筑壩河流生態系統變化與響應研究

李想 劉睿 甘露 冀琴

摘要： 河流生態系統是陸地與海洋之間進行物質循環、能量輸送、信息傳遞的重要樞紐，也是河流生態學研究的重點。隨著人類對水資源開發利用程度的不斷提高，以及水利工程的大量興建，在一定程度上人為改變了河流的水文、水系特征以及河流的理化性質，干擾了自然狀態下河流泥沙和生源物質的輸移，進而對生物和生態環境以及人類的生產生活、社會經濟的可持續發展造成了顯著影響，并對海洋、湖泊、濕地、三角洲、河岸帶產生了一系列連帶的生態效應。在對河流生態學的重要理論進行整理論述的基礎上，歸納總結了筑壩河流生態系統的變化與響應，為開展筑壩的生態影響評估、水庫生態調度、河流生態恢復、區域可持續發展提供理論支持和可行性建議，對降低筑壩河流的生態風險和保護生物多樣性具有重要的現實意義。

關 鍵 詞： 筑壩河流; 河流生態學; 河流生態系統; 河流特征; 生態保護與修復

中圖法分類號： ?P951;K903

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.010

0 引 言

河流是人類文明的起源，構成了地球表面最多樣化的生態系統[1-2]，也是海洋-陸地物質和能量交換的主要通道。近年來，人類活動對河流生態系統的自然性質與作用過程產生了較大的影響且不斷增強[3-4]，其中對筑壩河流的影響程度較為顯著[5-6]。筑壩是人工建造攔截水流的擋水建筑物，以實現水資源的綜合調控與綜合利用[7]。目前已有超過1 600萬座大壩分布在全球各大流域，其中最著名的是中國三峽大壩、俄羅斯賽馬拉大壩、巴基斯坦塔貝拉大壩等，而超過15 m的高壩中有46%分布在中國[8]。人類的筑壩行為對河流生態系統存在著氣候調節、景觀生態重塑等多種作用[9]。筑壩河流即為河流上存在大型水利工程的河流。一方面，與傳統河流相比，筑壩河流主要的變化特征是其“連續體”特征的喪失[10]，進而引起的一系列變化[11]。大壩處形成的水庫則轉變為一種半自然半人工的特殊生態系統，其蓄水量一般遠大于天然湖泊，導致筑壩河流生態系統的變化更加劇烈[12]。另一方面，筑壩已逐漸向梯級筑壩以及微型筑壩發展，與傳統單一筑壩相比，其河流的響應與變化過程更劇烈，范圍更廣，且持續時間更長[13-14]。已有的研究主要針對水利工程對河流產生的影響[15]，從20世紀80年代以來面向水利工程對河流產生的影響的發文數量成指數式增長，截止到2019年已發表文獻總數為126 889篇（知網和Web of Science）。在當前梯級筑壩以及微型筑壩發展的背景下，迫切需要從筑壩河流的整體角度來分析其變化與響應。基于此，本文嘗試從筑壩河流生態系統的視角，分析筑壩河流生態系統的變化與響應，以期為提升流域綜合管理，解決復雜的流域-生態環境-水利工程問題提供參考。

1 筑壩河流生態系統變化研究的意義

1.1 河流生態學理論的發展

河流生態學又稱河流系統的湖沼學，涉及水文學、水力學、生物學、地貌學、水利工程學、生態學等多個學科，是湖沼學研究的重點領域之一[16]。20世紀70年代以來，河流生態學的研究逐漸豐富，其主要特征表現為范圍的擴大，包括水-陸綜合視角研究分析、流域營養物質循環以及河流生物群落等[17-20]，如表1所列。當前，主要從大、中流域尺度上對各類資源的開發利用以及生態環境保護和修復問題進行研究[21]，并結合河流生態系統服務和健康評價，為流域范圍內陸地和水資源的合理開發利用決策提供理論依據，通過對河流生態系統的科學管理，促進流域內的自然、社會、經濟的可持續發展已成為河流生態學的重點研究問題[22]。

總體而言，現代河流生態學從未被干擾的自然河流出發，逐漸聚焦于筑壩河流的相關研究，主要研究內容從河流的水位、水溫、流速、流量等基本水文特性出發，逐漸向河流的形態、流態、連通性等水力特性，營養物質循環，動植物群落及其多樣性，地形地貌與生態景觀，以及時空尺度和人為干擾研究的方向深入。近年來，研究的重點已經開始向陸地-水生綜合生態系統轉變[40]。

1.2 筑壩河流特征

與傳統河流相比，筑壩河流的主要區別在于兩點：① 河流由單一的自然生態系統轉變為“自然-社會-經濟”復合生態系統，人們對其的關注重點已經從單純的生態環境角度，向資源開發與環境保護的優化策略轉變，尋求在滿足人類社會經濟需求與生態系統健康之間的平衡點。② 河流由連續體變為非連續體，形成的非連續特征，導致河流的物質場、能量場、生物場等發生了巨大改變，進而間接影響到河流的生態結構及其功能。

1.3 筑壩河流響應研究的意義

1.3.1 揭示河流對人類筑壩行為的響應特征

以河流生態系統特征為切入點，深入分析筑壩河流生態系統在不同特征方面的變化，能夠系統地闡明筑壩行為對河流生態系統不同方面的影響效應與影響的時空變化，分析主要脅迫因素，為水利工程的建設與實施提供參考。

1.3.2 探明河流生態系統的關鍵變化過程

結合不同筑壩河流的綜合分析，可以判明筑壩河流生態系統的關鍵過程及其特征，并提出關鍵變化過程的類別、內容以及變化節點，有助于明晰筑壩行為對河流生態系統的影響過程，同時也可以對未來河流的變化趨勢開展預測。

1.3.3 更好地滿足人類社會經濟發展的需求

筑壩的目的是為了更好地滿足人類社會經濟發展的需求。考慮到大壩對河流生態系統的脅迫是客觀存在的，因此需要在滿足社會經濟需求以及降低生態系統損害中尋求平衡點，以實現可持續發展的目標。

2 筑壩河流生態系統變化與響應研究

2.1 自然環境變化與響應

2.1.1 河流的水文特征變化

筑壩河流水文特征的變化與響應主要表現在流量、速度、水位、水溫和水質方面。河流水文特征的改變將會對整個流域及其生態系統產生深遠的影響。

大壩的攔截作用，使筑壩河流的流速在入庫時變緩，在庫中部分地方近乎靜止，在庫尾處又變大并逐漸趨近于天然河流的流速。該過程降低了河流的水動力及其搬運作用，促使水中攜帶的泥沙和營養物質沉積，有利于吸附和過濾作用，降低了水體的濁度、硬度和色度，但懸浮物、重金屬和有毒污染物在水庫的沉積難以降解，也會對水質造成影響[41]。同時，水體-大氣之間氣體交換速率與流速呈正相關，筑壩河流的復氧速率較天然河流低，水體自凈能力也隨之降低，支流河段、下游河段以及入海口的水質均會受到影響[42]。再者流速變緩增加了水體滯留時間，受太陽輻射的影響，水溫在垂向上出現了分層，根據Shelford 耐受性法則可知，水溫隨水深的增加而降低，會間接引起浮游生物種群結構的變化[43-44]。

水庫蓄水運行后，一方面通過對筑壩河流下泄量的人為調控，改變了下游的徑流量，使徑流量的年際變化趨于平緩，緩解了夏秋雨季洪峰和春冬旱季枯水現象的頻繁發生[45]，降低了水文極值的出現頻率，促進了水資源的時空分布平衡[46]。另一方面筑壩河流水位上升，水面面積及其蒸散發量較之前有所增大，改變了水分循環，由于巖層和土體的透水性，隨著水庫的不斷蓄水，河流上下游之間水位差的逐漸增大，易發生水庫滲透現象，造成地下水水位升高，降低了水庫的經濟效益[47]。

2.1.2 河流的水系特征變化

筑壩河流在形態、流態方面有別于天然河流，河流的片段化，根本上改變了河流的縱向連續性，阻礙了河流在三維方向上的連通性，影響了河流與陸地、大氣之間進行物質循環、能量流動、信息傳遞，破壞了生物棲息地和生態環境，降低了生物多樣性，對河流水系特征造成了較大的影響[48-49]。

筑壩河流在形態和流態上的變化與響應主要表現在人工順直擴寬河道、河流橫斷面幾何規則化及筑壩筑堤等[50]，改變了河流的蜿蜒性、自然流態以及河床材質，造成了河流片段化、河流流態的非連續性[51]，降低了生境的空間異質性，弱化了干支流間、河流與河岸間的聯系[52]。

河流的三維連通性是進行物質、物種、信息傳遞的基礎，人類活動對筑壩河流連通性的影響也是多維度的[53]。縱向上滯礙了泥沙和營養物質的輸移，不利于洄游魚類的產卵、水生生物的遷移;垂向上妨礙了河流與地下水之間的交換，影響了無脊椎動物對有機物、O2的獲取;橫向上削弱了河流與河岸帶之間的聯系性和洪水脈沖的信息傳遞功能，破壞了河岸帶生態系統的穩定性，對水陸交錯地帶生物的生存造成了影響[54]。

2.1.3 河流中懸浮物和溶解物變化

河流維持著海陸間生源物質的循環，筑壩河流的水體理化性質的改變，不僅會對懸浮物起到攔截作用，還會同河流中的懸浮物和溶解物發生生物化學反應，與天然河流相比存在顯著性區別。

筑壩河流形態的片段化使流速降低，增加了水體滯留時間，影響了生源要素的生物地球化學循環、沉降、溶解[55]，使向海洋輸送的生源物質通量和性質都發生了變化[56]，進而改變了河流、海洋中生態系統的生物結構和功能[57]。

流域的泥沙輸移和沉降模式隨著筑壩河流下泄徑流量的季節性改變而改變，流速的大幅度減緩使得其攜帶的粗沙（粒徑>0.1 mm）會在水庫的變動回水區大量沉降淤積，導致壩前水位升高，當水庫低水位運行時就會對正常航運造成一定影響[58]。庫底泥沙淤積量會隨時間推移而增加，降低水庫綜合效益和使用年限[59]。大壩對河流泥沙的攔截，使下泄徑流中含沙量顯著減少，對下游河段的河道沖刷加劇，造成河岸侵蝕，地下水位隨之降低，將引起周邊內陸湖、濕地的退化，易對下游水質造成影響，甚至引發生態風險[60-61]。

河流中溶解物主要是溶解氣體和溶解離子。上層水體因陽光透射率高對浮游植物的光合作用更有利，但DO的含量較高，也可能導致下泄徑流中O2過飽和[62];下層水體的光合作用過弱，再加之底棲動物的呼吸作用以及有機物的生物化學反應對DO的消耗，使得下層水體中的DO含量入不敷出[63]，形成了缺氧的環境，易導致CH3Hg+產生，CH3Hg+具有神經毒性，通過食物鏈堆積作用，會引發水生生物和人類的健康問題[64]。

2.1.4 水陸生物變化

筑壩河流連續性和連通性的破壞，改變了水生和陸生生物生存、繁殖所需的特定理化環境，阻礙了營養物質的循環輸移及洪水脈沖信息的傳遞，破壞了生物棲息地的生境條件，降低了河流以及河岸帶生態系統的多樣性、穩定性和自我恢復能力[57]。

河流中的營養物質是水生生物生存的物質基礎，營養物質濃度與水生生物數量和體積呈正相關[60]。筑壩會使河流流速變緩，從而降低了水體濁度，提高了太陽光的透射率，浮游植物初級生產力隨之提高，可為進行有氧呼吸的水生動物提供生長繁殖所需的DO [65]。筑壩河流徑流量的降低，會導致入海口處沖淡水面積變小，使河流中底棲生物、浮游動物和魚類的生存空間變小[66-67]。筑壩造成魚類的洄游通道被阻斷，使其不能完成正常的遷移和產卵;其次，徑流量的季節性變化趨勢的變緩、水位和流速的降低、洪水持續時間的變短，以及對河道形態的整治，均會降低生境的空間異質性，使魚類種群結構發生變化，不利于魚類繁殖和幼魚成活[68]。

筑壩河流的水域面積較之前有較大增加，由于水體的蒸散發作用，庫區及其周邊的空氣濕度增加，為陸生植被的生長創造了有利的環境[69]，同時也降低了森林火災的發生頻率[47]。筑壩河流較天然河流相比，流域內濕地和沼澤面積有所擴大，可為濕生植物、兩棲動物、水鳥以及部分瀕危保護動物提供良好的棲息地，有利于它們的生長繁殖，種群數量擴大[70]。但同時，大壩周邊土壤和農田中的可溶解性鹽類，通過降水和地下水進入河流，會增加河流富營養化的風險，當水位上升時，通過地下水滲透土壤，易造成土壤鹽漬化，增大了植被、農作物、兩棲動物死亡的風險。

2.2 人類社會的變化與響應

2.2.1 生態污染變化

筑壩河流對生態污染的響應包括大氣污染、水污染、土壤污染，其中對生態影響比較嚴重的是水污染和土壤污染，不僅會破壞生態環境，引起動植物死亡，還會對人類的生產生活造成一定影響。

在大氣污染方面，庫區及周邊地區被淹沒，造成了動植物的大量死亡，微生物分解動植物殘骸需要消耗水中的DO，同時釋放CO2和CH4，通過水-氣界面的交換作用，空氣中CO2和CH4的含量增加，易造成溫室效應，相關研究表明，全球造成溫室效應氣體的4%是由水庫貢獻的[71]。在水污染方面，大壩蓄水造成的大量動植物死亡及筑壩河流附近居民對N、P化肥和含P洗衣劑的大量使用，通過微生物分解、降水等過程，使水體中TN、TP的濃度增加，水體富營養化水平上升，增加了水華爆發的風險性[72-73]。筑壩河流水體pH的變化與水體中溶解的污染物、區域的地質條件有關。生物的生長繁殖都有其各自適應的pH值范圍，pH過高或過低、短時間內的劇烈波動都會引起生物的不耐受，造成物種豐度和多樣性下降[49]。在土壤污染方面，筑壩河流徑流的季節性調控對入海徑流量具有一定影響，近壩區域地下水位上升，導致海水入侵，淹沒土地，易形成土壤沼澤化和鹽漬化。當土壤含水量過高時，包氣帶被破壞，在厭氧微生物和濕生植物的作用下，大量有機物質被積累和還原，形成了土壤沼澤化。庫區滲漏和海水入侵，都會造成地下水中含鹽量上升，經過蒸發作用形成鹽漬化，不僅對植物的生長不利，還會引起筑壩河流沿岸城市的飲用水緊張[74]。

2.2.2 自然災害變化

筑壩不僅有供水、發電、航運的用途，還發揮著防洪和灌溉的作用。但筑壩對河流周邊地質環境和河流水文特征的改變，加大了水土流失、泥石流、滑坡、河岸崩塌和地震等自然災害的發生頻率。

大壩通過對徑流的季節性調控，特別是梯級大壩的聯合調度，增強了筑壩河流周邊區域抵御洪澇災害的能力，擴大了灌溉農田的范圍并在一定程度上緩解了旱災，降低了洪澇和旱災對生態環境的破壞程度，減輕了社會經濟的損失，保證了人類的生產生活安全。

但河流筑壩過程中大量的取石挖土及庫區周邊居民的搬遷，對河岸帶及河流周邊植被的破壞，降低了土壤固持水土的能力，易引發水土流失和土壤侵蝕[60]。特別在地勢險峻的河谷地段，受流水的侵蝕和搬運作用的影響，為泥石流提供了豐富的泥沙和固體碎屑，當有持續性或高強度降水或潰壩洪水時，泥石流便會發生。滑坡的發生頻率與水位的變化強度和降雨強度呈高度正相關。大壩蓄水后，水庫及其周邊地區的河流水位隨之上升，使得筑壩河流的河岸邊坡抗剪切滑動的能力下降，且在太陽輻射下水面的蒸散發作用增大了降雨量，均促進了滑坡的發生[54]。同時，筑壩河流水位的抬升和流速的增加，加劇了河流對側岸的侵蝕作用，人類的挖沙、取土行為造成了河岸周邊土壤結構松散，易引發河岸坍塌，堵塞河道，影響航運，在平原河段還會對堤岸的穩定性造成影響，增加了洪澇發生的可能性[75]。其次，河流筑壩會改變庫區的地質結構、巖石的滲透性，隨著水位上升，不斷增加的局部水應力、高水位的持續時間及水位變化頻率與幅度都是誘發地震的原因，且筑壩河流區域將會由非地震活躍地帶變成地震活躍地帶，增加地震的發生頻率和強度[76-78]。

2.2.3 人類與社會變化

在社會響應方面，河流筑壩建設占用土地和淹沒農田，加重了人地矛盾，原著居民被迫移民搬遷，將會對他們生產生活造成一定的影響，還會對接納移民地區的區域環境承載力造成相應的壓力，同時筑壩河流與區域微氣候的響應又會反過來作用于河川徑流和區域生態環境以及人類的生產生活[79]。

移民問題的社會效應比較復雜且時間效應持續較久，需要消費大量的時間、物力幫助移民人群適應新的生活環境和尋找新的工作，且至今仍存在水庫移民返遷、返貧的現象[80]。同時，河流在筑壩過程中施工產生了廢水、廢氣以及固體廢棄物的污染，建成蓄水后增加了筑壩河流的水域面積，改變了原始生態環境，水位的升高引起了各類動物向高處遷移，都將會造成傳染病發病率的升高，對周邊居民的生命健康造成影響[81]。

河流筑壩后原本的陸地變成水體，熱容量增加，太陽輻射隨空氣透明度提高而增強，使庫區周邊的最高氣溫降低，溫差減小，空氣濕度有所增加;同時水庫的梯級開發和聯合調度，增大了灌溉面積，有利于植被生產力、農作物產量和品質的提高，促進農業經濟的快速發展[82-83]。河流筑壩后水面的蒸發量隨著水體面積增加而變大，降雨量明顯增加;水庫低溫效應改變了降雨的時空分布特征，庫區及其周邊地區降雨量有所減少，外圍區域則明顯增加，夏季降雨相對減少，而冬季相對增加，改善了庫區居民生活環境的舒適度[84]。更重要的是，中國水資源的空間分布不均衡，形成了區域性的水資源危機，著名的南水北調工程緩解了區域用水壓力，對社會經濟的可持續發展發揮著重要作用。

3 結 語

筑壩河流生態系統的變化與響應主要體現在兩大方面：一方面，由于河流水文水力特征的改變引起了河流中懸浮物和溶解物輸移沉降模式的變化，降低了水體的自凈能力，進而改變了水陸生物生存環境的空間異質性和適宜度，不利于筑壩河流生態系統多樣性、穩定性的維持，破壞了其自我恢復能力;另一方面，筑壩引起的生態污染、自然災害、社會經濟及區域小氣候的變化等問題會對人類身心健康、人身安全、生產生活產生不同程度的影響，其影響各有利弊。若能對不利影響進行有效的預防、控制，開展一系列的生態恢復和監測工程[85-86]，將有助于擴大其有利影響。但隨著大壩的老化，如何在盡量少破壞大壩及其周邊生態環境的條件下進行拆壩、清淤以及規避拆壩后的持續性影響[87]，開展筑壩對河流、海洋、湖泊、濕地四者之間生態聯動響應研究都是值得重點關注的問題。

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（編輯：謝玲嫻）

引用本文：

李想，劉睿，甘露，等.

筑壩河流生態系統變化與響應研究

[J].人民長江，2021，52（8）：63-70.

Change and response of dammed river ecosystem

LI Xiang1，2，3，LIU Rui1，2，GAN Lu1，2，JI Qin1，2

（ 1.School of Geography and Tourism，Chongqing Normal University，Chongqing 401331，China; 2.Chongqing Key Laboratory of GIS Application Research，Chongqing Normal University，Chongqing 401331，China; 3.Henan Institute of Surveying and Mapping Engineering，Zhengzhou 450003，China ）

Abstract：

River ecosystem is an important hub for material circulation，energy transport and information transfer between land and sea，and also the focus of river ecology research.With the constant development and utilization degree of water resources，a lot of water conservancy projects have been built，which artificially changed river hydrological drainage characteristics，continuity and connectivity，physical and chemical properties，also interfered the natural river sediment and biogenic substance transport，and further affected the biological and ecological environment，human production and living and the sustainable development of social economy.The ecology of the oceans，lakes，wetlands，delta and riparian zone were affected.In this paper，the important theory of river ecology was discussed，response and change of the river ecosystem to the dammed river was summarized.It can provide theoretical support and feasible suggestions for the ecological impact assessment，the reservoir ecological operation，river ecological restoration and the regional sustainable development and it is of great practical significance to reducing the ecological risk of dammed rivers and protecting biodiversity.

Key words：

dammed river;river ecology;river ecosystem;river characteristics;ecological protection and restoration