在管理模式上,适应性的管理方式经过10多年的理论和初步实践探索,显示出现了良好的应用前景,其重要特色在能不断利用信息的更新和科学技术的进步,动态调整决策,跟踪可持续发展的脉搏。

此外,循环经济作为生态效率高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少的经济生产模式,目前在全球范围受到广泛、高度的重视。