河流生物多樣性和生態環境保護面臨的新挑戰

［澳大利亞］ A.H.阿辛頓等

1 概述

湖泊、濕地和河流的淡水，支持著地球上多種生命形式的生態系統，而這些多樣性的生物，與水體自身一起，構成了人類社會至關重要的產品和人類賴以生存的自然環境條件。清潔淡水，對世界上的每個人來說都是必不可少的。在發達國家，淡水生態系統理所當然是配給用戶的水源，但它是經過處理后再配送給用戶的。而在發展中國家，數以億計的人們卻一直是直接從水生態系統取水，在用水的時候才進行處理而得到飲用和生活用水。還有數目驚人的居民使用著未經處理的污染水。

生物地球化學過程和多樣性的水生生物物種，對淡水的量與質有著不斷調整的作用，但這一點還沒有被人類充分認識和了解，不過世界淡水資源呈普遍減少的趨勢卻可作為充分的例證。淡水生態系統是支撐全球食物生產的基礎，如作坊式的和商業性的漁業、養殖業、泛洪區回歸農業(regression agriculture)和畜牧業等。由沿岸和濕地植物生產出來的纖維和生物化工產品，對全人類至關重要，但這些生態產品和人類賴以生存的自然環境條件卻漸漸遭到河岸及其流域內人類頻繁活動的威脅。

具體來說，其威脅主要有:淡水過度開采、水污染、植被破壞、生物棲息地的破壞或生境惡化、外來物種的入侵等，且這種威脅還在日益加劇，這不僅與河道流量的變化和濕地淹沒的形態密切相關，而且土地利用的改變、河道蓄水、地表和地下水抽取以及跨流域調水等等，都極大地改變了河流的自然流態。從全球來看，人為改變河道自然流量的情況相當普遍，全球15 m高以上的水壩攔蓄的水量，約占全球大大小小河流年徑流總量的15%。此外，江河數量有增無減，江河的水也就不再永久性地(或部分季節)流歸大海。

在全球水文系統中，淡水量的重大變化反映在眾多地區的各個方面，其中人口增長、工業發展、缺水，以及與氣候變化有關的降雨類型或徑流形態的變化是主因。現行的水管理策略可能不再適應不可預料的水流流態和人口更為密集的世界。

人類對淡水的需求，以及對生態產品的需求和健康淡水生態系統的服務，不僅是水管理者，也是科學工作者所面臨的一大挑戰。科學工作者需要開發有助于生態可持續的水管理的工具和模型，從而在復雜的、動態的、變化的社會和政治環境中平衡人類和生態對淡水的需求。

將淡水管理納入到更廣范圍的生態可持續的一個最佳策略是，提供河流的“環境流量”，或恢復開發的江河，以實現其生態和社會價值。其他術語，如“生態基流量”、“生態流量”、“環境水量分配”、“規范的流態”等，都基本上是相同的概念，不過“環境流量”一詞目前更廣為通用一些。2007年9月在澳大利亞布里斯班舉行的國際環境流量會議上，參會代表們也都認可這一術語及其含義，所以在今后的運用中推薦使用術語“環境流量”。

“環境流量”描述了維持淡水和河口生態系統以及人類依賴于這些生態系統生計和生活所需的水量、水質和水流的適時性，是備受人們關注和廣泛遵從的環境流量管理方面的一個重要標志。首先，水質(即其化學和熱學特性)是與水量和水流的適時性同等重要的。2007年發布的“布里斯班宣言”也強調了河流和河口的連續性及其對淡水的相互依存性，闡明了環境流量、河流和河口生態系統與人類依賴于這些生態系統生計和生活的直接聯系。很多淡水系統(地下水、濕地和湖泊)實際上很大程度都依賴于靜水而不是動水，但環境流量概念和方法的科學進展往往都將重點放在河流的需水量上。

目前公認的是，需要有動態變化的水流流態來維護各條河流和濕地生態系統的本土生物多樣性和生態過程特征。然而，將源頭到河口的整個“天然流態”轉變為單個河段所需的定量的環境流量仍為一挑戰。因為流量、洪水頻率、適時性與歷時、歷史流量和近期流量過程等河流的天然特性，都具有不同規模和種種生態作用，因此，環境流量的研究，一定要有準確的、與生物多樣性和生態過程相聯系的流量和流態的實用工具、方法、方案和模型的支持。目前至少有200種環境流量運用的方法，每種方法都致力于將物種、或生態系統所在地或河流需水量量化，但這是遠遠不夠的，當務之急是需要詳細了解和研究流量與生態反應之間的關系，增強其模擬能力，以支持河道流量的管理和生態系統的保護。

本文闡明了需要評估環境流量的兩個主要方面，即河流恢復和河流保護。首先，評價因以往流量調節所引起生態破壞需采取的河流恢復和局部恢復措施，而這些措施往往與其他策略，如過魚設施、改善生態棲息地和沿岸植被、提供環境流量等相聯系。具體目標是，通過修復一些原天然流態的明顯特征，恢復一些重要河流中的生物多樣性、生態過程和生態服務。其次，采取更為主動的方法來保護河流，其方法是，對維持特殊生態和社會價值的流量及其適時性進行定性和定量，并將新建基礎設施的規劃、流域的水資源規劃和評估作為工作的起點。對上述兩點，關鍵是要準確地推算出生態產物和產出的社會或經濟效益(可能由環境流量引起)，而且要以有效方式定期進行，不能靠長期研究來尋求答案。建議制定一項全球性的關于水電開發與生態保護的關系和生態閾值點的研究計劃，以支持受到威脅和影響的河流的環境流量的實施，從而幫助實現《千年生態系統評估》中有關淡水的目標。

以下將介紹河流恢復和保護方面的主要成果。

2 河流恢復

在全球經濟發達的地區，由于過量用水和河流流態的變化，許多最初由河流生態系統提供的產品和自然環境條件已經喪失或削弱。其最大的需求(除政治需求外)莫過于采用恢復更接近天然流態的方法和模型。

2004年，澳大利亞制定了一項河流恢復的重大計劃，旨在恢復受水庫大幅調節的墨累河流量，使河流回復到“健康河流”狀態。為此，計劃在5 a的時間內將多年平均流量恢復到5億m3，期望環境流量能沿河和在河道本身6個標志性的濕地達到擬定的目標。水文和生態模擬、試驗性泄水和證實性研究，是研究恢復濕地所需流量、水流適時性、洪水頻率和水質的基礎。金等學者于2010年做了一項研究，其成果描述了墨累河上繼澳大利亞史上最大的環境流量(5.13億m3)泄放之后本土魚類恢復的正面情況。澳大利亞拉姆薩爾(Ramsar)濕地，孕育著受日本－澳大利亞候鳥協議(JAMBA)和中國－澳大利亞候鳥協議(CAMBA)保護的多樣性生物種群，包括本土魚類、蛙類和水禽。金等學者總結的經驗教訓和預防性措施(2010年)，無疑為墨累－達令河的其他濕地管理奠定了很好的基礎，因為這些濕地肯定會根據墨累－達令流域2011年新的環境流量規劃制定出未來的環境流量。

河流恢復的另一個例子是歐盟水框架指令，這是一個水資源綜合管理和生態保護系統的開創性策略，旨在2015年前使歐洲大多數河流、湖泊和濕地達到“良好的生態狀態”。在英國，環境流量的實施是恢復或維持河流生態系統健康的措施之一。雖然環境流量方法(例如搭積木法)作為一個目標得到了持續應用，但還沒有顯現出歐盟成員國努力的成果。學者埃克曼和弗格森于2010年描述了歐盟水框架指令所面臨的挑戰和需要跨越這樣廣的地理范圍規定環境流量所呈現的困難。但有以下兩種保證環境流量的切實可行的辦法:①限制抽水量，維持健康的河流生態系統(即限制性管理);②規定生態上合適的水庫泄水量。

在歐洲和許多其他國家，受水電站影響的河流在水管理上都面臨著特殊的挑戰。這是因為水壩和發電所需的泄水道從根本上改變了河流特性及其生態系統，給有益于水生態系統的流態調整留下的空間極小。在受水庫調節的河段，最大的挑戰是，發電損失不大而對生態又有積極且明顯的效果。在瑞典的北部和中部，預計21世紀的氣候變化，將導致年徑流量增大和年徑流過程的改變，而電力需求的變化格局(即春汛期間減小徑流量，冬季增大徑流量)與這種改變更是息息相關。專家們認為，水文過程如果是氣候因素引起的變化，實則是大壩電站運行時更有益于河流生態系統的一個良好機遇。

在河流恢復的研究中，通常的做法是，對水庫管理的幾個方案進行探索性研究和模擬。模擬采用的方法是棲息地水力特性法，其模擬范圍及其效果與其他方法有著明顯的不同(例如，用物理棲息地模擬和相關軟件程序)。在美國西部的亞利桑那州干旱地區，有一條威廉河，在其環境流量恢復計劃中，其所用的模型，將水庫調度、地表和地下水相互作用、河流水力學的模擬模型與預測河岸帶幼苗生長狀況的生態系統功能模型結合在一起，是模型開發和應用的一個典型實例。

環境流量有一個指導性的原則，即以決定河流和河灘生物多樣性和生態系統生命力的水文情勢及水流流態為主變量。然而正如人們所熟知的，水流流態不只是河流生態系結構與功能的主導者，也不是環境流量只需考慮的唯一方面。溫度也可以說是一大因素，它通過生物代謝這一重要但又與眾不同的途徑而起著重要作用。奈曼等學者于2010年要求有關機構對流態變化和水溫在河流生態系統形成的生態形式和過程中所起的相對作用作出一個清楚的解釋。此外，人類活動也改變了河流的熱動態變化，特別是有不同溫層的人工水庫，即下層滯水層(冷水)或水面溫水層(溫水)的水庫，泄水時，都會發生熱動態變化，這對整個本土生物體系都是不利的。本文探討了天然熱動態的概念，確定了將水溫納入環境流量評估的幾大問題，包括確定熱動態的可管理性，開發和優化管理上利弊分析的模型，以確定一系列能滿足生態系統和人類對淡水需求的最佳環境流量。

另外，人們還采用了一種前后對比來確定影響因素的研究方法，可認為是一般性地檢測河系利弊影響因素的最佳手段，但由于缺乏類似的基準或參考條件，用它來評價環境流量的作用似乎還不太可能，而且設定的環境流量在時空上是典型地分布不均，往往難以甚至不可能確定提供環境流量之前和之后的時間間隔點。再則，流量增加可能是連續不斷的，不是一成不變的，而且其自然過程的途徑很可能是在試驗河道中。這些問題再加上環境流量試驗中考慮不周的影響因素和相互干擾問題，如果一并發生，情況就更復雜了。

為此，斯圖爾森和科斯特等學者于2010年提出了另一個方案，即貝葉斯實用型分級法，用此方法可進一步探究流量(包括環境管理流量)與河流生物物理學效應之間的重要內在聯系。這種分級法的獨道之處在于，即使數據貧乏，也能使試驗的結論大為完善，而在數據充足時，也不至對試驗結果產生影響。

還要說明的是，貝葉斯模型在使用上相當靈活，能接近實際模型，可為任何來源的數據(如河流健康的常規監測數據或特殊的流量測驗等)進行一般性的試驗和模擬。在認知度提高、有了新的知識增長點時，該模型可升級，而且在后續的往復式研究和試驗中，數據仍然有用。雖然有這些顯而易見的優點，但環境流量監控計劃往往需要大量的財政投資，這就需要管理機構看好對環境流量的投入，因為這種生態監測成本低、效果好，其意義非同小可。

3 河流保護

從發展中國家的一般情況看，它們需要用其水資源來創造常規的社會和經濟效益，同時還得應對巨大的國際壓力(例如，世界大壩委員會，布里斯班宣言等)，因此在進行用水決策之前，得通盤考慮整個環境與社會代價。但這種考慮不是簡單易行的，需要通過某種方法做出一系列的環境流量方案，且每個方案代表某個河系內在1 a中適當的時候和一定的區域上以某一年頻數(或年際變化的頻數)可維持的水量和水流的適時性。有了這些方案，就可以探究和權衡生態保護價值和收益損失之間的利害關系(這里所說的收益損失，可能源自于河道取水或水力發電)。例如，某些國家資源有限，環境流量的評估需在無數未來水資源開發的河流中，采用物理棲地模擬法對生物棲息地進行詳盡的模擬。然而這種模擬很可能是不得當的，因為模擬重點是放在生物棲息地需求和提供魚類棲息地的最小流量上，這對時下考慮生物多樣性保護和生態系統服務也是不適當的。20世紀90年代，人們提出了河流生態連續統一體的概念，在此基礎上提出了解決大范圍水電開發與生態保護關系的整體方法。這些方法凝結了河流研究技術人員、管理人員和有識居民的集體智慧，并將其融入了一個共同的決策支持框架中。

金和布朗等學者通過在非洲和東南亞開展的大量基礎工作的實例分析，對上述研究進行了追蹤。他們在其研究論文中強調，環境流量的實現必須融入更廣的概念，要按流域規模來實現淡水資源的生態可持續發展。他們以術語“河流環境流量綜合評估”(IBFA)來定性事物的漸進發展過程，而對未來的任何開發方案，都具體描述河流廣泛特性的潛在變化，如河道形態、河岸沖刷、水化學、河岸森林、河流、河口和近岸海洋漁業、珍稀物種、有害生物種，與河流相關的人畜健康、家庭收入、國內生產總值、就業機會等等。根據上述實例研究，金和布朗提出了關于指導發展中國家將環境流量評估與流域綜合管理相結合的10項原則。

最初提出的一種方案是以設想方案(情景邏輯)為基礎、對河流逐條進行評估的生態系統方法。該方法根據水系條件或河流的相似性，或鄰近部分自然分布區的物種生活周期特征來判斷和評估。但河流管理人員往往認為，逐條河流評估速度慢、效率低且成本高，他們希望能將流量－生態模型和管理規程運用到眾多的河流中并跨越更廣的生態地區。

在這種背景下，波夫等學者采用了一種名為ELOHA(水文環境改變的生態限制)的新框架。最初，他們對一般類型的河流提出了流量與生態反應的關系，未建模型，而對于特殊水文類型的河流，如特殊天然流態的干旱地帶或融雪來水的河流，就可能采用建模的方法進行研究。他們建議，以類似的方式找出水文特性相近的河流與特殊流態變化類型河流的相關關系。如果流量變化與生態反應的關系對特殊水文類型和各種型式流量的變化都適用，那么就可制定出環境流量的“指導方針”或“規程”，并應用到各種類型的所有河流中，從而避免再去研究單條河流的這種關系標準。ELOHA中定出了許多良好的環境流量細則，旨在充分利用現有的科學知識，并認為其置信度在于流量與生態反應的相關關系上。

采用ELOHA及其他環境流量方法，首先要建立基于流量自然變化資料基礎上的“水文依據”，然后進行水文分級，再在一個確定的研究區內(例如一個國家，一個生態區域或一個大河流域)確定水流流態類型。肯納德等學者在研究中列舉了首個可用于澳大利亞陸地類型的基本原則和方法，運用了830個水位－流量站測得的15～30 a的流量數據來分析天然水情的相關生態特征。研究中，他們還采用了模糊分割法(即貝葉斯混合模擬)，分析表明，特殊的流態類型共有12種，這些類型與季節性的流態，水流穩定度(即常年性和周期性變化的程度)，洪量、洪水頻率的變化以及流量可預測性和可變性等等都不相同。另外，當某地河流缺乏流量資料時，專家們還可根據流域的控制性氣候狀況和地形因素，利用決策樹來判別天然流態的類型。這些方法，對受到人類開發活動、干旱及氣候變化威脅的澳大利亞河流的恢復和保護進行環境流量評估時，是有很大支撐作用的。

在其他研究方面，科斯特等學者通過精心研究，運用貝葉斯網絡(BN)對流量與河流生態系統健康以及生態反應變量等環境主導要素之間的關系進行了模擬，其成果展示了如何將貝葉斯網絡進行改進和調整，估算相對成本和效益的貝葉斯決策網絡(BDN)。在進行河流恢復時的環境流量評估時，如果在現有的評估框架內納入BDN，就可提高多重壓力源對水生態系統影響以及各種恢復方案相對效益的評估能力。但在污染無法減輕、河岸管理不良及棲息地無法恢復的情況下，提供環境流量必然就不是最有效的恢復方案，甚至根本就不可能解決問題。

4 新的挑戰和研究機遇

2008年，全球水系工程(GWSP)對淡水研究提出了一項巨大的挑戰，即需要了解全球淡水系統的水文整體變化，而且要了解這種變化是如何增大了全球生態系統和群居社會脆弱性的。在GWSP的核心內容中提到的環境流量，將其描述為幫助各國保護淡水生物多樣性、淡水恢復能力，以及通過健康的水生態系統提供生態產品及服務的一個重要工具。同時，也將淡水問題納入到“千年發展目標”中，而且在其他國際性的重要規劃中，重點不僅是放在解決水沖突問題上，同樣也接受了環境流量的理念。

此外，許多國家和國際機構在國際流域合作和工程實施過程中(例如，自然保護區的淡水可持續工程，國際水管理協會、世界銀行、瑞典水資源之家等機構所資助的工程，美國國際開發署制定的全球水資源可持續發展計劃)，都少不了環境流量的評估和實施方案的研究。最近舉行的3次國際會議(會議分別于2002、2007、2009年在開普敦、布里斯班和南非的伊麗莎白港舉行)，很突出的一個主題就是環境流量的實施，而且在世界水論壇和斯德哥爾摩的世界水周上也始終突出了環境流量這一鮮明的主題。

2007年的布里斯班宣言，是第10屆國際河流學術研討會及環境流量討論會上一份有特殊意義的文獻，由多個國家超過750名代表共同編寫。宣言重點突出了人類和大自然進行環境流量分配的重大意義，并提出了一項全球性的行動綱領，號召各國政府、開發銀行、捐贈機構、流域機構、水和能源協會、社區機構、研究機構和私營部門，跨越地域界限，對所有的河流采取恢復和維持環境流量的行動。我們強烈贊同該宣言的行動綱領，支持、倡導國際上的有生力量來加強對環境流量相關方面的研究，包括環境流量的評估和各種大小江河實施環境流量的研究。此外，在局部和區域性河流恢復和保護的基礎上制定全球性的環境流量研究計劃，將有助于預測生態系統對氣候變化和未來人類適應性地控制水系的反應，為實現“千年發展目標”中有關淡水的目標奠定堅實的科學基礎。

作者從相關國際會議論文、布里斯班宣言行動綱領和其他重要文獻中，歸納出以下研究子題，可作為強化全球環境流量研究和實施計劃、加強能力建設、支持河流保護和恢復的一個重要組成部分。

(1)水電開發與生態反應的關系。用以支持河流保護與恢復的環境流量評估，取決于不同水文條件下河流的天然流量(變化的流量)與生態反應之間的精確關系。需要按照水文變化規律，對比全球水電開發對氣候變化的影響程度，為河流生態系統生物群落和生態系統過程(例如養分動態、能量流、食物鏈結構等)建立與確定這種生態反應關系。

(2)水生動植物分類特征。雖然各物種的種種響應本身就有明顯的特征，但要確定復雜情形的水生動植物的分類特征，即已知的與具體河流類型和水電對氣候影響區域相關的水文變化響應時的特征，才能說是一大進步。量化物種的屬性和確定所屬的分類特征也很重要。從理想的情況講，這種研究可將植物、無脊椎動物和魚類按水生動植物的特征細化分類，并羅列出若干項基本指導原則，得出不同生態系統組份的流量與生態的關系、流態特征或流態變化，以及河流的水文特征類型等。

(3)溫度和其他主導因素。作用于河系的主參數(溫度、河流泥沙、有機物、常規水質)是動態的，可通過河道流量控制和流域管理的穩步實施得到管理上的支持。但這些參數未必只是從水流流量得到的，它有可能受到穿山越嶺的河流和地下水的影響。了解各種因素間的相互作用、確定水電對氣候不同程度影響的響應閾值，對實現流域的綜合管理非常重要。

(4)貝葉斯決策網絡和貝葉斯統計模型。采用流量變化前后對比的研究方法，對傳統應用的統計設計是有影響的，只有分析技術在環境流量研究及其成果的評估中才起著重要作用。如果其他方法可能有礙于統計原則，不妨采用貝葉斯網絡和統計模型。鑒于其具有靈活性和創新性的特點，運用起來就很給力。建議對水電開發與生態保護研究中有潛在效用的統計模型和方法(包括已有的和其他可用的)進行更深入地探討和研究。

(5)適應性環境管理。就生態對流態變化反應的不確定性而言，其思路必須建立在環境流量分配與生態和社會效益統一關系的基礎上。適應性管理的前景，與環境流量模型的驗證過程和管理目標的微觀控制密不可分。所以組織上和運行管理上要具備靈活性，技術人員和管理人員在適應性管理上應加強探索，這對持續評估流量管理過程中的風險和效益很重要。

(6)社會和生態效益、生態服務及其利弊權衡。需要優先考慮和研究的問題是如何對生態效益和生態服務進行量化，而這種量化是建立在眾多河流、環境流量和機體健康之間的有機聯系，以及文化和生態可持續基礎上的。要強調的是，需要在整個社會經濟的大背景下，使環境流量的合理實施讓社會分享，給社會帶來效益。那么怎樣才能教育公眾，讓公眾完全了解河流天然變化節奏的重要性呢?如何以合理的方式讓社會解決這一古老的問題?布朗等學者提出了“發展空間”這一概念作為解決問題的途徑。

(7)水資源綜合管理。許多國家都普遍認為，環境需水的概念應擴展到依附于地下水的生態系統、河口甚至近岸地區。對不同的土地利用類型而攔蓄或加劇的地表徑流，應加入到水的整個大循環中，這是一項更大的挑戰。因此，環境流量評估應完全融入水資源綜合管理，使之成為促進水、土和相關資源協調發展和管理的一體化過程，以合理的方式最大限度地將社會經濟與民生結合起來，不損害重要生態系統的可持續性。然而如何以合理的方式將河流進行綜合利用，例如通過環境流量將水力發電與生態功能的維護結合起來，同樣是一項巨大的挑戰。

(8)氣候變化。應對河道流量對氣候變化帶來的機遇和制約，其首要任務是采取環境流量的適應性管理措施。例如，抓住季節特征的變化，做到采取相應的人為水管理措施后，不但水力發電或農業生產的損失要小，還要能顯現良好的生態優勢。健全的環境流量管理，還可通過維持和增強生態系統的恢復能力，避免氣候變化影響可能造成的淡水生態系統嚴重甚至是無法挽回的損害。

(9)能力建設。最艱難的任務是，教育新一代的水利工作者，并讓政策制定者很好地了解環境流量概念及其運用，使他們能在各種生物地理環境和文化背景下出色地工作。最理想而可行的途徑是，由諸如大自然保護協會(TNC)、世界野生動物基金會(WWF)、世界自然保護聯盟(IUCN)、國際水利及環境工程學院(UNESCO－IHE)、世界銀行以及國際水資源中心(澳大利亞)等世界著名的相關組織和機構發起，推出各類培訓計劃。同時，在不同的地區設立試驗項目，證明環境流量實施方案的可行性和有效性。

總之，希望上述各種建議能有助于今后的探討和研究，在水電開發與生態保護兩者之間，以及河流恢復與保護方面不斷加大研究力度。通過開展環境流量實施方案和能力建設方面的研究，將有助于扭轉某種不良趨勢，進一步減少生物多樣性損失和對社會經濟的危害。如果上述計劃得以實施，將強化和鞏固已為河流生態系統保護作出貢獻的許多國家、機構和個人的努力成果，有助于實現“千年發展目標”中有關淡水的目標。最后還須強調的是，要本著科學的態度，運用好淡水生物多樣性、對人類至關重要的生態和文化服務的成果，進一步防范淡水生物多樣性受損的風險。