排水渠系生态环境影响研究的思路与方法

排水渠系生态环境影响研究的思路与方法

湿地是自然界生物多样性最丰富、最重要的生态景观和人类栖息地之一。它不仅为人类的生产、生活提供多种资源,而且具有巨大的生态环境效益,在抵御洪水、调节径流、蓄洪防旱、控制污染、保持水土等方面有其他系统不可替代的作用,被誉为地球之肾、生物基因库和人类摇篮。然而,随着人口增加和经济发展,湿地生态系统成为受破坏最严重的生态系统之一,湿地功能严重受损,生态效益日益降低。在各种破坏湿地的人类活动中,农业开发是最主要的因素,而农业开发的主要途径是开挖排水渠道,排干湿地造田。这些渠道形成的排水渠系对湿地生态系统构成了严重威胁,成为几乎所有生态环境问题的根源。因此,系统研究排水渠系的生态环境影响,寻求切实可行的生态调控措施,成为湿地保护和恢复的关键。以往对渠系的研究大多侧重于水利开发利用方面,从生态环境角度的研究才刚刚开始[5,7,8,9,10,11,12,7,9,10,11,12],有必要对其研究现状及时进行回顾和总结,提出新的研究对策,以利于相关研究的进一步深入开展。1排水渠系的生态系统排水渠系是指以排水为主要目的人工挖掘的水道,是联系农田和受纳水体(湖泊、江河、湿地)的过渡带,对于农田径流是汇,而对于受纳水体是源。实际上,排水渠系也是从局域到区域尺度上的一个由物理—化学—生物过程所形成的复杂生态系统,它涵盖了从单一沟渠水生态系统及其两侧的陆地生态系统(河漫滩、堤坝、高地等)直至区域尺度上的整个排水沟渠网络系统。同时,作为景观廊道,排水渠系具有汇水、持水、排水、水质净化和维持生物多样性等多种生态环境功能,但其生态环境影响主要体现在隔离作用和通道作用两个方面,并表现在景观和景观单元两个层次。1.1天然湿地面积减少排水渠系作为一种廊道网络,很明显地对湿地生态系统表现出隔离作用。第一,排水渠系严重割裂了景观,导致湿地景观破碎化,湿地斑块面积减少、斑块密度和边缘密度增加。第二,随着排水渠系的急剧增加,湿地不断被开垦为农田,造成天然湿地面积锐减。在局部地区,农田取代湿地成为主要的景观类型;而在区域上,大面积湿地开垦为农田,景观由湿地主导转变为农田主导,彻底改变了景观的性质。第三,排水渠系截断了湿地生态系统之间物质、能量和物种的天然交流,破坏了湿地的生态完整性,严重威胁湿地生态系统的功能过程。湿地面积缩小和湿润生境丧失,引起水生植物局域灭绝和旱生植物入侵,湿地植物多样性急剧下降,适宜生境的丧失也对鸟类生存构成严重威胁。1.2生态环境影响下降排水渠系作为一个不同时空尺度范畴内连续变化的梯度系统,其网络结构为水流、营养元素、沉积物、农药残留物的空间转移提供了通道。第一,排水渠系改变了湿地水文过程。农田渠系就像一个巨型漏斗,通过汇集纵向和侧向径流,加速了农田径流向河流的传输。TOPOG模型模拟显示,沟渠存在的流域比没有沟渠的流域流量峰值高,退水更快,对一个降水事件的响应更加迅速。第二,排水渠系在迅速排水的同时,也将农田污染物一起排出,引起受纳河流水体污染,导致区域水环境恶化。干渠流经一些景观通向天然河流,并且接纳大量连接农田的支渠的汇流,支渠的生态环境受损常会影响到干渠、河流乃至整个湿地景观的生态环境。研究发现,沟渠底部沉积物的有机碳、泥沙和泥炭组分随着汇流面积的增加而增加。在区域上,随着沟渠密度加大、沟渠系统的连通性加大,改变了农田污染物(化肥、农药、除草剂等)的迁移路径,加速了污染物的空间扩散。从而,排水渠系的生态环境影响从局域上升到区域尺度,影响到水文、水质、水生生物群落,最终危及区域湿地生态系统健康。第三,由于挖沟排干湿地成为农田,而农田灌溉过度开采地下水资源,其耦合作用导致区域地下水位下降和水质碱化。因此,从景观生态学的角度,针对隔离作用和通道作用,开展排水渠系对湿地生态系统的影响机制和效应研究,可为防止湿地生态退化和进行生态恢复调控提供对策措施。2廊道景观破碎化原因根据景观生态学原理,廊道的重要结构特征包括宽度、组成内容、内部环境、形状、连续性及其与周围斑块或基质的相互关系。而廊道系统,由廊道、结点、廊道效应区组成。廊道系统有等级特征,低级廊道系统以结点为连接点,构成高等级廊道系统,低级廊道系统是高级廊道系统的整体性部分。廊道系统中所有与廊道相关的生态系统都是廊道效应区。除了作为流的通道外,廊道还是分割景观,造成景观破碎化程度加深的动因。廊道在生物多样性保护、水土保持、退化生态系统恢复等方面,起着非常重要的作用。2.1流域湿地景观时空演变规律和生态模型开展排水渠系的隔离作用研究,其侧重点主要在于渠系空间结构对湿地景观的割裂效应。排水渠系对湿地景观格局和过程的影响研究是湿地生态环境研究的新角度。借助遥感、地理信息系统以及全球定位系统,运用景观生态学的理论和方法,描述排水渠系对湿地景观的隔离作用具有十分重要的意义,可为揭示湿地景观退化规律和景观破碎化机理,以及合理设计排水渠系进行湿地保护和恢复提供科学基础。刘红玉和李兆富分析挠力河流域湿地景观时空演变过程及其产生的累积效应(湿地景观面积丧失、景观结构破碎化、水文情势变化和生态系统退化,生物多样性下降和区域气候趋暖变干),发现该流域湿地景观变化是人类土地开发活动不断叠加、影响强度和空间范围不断扩大的结果。韩敏等选取景观破碎化指数、分形维数、分布质心等景观指数进行计算分析,研究了不同地区中沼泽湿地面积相对于总的沼泽湿地面积的变化情况。侯伟等分析了三江平原浓江、别拉洪河地区5O年来的土地开发和湿地退缩过程后,指出l954年以来人类开发活动是该地区湿地面积退缩的主要原因。范英英等根据景观生态学的廊道理论、尺度效应、景观异质性、边缘效应和生态修复等原理,在汉阳湖区沟渠现状调研的基础上,对沟渠景观格局进行优化设计来实现对沟渠的保护。除了借助3S技术,研究中还应该特别重视相关生态模型的运用,从而更好地解析排水渠系空间结构与隔离功能的关系。以数据库、模型库、知识库三库集成为主体,以方案选优为主要特征的计算机决策支持系统(DecisionSupportSystem,DSS)技术,尤其是基于GIS的空间型决策支持系统(SpatialDSS,SDSS)的引入,成为非点源污染管理与控制的一种新的发展方向。2.2排水渠系的重要作用开展排水渠系的通道作用研究,其侧重点主要在于渠系空间结构对农田污染物在湿地景观中运移的影响。一方面,借鉴Ward的河流生态系统四维框架模型,即纵向(毛-农-斗-支-干)、横向(岸边缓冲带—高地)、垂向(水体—基底)和时间分量(每个方向随时间变化),对排水渠系进行多尺度多维度的研究。通过农田、沟渠和出口水化学指标对比分析来揭示农田渠系对污染物传输、滞留的影响;或者把沟渠当作分割农田的湿地生态系统,研究污染物在其中的迁移和转化以及其对农田非点源污染物的截留和去除。姜翠铃、崔广伯等在研究沟渠湿地时发现:沟渠是农田流失营养物质的汇集场所;沟渠植物如果秋季不回收,在冬季和初夏会产生二次污染;沟渠底泥对磷能很好地吸附和降解。姜翠玲等通过研究不同季节有机质在沟渠底泥和水体中含量的变化,确定沟渠对有机质的累积和矿化能力以及水生植物生长对水体有机质浓度的影响程度。但是,排水渠系不能仅仅看成一个封闭的系统,而是湿地—农田景观的重要组成部分。对流域中湿地景观特殊的纵向梯度、横向梯度和景观内部结构的研究发现,自然和人为因素都会影响流域湿地景观的空间梯度格局,但自然因素主要影响湿地景观内部结构的复杂性,而人为因素对流域湿地景观纵向梯度、横向梯度的连续性和内部结构的多样性均产生重要影响。未来研究中应该更加重视水生态系统、岸边缓冲带、农田生态系统及湿地-农田-沟渠景观的结构与功能,同时明确这些生态系统之间的相互影响,正确评估排水渠系在农田非点源污染向河流水体传输过程中的作用。另一方面,排水渠系的通道作用研究不应仅限于单一模型,而是需要通过模型综合,特别是与GIS的结合,揭示污染物在农田-沟渠-河流、水-土-生物间的迁移转化过程和相互作用机理。沟渠模型属于非点源污染物迁移转化模型的一部分,主要研究沟渠中氮、磷污染物的迁移和转化,并对其进行定性、定量描述,分析氮、磷污染物的主要来源和迁移特性,预计氮、磷污染物的迁移和转化通量及其对受纳水体的影响,并估计不同的土地管理技术、措施和土地利用变化对沟渠产生污染负荷,进而估算流域水质的污染负荷和对环境影响,为流域规划和管理提供科学决策。Smith等将GIS用于水文模型的数据预处理和参数估计,Hessling将水文模型PHASE与GIS相结合,将遥感数据用于模型区域参数的确定,应用于瑞典Mediterranean岛的5个流域,研究了水文过程与植被覆盖之间的动态反馈机制。当前,很多国外的非点源污染模型都被应用于我国不同的区域,而与GIS等相结合的研究逐步成为主流。刘海涛等将WebGIS与USLE结合建立了网络土壤侵蚀模型,将USLE公式的各个因子进行分级,用户可以直接通过在界面上的编辑框填写数据进行侵蚀量运算模拟。邹亚荣等在选取水土流失因子的基础上利用土壤流失方程计算值为不同因子打分后,应用ARC/INFO的主成分分析法确定不同因子的权重,然后选取主成分对江西省的生态风险进行了评价。3该排水系统对生态环境影响的影响3.1评价指标体系和方法缺乏系统性排水渠系作为人类对湿地生态系统的一种开发手段,有必要对其工程项目进行环境影响评价(EnvironmentalImpactAssessment,EIA)。湿地环境影响评价的重点是生态影响评价,它的指标体系和评价方法应与一般的环境影响评价不同。湿地环境影响评价的指标体系应以湿地功能为核心,应以对湿地功能的影响程度作为项目环境影响的衡量标准。在湿地资源开发项目环境影响评价中,应主要回答:(1)开发活动可否带来某些新的不利或有利的生态变化与影响;(2)开发活动可否使某些生态问题严重化或改善,或发生时间和空间的变更。其预测方法一般可采取类比分析法、生态机理分析法和景观生态学法等。其评价指标体系应兼顾科学性、综合性、可操作性及可量度性的原则,大体包括下述3个部分:(1)生态环境指标;(2)自然环境指标;(3)社会经济环境指标。例如欧洲1996~1999年开展了称为PROTOWET的湿地生态系统功能分析项目,所选取的湿地功能指标为:水文(地下水流量、水量预算、水位波动等);生物地球化学,强调了影响养分保持和释放功能的因素(使土壤去氮作用最优的水位波动、土壤和植被过程最优的养分承载量、吸收养分、生物量大的植被类型、土地管理措施等);生态调查(植物、无脊椎动物、鸟类等)。日本在20世纪90年代末期开展了称为JHGM的湿地功能评价项目,所选取的湿地功能指标为初级生产、有机物分解、生物多样性维持、堆积功能、脱氮功能、无机化功能和野生生物栖息地。由于湿地类型的多样性,各国强调的重点和相应的指标体系也有所不同。但一般在功能指数确定方面往往采用区域代表性湿地作为参考体系,建立起功能评价的标准,根据与参数体系的比对计算出评价湿地的功能指数。但是,如何建立排水渠系生态环境影响评价的指标体系和方法尚未形成,亟待参照相关技术和案例开展。湿地资源开发的环境影响范围较大。从时间上来看,渠系工程所产生的生态影响并不一定立即显现出来,它有一定的滞后和累积过程,因此其环境影响监测具有长期性。但是,目前有关湿地资源开发环境影响评价范围空间过于狭窄(仅局限于开发区域附近),而且评价监测时间短(常常是未开发前对水、土、气等监测与评价),这样,评价结论与实际相比可能失真,以此作为依据将导致湿地资源开发决策的失误。因此,渠系工程环境影响评价不能仅仅局限于本建设项目的环境影响评价,更应着眼于累积效应的评价;否则,单个建设项目均顺利通过评价,而湿地区域的整体环境质量恶化。所以,只有既注意时间积累的影响,又注意数量和空间的累积效应,渠系工程环境影响评价才能更全面地反映现实影响,这方面的研究十分欠缺。3.2水生态系统健康评价排水渠系作为湿地景观的组成部分,是湿地生态系统健康评价的对象之一。生态系统健康评价主要包括指示物种和指标体系2种方法。指示物种评价生态系统健康主要是依据生态系统的关键物种、特有物种、指示物种、濒危物种、长寿命物种和环境敏感物种等的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标及一些生理生态指标来描述生态系统的健康状况。例如,“河流无脊椎动物预测和分类系统(RiverinVertebratePredictionandClassificationSystem,RIVPACS)”、“澳大利亚河流评价计划(AustralianRiverAssessmentScheme,AusRivAS)”、“南非计分系统(SouthAfricanScoringSystem,SASS)”以及底栖生物完整性指数(BenthicindexofBiologicalIntegrity,B-IBI)、营养完全指数(IndexofTrophicCompleteness,ITC)都是基于对大型无脊椎动物生物多样性及其功能监测基础上的水生态系统健康评价模型。指标体系法评价生态系统健康,首先要选用能够表征生态系统主要特征的指标,最重要的是考虑生态系统本身的结构和功能,在此基础上,明确区分特定生态系统的胁迫状况,辨识出最危险的组分和最应该重视的问题,同时研究环境胁迫与生态参数变化的重要关联,应用这些基础去发展综合适宜生态系统健康指标;其次要对这些特征进行归类区分,分析各个特征对生态健康的意义;再次是对这些特征因子进行度量,确定每个特征因子在水生态系统健康中的权重系数,每类特征因子在水生态系统健康中的比重;最后建立水生态系统健康评价的指标体系。美国在一项环境监测和评价计划(EMAP)中提出了一系列河口湿地健康指标,以此来管理和规划河口湿地;澳大利亚联邦科学和工业研究组织(CSIRO)建立了流域健康诊断指标体系。蒋卫国等以生态系统健康及压力-状态-响应(PSR)模型作为研究方法,根据湿地生态系统的特点,建立一套湿地生态系统健康评价指标体系;以遥感数据及统计监测数据为基础,以小流域为评价单元,采用RS和GIS技术,对每个小流域湿地进行单因子和综合评价。崔保山等则以三江平原挠力河流域湿地为研究区,进行了湿地生态系统健康指标选取和健康评价研究。但是,沟渠生态系统作为人工景观有其特殊性,其“健康”不是以“自然性”程度来判定,而应是从其生态系统维持和水质水量控制能力等方面来判定。同时,沟渠水生态系统健康状况受多种因素制约,气候、地质特征和土地利用状况等决定着沟渠径流、基质类型等物理及水化学、生物特征。要维持一个健康的水生态系统,首先就应该创建一个健康的湿地环境,而健康的水生态系统又是湿地生态系统健康的基础。不能就沟渠论沟渠,高度重视沟渠水生态系统与农田生态系统、湿地生态系统间的相互关系。具体来说,应该从渠系生态系统的结构和功能研究入手,参照生态系统健康评价的方法,在两个层次上进行。第一层次,将整个渠系视为一个水陆相互作用的大系统,关注排水渠系内部不同组成子系统之间的物质能量流动规律及其健康状况,及其控制农田非点源污染的作用;第二层次,将生态系统健康评价研究从排水渠系扩展到农田-沟渠-湿地生态系统,关注各个系统之间的相互作用及其对整个景观健康的影响。如岸边植被带及湿地土地利用变化对水生态系统健康的影响,岸边植被带指数(RiparianVegetationIndex,RVI)就是通过实际情况下的河段植被带特征(包括河岸带植被的砍伐、种植、结构、洪水影响、侵蚀/沉降作用和外源种等)相对于天然情况下特征的偏移率来评价水生态系统的健康状况。4排水渠系生态修复的建议生态修复是调控排水渠系生态环境影响和湿地保护恢复的关键。生态修复是指重建生态系统干扰前的结构与功能及有关的物理、化学和生物学特征,使其发挥应有的功能。排水渠系作为连接农田和区域河流水体的人工生态系统,其修复目标是使其尽可能接近于天然湿地的功能。即如何采用生态修复的手段,提高排水渠系对农田污染物的稀释截留功能并在一定程度上控制水量,是排水渠系生态修复的关键。在景观单元层次,主要是如何增强渠系对农田污染物的稀释作用并减少沟渠自身的污染及其对污染物的累积作用。近年来,国际上在沟渠湿地生态修复的研究和实践中采取的主要途径为:(1)重建植被、恢复缓冲带、修复水边湿地/沼泽地森林;(2)修复马蹄型湿地、重塑弯曲河谷;(3)修复浅塘和深塘;(4)降低边坡和比降。另外,借鉴美国河流修复的经验,排水渠系的修复要考虑以下几个方面:(1)结构:研究沟渠廊道的结构及岸边景观;(2)功能:用各种方法来评价岸边带的生态功能或改进岸边带的生态状况;(3)背景:在大的尺度下考虑修复对象,而不仅局限于修复对象本身,如考虑修复地离污染源的距离;(4)破碎化:一种生境、生态系统或土地利用类型被分割成更小单元的现象或过程。考虑减少小斑块,控制湿地面积的减少;(5)动态变化:如考虑土地利用、区域规划、农药化肥施用量等的变化。在景观层次,如何降低排水渠系密度进行“退田还湿”,恢复破碎