范俊韜, 張依章, 張 遠(yuǎn), 張孟衡, 孟 偉*, 夏 瑞, 李夢(mèng)娣

1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院, 北京 100875 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

流域土地利用變化的水生態(tài)響應(yīng)研究

范俊韜1,2, 張依章2, 張 遠(yuǎn)2, 張孟衡2, 孟 偉2*, 夏 瑞1,2, 李夢(mèng)娣2

1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院, 北京 100875 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

流域土地利用變化造成水體物理、化學(xué)條件變化，并對(duì)諸多水生生物產(chǎn)生影響，進(jìn)而破壞水系的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能. 研究顯示：①流域土地利用變化將引起水文、底質(zhì)、生境改變等物理響應(yīng)，以及水體營(yíng)養(yǎng)鹽、細(xì)菌、有毒有害物含量、溶解氧變化等化學(xué)響應(yīng)，分布式水文模型成為研究物理和化學(xué)響應(yīng)的重要工具；②流域土地利用變化的生物響應(yīng)表現(xiàn)為水生生物與自然用地類(lèi)型呈正相關(guān)，而與農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地呈負(fù)相關(guān)，并且存在明顯的尺度效應(yīng)，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析是主要的研究方法；③大尺度的土地利用變化在水文過(guò)程下造成河段尺度上的外源物質(zhì)輸入、水文條件、底質(zhì)結(jié)構(gòu)等物理化學(xué)因子變化，是影響水生生物生境的直接原因. 存在主要問(wèn)題：①流域土地利用變化的生物響應(yīng)關(guān)系機(jī)制尚不明晰；②流域土地利用變化的生物響應(yīng)是通過(guò)物理響應(yīng)、化學(xué)響應(yīng)來(lái)間接作用的，但三者之間的非線性關(guān)系十分復(fù)雜；③水生生物對(duì)環(huán)境因子變化的敏感性和適用性存在較大差異. 因此，未來(lái)研究應(yīng)關(guān)注流域水文過(guò)程驅(qū)動(dòng)下的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程及由此帶來(lái)的物理、化學(xué)和生物響應(yīng)以及三者之間的關(guān)系，加強(qiáng)流域水文規(guī)律總結(jié)和參數(shù)率定，構(gòu)建符合流域特征的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，并著力構(gòu)建以保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能為核心的流域山水林田湖系統(tǒng)綜合管控模式.

土地利用; 水生態(tài)系統(tǒng); 水生生物; 分布式水文模型; 模擬

Abstract： The variation of physicochemical conditions in freshwater caused by land use change in watersheds influences aquatic organisms and damages the structure and function of the ecosystem. Previous studies have found that: (1) Land use change in watersheds causes physical change responses, for example in hydrology, substrata and habitat, as well as chemical change responses in nutrient, bacteria, toxic and harmful substances and dissolved oxygen in freshwater ecosystems. Distributed hydrological model has become an important tool for simulating these changes. (2) The results of biological response of land use change in watersheds indicates that aquatic organisms are positively correlated with natural land use types, but negatively correlated with agricultural and urban land use types, and a significant scale effect exists. Statistical analysis is one of the main study methods. (3) The exogenous substance input, the hydrology, substrata and other physical and chemical alteration at reach-scale directly influence the aquatic organisms, which is caused by land use change at watershed-scale through the hydrological process. However, current studies are also facing some challenges: first, the mechanism of biological response of land use change is not clear yet. Second, the biological response of land use change is indirectly through physical and chemical responses, but the nonlinear relationship between the three is very complex. Third, there is also a great difference in the sensitivity and applicability of aquatic organisms to environmental factors. Therefore, future studies should pay more attention to the process of material migration and transformation under the background of hydrological processes, strengthen the exploration of hydrology regularity and calibration of hydrological model at river basin scale, develop a parameter database matching the watershed characteristics, and focus on the construction of integrated management mode to mountains, rivers, forests, farmland and lakes system of watershed, to protect the structure and function of water ecosystems.

Keywords： land use; freshwater ecosystem; aquatic organisms; distributed hydrological model; modeling

流域土地利用變化是水態(tài)系統(tǒng)退化的主要驅(qū)動(dòng)力之一[1-2]，它改變了流域營(yíng)養(yǎng)物富集、顆粒物沉降、水文情勢(shì)、棲息地環(huán)境等生態(tài)過(guò)程[3-5]，繼而對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[6]. 這種影響廣泛而深遠(yuǎn)，控制和治理的難度也很大[7-8]. 但土地利用又是流域的最可控因子之一[9-10]，合理的土地利用方式可以改善和恢復(fù)河流水文、生境，減少污染輸出，轉(zhuǎn)化和攔截陸地污染物進(jìn)入水體[11]. 因此，流域土地利用變化的水生態(tài)響應(yīng)關(guān)系以及如何根據(jù)水生態(tài)響應(yīng)對(duì)流域土地利用進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)控成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[12-13].

流域土地利用變化造成的物理?xiàng)l件(如水文、生境)變化，以及化學(xué)條件〔如總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)等〕變化，將對(duì)諸多水生生物(如藻類(lèi)[14]、大型底棲動(dòng)物[15]、魚(yú)類(lèi)[16]等)產(chǎn)生影響，進(jìn)而破壞整個(gè)水系的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能. 水生生物對(duì)流域整個(gè)水系的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與生物多樣性維持發(fā)揮著重要作用[17]，并且能夠反映環(huán)境壓力對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期累積效應(yīng)[18-19]. 美國(guó)、歐盟、澳大利亞等均將水生生物在水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)及修復(fù)中的重要地位予以規(guī)定[20-21]. 我國(guó)科學(xué)家則指出，生物完整性是流域水生態(tài)系統(tǒng)健康與生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)涵[22-23]. 因此，研究流域土地利用變化的水生態(tài)響應(yīng)關(guān)系，不僅要關(guān)注物理響應(yīng)、化學(xué)響應(yīng)，也應(yīng)關(guān)注生物響應(yīng).

基于此，該研究綜述了國(guó)內(nèi)外近年來(lái)流域土地利用變化的水生態(tài)響應(yīng)關(guān)系研究成果，揭示水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)流域土地利用變化的物理、化學(xué)與生物響應(yīng)及它們間的相互關(guān)系，以期能指導(dǎo)以保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)和生物完整性為目標(biāo)的流域土地利用優(yōu)化與調(diào)控，為維持水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，實(shí)現(xiàn)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供支撐.

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 流域土地利用變化的物理響應(yīng)關(guān)系

水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)流域土地利用變化的物理響應(yīng)主要包括改變徑流量造成水量(產(chǎn)流)的變化，以及改變懸浮物量(產(chǎn)沙)造成底質(zhì)等的變化. 流域森林砍伐、草地過(guò)牧、濕地排水、干旱區(qū)無(wú)效灌溉及非農(nóng)建設(shè)用地增加等都對(duì)水分循環(huán)產(chǎn)生影響，是造成產(chǎn)流產(chǎn)沙變化的原因[24]. Ghaffari等[25]在伊朗Zanjanrood流域的研究認(rèn)為，牧草地向雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)和裸地的轉(zhuǎn)變將導(dǎo)致地表徑流的增加. Nie等[26]在San Pedro流域的研究表明，城市化是導(dǎo)致流域地表徑流增加的主要原因. 劉玉明等[27]研究表明，媯水河流域城鎮(zhèn)用地的增加和草地的減少導(dǎo)致徑流量增加，在汛期增加尤為明顯. 龐靖鵬等[28]研究發(fā)現(xiàn)，土地利用變化是影響密云水庫(kù)流域產(chǎn)沙的重要因素，耕地的土壤侵蝕情況最為嚴(yán)重，其次是草地，而林地的水土保持效果最好. 曾赟等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在四川紫色丘陵區(qū)，隨著林地覆蓋率的增加，徑流泥沙都有了不同程度的減少，泥沙量減少的幅度大于徑流量，表明植被增多、耕地減少的土地利用變化對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量的減小影響顯著. Bronstert等[30]認(rèn)為，在區(qū)域尺度上主要包括植被變化、農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)活動(dòng)、道路建設(shè)以及城鎮(zhèn)化等是影響流域水文的主要原因，而從全球尺度而言，毀林和造林是最主要的驅(qū)動(dòng)因素.

流域土地利用變化的物理響應(yīng)關(guān)系的研究方法可以歸結(jié)為三類(lèi)：流域?qū)Ρ仍囼?yàn)法、水文特征參數(shù)法和流域水文模型模擬法[24]. 流域?qū)Ρ仍囼?yàn)法適用于較小流域，其優(yōu)點(diǎn)是較易獲取試驗(yàn)結(jié)果，但研究周期較長(zhǎng)且對(duì)比性差，因而不易找到主要影響因子；水文特征參數(shù)法易于計(jì)算，但無(wú)法解釋水文變化的機(jī)理；流域分布式水文模型參數(shù)物理意義明確，充分考慮了空間異質(zhì)性,更適于研究人類(lèi)活動(dòng)造成的水文效應(yīng),特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、3S技術(shù)日趨成熟及數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)不斷完善的條件下的優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)操作人員和數(shù)據(jù)的要求較高.

1.2 流域土地利用變化的化學(xué)響應(yīng)關(guān)系

流域土地利用變化的化學(xué)響應(yīng)主要是由于化肥、農(nóng)藥的使用以及污水灌溉等產(chǎn)生的污染物質(zhì)在降雨淋溶和沖刷下隨徑流進(jìn)入含水層、湖泊、河流、濱岸生態(tài)系統(tǒng)，引起水體營(yíng)養(yǎng)鹽、細(xì)菌、有毒有害物含量增加，溶解氧減少，水體富營(yíng)養(yǎng)化和酸化等問(wèn)題[31-33]. 研究認(rèn)為，土地利用方式不同，污染物產(chǎn)流、遷移特征差異巨大，農(nóng)業(yè)活動(dòng)被認(rèn)為是河流非點(diǎn)源污染問(wèn)題的最主要原因，城市地表徑流居其次[34-35]. 耕地、園地和居民地是非點(diǎn)污染發(fā)生的主要土地利用類(lèi)型，而森林、草地對(duì)污染物存在截留作用[36]. 李鑄衡等[37]在渾太流域的研究認(rèn)為，不同用地類(lèi)型的非點(diǎn)源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率從大到小的排序依次為旱地、水田、城鎮(zhèn)、農(nóng)村、林地和灌木地，TP負(fù)荷的空間分布與TN基本一致，負(fù)荷較高的地區(qū)是人口密集的沈陽(yáng)、遼陽(yáng)和鞍山區(qū)域. 土地利用對(duì)非點(diǎn)源污染形成過(guò)程的影響不僅表現(xiàn)在數(shù)量結(jié)構(gòu)上，還表現(xiàn)在空間分布上. 在數(shù)量關(guān)系相同時(shí)，空間分布的差異也會(huì)導(dǎo)致非點(diǎn)源污染形成的不同[38]. 流域內(nèi)的土地利用景觀越破碎類(lèi)型越豐富，斑塊分布越零散，污染物的輸出也就越多[39]. 這是由于景觀格局的差異導(dǎo)致污染物入滲、匯流以及流域生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)制發(fā)生了改變.

流域土地利用變化化學(xué)響應(yīng)關(guān)系的研究方法一般包括經(jīng)驗(yàn)公式法和水文模型法. 經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算簡(jiǎn)單方便，但結(jié)果不夠詳細(xì)和精確，如污染分割法、相關(guān)關(guān)系法、輸出系數(shù)法等，其中，輸出系數(shù)模型是較早且被廣泛應(yīng)用于土地利用與污染負(fù)荷之間關(guān)系的主要經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭籟40-42]. 分布式水文模型考慮了水文參數(shù)和過(guò)程的空間異質(zhì)性，將流域離散成很多較小單元，水分在離散單元之間運(yùn)動(dòng)和交換，這種假設(shè)與自然界中下墊面的復(fù)雜性和降水時(shí)空分布不均勻性導(dǎo)致的流域產(chǎn)匯流高度非線性的特征相符，因而所揭示的水文循環(huán)物理過(guò)程更接近客觀世界，更能真實(shí)地模擬水文循環(huán)過(guò)程,是水文模型發(fā)展的必然趨勢(shì)[43-45]. 在諸多模型中，美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心(USDA-ARS)開(kāi)發(fā)的SWAT(soil and water assessment tool)模型是流域尺度、時(shí)間連續(xù)、基于過(guò)程的分布式水文物理模型，應(yīng)用最為廣泛，被認(rèn)為是適用于長(zhǎng)期模擬以農(nóng)業(yè)為主的流域的模型[46-48].

1.3 流域土地利用變化的生物響應(yīng)關(guān)系

近年來(lái)，將土地利用與水生生物進(jìn)行直接關(guān)聯(lián)，以探尋不同尺度下土地利用開(kāi)發(fā)的水生態(tài)效應(yīng)逐漸成為研究熱點(diǎn). 此類(lèi)研究通常采用回歸分析、典型對(duì)應(yīng)分析、冗余分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將土地利用指標(biāo)作為自變量，水生生物的生態(tài)學(xué)指數(shù)作為因變量進(jìn)行分析. 研究主要關(guān)注不透水用地(城鎮(zhèn)建設(shè)用地)、農(nóng)業(yè)用地與自然用地(包括人工林)三大土地利用類(lèi)型的面積比例、空間布局與水生生物的關(guān)系，以及在何種尺度下這種關(guān)系最為明顯[49-54]. 一般認(rèn)為，水生生物與自然用地類(lèi)型呈正相關(guān)，而與農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地呈負(fù)相關(guān). Lussier等[55]研究羅德島城市用地對(duì)河流生境和生物完整性的影響發(fā)現(xiàn)，不透水面積比為8%～47%，居民地面積比為245%～59%時(shí)，水生物種組變化發(fā)生明顯退化. 而城鎮(zhèn)用地與農(nóng)業(yè)用地對(duì)水生生物的影響程度也不盡相同，如Morley和Karr等發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)用地面積比在流域尺度下對(duì)底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(B-IBI)的影響程度最強(qiáng)[56]. 在太子河流域，無(wú)論是流域尺度還是河段尺度，城鎮(zhèn)用地比例同等增幅對(duì)魚(yú)類(lèi)完整性的影響比農(nóng)業(yè)用地更加突出[49].

土地利用對(duì)河流的影響存在尺度效應(yīng)也受到關(guān)注. 在時(shí)間尺度上，在不同年份和季節(jié)變化下，景觀變化對(duì)河流生物種群的重要性也不一致. 在空間尺度上，河道物理形態(tài)、有機(jī)質(zhì)輸入主要受河岸帶植被覆蓋(小尺度土地利用) 的影響. 如Lammert等[57]研究發(fā)現(xiàn)，魚(yú)類(lèi)和大型底棲動(dòng)物群落對(duì)農(nóng)業(yè)用地的響應(yīng)在河段尺度要強(qiáng)于在流域尺度；Heitke等[58]也發(fā)現(xiàn)，小尺度的農(nóng)業(yè)用地可以很好地區(qū)分F-IBI(魚(yú)類(lèi)完整性指數(shù))等級(jí). 而在太子河的研究[49]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-IBI對(duì)流域尺度農(nóng)業(yè)用地的響應(yīng)更為敏感，研究區(qū)域土地利用背景在決定河流生物群落結(jié)構(gòu)上發(fā)揮了重要作用，在流域整體干擾不均一的情況下，大尺度的環(huán)境因子對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響發(fā)揮更大的作用.

1.4 流域土地利用變化的生物響應(yīng)機(jī)制

大尺度的土地利用變化在水文過(guò)程作用下造成河段尺度上的外源物質(zhì)輸入、水文條件、底質(zhì)結(jié)構(gòu)等物理、化學(xué)因子發(fā)生變化[59]，這些物理、化學(xué)特征的改變又影響著水生生物的組成[60](見(jiàn)圖1). 以魚(yú)類(lèi)對(duì)化學(xué)因子變化的響應(yīng)為例，這種響應(yīng)可以反映在細(xì)胞、個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)五個(gè)層次[61](見(jiàn)表1). 在細(xì)胞和個(gè)體層次上，水中的污染物會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生“致癌、致畸、致突變”效應(yīng)[62-63]. 在種群及更高層次上，水環(huán)境因子將造成水生群落組成成分的缺損、組成生物群落的種類(lèi)和種群數(shù)量的增減，某些有指示種(如對(duì)某種污染有耐性或敏感的種類(lèi))的出現(xiàn)或消失，生物自養(yǎng)-異養(yǎng)程度的變化，從而對(duì)物種的豐富度、耐污種或清潔種個(gè)體數(shù)量、完整性指數(shù)(IBI)等生態(tài)學(xué)指數(shù)產(chǎn)生影響[64]. 在檢測(cè)方法上，細(xì)胞和個(gè)體層次的受損，可以通過(guò)對(duì)細(xì)胞、組織和個(gè)體的生物學(xué)和毒性檢測(cè)來(lái)判斷. 在種群及以上層次，檢測(cè)方法一般采用歷史文獻(xiàn)記錄、專(zhuān)家咨詢、壓力與指標(biāo)模型、與參照點(diǎn)的比較等方法綜合進(jìn)行判斷.

研究表明，pH與水生生物群落結(jié)構(gòu)存在正相關(guān)關(guān)系，pH過(guò)高或過(guò)低都將對(duì)水生生物群落產(chǎn)生不利影響；溶解氧(DO)通常與種群結(jié)構(gòu)、物種豐富度、生物量、IBI指數(shù)等呈正相關(guān)[65-67]；氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、電導(dǎo)率(EC)通常與群落完整性指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)[68-70]. 物理因子也是影響水生生物的重要因素，蘇玉等[71]研究發(fā)現(xiàn)，水量是影響太子河流域水生生物群落結(jié)構(gòu)的重要環(huán)境因子. 河流物理生境變化也是魚(yú)類(lèi)和大型底棲動(dòng)物的重要因素. 物理、化學(xué)因子對(duì)水生生物產(chǎn)生的協(xié)同影響更為普遍，泥沙攜帶的營(yíng)養(yǎng)鹽及其對(duì)底質(zhì)生境的改變，同時(shí)影響著藻類(lèi)和大型底棲動(dòng)物群落[72-73].

圖1 流域土地利用變化的水生生物響應(yīng)機(jī)制概念圖Fig.1 Conceptual map of aquatic organism response mechanism of land use change in watersheds

層次正常受損檢測(cè)方法細(xì)胞穩(wěn)定溶酶體,遺傳完整性存在解毒機(jī)制,遺傳損傷個(gè)體無(wú)形態(tài)異常,體況良好,寄生蟲(chóng)少,行為自然病變,爛鰭,腫瘤發(fā)展,體況不佳,行為異常魚(yú)類(lèi)細(xì)胞、組織和個(gè)體生物學(xué)、毒性檢測(cè)種群幼年期補(bǔ)充足夠維持種群,種群的年齡、層次結(jié)構(gòu),以及空間分布跟預(yù)期相符幼年期補(bǔ)充較差,青年期魚(yú)類(lèi)數(shù)量少,成年期階段缺失或較差,空間分布改變?nèi)郝湮锓N豐富度與預(yù)期相符,種間組合和互動(dòng)正常,季節(jié)性周期變化跟預(yù)期相符可用獵物減少,多樣性低于預(yù)期,珍稀種或敏感種損失生態(tài)系統(tǒng)無(wú)物理-化學(xué)損害,能維持種群承載力,捕食與被捕食相互關(guān)系跟預(yù)期相符生態(tài)位減少,生境完整性降低,食物網(wǎng)改變,高級(jí)捕食者減少歷史文獻(xiàn)記錄、專(zhuān)家咨詢、壓力與指標(biāo)模型、與參照點(diǎn)的比較,以及各種方法綜合

不同尺度上所對(duì)應(yīng)的環(huán)境因子，如流域尺度上的氣候、海拔、河流等級(jí)，河段尺度上的植被覆蓋狀況、土地利用、水質(zhì)，微生境尺度上的底質(zhì)狀況等，都影響了水生群落的分布與結(jié)構(gòu)組成[74-77]. 因此，在研究人類(lèi)活動(dòng)干擾下的土地利用變化影響時(shí)，要盡量剔除氣候、海拔、河流等級(jí)等自然因子的影響，可以通過(guò)流域水生態(tài)分區(qū)等方法，在各水生態(tài)區(qū)系內(nèi)采用相應(yīng)的水生生物指數(shù)和參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究[78].

2 當(dāng)前研究的難點(diǎn)

流域土地利用變化的水生態(tài)響應(yīng)分為物理響應(yīng)、化學(xué)響應(yīng)和生物響應(yīng). 分布式水文模型能夠比較完整地揭示流域徑流、泥沙等水文情勢(shì)的物理變化，以及營(yíng)養(yǎng)鹽、殺蟲(chóng)劑等非點(diǎn)源化學(xué)污染從發(fā)生到進(jìn)入水體的客觀過(guò)程，其參數(shù)和輸出結(jié)果更易與遙感和GIS結(jié)合，能夠靈活地設(shè)置土地利用變化情景，模擬不同土地利用變化情景下的水文響應(yīng)，已成為目前研究流域土地利用變化的物理響應(yīng)、化學(xué)響應(yīng)關(guān)系的重要工具，并且具有明確的物理意義. 但是，目前流域土地利用變化的生物響應(yīng)關(guān)系機(jī)制尚不明晰，多數(shù)研究?jī)H從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析了流域土地利用變化的生物響應(yīng)關(guān)系，缺乏機(jī)理角度的分析.

流域土地利用變化的生物響應(yīng)是通過(guò)物理響應(yīng)、化學(xué)響應(yīng)來(lái)間接作用的. 生物因子與物理、化學(xué)因子間的非線性關(guān)系十分復(fù)雜，如水生生物與水量、泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽等物理、化學(xué)因子之間存在著高度復(fù)雜的非線性關(guān)系，同時(shí)各種因子在不同的時(shí)空尺度上又存在很強(qiáng)的相關(guān)性，因此，要對(duì)水生生物與物理、化學(xué)因子的關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確模擬十分困難[79].

水生生物對(duì)環(huán)境因子變化的敏感性和適用性也存在較大差異. 水生生物的生態(tài)學(xué)指數(shù)類(lèi)型眾多，有反映生物多樣性、群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)類(lèi)群、生活習(xí)性和洄游特征的指數(shù)，還有反映生態(tài)型、耐污類(lèi)群和敏感類(lèi)群等指數(shù)，但一些指數(shù)對(duì)干擾的敏感性及其穩(wěn)定性尚待驗(yàn)證. 如較低濃度的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽增加將促進(jìn)藻類(lèi)的生長(zhǎng)，在一定程度上還會(huì)提高藻類(lèi)生物多樣性，但對(duì)魚(yú)類(lèi)和大型底棲動(dòng)物卻幾乎沒(méi)有影響，因此藻類(lèi)被廣泛用于水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)[80]，魚(yú)類(lèi)更廣泛地被應(yīng)用于對(duì)河道阻斷如水利設(shè)施建設(shè)的影響[81]，大型底棲動(dòng)物則更多應(yīng)用于有機(jī)物[82]和重金屬污染[83]監(jiān)測(cè). 此外，不同的時(shí)空尺度也將對(duì)生物響應(yīng)產(chǎn)生影響.

3 未來(lái)研究方向及對(duì)我國(guó)流域水生態(tài)系統(tǒng)管理的啟示

3.1 未來(lái)研究方向

針對(duì)以上問(wèn)題，未來(lái)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注流域土地利用變化的生物響應(yīng)關(guān)系，在傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討在流域水文過(guò)程驅(qū)動(dòng)下的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程及由此帶來(lái)的物理響應(yīng)、化學(xué)響應(yīng)，以及物理化學(xué)條件變化產(chǎn)生的生物響應(yīng)，揭示流域土地利用變化的生物響應(yīng)機(jī)制(見(jiàn)圖2).

圖2 流域土地利用變化的水生態(tài)響應(yīng)關(guān)系未來(lái)關(guān)注方向Fig.2 Sketch map of future direction of concern for the response of freshwater ecosystem to land use change in watersheds

在物理響應(yīng)、化學(xué)響應(yīng)關(guān)系的模擬上，應(yīng)減少模擬的不確定性. 如灌區(qū)有其特殊的地表水、土壤水和地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及水庫(kù)、塘堰、灌排系統(tǒng)等水體的水量交換問(wèn)題，而當(dāng)前絕大多數(shù)分布式水文模型對(duì)灌區(qū)的水分循環(huán)過(guò)程考慮較粗. 中國(guó)北方的很多地區(qū)由于干旱缺水，灌區(qū)都設(shè)計(jì)成持水系統(tǒng)，即通過(guò)各種堤壩攔截徑流以供灌溉需要，這一點(diǎn)和北美的情況有極大不同[84]，而在中國(guó)缺乏根據(jù)實(shí)際情況的模型修正，可能導(dǎo)致模擬結(jié)果的不準(zhǔn)確. 此外，還有水電站或水庫(kù)、農(nóng)業(yè)灌溉引水、城市取用水等水資源管理措施對(duì)河道水量過(guò)程影響非常敏感，也給水文及污染物的模擬帶來(lái)了很大的不確定性. 因此，未來(lái)的研究方向主要是解決水文系統(tǒng)高度非線性導(dǎo)致的模型參數(shù)率定和驗(yàn)證、不同尺度上水文變量和參數(shù)的空間變異性問(wèn)題、不同時(shí)間尺度上水循環(huán)的機(jī)理、流域水文循環(huán)全要素過(guò)程的動(dòng)態(tài)耦合模擬、水文循環(huán)與水資源循環(huán)的耦合模擬問(wèn)題以及資料的限制等問(wèn)題[43].

在水生生物與物理化學(xué)因子的關(guān)系模擬上，除細(xì)胞和個(gè)體可以通過(guò)毒理實(shí)驗(yàn)方法預(yù)測(cè)外，在種群及以上水平，需要開(kāi)發(fā)合適的方法模擬其對(duì)物理、化學(xué)條件變化的響應(yīng)關(guān)系. 可采用的模型一般可以分為確定性方法和隨機(jī)性方法[85]. 基于過(guò)程的確定性模型在預(yù)測(cè)環(huán)境變化的生態(tài)學(xué)效應(yīng)等方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是影響生物群落變化的物理機(jī)制較為復(fù)雜，如生物群落之間存在的復(fù)雜相互作用，以及沒(méi)有足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)解釋這些作用，因此限制了確定性方法在模擬水生生物群落中的應(yīng)用[86-87]. 這時(shí)，需要一種替代方法進(jìn)行模擬，即隨機(jī)性方法. 傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法只有在樣本數(shù)量趨于無(wú)窮大時(shí)才能有理論上的保證，而在實(shí)際應(yīng)用中樣本數(shù)量通常都是有限的,對(duì)此基于大數(shù)定律的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法難以取得理想的效果，需要開(kāi)發(fā)適合小樣本數(shù)量的模擬方法.

要構(gòu)建符合流域特征的水生生物生態(tài)學(xué)指數(shù)體系. 依據(jù)不同流域的特征對(duì)各種生物生態(tài)學(xué)指數(shù)進(jìn)行篩選，以敏感反映水生態(tài)系統(tǒng)的壓力狀況；同時(shí)，將不同群落的水生生物指數(shù)有機(jī)結(jié)合，可以有效反映水生態(tài)系統(tǒng)在短期和長(zhǎng)期環(huán)境壓力影響下的受損狀況，使結(jié)果更加客觀全面. 如何根據(jù)河流所處的自然和人類(lèi)干擾特點(diǎn)，選擇和開(kāi)發(fā)合適的水生生物指數(shù)及參照值體系，也是分析流域土地利用變化的生物響應(yīng)的重要科學(xué)問(wèn)題.

3.2 對(duì)我國(guó)流域水生態(tài)系統(tǒng)管理的啟示

我國(guó)大多數(shù)河流的上游河段工業(yè)點(diǎn)源污染較少，但流域內(nèi)普遍存在著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、礦山開(kāi)采等土地利用開(kāi)發(fā)活動(dòng)，由此帶來(lái)的生境破壞、非點(diǎn)源污染等問(wèn)題成為水生態(tài)系統(tǒng)退化的主要驅(qū)動(dòng)因素. 對(duì)土地利用進(jìn)行調(diào)控以控制非點(diǎn)源污染等問(wèn)題成為世界各國(guó)流域綜合管理的有效措施之一，最具代表性的是20世紀(jì)70年代美國(guó)提出的“最佳管理措施”，它是以合理利用土地為基礎(chǔ),通過(guò)管理措施和非管理措施的有效組合以控制非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生和運(yùn)移，防止污染物進(jìn)入水庫(kù)、湖泊、河流等水體，從而避免農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生和形成[88]. 此外，發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)還把流域水生態(tài)系統(tǒng)的生物、化學(xué)和物理完整性作為流域非點(diǎn)源污染控制等綜合調(diào)控措施的目標(biāo)，體現(xiàn)了土地利用調(diào)控對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的整體保護(hù)[20-21].

目前，我國(guó)的流域水環(huán)境管理目標(biāo)體系單一，水質(zhì)達(dá)標(biāo)以重點(diǎn)控制常規(guī)污染物氨氮與高錳酸鹽指數(shù)為主，對(duì)其他常規(guī)污染物指標(biāo)如總磷、總氮，有毒有害及新型污染物關(guān)注較少；關(guān)注點(diǎn)源的控源減排較多，關(guān)注非點(diǎn)源污染較少；關(guān)注水質(zhì)達(dá)標(biāo)及飲用水安全較多，關(guān)注流域內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物完整性較少. 在今后點(diǎn)源污染得到進(jìn)一步控制的基礎(chǔ)上，我國(guó)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注土地利用變化帶來(lái)的水文情勢(shì)、非點(diǎn)源污染輸出等物理化學(xué)條件改變及其對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，并逐步建立以保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)健康為目標(biāo)的流域管理機(jī)制. 如在物理?xiàng)l件變化占主導(dǎo)影響的流域，應(yīng)采取控制產(chǎn)流產(chǎn)沙為主的措施，在化學(xué)條件變化占主導(dǎo)影響的流域，應(yīng)采取削減污染物為主的措施，但控制措施的最終結(jié)果應(yīng)符合流域水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能改善的目標(biāo)，即體現(xiàn)在水質(zhì)改善和水生生物群落恢復(fù)上. 因此，應(yīng)根據(jù)流域自然特征，科學(xué)確定不同生態(tài)分區(qū)內(nèi)的水質(zhì)和水生生物保護(hù)目標(biāo)，制定差異化的控制措施.

4 結(jié)論與展望

a) 流域土地利用變化驅(qū)動(dòng)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙、污染物輸出變化，已成為世界范圍內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)面臨的重要壓力. 這些物理、化學(xué)條件變化引起的藻類(lèi)、魚(yú)類(lèi)、底棲動(dòng)物等水生生物的細(xì)胞乃至群落層次上的改變，并通過(guò)食物網(wǎng)、競(jìng)爭(zhēng)、共生等機(jī)制在不同水生生物類(lèi)群間相互作用，從而將該影響延伸至生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程與功能水平.

b) 流域土地利用變化的水生態(tài)響應(yīng)關(guān)系研究難點(diǎn)在于水生生物響應(yīng)關(guān)系的構(gòu)建，包括減少流域水文過(guò)程下的物理響應(yīng)、化學(xué)響應(yīng)關(guān)系的不確定性，構(gòu)建水生生物對(duì)物理、化學(xué)條件變化的響應(yīng)關(guān)系分析方法，以及篩選和開(kāi)發(fā)符合流域特點(diǎn)的水生生物指數(shù)等. 未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步探討在流域水文過(guò)程驅(qū)動(dòng)下的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程及由此帶來(lái)的物理響應(yīng)、化學(xué)響應(yīng)以及物理化學(xué)條件變化產(chǎn)生的生物響應(yīng)，揭示流域土地利用變化的生物響應(yīng)機(jī)制.

c) 目前，我國(guó)的流域水環(huán)境管理目標(biāo)體系單一，以保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)健康為目標(biāo)的流域管理機(jī)制尚未建立. 在流域土地利用變化產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染等問(wèn)題逐漸突出的背景下，對(duì)一特定地域范圍內(nèi)相關(guān)環(huán)境要素實(shí)施系統(tǒng)管控，水陸統(tǒng)籌，對(duì)山水林田湖進(jìn)行統(tǒng)一保護(hù)、統(tǒng)一修復(fù)十分必要. 因此，應(yīng)加強(qiáng)流域水文規(guī)律總結(jié)和參數(shù)率定，構(gòu)建符合流域特征的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，并著力構(gòu)建以保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能為核心的流域山水林田湖系統(tǒng)綜合管控模式.

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Response of Freshwater Ecosystem to Land Use Change in Watersheds

FAN Juntao1,2, ZHANG Yizhang2, ZHANG Yuan2, ZHANG Mengheng2, MENG Wei2*, XIA Rui1,2, LI Mengdi2

1.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

2017-02-28

2017-04-21

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2015ZX07202012，2014ZX07510)

范俊韜(1984-)，男，重慶人，高級(jí)工程師，主要從事流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究，fanjt@craes.org.cn.

*責(zé)任作者，孟偉(1956-)，男，山東青島人，中國(guó)工程院院士，研究員，博士，博導(dǎo)，主要從事流域水污染控制與水生態(tài)保護(hù)研究，mengwei@craes.org.cn

X705

1001- 6929(2017)07- 0981- 10

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.45

范俊韜,張依章,張遠(yuǎn),等.流域土地利用變化的水生態(tài)響應(yīng)研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(7):981- 990.

FAN Juntao,ZHANG Yizhang,ZHANG Yuan,etal.Response of freshwater ecosystem to land use change in watersheds[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(7):981- 990.