農村河流生態健康與服務功能

夏 霆, 曹方意, 龍 健, 黃玉瑩, 姜謀余

(1.南京工業大學環境學院,江蘇 南京 211816; 2.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098;3.水利部科技委員會,北京 100057)

農村河流生態健康與服務功能

夏 霆1, 曹方意1, 龍 健1, 黃玉瑩1, 姜謀余2,3

(1.南京工業大學環境學院,江蘇 南京 211816; 2.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098;3.水利部科技委員會,北京 100057)

以鹽城市12條代表性河流為例,分析農村河流生態健康與服務功能的關系,探討農村河流治理中兩者的實現途徑。結果表明:農村河流的服務功能與生態健康具有脅迫-響應關系,河流生態健康的評估內容和評估標準均體現了河流服務功能的影響。由于河道自然系統內部的層級影響關系, 以及農村河流具有較多自然屬性特征,農村河流的生態修復應盡量依靠自然河流生態系統本身的自組織和自修復能力,河流治理應注意保留或促進河流自然生態功能的發揮,從基本的河流形態和水文水動力等要素開始,逐步促進上層要素和河道生態健康的整體恢復。

農村河流;河流治理;生態健康;服務功能;鹽城市

人類的發展與河流息息相關,河流對地方社會經濟的發展有著至關重要的影響。與城市河流相比,盡管農村地區河流所承受人類活動影響的集中程度相對較小,但由于農村地區河流面廣量大,且與人們的生產及日常生活更為直接相關,因此其對農村地區的影響舉足輕重。近年來,我國城市河道的治理與管理受到廣泛關注,對城市河道的健康診斷、治理理論與技術的研究得到日新月異的發展[1],但針對農村河流健康及其修復目標、修復理論與方法的研究卻極為少見。農村地區河流多處于失管狀態,河道淤積,容蓄能力降低,流量減小,水體滯流,自凈能力降低,水質惡化嚴重,河內水生植物泛濫,垃圾亂棄等,已是農村河流的普遍現象,由此引發的問題不僅關系到農村地區的用水保障與安全,也極易成為農村社會環境的不穩定因素。

河流健康理念反映了人們對保護河流的認識與價值取向。保護河流的關鍵在于實現不同狀態河流自然生態健康與服務功能的平衡,因此,近年來開展的河流健康研究與評估實踐多圍繞這兩方面來進行。不同地區、不同時段以及不同類型的河流,其服務功能可能存在差異,因此其健康標準也不同。農村河流多呈“自然化”的特點,體現了更為強烈的與生產生活相關的服務功能特征,因此其健康內涵中自然生態健康與服務功能2方面內容以及兩者之間的關系也應與此相適應,并且對后續的河流修復與管理措施也會產生關鍵的影響。目前我國許多地方在推進河流健康評估和中小河流治理,鑒于相關理論研究的缺乏,筆者以鹽城市轄各縣區12條代表性農村河流為例,分析農村河流的生態健康與服務功能特征及其相互關系,并探討其對農村河流健康修復與管理的影響。

1 鹽城市農村代表性河流的特征

鹽城市位于蘇北平原中東部,長三角經濟區北緣,地理位置介于北緯32°34′～34°28′、東經119°27′～120°54′之間。鹽城市境內水系發達,河流縱橫交錯呈網狀分布,河流水系主要分布在淮河流域,廢黃河以北的河流為沂沭泗水系,其余為淮河下游里下河水系。2014年,從鹽城市9個區縣各選擇1條代表性河流以及3條市級河流開展河流健康試點評估(圖1)。12條河流主要特征見表1。

圖1 鹽城市代表性農村河流位置

表1 鹽城市代表性農村河流的主要特征

因位于平原河網地區,鹽城市12條河流具有河床比降小、水面平緩、流速緩慢等平原河網地區河流共性特點,而根據河流現場調查結果,鹽城市河流還具有以下特征:①河流跨線長。鹽城市河流大部分河段位于農村地區,河道周邊多有農田村舍散布其間,河道多為自然形態,河道橫斷面多樣復雜,河濱帶及河內水生植物分布多,大部分河段呈自然景觀狀態。②河流多具有行洪、排澇、航運、灌溉、供水等多種服務功能,且多受人工節制,水文水動力條件復雜,部分河道受潮位頂托影響而常有洪澇災害發生,部分河道有塌岸現象。③河道岸坡和河濱帶多因被碼頭、農田村舍占用,自然景觀連續性受損,部分河道淤積現象較為嚴重;④入河污染問題難以控制。岸坡垃圾、農田菜地用水、農村生活廢水與工廠企業廢水入河情況較為常見,而河流水體交換不暢,自凈能力低,導致河道水質較差,生物多樣性低,部分河段甚至黑臭。

鹽城市12條河流大部分位于農村區域,與城市河道相比,其河道形態、植被、景觀多呈自然狀態;河道與生產生活聯系緊密,河道功能更為多樣;河道的干擾因素多,并呈分散化特點,比城市河道更難控制。

2 生態健康與服務功能的關系

河流健康的理念目前已逐漸被接受?；趯恿?“生命”價值和服務利用價值的認識,河流健康內涵也多被理解成涵蓋自然生態健康與服務功能健康兩個方面。但從河流健康的核心“生命”理念的角度出發,不難發現這兩方面的內涵實際上并不是簡單的“A+B”關系。

2.1 農村河流生態健康的“脅迫-響應”機制

河流健康的理念產生于人類對河流自然生命保護價值的認識,表達的是人類自身因利用河流而產生的對河流自然系統干擾行為的反思,其核心在于人類與河流的關系。河流作為一個開放的、動態的生態系統,生物多樣性以及系統自身長期穩定組織結構的維持有賴于穩定的能量、物質流循環,有賴于系統內各要素參與的連續的物理、化學以及生物學反應。在無外界干擾的條件下,原始河流自然系統的動態和演變過程使得河流系統體現出自然完整性,體現出原始的水文地貌、水質、生態整體性以及水陸構成的自然景觀等特征。而受外界因素的影響,河流的形成與演變則是一個復雜的動態過程。河流系統內部結構的維持依賴于河流水文、形態和生物過程的變化[2]。人類利用活動是河流干擾因素的主因。Boon[3]認為,河流可能是地球上遭到人類最大程度濫用的生態系統,河流本身現狀是對人類的干擾以及自然因素如何對自然資源聯合作用的描述。河流系統的各種自然要素之間的影響與變化是一個動態的、連續的過程,干擾條件下河流系統的自然動態過程是一個受干擾的復雜過程(圖2)。由于干擾的廣泛性與深度性,同時又因與人類的需求與作用緊密關聯,因此,河流生態健康的問題與原因更為多樣和復雜。

圖2 服務功能對河流系統干擾的影響

鹽城市河流許多河段雖然在形態、景觀上呈現自然特征,但因承擔著行洪、排澇、航運、灌溉、供水等多種功能,河流流動受人工節制,民居和農田等對岸坡的占用則使得河流景觀連續性受到破壞,河道因此表現出與原始自然河流不同的生態環境特征。作為自然界物質、能量循環的關鍵一環,在某一方面的干擾下,河流內部構成要素必然發生關聯性的影響。這一作用包含兩方面的復雜過程:一方面是由于人類的利用而對河流的直接干擾,如對河流的人工改造;另一方面是由于河流系統各種自然要素之間的影響使得人類的外部干擾在河流系統內部的傳遞也是一個動態的、連續的過程。對于河流系統而言,盡管人類干擾對河流系統的某一方面造成了影響,但由于河流過程的連續性,這一干擾過程對河流系統的影響可以出現在任意的尺度,從局部區域到河段,直至整條河流,都會產生累積性影響,并且,由于河流系統的整體性與關聯性,人類對河流的干擾通常會產生一系列的因果效應,對河流系統內的一個或多個特征產生長期影響。人類干擾對農村河流的初始影響主要在于對河流岸坡利用等形態結構以及水文條件的改變,后又逐漸影響到河流水質、生態與景觀條件。這一干擾影響的因果關系見圖3。

圖3 受干擾影響的河流系統內部響應關系

2.2 農村河流生態健康與服務功能的平衡

農村河流系統處于自然與人類干擾的互動影響過程中,它既是承受人類干擾的受影響者,又是支撐和提供人類快速發展背景下更多需求的影響者:作為一個“生命體”, 河流要維持自身的自然生命價值；作為服務功能的提供者,河流必須為人類承擔諸多的服務功能。河流服務價值的實現往往以對河流自然生命價值的干擾為代價,農村河流的服務價值是其與河流原始自然狀況相區別的根本原因。可見,農村河流健康是河流服務功能與河流生態保護相協調的整合性內涵,但這種內涵并非是簡單的疊加關系,主要體現在以下兩個方面。

a. 河流生態健康的內容。河流系統基本的自然構成要素包括物理(形態、水文)、化學、生物等方面,因此河流自然生態健康內容也多直接由這些河流結構要素來反映[4]。由于人類的干擾(河流服務功能)也是直接作用在河流系統的基本特征和空間構成上,因此人類的干擾對河流生態健康的影響也反映在這些基本構成要素中,并且,這些基本構成要素體現的河流生態健康狀況,反過來又決定了河流能提供給人類的服務功能(圖4)。

圖4 農村河流服務功能與生態健康的關聯性

基于河流系統結構組成,農村河流生態健康的內容可以理解為:①河流形態結構健康要素。指構成河流的物理結構條件,包括地貌、植被、土壤、水體等各種形態因子以及它們整體上所表現出的空間格局條件。②水文水動力健康要素。指河流的流動、循環、水文頻率以及水體交換等條件。③水質健康要素。指河流的水質條件,表征河流水體的物理化學性質。④河流生物健康要素。指河流生物群落的結構與組成,反映生態系統群落功能狀況。⑤景觀健康要素。指體現在河流較大尺度上的生態景觀格局。景觀原意為視覺意義上的,這里指自然生態意義的河流景觀空間格局。農村河流河道長,流域范圍廣,多具備自然狀態河道的特征,因此,與城市河道相比,農村河流的生態景觀意義更為突出。這5個方面,既表征了受服務功能影響的河流自然生態健康狀況,也體現了河流生態健康狀況對河流服務功能的承載能力。圍繞5個方面的特征與相應內容,可以構建農村河流生態健康的評估指標。表2為鹽城市農村河流生態健康評估指標體系。

表2 鹽城市農村河流生態健康評估指標體系

目標層(A) 要素層(B) 指標層(C)

b. 河流生態健康的評估標準。河流的原始生態完整性曾被普遍作為河流生態利益的理想狀態。對自然河流,因人類多側重于對其自然生態利益的保護,對其調查與評估的目的在于了解河流受人類干擾的程度,因此,最直接有效的方法是了解河流生態狀況偏離其原始狀態的“損傷”程度。國際上河流評估發展較快的國家最早幾乎都選擇未受干擾的原始河流狀態作為參照,將待評估河流與之對照來得出評估結果[4-5]。然而,對于像鹽城市這類典型農村河流,因長期受密集人類活動的影響,河流初始自然條件早已被劇烈改變,同時又因持續承擔河流服務功能,其河流生態健康5個要素的評估目標以及相關評價指標值均與純粹的自然河流有很大的不同。此時若依然以原始狀態作為河流生態利益的評價基準,則必然會使評價結果偏低。歐盟近年來倡導為“受干擾(modified)”的水體重新建立基準條件,以確立可行的河流管理目標[6]。受所承擔的服務功能的持續影響,農村河流保護及治理的目標應是追求河流自然利益與服務功能的統一與協調,在人類對河流的開發利用與生態保護之間達到平衡,這種平衡在河流健康評估或實踐治理中往往表現為達到某些服務功能前提下預設的生態健康期望目標。由于不同河流的服務功能或開發利用方式不同,因此,河流的具體評估標準應結合相應的河流特征。

3 生態健康與服務功能的實現途徑

3.1 確定農村河流生態修復的目標

我國農村河流面大量廣,長期的失管使得近年來中小河流治理任務艱巨。如何確定河流的具體修復措施與目標,是農村河流治理中的關鍵?；谵r村河流生態健康與服務功能的關系,農村河流生態修復的目標應是在滿足在現有社會經濟發展對河流的合理需求條件下河流保持生態健康,因此,一方面要促進河流灌溉、供水、航運、排澇等服務功能目標的實現,另一方面還要強調河流生態結構合理、生態過程延續和功能完整,即實現河流生態健康5個構成要素(形態結構、水文水動力、水質、生物以及景觀)的健康。

農村河流生態治理應注意促進河流自然生態功能的發揮。近年來,我國農村地區廣泛開展了中小河流治理,但受城市河道治理方式的影響,存在著同斷面、同材料、注重視覺景觀的人工化“一刀切”治理的現象。城市河流因受干擾劇烈,河流自然形態與景觀條件喪失殆盡,因此治理中的主流理念是,強調以人工化的措施在實現河流服務功能的前提下進行河流的“類自然化修復”。這一“類自然化修復”的目的,實際上是盡量發揮河流自身生態系統的自組織和自調控能力,以人工干預的方式促進河流生態修復。值得注意的是,盡管農村河流也承受了諸多服務功能的干擾而與自然原始河流差異較大,但與受干擾更為劇烈的城市河道相比,卻具有更明顯的自然屬性甚至原始自然特征[7]。如鹽城市農村河流保留了較多橫斷面多樣、生態景觀良好的自然狀態河段(圖5),體現在自然的河道斷面、河濱帶,多樣化的土著岸坡及水生植物等方面。顯然,對于這一類型河道,相較于人工干預的“類自然化修復”治理手段,保留或促進河流“土著自然狀態”的恢復無疑更有利于實現河流生態健康的目標。

圖5 鹽城市農村河流自然特征

3.2 確定農村河流生態健康修復的順序

前述分析已表明,河流系統構成的這5個要素健康狀況,既體現了河流服務功能的影響,又決定了河流能提供給人類的服務功能條件,因此,農村河流生態修復主要是實現河流系統5個要素的健康目標。

由于河流系統內部要素遵循一定的影響順序關系,因此,河流生態修復[8]的途徑應與此相適應。河流系統內部構成要素的關聯影響,使得河流系統具有一定的自我調控和自我修復能力。盡管受到持續的干擾,農村河流依然具有明顯的自然屬性特征,河流生態修復應盡量依靠生態系統本身的自組織和自調控能力,或依靠人工調控與生態系統本身的自組織和自調控能力的復合作用,使部分或完全受損的生態系統恢復到相對健康的狀態。Mark[9]認為,水域內的形態結構都有潛在的水力和生態功能,河流生態系統總體功能與形態結構功能密切關聯,因此,采用“自然化途徑”優先修復水域自然地形與水力條件,是河流生態恢復的有效途徑。朱偉等[1]根據河流形態、水動力、水質、生態和景觀構成要素的影響關系,確定了城市河道生態恢復的“金字塔”要素關系層級模型。農村河流相對于城市河流,其自然屬性及其相互影響關系更為強烈,這一模型關系更適用于確定農村河流各生態要素的順序關系(圖4),即河道治理應該從下部最基本的要素開始,這些要素相對而言不受上部要素的制約,同時又可以促進上部要素的修復,而上部要素往往在基本要素比較完善的情況下才有改善其自身條件的可能性,如河流形態結構與水動力條件相互影響,兩者又共同影響河流水質的改善;河流形態、水動力以及水質的改善是促進河流生物多樣性恢復的必須條件,在此基礎上,河流景觀效果也能得到提升。1998年美國西部地區的基西米河治理工程[10],就是通過恢復河流自然的地形與水力條件來逐步提高河流生物棲息地質量,進而促進河內生物恢復的。類似的河流治理案例國內外已多見。

4 結 論

a. 對鹽城市代表性農村河流的調查表明,農村河流的河道形態、植被、景觀多呈自然狀態;農村河流的河道與生產生活聯系緊密,河道功能多樣,部分河道生態健康問題嚴重。

b. 農村河流的服務功能對河流生態健康產生干擾,河流生態健康內容和評估標準均體現了河流服務功能的影響。河流形態結構、水文水動力、水質、生物以及景觀等要素體現了河流生態健康狀況,同時也能反映河流能提供給人類的服務功能。

c. 農村河流依然具有明顯的自然屬性,河流生態修復應盡量依靠自然生態系統本身的自組織和自修復能力,同時由于河道系統構成要素之間存在層級影響關系,因此河道治理應該從基本的河流形態和水文水動力等要素開始,逐步促進上部生物、景觀要素以及河道整體生態健康的恢復。農村河流因具有較多的自然屬性特征,河流治理的生態健康目標應注意保留或促進河流自然生態功能的發揮。

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Ecosystem health and service functions of rural river

XIA Ting1, CAO Fangyi1, LONG Jian1, HUANG Yuying1, JIANG Mouyu2,3

(1.CollegeofEnvironment,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing, 211816,China; 2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing, 210098,China; 3.Science&TechnologyCommitteeofWaterResourcesMinistry,Beijing, 100053,China)

Taking the 12 representative rural rivers of Yancheng City as examples, the relationship between the ecosystem health and service function of rural river were analyzed, and the approaches of realizing the both in the rural river treatment were probed. The results show that there is a stress-response mechanism between the service function and ecological health of the rural river, the contents and standards of river ecosystem health evaluation both reflect the influence of river service function. In view of internal hierarchy influence of river system, and many natural attributes of rural rivers, the authors of this paper think that the ecological restoration of rural rivers should rely on the self-organization and self-recovery ability of river system as far as possible, and the natural ecological functions of rivers should be remained or promoted during rural river treatment, and the overall upper layer elements and the river ecosystem health recovery should gradually promoted from the basic river morphology and such basic elements as hydrology and water power.

rural river; river treatment; ecosystem health; service function; Yancheng City

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.01.005

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07501-001-03); 江蘇省太湖水污染治理專項基金(TH2013313); 江蘇省環境監測基金(1117); 江蘇省科技基礎設施建設計劃(BM2013013);南京工業大學重點自然基金(39727005)

夏霆(1973—), 男,副教授, 博士, 主要從事水污染控制與生態修復技術研究。E-mail: xiating@njtech.edu.cn

X21

A

1004-6933(2015)01-0030-05

2014-12-01 編輯：彭桃英)