陳 昂

(中國水利水電科學(xué)研究院水電可持續(xù)發(fā)展研究中心,北京 100038)

環(huán)境流量(environmental flow)研究與實踐主要基于自然流態(tài)范式理論[1]。自然流態(tài)反映了歷史流量的時間變異和適應(yīng)過程,維持了本地物種生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)過程和棲息地條件。因此,除了恢復(fù)靜態(tài)流量條件(如最小流量),還應(yīng)把恢復(fù)特定流量過程作為河流環(huán)境流量管理的目標(biāo)。自然流態(tài)可通過長序列的天然流量過程確定,根據(jù)不同流量的生態(tài)學(xué)意義劃分流量組分,包括流量的大小、頻率、持續(xù)時間、出現(xiàn)時間、變化率等。流量變異受多種因素影響,如氣候狀況(降水和溫度)、土地利用、土壤、地形地貌以及流態(tài)的地理差異等[2-4]。在生態(tài)水文作用過程中,物種可不斷適應(yīng)多種流態(tài)組分的組合疊加[5]。通過識別不同物種的促進(jìn)和抑制因素,分析物種對主要流態(tài)組分的適應(yīng)程度,可促進(jìn)物種繁殖和群落形成。人類影響下的流量流態(tài)變化對有效生境、物種生活史過程、特定物種和棲息地的影響,導(dǎo)致了物種效能退化、生態(tài)過程和生態(tài)系統(tǒng)功能退化[6],在魚類[7-8]、河岸帶植被[9]和無脊椎動物[10-12]等方面均已得到驗證。因此,實施環(huán)境流量的目標(biāo)是恢復(fù)特定生態(tài)目標(biāo)所需的自然流態(tài)組分。

過去25年,環(huán)境流量的研究體系不斷豐富,出現(xiàn)了基于水文變化的定量評估方法、生態(tài)水文響應(yīng)關(guān)系法和區(qū)域尺度水文變化的生態(tài)限度框架等方法[13-16],逐漸形成統(tǒng)一認(rèn)識,并對部分國家和地區(qū)的水資源政策產(chǎn)生了一定影響[17-19]。隨著對環(huán)境流量社會屬性的重視,未來研究與管理將更多考慮社會和生態(tài)耦合。同時,為實現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),目前已開展了考慮全球生態(tài)用水需求的人類用水量研究[20-22],以指導(dǎo)淡水生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)灌溉的水量分配問題。

河流生態(tài)學(xué)研究的理論、方法和模型,是環(huán)境流量實踐的基礎(chǔ)。但是,非穩(wěn)定性的影響導(dǎo)致單純考慮自然流態(tài)范式難以支撐未來變化環(huán)境下的環(huán)境流量研究,需要擴(kuò)展環(huán)境流量的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ),才能提高可預(yù)測性。筆者通過梳理國內(nèi)外環(huán)境流量研究成果,分析全球環(huán)境變化對環(huán)境流量的影響,總結(jié)了環(huán)境流量研究的前沿問題與挑戰(zhàn),提出了人類世背景下的環(huán)境流量發(fā)展方向。

1 環(huán)境流量研究的前沿問題

1.1 全球環(huán)境變化與非穩(wěn)定性

20世紀(jì)的水資源規(guī)劃與管理主要基于氣候穩(wěn)定假說,即全新世的水文氣候過程相對穩(wěn)定,對河流水文情勢的驅(qū)動表現(xiàn)為穩(wěn)定的流量平均值和方差[23],未受干擾流域的降雨-徑流過程在一定范圍內(nèi)變化,具體由生態(tài)流量組分(流量大小、頻率、持續(xù)時間和出現(xiàn)時間)表征[24],未受干擾流域可作為背景基線。21世紀(jì)以來人類活動的影響導(dǎo)致氣候變暖加速,全球氣候進(jìn)入人類世的變化時期,氣溫和降水隨地表過程發(fā)生變化,非穩(wěn)定性導(dǎo)致水文基線改變[25-26];與歷史相比,未來水文情勢也將發(fā)生變化,給環(huán)境流量研究帶來了新的挑戰(zhàn)。因此,由于氣候變化、人口增長、土地利用變化等對水文情勢的影響,歷史水文基線不再適用[27-29]。

人類世環(huán)境流量研究的另一個挑戰(zhàn)是生態(tài)系統(tǒng)的非穩(wěn)定性。由于人類活動的影響加劇,打破了局域的生態(tài)平衡[30],也影響了區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡。人類活動影響、水生生態(tài)系統(tǒng)的遺產(chǎn)效應(yīng)和外來物種入侵對生物間相互作用的影響[31-32],導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)非穩(wěn)定性,破壞了全球淡水生態(tài)系統(tǒng)的基線,影響了對目標(biāo)恢復(fù)力的指導(dǎo)作用。

1.2 生態(tài)水文過程的動態(tài)模擬

水文氣候的快速變化導(dǎo)致構(gòu)建生態(tài)水文動態(tài)模型更加困難。環(huán)境流量研究一般通過表征水文情勢長期變化的指標(biāo)(如峰值流量、低流量大小和出現(xiàn)時間等)識別生態(tài)系統(tǒng)靜態(tài)特征[33-34]。生態(tài)水文響應(yīng)關(guān)系反映了流量的時間變異模式,即:物種對流量變異的適應(yīng)性為研究特定流量組分變化的生態(tài)響應(yīng)奠定了理論基礎(chǔ)。研究表明,通過對物種及其水文指標(biāo)進(jìn)行分類排序,可識別一般生態(tài)過程,通過流量變化識別特定物種及其棲息地所受影響已在河岸帶植物[35]、魚類[36]和無脊椎動物[37-40]等方面得到驗證。

生態(tài)過程的時間尺度一般較長,在長期的水文情勢變化條件下,單個極端水文事件(如高流量或長期干旱)對生態(tài)的直接影響較大。但是在目前的環(huán)境流量研究中,尚未充分認(rèn)識短期流量變化的重要性。單一或系列極端事件的影響,可能導(dǎo)致種群易危[41-44],非穩(wěn)定性導(dǎo)致水文基線的改變,使物種暴露于更頻繁和劇烈的極端水文事件中,嚴(yán)重影響了物種效能和可持續(xù)性。

由于水文氣候的非穩(wěn)定性,靜態(tài)水文情勢指標(biāo)及其效應(yīng)在多種情景的生態(tài)響應(yīng)預(yù)測方面存在一定的局限性。水文事件的生態(tài)響應(yīng)更多以生態(tài)過程為基礎(chǔ),考慮物種效能與短期水文變化和特定水文事件的響應(yīng)關(guān)系,需要從靜態(tài)水文指標(biāo)與生態(tài)響應(yīng)的回歸關(guān)系,向動態(tài)的生態(tài)水文響應(yīng)機(jī)理擴(kuò)展,研究生物個體、種群和群落對特定量級水文事件的響應(yīng)機(jī)制[45-47]。

1.3 生態(tài)水文關(guān)系的時空特性

大部分生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)(如物種的數(shù)量和豐度)的變化,都可用水文情勢指標(biāo)的變化解釋。研究表明,72%的生態(tài)水文關(guān)系研究都是生態(tài)系統(tǒng)評估研究的內(nèi)容;環(huán)境流量研究應(yīng)更加關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)過程[48-50],加強(qiáng)生態(tài)基礎(chǔ)耦合。目前,對生態(tài)水文關(guān)系的認(rèn)識和量化方法基本達(dá)成統(tǒng)一,但由于環(huán)境流量涉及多學(xué)科、多尺度的內(nèi)容,在生態(tài)水文時空尺度表征方面還未統(tǒng)一,制約了不同尺度環(huán)境流量的實施。

環(huán)境流量研究與實踐需考慮不同時空尺度、多種技術(shù)方法和生態(tài)響應(yīng)特征。環(huán)境流量的空間尺度從局域尺度擴(kuò)展到流域尺度和生物地理尺度,生物地理尺度的差異導(dǎo)致物種周轉(zhuǎn)。隨著空間尺度擴(kuò)展,水文學(xué)、水力學(xué)和生態(tài)學(xué)特征的表征方法從細(xì)粒度定點密集觀測,擴(kuò)展到統(tǒng)計學(xué)特征的模型模擬。環(huán)境流量實踐的方法(觀測、模型、試驗)一般根據(jù)特定空間尺度和時間尺度確定,時間尺度的變化范圍較大,一般可從小時尺度、日尺度擴(kuò)展到月尺度、季尺度、年尺度和年際尺度等。

環(huán)境流量研究與實踐的尺度關(guān)系框架考慮了多種生態(tài)尺度。第一種是年內(nèi)相對緩慢的生態(tài)響應(yīng)尺度,例如,確定昆蟲或河岸帶植被物種豐度在幾個月內(nèi)的變化、水文情勢變化對群落結(jié)構(gòu)的緩慢影響,需要同時開展多點觀測以建立生態(tài)水文關(guān)系,目前主要方法是開展長期連續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)定點監(jiān)測。第二種是快速的生態(tài)響應(yīng),可通過過程變化率識別,例如,通過監(jiān)測短期的種群增長率或死亡率,可識別特定水文情勢及動態(tài)變化條件下的物種效能。盡管功能相似的同資源種團(tuán)適用性較好,但是實踐中通常只選擇少數(shù)物種或少數(shù)地點的種群統(tǒng)計數(shù)據(jù)。第三種是物種性狀特征的生態(tài)響應(yīng),反映了物種特征對不同時間尺度水文變化的響應(yīng),包括行為響應(yīng)、特定水文事件響應(yīng)(如躲避突變流量能力)、生活史特征響應(yīng)(如繁殖時間)等。在動態(tài)水文條件和非穩(wěn)定性條件下,環(huán)境流量研究更加強(qiáng)調(diào)生態(tài)水文關(guān)系的過程和機(jī)理,環(huán)境流量實踐更加關(guān)注通過物種種群變化率[51]的研究,提高不同區(qū)域研究與實踐的可移植性。

1.4 環(huán)境流量評估的關(guān)鍵指標(biāo)

水文情勢是影響水生生物、河岸帶物種及其生態(tài)系統(tǒng)的主要因素[52-55]。與其他環(huán)境要素(如溫度、泥沙、水力學(xué)要素)相比,水文情勢的主導(dǎo)驅(qū)動是環(huán)境流量評估的假設(shè)前提。盡管通過劃分河流類型、合理選取生態(tài)指標(biāo)等方式可以提高環(huán)境流量評估的可移植性,但由于受其他多種因素影響,水文情勢變化的生態(tài)響應(yīng)可移植性較差,環(huán)境流量評估需要考慮更多可能的影響因素,以改善生態(tài)水文預(yù)測結(jié)果。

在變化環(huán)境下,維持流量干預(yù)的生態(tài)穩(wěn)定性和社會價值是環(huán)境流量研究與實踐的難點,需要確定流量過程和特定流量的生態(tài)響應(yīng)。大型底孔泄流電站和調(diào)峰電站下游等環(huán)境變化劇烈的河段,難以建立較為明確的生態(tài)水文響應(yīng)關(guān)系,流量恢復(fù)的生態(tài)效果有限;但是在能夠建立明確生態(tài)水文響應(yīng)關(guān)系的河段,流量恢復(fù)的生態(tài)效果較好。在大多數(shù)水文情勢變化較小河段,非水文指標(biāo)的變化極大地影響了環(huán)境流量的實施效果;在某些水文要素不是主要限制條件的河段,流量恢復(fù)的生態(tài)效果有限,其他恢復(fù)方法可能更加經(jīng)濟(jì)。因此,需要重新考慮環(huán)境流量研究與實踐的生態(tài)水文基礎(chǔ),綜合考慮多種影響因素、多種時空尺度和生態(tài)尺度的生態(tài)水文響應(yīng)關(guān)系。

1.5 環(huán)境流量預(yù)測的生態(tài)學(xué)延展

考慮到生態(tài)水文的非穩(wěn)定性問題,需要將生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)原理和生態(tài)系統(tǒng)核心內(nèi)容共同納入環(huán)境流量研究體系,以提高環(huán)境流量的可預(yù)測性。環(huán)境流量的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)研究主要關(guān)注種群和群落尺度的生態(tài)過程、局域和區(qū)域尺度的聯(lián)系。生物生活史過程受多種環(huán)境要素(如流量、溫度、泥沙、營養(yǎng)鹽)的影響,物種能夠完成其生活史過程是維持穩(wěn)定種群可持續(xù)性的基礎(chǔ),有利的生長、生存條件保障了種群的生物多樣性。

種群尺度的生態(tài)過程主要依靠棲息地。棲息地是物種完成其生活史過程的基本保障,有些物種需要多種棲息環(huán)境,如魚類需要產(chǎn)卵、洄游、索餌、越冬等棲息地[56],棲息地之間的水系連通性是洄游性生物完成其生活史過程的基本條件。浮游動物、昆蟲也需要多種棲息環(huán)境完成其生活史過程,成蟲可以在適宜的河岸帶中生存和繁殖,產(chǎn)卵只能在特定的棲息地,幼體在生長棲息地生長,同時需要躲避可能的極端流量事件影響。

群落尺度的生態(tài)過程主要依靠生物傳播。生物以繁殖、發(fā)育、生長遷徙等形式尋找適宜棲息地,通過生物體的流入和流出過程實現(xiàn)物種傳播,建立局域種群和集合種群的聯(lián)系[57],物種傳播特征的差異可通過集合種群影響整個群落結(jié)構(gòu)。

生態(tài)尺度與時空尺度的變化直接相關(guān),通過不同尺度的過程變化率(增長率、死亡率、遷入率、遷出率),可更好地識別群落狀態(tài)。盡管細(xì)粒度的群體過程考慮了群落物種補(bǔ)充機(jī)制,但在群落尺度的研究中一般不考慮補(bǔ)充群體監(jiān)測。群落可用分類結(jié)構(gòu)(如多樣性)或群落功能(如物種特征)評價,以便建立與環(huán)境條件的聯(lián)系,魚類、河岸帶植被和水生昆蟲等都可采用這種方法。通過物種特征相似性分類,可評估水文梯度的群落變化;根據(jù)不同水文情勢要求,可確定物種的同資源種團(tuán);根據(jù)結(jié)構(gòu)特征,可對食物網(wǎng)中物種的營養(yǎng)機(jī)能和對應(yīng)水文情勢進(jìn)行劃分。

環(huán)境流量的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)強(qiáng)調(diào)物種完成其生活史過程、群落形成所需的多種環(huán)境要素和空間尺度的重要性,通過加強(qiáng)生態(tài)學(xué)耦合與延展,可促進(jìn)建立生態(tài)水文響應(yīng)關(guān)系,提高環(huán)境流量的可移植性和可預(yù)測性。

2 加強(qiáng)生態(tài)目標(biāo)的動態(tài)適應(yīng)性管理

為應(yīng)對全球環(huán)境變化背景下環(huán)境流量研究面臨的挑戰(zhàn),需要加強(qiáng)生態(tài)目標(biāo)的動態(tài)適應(yīng)性管理。生態(tài)水文的非穩(wěn)定性和多種環(huán)境要素導(dǎo)致的水生生態(tài)系統(tǒng)退化,給淡水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。環(huán)境流量實施的目標(biāo)一般是為了恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)特定的歷史狀態(tài),為了達(dá)到最佳實施效果,需要考慮生態(tài)系統(tǒng)退化條件下的流量分配問題[58-59]。這要求管理者了解全球變暖和外來物種入侵的影響,以及生態(tài)系統(tǒng)水文基線和環(huán)境變化的響應(yīng)。考慮生態(tài)目標(biāo)適應(yīng)性管理的動態(tài)特性以及應(yīng)對環(huán)境變化的不確定性,需要更加靈活的環(huán)境流量管理方式。

人類世背景下的自然流態(tài)范式的核心是生態(tài)恢復(fù)的變異管理和環(huán)境變化的生態(tài)響應(yīng)。保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的主要方式是保持其彈性恢復(fù)力,即維持生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵過程和聯(lián)系的穩(wěn)定性,保障社會和環(huán)境變化條件下的生態(tài)系統(tǒng)功能完整性[60-62]。未來生態(tài)水文變化存在較大的不確定性,難以精確定量模擬,需要結(jié)合風(fēng)險分析方法對未來各種情景的生態(tài)水文條件開展脆弱性評估。構(gòu)建靈活的生態(tài)準(zhǔn)則和生態(tài)水文響應(yīng)關(guān)系框架,實施非穩(wěn)定性條件下的環(huán)境流量管理是應(yīng)對生態(tài)系統(tǒng)變化的有效措施。為滿足大壩的工程目標(biāo)和生態(tài)目標(biāo),可采用決策擴(kuò)展方法[62]建立氣候不確定性條件下的調(diào)度規(guī)則,明確生態(tài)效能指標(biāo)和約束閾值,評估不同管理措施的效果,如可將物種持久性作為生態(tài)彈性恢復(fù)力的代表性指標(biāo)。決策擴(kuò)展方法可將基于模型或情景模式的未來水文條件與風(fēng)險模型、非穩(wěn)定性驅(qū)動因素(如氣候變化、用水需求等)等結(jié)合,評估同時實現(xiàn)工程經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的管理方式。持續(xù)開展脆弱性評估可為分水決策提供支撐,從而提高生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性和彈性恢復(fù)力。

3 結(jié) 語

本文通過綜合分析國內(nèi)外環(huán)境流量研究成果,提出了環(huán)境流量研究的前沿問題,包括全球環(huán)境變化與非穩(wěn)定性,生態(tài)水文過程的動態(tài)模擬,生態(tài)水文關(guān)系的時空特性,環(huán)境流量評估的關(guān)鍵指標(biāo),環(huán)境流量預(yù)測的生態(tài)學(xué)延展。人類世全球環(huán)境變化背景下,水文、氣候和生態(tài)系統(tǒng)共同發(fā)生變化,應(yīng)對全球環(huán)境變化成為未來環(huán)境流量研究面臨的主要挑戰(zhàn)。隨著對全球環(huán)境變化與非穩(wěn)定性的適應(yīng),環(huán)境流量研究的特征要素發(fā)生了變化,更多地考慮生態(tài)水文變化與生態(tài)目標(biāo)保護(hù)和恢復(fù)的協(xié)調(diào),通過有效干預(yù)可實現(xiàn)更多的生態(tài)效益。非穩(wěn)定性為環(huán)境流量與生態(tài)學(xué)的耦合發(fā)展奠定了基礎(chǔ),生態(tài)耦合研究不僅可推動環(huán)境流量的發(fā)展,還可為生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的確定提供理論支撐。因此,為應(yīng)對這些挑戰(zhàn),未來環(huán)境流量研究應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)目標(biāo)的動態(tài)適應(yīng)性管理,加強(qiáng)局域到區(qū)域的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ),完善基于過程的生態(tài)水文響應(yīng)機(jī)理，強(qiáng)化環(huán)境流量分階段實施的非水文指標(biāo)耦合,加強(qiáng)適應(yīng)性管理方式下的環(huán)境流量評估和實踐，以保障適應(yīng)性管理框架下的生態(tài)完整性。