生物多样性及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,使生物多样性成为当前生态学领域内的一个重大问题。

生物多样性包括遗传基因的多样性、生物物种的多样性、生态系统的多样性以及生态景观的多样性四个方面。大量实验结果表明,多样性导致更高的群落生产力、更高的系统稳定性和更高的抗入侵能力。但是,对于生物多样性的形成机理目前国际上尚无统一的认识,有关生物多样性形成机制的相关理论研究基本上还处于提出假设并对假设进行论证的阶段。

20世纪90年代起开始采用理论、观察和实验等综合手段对生物多样性开展系统的研究。进入21世纪以来,关注的重点主要集中在: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。由于生态效应的长期性,针对上述四方面问题所开展的研究要取得重大突破还有赖于观测资料的长期积累。

水利工程作为重大人类活动,对生态系统,尤其是水生生态系统产生重大影响。例如,全球闻名的阿斯旺水坝在取得巨大经济效益的同时,对大坝下游及河口地区也带来不可忽略的负面生态影响:建库后尼罗河入地中海的年径流量由建库前的400亿m3降至建库后(20世纪80年代)的60亿m3左右,河口渔业产量相应地显著下降。在美国的西南部科罗拉多流域,由于胡佛水坝等大型水库的兴建,使下游入海年径流量不及蓄水前的10%,导致河口、海湾生态环境恶化、生物物种减少、渔业产量急剧下降。

大量研究表明,拦河建坝、径流调节,将显著减少营养盐向下游及河口的输送,改变河流营养盐的生物地球化学循环过程;同时,建坝所形成的水库系统将促进淡水硅藻的生长和沉积,进而减少硅向下游的输送通量。一些学者系统就多瑙河等河流上建坝对黑海和波罗的海的生物地球化学循环和生态系统结构的影响进行了研究,发现建坝后黑海中部表层水体中的溶解硅含量降低了60%,浮游植物种类则显著从硅藻向球石藻和鞭毛藻转变;在波罗的海,建库后溶解硅含量和硅氮比不断下降,导致春季水华中的硅藻比例下降、鞭毛藻比例上升。(www.xing528.com)

自20世纪60年代以来,在水生态、水产、水资源、水电工程、水环境等学科领域,国际上围绕“水利工程对生态系统影响及对策”为主线开展了大量的研究工作,研究的内容可以概括为10个方面:①对陆地生态系统及生物多样性的影响;②库区温室气体排放及其生态效应;③径流变化对水生生态系统及生物多样性的影响;④截流与调蓄对下游泛洪区生态系统的影响;⑤截流与调蓄对上游、库区、下游及河口渔业生态系统的影响;⑥拦河筑坝等所导致的生态系统扩大的次生环境效应;⑦流域梯级开发的累积效应;⑧水利工程对生态系统影响的评估和预测;⑨减免水利工程对生态系统影响的措施;○10已毁和受损生态系统的恢复与重建等。这些方面的众多研究成果,一方面加深了人类对水电工程生态环境影响的认识,促使人类不断改进水电工程的调度运行方式,以补偿不利生态环境影响,同时,也使人类在高度重视生态环境保护的今天以更加审慎的态度对待水电工程建设。

在国内,在水利工程的生态环境影响方面也开展了大量的基础研究工作。以长江葛洲坝与三峡工程为例,有关单位对中华鲟产卵活动进行了连续23年的监测,对中华鲟自然繁殖需求进行了系统研究,并发现卵石河床质、弯道河道和江底碛坝等为中华鲟产卵场的必须的物理条件,而水位、含沙量下降可能是触发产卵的启动因子。对长江四大家鱼也进行了长期的调查研究,发现虽然葛洲坝电站将四大家鱼产卵群体分隔成坝上和坝下两个群体,但原有的产卵场除宜昌坝址处被破坏外其他依然存在,且变化不大;1997年三峡工程大江截流后,四大家鱼幼鱼发生量呈显著下降趋势,从1997年的35.87亿尾下降到2002年的19亿尾。“三峡工程生态环境影响研究”作为国家重点项目研究课题,在分析以库区为重点的流域环境状况的基础上,就工程兴建对多种环境因素如水流水质、水生生物、陆生生物、陆生植物、环境地质、局部气候、人类健康等影响进行了综合研究评价。总体来说,“三峡工程生态环境影响研究”成果代表了我国在水生态与水环境方面研究的前沿视点和水平;但是,对于众多水生生物学指标,该课题研究缺乏深入、系统的定量成果,还难以为三峡工程满足生态需求的调度补偿措施的制定提供足够的科学依据。2004 年,国家基金委专门启动了自然科学基金重大项目“大型水利工程对长江流域重要生物资源的长期生态学效应”研究,重点开展:①水利工程对重要生物的水文与水动力环境影响;②水文生物地球化学过程及其对生态系统结构的影响;③大型水利工程对关键区域生态系统功能多样性的影响;④重要生物类群对水域环境胁迫的生态学响应;⑤大型水利工程对重要生物资源不利影响的补偿途径等方面的研究。该项目的启动,反映了我国对水电工程生态环境影响的重视。

总体来说,20世纪90年代以来,随着大坝生态环境效应的逐渐显现,“建坝与生态系统的安全”逐渐成为人类与生态环境领域的中心议题之一。我国作为全球水电建设大国,水利工程的生态环境影响近年来在水生态与水环境领域也成为最热门研究内容之一,研究呈现出由单学科转向多学科交叉、由局部转向流域整体、由短期效果转向长期效应的发展趋势。