鄭丙輝,曹 晶,2,王 坤,儲(chǔ)昭升,姜 霞
(1:中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100012) (2:清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)
湖泊是地球上重要的淡水資源庫(kù)和物種基因庫(kù),與人類(lèi)生產(chǎn)生活息息相關(guān),在自然物質(zhì)循環(huán)和流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[1]. 湖泊具有引水蓄洪、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候、維護(hù)生物多樣性、提供生物生境、供水、航運(yùn)和休閑旅游等多種功能[2-3],也是生態(tài)環(huán)境的重要保障,能夠平衡水量、削減洪峰、回補(bǔ)地下水、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等,在維持區(qū)域生態(tài)安全格局方面發(fā)揮著重要作用[4]. 近50年來(lái),隨著人類(lèi)活動(dòng)加劇及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,湖泊開(kāi)發(fā)強(qiáng)度不斷增大,湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況日益衰退[5]. 湖泊面臨水體富營(yíng)養(yǎng)化、藍(lán)藻水華頻發(fā)、大型水生植物退化、水生生物多樣性下降、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,許多湖泊生態(tài)系統(tǒng)逐漸由以大型沉水植物為優(yōu)勢(shì)的清水態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿∮沃参?藻類(lèi))為優(yōu)勢(shì)的濁水態(tài)[6-13],給流域和區(qū)域生態(tài)安全及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)巨大影響.
回顧我國(guó)水污染治理歷程,自“九五”以來(lái),我國(guó)開(kāi)展了太湖、巢湖、滇池“老三湖”重點(diǎn)流域水污染治理行動(dòng),投入了大量財(cái)力和物力. 經(jīng)過(guò)多年探索發(fā)現(xiàn)“先污染、后治理”是一種投入大、見(jiàn)效慢的湖泊治理模式. 在對(duì)我國(guó)不同類(lèi)型湖泊環(huán)境安全狀態(tài)的調(diào)查評(píng)估基礎(chǔ)上,逐步認(rèn)識(shí)到水質(zhì)較好湖泊優(yōu)先保護(hù)的重要性. 自2011年以來(lái),國(guó)家實(shí)施了水質(zhì)較好湖泊保護(hù)專(zhuān)項(xiàng),針對(duì)全國(guó)81個(gè)水質(zhì)較好湖泊開(kāi)展保護(hù)行動(dòng). 實(shí)踐表明,“良好湖泊,優(yōu)先保護(hù)”是湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)的正確思路,國(guó)家及地方政府對(duì)湖泊保護(hù)和治理的認(rèn)識(shí)也進(jìn)一步提高. 本文總結(jié)了我國(guó)水質(zhì)較好湖泊保護(hù)專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施的成效,從湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化和恢復(fù)機(jī)理出發(fā),闡明水質(zhì)較好湖泊環(huán)境保護(hù)的理論基礎(chǔ),揭示水質(zhì)較好湖泊實(shí)施“優(yōu)先保護(hù)”的重要性,為我國(guó)湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理提供借鑒.
湖泊生態(tài)系統(tǒng)是指在湖泊中由生物群落及其環(huán)境作用所構(gòu)成的自然系統(tǒng)[14],儲(chǔ)存了地球上可被利用的大部分淡水,占全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的40%. 我國(guó)湖庫(kù)提供了全國(guó)約40%的飲用水,糧食產(chǎn)區(qū)的1/3在湖泊流域,工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的30%也來(lái)自湖泊流域[15-16]. 我國(guó)有面積1 km2以上的湖泊2693個(gè),總面積約8.1萬(wàn)km2,其中東部平原湖區(qū)和青藏高原湖區(qū)是我國(guó)湖泊分布范圍最廣的區(qū)域,分別占全國(guó)湖泊總數(shù)量和總面積的62.7%和77.2%[17]. 而東部平原湖區(qū)多為淺水湖泊, 主要生態(tài)特征為熱分層不明顯[18]、水體擾動(dòng)對(duì)沉積物再懸浮影響大,相較于深水湖泊,更易受外界環(huán)境影響. 近幾十年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及人類(lèi)的高強(qiáng)度開(kāi)發(fā),我國(guó)淺水湖泊正面臨著湖泊萎縮、生態(tài)退化、耗氧有機(jī)物污染、富營(yíng)養(yǎng)化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[19]. 2020年,開(kāi)展水質(zhì)監(jiān)測(cè)的112個(gè)重要湖泊(水庫(kù))中,Ⅰ~Ⅲ類(lèi)占比76.8%,劣Ⅴ類(lèi)占比5.4%,主要污染指標(biāo)為總磷、化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)[20]. 水質(zhì)較好湖泊一般指水質(zhì)好于Ⅲ類(lèi)、湖泊生態(tài)狀態(tài)為草型清水態(tài)或草-藻混合態(tài)[21]、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)為中營(yíng)養(yǎng)或貧營(yíng)養(yǎng)、具有飲用水水源功能或重要生態(tài)功能、自然湖濱岸線不低于全湖岸線的75%、山區(qū)湖泊流域森林覆蓋率達(dá)到75%的湖泊或水庫(kù).
隨著人類(lèi)活動(dòng)加劇,大量氮磷入湖,湖泊污染負(fù)荷不斷增加,湖泊營(yíng)養(yǎng)水平持續(xù)升高. 水利樞紐工程建設(shè)、江湖阻隔等造成湖泊水位波動(dòng)、水文自然節(jié)律發(fā)生變化、水生態(tài)非良性演替,進(jìn)而致使水生植物生境發(fā)生變化,大型水生植物嚴(yán)重退化,部分水體水化學(xué)失衡[22-23]. 水產(chǎn)養(yǎng)殖、過(guò)度捕撈等不合理的漁業(yè)活動(dòng)對(duì)水生生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響,造成浮游生物小型化、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、生物多樣性下降[8,24-27]. 高強(qiáng)度的流域開(kāi)發(fā)下,氮磷持續(xù)高位輸入,局部湖區(qū)藻型化,導(dǎo)致重污染區(qū)水華暴發(fā),水質(zhì)惡化,水生態(tài)功能下降;加上全球氣候變化的影響,湖泊藍(lán)藻水華暴發(fā)形勢(shì)嚴(yán)峻[28]. 藍(lán)藻水華暴發(fā)及不合理的漁業(yè)活動(dòng)進(jìn)一步加劇沉水植物退化,加速湖泊生態(tài)系統(tǒng)由以大型水生植物為優(yōu)勢(shì)的清水態(tài)向以浮游植物為優(yōu)勢(shì)的濁水態(tài)轉(zhuǎn)變[13,29],湖泊水質(zhì)下降,生態(tài)服務(wù)功能下降或消失,嚴(yán)重時(shí)影響到供水安全.
水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)是指將已經(jīng)退化的水生態(tài)系統(tǒng)采取一系列的措施進(jìn)行恢復(fù)或修復(fù),對(duì)已經(jīng)退化的水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)救,使其具有更高的生態(tài)忍受性[30]. 水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的最終目的是通過(guò)模仿一個(gè)自然的、可以自我調(diào)節(jié)的并與所在區(qū)域完全整合的系統(tǒng),從而最大限度地減緩水生態(tài)系統(tǒng)的退化,使系統(tǒng)恢復(fù)或修復(fù)到可以接受的、能長(zhǎng)期自我維持的、穩(wěn)定的狀態(tài)水平[30]. 雖然水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)有時(shí)可以在自然條件下進(jìn)行,但一般還是通過(guò)人工干預(yù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),通常包括以下主要過(guò)程:重建干擾前的物理環(huán)境條件、調(diào)節(jié)水和土壤環(huán)境的化學(xué)條件、減輕生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境壓力(減少營(yíng)養(yǎng)鹽或污染物的負(fù)荷)、原位處理(采取生物修復(fù)或生物調(diào)控的措施、包括重新引進(jìn)已經(jīng)消失的土著動(dòng)物、植物區(qū)系)、盡可能地保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)中尚未退化的組成部分等[30]. 事實(shí)上,真正意義上的水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程,要達(dá)到修復(fù)的最終目標(biāo)可能需要比想像更長(zhǎng)的時(shí)間. 它不僅取決于所修復(fù)水體中水的滯留時(shí)間. 而且與所采用的修復(fù)方式密切相關(guān)[30-31].
由于水質(zhì)較好湖泊所處狀態(tài)不同于重污染湖泊,其入湖氮磷負(fù)荷基本沒(méi)有超過(guò)水環(huán)境容量,水生態(tài)系統(tǒng)受損程度較低,湖泊治理與保護(hù)的壓力相對(duì)較低. 因此,水質(zhì)較好湖泊保護(hù)的基本策略是“保護(hù)優(yōu)先”,其基本思路是“控源減排-綠色發(fā)展-生態(tài)修復(fù)-生態(tài)管理”.
首先,從湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化過(guò)程看,氮磷輸入是湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的首要原因. 雖然水質(zhì)較好湖泊所受環(huán)境壓力較低,但由于這些湖泊所在地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較落后,水污染治理水平也較差,因此,水質(zhì)較好湖泊的保護(hù)首先應(yīng)該控源減排,補(bǔ)治理短板,還歷史舊賬.
其次,從湖泊流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求看,水質(zhì)較好湖泊普遍面臨著巨大的發(fā)展壓力. 綠色發(fā)展是降低流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境壓力的關(guān)鍵,核心內(nèi)容是優(yōu)化水土資源利用,調(diào)整生產(chǎn)生活方式,實(shí)現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展.
其三,從湖泊水生態(tài)系統(tǒng)退化程度看,水質(zhì)較好湖泊生境條件尚好,生態(tài)系統(tǒng)受損程度較低,通過(guò)湖濱濕地修復(fù)、沉水植物修復(fù)、食物網(wǎng)修復(fù)等生態(tài)修復(fù)措施,可以促進(jìn)湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康.
其四,從流域水環(huán)境管理發(fā)展歷程看,流域水環(huán)境管理從工業(yè)污染源管理、污染物排放總量控制,逐步發(fā)展到流域水質(zhì)目標(biāo)管理. 水質(zhì)較好湖泊保護(hù)的目標(biāo)是保證湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康,因此,水質(zhì)較好湖泊保護(hù)的環(huán)境管理模式應(yīng)該從生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程出發(fā),構(gòu)建流域水生態(tài)管理體系.
熵是衡量一個(gè)孤立系統(tǒng)混亂程度的度量指標(biāo),熵增定律表明在自然過(guò)程中一個(gè)孤立系統(tǒng)的總混亂度、總穩(wěn)定度(即“熵”)不會(huì)減小,體系總是自發(fā)地向混亂度增大的方向變化,總使整個(gè)系統(tǒng)的熵值增大,而該過(guò)程是不可逆的. 根據(jù)熵的統(tǒng)計(jì)意義,系統(tǒng)熵的降低就是系統(tǒng)的有序度增大,反之,系統(tǒng)熵的升高就是系統(tǒng)的混亂度增加;系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受到破壞,熵值必然增加,隨之而來(lái)的生產(chǎn)水平和經(jīng)濟(jì)效益必然下降.
湖泊氮磷污染負(fù)荷排放與控制遵循熵焓定律. 氮磷污染物進(jìn)入河流湖泊自然水體、導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的退化是熵增的過(guò)程,將導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)混亂度增加,這個(gè)過(guò)程是容易發(fā)生的;而想要在湖內(nèi)進(jìn)行氮磷控制,使水體、沉積物中氮磷含量降低,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù),是熵減過(guò)程,必須外加能量降低系統(tǒng)的熵值,才能使生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定平衡,這個(gè)過(guò)程是困難的. 因此,在污染物源頭進(jìn)行控制將更加容易(圖1),即熵增容易,熵減難,污染物源頭控制是關(guān)鍵.
圖1 熵增變化與湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化和修復(fù)的關(guān)系Fig.1 The relationship between the theory of entropy increase and lake ecosystem degradation and restoration
生態(tài)安全格局(security patterns,簡(jiǎn)稱(chēng)SP)對(duì)維護(hù)或控制某種生態(tài)過(guò)程、生物保護(hù)和景觀改變具有重要意義[32]. 流域生態(tài)安全格局的構(gòu)建旨在為流域生態(tài)安全和健康提供解決方案[33],協(xié)調(diào)人類(lèi)活動(dòng)方式和高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)的配置,補(bǔ)償和恢復(fù)生態(tài)功能,提高湖泊流域水源涵養(yǎng)能力及湖泊自我保護(hù)能力,實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展. 景觀生態(tài)學(xué)注重人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀格局與過(guò)程的影響,強(qiáng)調(diào)廣闊的空間尺度和生態(tài)系統(tǒng)空間格局的生態(tài)效應(yīng),退化和破壞了的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與重建也是景觀生態(tài)學(xué)的研究重點(diǎn)之一[34-35]. 湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化的重要原因是不合理的土地開(kāi)發(fā)利用造成水源涵養(yǎng)能力下降、濕地減少和湖濱帶被侵占等問(wèn)題,進(jìn)而導(dǎo)致湖泊流域生態(tài)安全格局受損,而引起生態(tài)安全格局部分或全部破壞的景觀改變將導(dǎo)致生態(tài)過(guò)程的急劇惡化[36].
圖2 湖泊流域生態(tài)安全格局Fig.2 Ecological security pattern of lake basins
生態(tài)安全格局構(gòu)建意味著如何選擇、維護(hù)和在某些潛在的生態(tài)節(jié)點(diǎn)引入斑塊,意味著如何來(lái)構(gòu)筑源間連接生態(tài)廊道[36]. 湖泊流域生態(tài)安全格局構(gòu)建可以景觀生態(tài)學(xué)原理為基礎(chǔ),通過(guò)優(yōu)化、控制土地資源開(kāi)發(fā)利用,有效控制流域空間利用,形成以流域上游水源涵養(yǎng)區(qū)、中游生態(tài)農(nóng)業(yè)與城鎮(zhèn)綠色發(fā)展區(qū)、下游湖濱生態(tài)緩沖區(qū)的湖泊“一湖三區(qū)”流域縱向生態(tài)安全格局(圖2). 在生態(tài)安全格局構(gòu)建過(guò)程中應(yīng)充分考慮其水系連通性,入湖河流作為湖泊水環(huán)境與陸地環(huán)境之間的景觀廊道,具有明顯的水系連通性和景觀結(jié)構(gòu)連接性,是貫穿“三區(qū)”的動(dòng)脈,通過(guò)河流-濱岸帶作用,以保證清潔水源入湖. 水質(zhì)較好湖泊的環(huán)境保護(hù)應(yīng)以流域生態(tài)安全格局構(gòu)建為前提,統(tǒng)籌生態(tài)系統(tǒng)各組成單元的類(lèi)型、數(shù)目的空間分布與配置等,使其具有合適的空間構(gòu)型,以保證種群動(dòng)態(tài)、群落演替、養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)學(xué)過(guò)程正常運(yùn)轉(zhuǎn),保證生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能.
生態(tài)系統(tǒng)會(huì)隨著外部條件如氣候、營(yíng)養(yǎng)鹽等的變化呈現(xiàn)不同的響應(yīng)(圖3),當(dāng)響應(yīng)曲線出現(xiàn)向后“折疊”現(xiàn)象時(shí)(圖3c),生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)有兩種可選的穩(wěn)定狀態(tài),由一個(gè)不穩(wěn)定的平衡邊界隔開(kāi),即正反饋和負(fù)反饋兩種調(diào)節(jié)方式(圖3c)[37]. 當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)處于折疊曲線上分支狀態(tài)時(shí),不能順利通過(guò)到下分支狀態(tài),只有當(dāng)環(huán)境條件達(dá)到閾值F2或處于F2附近時(shí),生態(tài)系統(tǒng)才能從上分支自然轉(zhuǎn)換或在特定條件下突破邊界躍遷至下分支狀態(tài),即正反饋調(diào)節(jié);而如果試圖通過(guò)逆轉(zhuǎn)條件恢復(fù)至上分支狀態(tài),生態(tài)系統(tǒng)會(huì)顯示遲滯,逆向轉(zhuǎn)變只有在條件逆轉(zhuǎn)得足夠遠(yuǎn)到達(dá)到閾值F1時(shí)才能實(shí)現(xiàn),即負(fù)反饋調(diào)節(jié)(圖3c)[37]. 可以使用“恢復(fù)力resilience”來(lái)表示在不導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)由一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一穩(wěn)定狀態(tài)的情況下所能承受的最大擾動(dòng)條件,而F2和F1就是能承受的擾動(dòng)邊界,在邊界范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)可以承受內(nèi)部發(fā)生的擾動(dòng)變化并進(jìn)行自我修復(fù)[18];而一旦擾動(dòng)超過(guò)邊界閾值,生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入另一穩(wěn)定狀態(tài),想要恢復(fù)就會(huì)出現(xiàn)遲滯.
圖3 生態(tài)系統(tǒng)隨外部條件轉(zhuǎn)換的3種模式(a:線性響應(yīng)模式;b:曲線響應(yīng)模式;c:折疊響應(yīng)模式)[37]Fig.3 Three modes of ecosystem transition with external conditions (a, linear response mode; b, curvilinear response mode; c, folded response mode)[37]
對(duì)于淺水湖泊,Scheffer等[37-38]提出了以沉水植物占優(yōu)勢(shì)的“清水態(tài)”和以浮游植物占優(yōu)勢(shì)的“濁水態(tài)”的淺水湖泊穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換模型. 該模型闡釋了營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加對(duì)水體濁度增加以及對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的影響,包含2個(gè)主要變化過(guò)程:1) 沉水植物可以抑制由營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加造成的濁度增加,當(dāng)有沉水植物存在時(shí),隨著營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加,水體濁度增加幅度小,生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)以沉水植物為優(yōu)勢(shì)的“清水態(tài)”或以沉水植物和藻類(lèi)共存的“清水-濁水(草-藻)”混合態(tài);2)隨著營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加至足夠高到濁度超過(guò)臨界值時(shí),浮游植物大量繁殖,水體濁度急劇增加,維持水體清水態(tài)的沉水植物消失,生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿∮沃参镎純?yōu)勢(shì)的“濁水態(tài)”. 此時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化即為引起生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的擾動(dòng)條件,當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽擾動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的閾值條件時(shí),生態(tài)系統(tǒng)則由“清水態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皾崴畱B(tài)”.
由于沉水植物具有防止沉積物再懸浮、為浮游動(dòng)物提供庇護(hù)進(jìn)而抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)、分泌化感物質(zhì)降低藻類(lèi)數(shù)量等作用,因此即便營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加使水體濁度增加,但生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力強(qiáng),營(yíng)養(yǎng)鹽擾動(dòng)只要在其可承受范圍之內(nèi),就可以進(jìn)行自我修復(fù). 然而當(dāng)水體濁度逐漸增加時(shí),水下光照將逐漸衰減,沉水植物光合作用將受到限制,數(shù)量逐漸減少,而浮游植物數(shù)量將逐漸增多,此時(shí)若環(huán)境擾動(dòng)繼續(xù)增加至超過(guò)生態(tài)系統(tǒng)可承受的邊界閾值,將導(dǎo)致沉水植物消失,浮游植物迅速繁殖,生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闈崴疇顟B(tài). 此時(shí)將營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降低至穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的水平往往不足以恢復(fù)沉水植被豐富的清水狀態(tài),必須采取更加嚴(yán)格的營(yíng)養(yǎng)鹽削減措施,因?yàn)橛蓤D2c可知,清水狀態(tài)恢復(fù)所發(fā)生的營(yíng)養(yǎng)鹽水平要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于清水狀態(tài)崩潰所發(fā)生的營(yíng)養(yǎng)鹽水平,表現(xiàn)出一種遲滯的模式[37].
荷蘭Veluwe湖的治理歷程可以很好地反映這種遲滯模式(圖4)[39],1960s末至1970s初,當(dāng)TP濃度升高至0.15 mg/L時(shí),大型水生植物群落崩潰,清水狀態(tài)消失,渾濁狀態(tài)持續(xù)了約20年之久,直到1990s TP濃度下降至0.1 mg/L時(shí)才開(kāi)始逐漸恢復(fù)清水狀態(tài),而當(dāng)水體中TP濃度降低至0.05 mg/L左右,才有可能實(shí)現(xiàn)濁水態(tài)向清水態(tài)的轉(zhuǎn)變[39]. Zhao等[40]基于巢湖、滇池等生態(tài)系統(tǒng)中控制營(yíng)養(yǎng)輸入使生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)緩慢或恢復(fù)遲滯的現(xiàn)象,提出了7種不同的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化恢復(fù)軌跡模式(圖5),進(jìn)一步說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變后想要恢復(fù)的艱難性.
圖4 沉水植物隨TP濃度增加后降低的響應(yīng)遲滯曲線(實(shí)心點(diǎn)代表1960s末和 1970s初沉水植物隨TP濃度增加由清水態(tài)向濁水態(tài)的正向轉(zhuǎn)變, 空心點(diǎn)代表TP的逐漸減少最終導(dǎo)致1990s由濁水態(tài)向清水態(tài)的逆向轉(zhuǎn)變)[37,39]Fig.4 The response hysteresis curve of submerged vegetation with increasing TP concentration (solid dots represent the positive transition of submerged vegetation from clear state to turbid state with increasing TP concentration in the late 1960s and early 1970s; the hollow dots represent the gradual reduction of TP concentration that eventually led to the reverse transition from turbid state to clear state in the 1990s)[37,39]
圖5 Chl.a濃度隨TP濃度升高及降低的7種假設(shè)恢復(fù)軌跡(虛線曲線表示Chl.a濃度的目標(biāo)值; ①為Chl.a濃度隨TP濃度增加的路徑,②為Chl.a濃度隨TP濃度增加后降低的逆向回歸路徑,③④⑤為 在不同環(huán)境條件下的左向遲滯路徑,⑥⑦⑧為在不同環(huán)境條件下的右向遲滯路徑;虛線直線表示 Chl.a閾值、參考狀態(tài)或控制標(biāo)準(zhǔn),生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)軌跡可能多次跨越該線才能達(dá)到恢復(fù)目標(biāo))[40]Fig.5 Seven hypothetical recovery trajectories of Chl.a concentration increasing and decreasing with TP concentration (the dotted curve indicates the environmental goal of Chl.a concentration; ① is the path of Chl.a increasing with TP concentration, ② is the reverse regression path of Chl.a concentration decreasing with TP concentration increasing, ③④⑤ are the leftward hysteresis paths under different environmental conditions, ⑥⑦⑧ are the rightward hysteresis paths under different environmental conditions; the dotted line represents the Chl.a threshold or reference state or control standard, and the ecosystem restoration trajectory may cross this line many times to achieve the restoration goal)[40]
那么湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)恢復(fù)為什么會(huì)出現(xiàn)這種遲滯的現(xiàn)象,沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放延緩了水體實(shí)際營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)外部負(fù)荷減少的反映是重要的原因[41]. 淺水湖泊由于水淺,沉積物中積存的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度可以達(dá)到上覆水的數(shù)十倍,在風(fēng)浪擾動(dòng)作用下,沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽不斷向上覆水釋放,即使外源得以控制,但水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度難以在短期內(nèi)達(dá)到預(yù)期效果[42-43]. 另外營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及形態(tài)、風(fēng)浪大小、光照強(qiáng)弱、魚(yú)類(lèi)及群落結(jié)構(gòu)等均會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[18]. 因此,富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊由于在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換前后生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(沉水植物優(yōu)勢(shì)地位消失)、驅(qū)動(dòng)因素(擾動(dòng)達(dá)到閾值)和關(guān)鍵過(guò)程(營(yíng)養(yǎng)鹽流動(dòng)出現(xiàn)障礙)均發(fā)生了顯著變化,生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的不可逆性[44].
由此可見(jiàn),穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換理論對(duì)于湖泊生態(tài)恢復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義,根據(jù)湖泊所處的不同生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)選擇修復(fù)節(jié)點(diǎn)是非常重要的. 當(dāng)湖泊生態(tài)系統(tǒng)處于以沉水植物占優(yōu)勢(shì)的清水態(tài)時(shí),“清水維持”是湖泊生態(tài)修復(fù)的首要目標(biāo),此時(shí)通過(guò)恢復(fù)沉水植物可以實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的清水穩(wěn)態(tài)維持. 當(dāng)湖泊生態(tài)系統(tǒng)處于“清水-濁水(草-藻)”混合態(tài)時(shí),生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱,處于一個(gè)不穩(wěn)定的平衡,此時(shí)若在恢復(fù)沉水植物的同時(shí)實(shí)施控源減排消除高營(yíng)養(yǎng)鹽脅迫,生態(tài)系統(tǒng)是有可能實(shí)現(xiàn)從“清水-濁水”混合態(tài)向 “清水態(tài)”轉(zhuǎn)換的. 而當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)處于以浮游植物為優(yōu)勢(shì)的“濁水態(tài)”時(shí),由于生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換,要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的過(guò)度轉(zhuǎn)換,需要投入多倍的人力、物力和時(shí)間成本,要先使?fàn)I養(yǎng)鹽濃度下降至穩(wěn)定狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)逆轉(zhuǎn)的較低閾值水平,才能通過(guò)沉水植物恢復(fù)達(dá)到湖泊生態(tài)修復(fù)效果,這樣的治理效益很低. 只有在一種穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)下實(shí)施治理才足以恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)初始狀態(tài)并產(chǎn)生持久效果. 因此,應(yīng)在湖泊生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變之前進(jìn)行治理,在營(yíng)養(yǎng)鹽濃度未達(dá)到狀態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值水平,即在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)力范圍之內(nèi)進(jìn)行治理,才能實(shí)現(xiàn)較高的治理效益. 水質(zhì)較好湖泊多為草型清水態(tài)或草-藻混合態(tài),因此,對(duì)水質(zhì)較好湖泊開(kāi)展水環(huán)境保護(hù)治理是一項(xiàng)防治并重、資金節(jié)約、治理效益高的措施.
我國(guó)湖泊治理經(jīng)歷了很多年努力,就太湖、巢湖和滇池“老三湖”而言,太湖流域自1980s以來(lái)流域內(nèi)河湖水質(zhì)不斷下降,2007年暴發(fā)水華導(dǎo)致供水危機(jī)后,地方政府組織開(kāi)展大規(guī)??卦粗挝邸⒄{(diào)水引流、生態(tài)修復(fù)、河網(wǎng)綜合整治等行動(dòng)[45-46]. 巢湖大力治理開(kāi)始于“十五”期間,以“水質(zhì)改善、國(guó)控?cái)嗝孢_(dá)標(biāo)、藍(lán)藻抑制”為目標(biāo),全面啟動(dòng)了環(huán)巢湖地區(qū)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程建設(shè)[47]. 滇池治理自“九五”以來(lái)便開(kāi)始被重視,“九五”期間的治理重點(diǎn)是工業(yè)污染和城鎮(zhèn)污水處理,“十五”期間治理重點(diǎn)轉(zhuǎn)向污染控制和生態(tài)修復(fù),“十一五”至“十二五”又實(shí)施了六大工程[48].
雖然“老三湖”的治理投入了大量的財(cái)力物力,但治理成效不理想,水體中污染物削減效率不高. 如太湖“十一五”期間的總氮和總磷濃度分別為2.38和0.085 mg/L,“十二五”期間分別降低為2.08和0.066 mg/L,“十三五”期間總氮繼續(xù)降低至1.48 mg/L,但總磷濃度反彈至0.079 mg/L. 巢湖“十一五”期間的總氮和總磷濃度分別為1.68和0.128 mg/L,“十二五”期間分別降低至1.63和0.092 mg/L,“十三五”期間總氮濃度持續(xù)降低至1.50 mg/L,但總磷濃度仍保持在0.092 mg/L. 滇池外?!笆晃濉币詠?lái)氮磷濃度下降趨勢(shì)顯著,總氮、總磷濃度分別從2.54和0.152 mg/L持續(xù)降低至“十三五”期間的1.42和0.086 mg/L. 雖然“老三湖”水質(zhì)有所改善,但治理成本巨大. 以太湖為例,“九五”至“十二五”,用于太湖治理的累積投資成本約為2388億元;“十三五”期間太湖繼續(xù)投入515億元用于流域水污染治理. 因此,湖泊保護(hù)治理首先應(yīng)控源減負(fù),其次再進(jìn)行生態(tài)修復(fù),這是湖泊治理幾十年總結(jié)的歷史經(jīng)驗(yàn),也是實(shí)現(xiàn)湖泊低成本治污最大化的一種有效途徑.
2008年,國(guó)家啟動(dòng)了“全國(guó)重點(diǎn)湖庫(kù)生態(tài)安全調(diào)查與評(píng)估”項(xiàng)目,建立了湖泊生態(tài)安全評(píng)估方法,將湖庫(kù)分為3種類(lèi)型,即“污染治理型(重度污染)”、“防治結(jié)合型(中度污染)”和“生態(tài)保育型(水質(zhì)較好)”[49]. 2009年,持續(xù)開(kāi)展“全國(guó)重點(diǎn)湖庫(kù)生態(tài)安全保障策略研究”項(xiàng)目,提出湖泊生態(tài)環(huán)境分類(lèi)治理與保護(hù)的技術(shù)思路,原環(huán)境保護(hù)部出臺(tái)了《湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)實(shí)施方案編制指南》[50]. 太湖、巢湖、滇池和烏梁素海等為典型的“污染治理型(重度污染)”湖泊. 這類(lèi)湖泊流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá),環(huán)境壓力強(qiáng)大;此類(lèi)湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重,生態(tài)系統(tǒng)失衡,水華頻繁暴發(fā)危及飲用水安全[51]. 洞庭湖、洪澤湖、鄱陽(yáng)湖和三峽水庫(kù)等為典型的“防治結(jié)合型(中度污染)”湖泊. 這類(lèi)湖泊的流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求旺盛,環(huán)境壓力逐步加大,多數(shù)處于輕度富營(yíng)養(yǎng)水平,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,生境出現(xiàn)退化跡象,局部區(qū)域出現(xiàn)水華;此類(lèi)湖泊的環(huán)境保護(hù)應(yīng)以“污染防治與生態(tài)修復(fù)”相結(jié)合為主[51]. 撫仙湖、梁子湖和瓦埠湖等為典型的“生態(tài)保育型(水質(zhì)較好)”湖泊. 這類(lèi)湖泊的流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求才剛開(kāi)始顯現(xiàn),生態(tài)環(huán)境保持較好,環(huán)境保護(hù)應(yīng)以“污染防治、優(yōu)化調(diào)控和生態(tài)補(bǔ)償”為主要策略[51].
2011年,鑒于水質(zhì)較好湖泊生態(tài)環(huán)境惡化及生態(tài)服務(wù)功能退化問(wèn)題,為避免眾多湖泊再走“先污染、后治理”的老路,國(guó)家財(cái)政部和環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合啟動(dòng)了水質(zhì)較好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)專(zhuān)項(xiàng),按照突出重點(diǎn)、擇優(yōu)保護(hù)、一湖一策、績(jī)效管理的原則,推進(jìn)水質(zhì)較好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作,并優(yōu)先在云南撫仙湖和洱海、湖北梁子湖、山東南四湖、安徽瓦埠湖、遼寧大伙房水庫(kù)、吉林松花湖以及新疆博斯騰湖8個(gè)湖泊開(kāi)展水質(zhì)較好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)試點(diǎn). 2014年9月,原環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)以及財(cái)政部發(fā)布了《水質(zhì)較好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)總體規(guī)劃(2013-2020年)》,將365個(gè)水質(zhì)較好湖泊納入規(guī)劃,明確了湖泊保護(hù)總體要求、具體保障策略等[21]. 截至2016年,中央財(cái)政累計(jì)投入218億元,支持全國(guó)77個(gè)湖泊實(shí)施生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作,帶動(dòng)地方和社會(huì)投入超過(guò)400億元,惠及29個(gè)省(區(qū)、市).
在流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展背景下,基于有限的資金投入和發(fā)展方式調(diào)整,這些湖泊總體持續(xù)保持著良好的環(huán)境狀態(tài). 根據(jù)2010-2020年《中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》,2010年以來(lái)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)湖庫(kù)中,中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖庫(kù)所占比例呈顯著下降趨勢(shì),中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的湖庫(kù)所占比例呈顯著上升趨勢(shì). 2010年中度富營(yíng)養(yǎng)湖庫(kù)占比為22.2%,2020年下降為4.5%;2010年中營(yíng)養(yǎng)湖庫(kù)占比為33.3%,2020年上升為61.8%. 2010年,水質(zhì)較好湖泊鏡泊湖、洱海和博斯騰湖為Ⅲ類(lèi)水質(zhì),洪澤湖、鄱陽(yáng)湖和南四湖為Ⅴ類(lèi)水質(zhì),達(dá)賚湖、白洋淀和洞庭湖為劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì),主要超標(biāo)指標(biāo)為總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù);2019年,洪澤湖、鄱陽(yáng)湖水質(zhì)好轉(zhuǎn)為Ⅳ類(lèi),南四湖好轉(zhuǎn)為Ⅲ類(lèi),白洋淀和洞庭湖好轉(zhuǎn)為Ⅳ類(lèi);2020年,丹江口水庫(kù)和洱海水質(zhì)為優(yōu),白洋淀為輕度污染.
湖庫(kù)是保障飲用水安全的重要基石,但也面臨脆弱性增加的風(fēng)險(xiǎn). 在我國(guó),湖庫(kù)型水源地?cái)?shù)量占比為40.6%,北京、上海、深圳等10個(gè)重點(diǎn)城市湖庫(kù)型水源地占比高達(dá)65.4%. 就服務(wù)人口而言,湖庫(kù)型水源地服務(wù)的人口占比為47.2%[52]. 國(guó)家和地方重點(diǎn)針對(duì)湖庫(kù)型水源地實(shí)施“優(yōu)先保護(hù)”,全國(guó)集中式飲用水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率明顯提升. 2009年集中式飲用水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率僅為73%,隨著水質(zhì)較好湖泊的環(huán)境保護(hù)治理,水質(zhì)較好湖泊水質(zhì)穩(wěn)中改善,地表水飲用水源地水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn),2016年以來(lái)呈顯著提升的趨勢(shì),2016年地表水飲用水源達(dá)標(biāo)率為93.6%,2019年達(dá)標(biāo)率升高為95.8%,2020年達(dá)標(biāo)率升高為97.7%[53].
經(jīng)過(guò)專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施,水質(zhì)較好湖泊的水生態(tài)也逐步得到恢復(fù)[21]. 截至2016年,納入中央財(cái)政支持范圍的77個(gè)水質(zhì)較好湖泊中,17個(gè)湖泊水質(zhì)較基準(zhǔn)年有所提高,57個(gè)湖泊水質(zhì)保持不下降. 湖岸線、湖濱濕地生態(tài)修復(fù)成果顯著,77個(gè)湖泊湖濱緩沖帶面積共增加175.67 km2,濕地面積恢復(fù)444.47 km2,生態(tài)涵養(yǎng)林面積增加1168.53 km2,湖泊生物多樣性顯著提高. 如“十二五”以來(lái),云南洱海水質(zhì)穩(wěn)定保持在Ⅲ類(lèi),有28個(gè)月達(dá)到Ⅱ類(lèi),超過(guò)“十一五”同期7個(gè)月;湖南東江湖水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ類(lèi),飲用水源一級(jí)保護(hù)區(qū)達(dá)到Ⅰ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),各地湖泊流域生態(tài)環(huán)境也得到顯著改善. 江蘇白馬湖、四川邛海、安徽太平湖等湖泊通過(guò)轉(zhuǎn)變粗放式養(yǎng)殖模式,改變種植結(jié)構(gòu),發(fā)展生態(tài)旅游,提升了生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[54-56]. 此外,水質(zhì)較好湖泊保護(hù)法規(guī)制度逐步完善,湖泊長(zhǎng)效保護(hù)機(jī)制初步建立. 湖泊保護(hù)應(yīng)在生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)變之前進(jìn)行治理,避免生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)出現(xiàn)的遲滯性,并且還能節(jié)約治理成本,獲得更大的治理效益.
我國(guó)湖泊眾多,湖泊在區(qū)域國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中提供了極其重要的生態(tài)服務(wù)功能,湖泊生態(tài)環(huán)境工作是我國(guó)流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要任務(wù). 太湖、巢湖、滇池“老三湖”是我國(guó)污染較重的湖泊,國(guó)家和地方自“九五”以來(lái)就開(kāi)始開(kāi)展湖泊治理保護(hù)工作,花費(fèi)了大量的人力、物力和時(shí)間成本,進(jìn)行了大規(guī)模的治理,目前初步遏制了“老三湖”水質(zhì)繼續(xù)惡化的趨勢(shì),但這種“先污染、后治理”的老路走得很艱難,原因是“老三湖”的水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變,由清水態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闈崴畱B(tài),而且一旦生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)變,想要實(shí)現(xiàn)恢復(fù)或逆轉(zhuǎn),就會(huì)出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象,就需要花費(fèi)更多的治理成本來(lái)達(dá)到初始狀態(tài),治理效益低. 對(duì)于我國(guó)環(huán)境質(zhì)量較好的湖庫(kù),國(guó)家和地方實(shí)施了水質(zhì)較好湖泊保護(hù)行動(dòng),經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn),水質(zhì)較好湖泊環(huán)境保護(hù)成效顯著,在湖泊水質(zhì)較好、生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)健康狀態(tài)下進(jìn)行保護(hù)和治理是實(shí)現(xiàn)治理效益最大化的良好途徑,也符合當(dāng)前國(guó)家要求的生態(tài)文明建設(shè)的新要求.
由于不同湖泊氮磷污染、生態(tài)系統(tǒng)受損程度各不相同,首先要開(kāi)展湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的調(diào)查和評(píng)估,科學(xué)確定湖泊生態(tài)系統(tǒng)所處的狀態(tài);其次按照“綠色發(fā)展、控源減排、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)管理”的湖泊保護(hù)思路,制定水質(zhì)較好湖泊“一湖一策”的生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略.
1)構(gòu)建湖泊流域綠色發(fā)展體系. 以湖泊承載力為基礎(chǔ),確定湖泊保護(hù)重點(diǎn). 以湖泊水質(zhì)持續(xù)改善和水生態(tài)系統(tǒng)健康為目標(biāo),識(shí)別污染物時(shí)空分布特征以及水文氣象等關(guān)鍵影響因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展總量、結(jié)構(gòu)及效率的影響,依據(jù)湖泊承載力對(duì)湖泊進(jìn)行分期分區(qū)保護(hù). 構(gòu)建綠色流域,協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與湖泊保護(hù). 協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)總量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及人口總量、人口增長(zhǎng)速度、人口結(jié)構(gòu)和生活習(xí)慣;嚴(yán)把水資源紅線、土地利用紅線,提高流域水土利用效率. 制定湖泊流域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,保證全流域湖泊保護(hù). 按照各流域水環(huán)境功能區(qū)劃的要求,建立流域環(huán)境協(xié)議,明確流域在各行政交界斷面的水質(zhì)要求,按水質(zhì)情況確定補(bǔ)償或賠償?shù)念~度,給出流域生態(tài)補(bǔ)償政策.
2)實(shí)施湖泊流域生態(tài)修復(fù)工程. 上游水源涵養(yǎng)區(qū):重點(diǎn)做好水土流失防控措施,增加入湖水量,減少泥沙入湖;中游生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū):實(shí)施污染治理工程的同時(shí),建設(shè)入湖河流生態(tài)廊道、生態(tài)濕地等工程,保證清水入湖;下游湖濱緩沖區(qū):建設(shè)緩沖區(qū)減少湖泊直接環(huán)境壓力,修復(fù)湖濱帶提高湖泊防護(hù)能力;湖泊:實(shí)施湖泊食物網(wǎng)調(diào)控、沉水植被恢復(fù)等生態(tài)調(diào)控工程,形成“一湖三圈”的流域生態(tài)安全格局.
3)實(shí)施科技攻關(guān),解決水質(zhì)較好湖泊保護(hù)的理論與技術(shù)問(wèn)題. 十五年的“水專(zhuān)項(xiàng)”重點(diǎn)針對(duì)重污染湖泊開(kāi)展了系統(tǒng)研究,取得了豐碩成果. 首先要總結(jié)水質(zhì)較好湖泊保護(hù)的成功模式;其次研究水質(zhì)較好湖泊的生態(tài)系統(tǒng)退化過(guò)程與修復(fù)理論,研發(fā)湖泊流域生態(tài)修復(fù)技術(shù)方法等,形成技術(shù)指南向全國(guó)推廣應(yīng)用.