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三峽水庫消落區生態環境現狀及生物治理技術

2012-04-29 00:44:03王迪友,鄧文強,楊帆
湖北農業科學 2012年5期

王迪友,鄧文強,楊帆

摘要:三峽水庫消落區具有水淹時間長、消落幅度大、水位漲落節律逆反自然枯洪規律及面積大、生境類型復雜等特點。從三峽水庫消落區目前所面臨的生態環境問題出發,總結了國內外關于庫區生態環境問題及生物治理的研究進展,提出了三峽水庫消落區的生物治理方案。

關鍵詞:生物治理;生態環境問題;三峽水庫;消落區

中圖分類號:X171.4文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2012)05-0865-05

The Status and Bioremediation Technology of Ecological Environment in

Water-level-fluctuating Zone of the Three Gorges Reservoir

WANG Di-you1,DENG Wen-qiang2,YANG Fan2

(1.Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and Research,Wuhan 430074,China; 2.Key Laboratory of Aquatic Botany

and Watershed Ecology,Wuhan Botanical Garden,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430074,China)

Abstract: Water-level-fluctuating zone of the Three Gorges Reservoir possesses some specific characters such as long flooding duration, wide-range fluctuation of water level (30 m), reversed flooding time to winter, large area and complex habitat types and so on. Based on the ecological environmental problems of water-level-fluctuating zone of the Three Gorges Reservoir, the ecological environmental problems and research advances on bioremediation technologies of water-level-fluctuating zone of the reservoir at home and abroad were summarized. The bioremediation strategies for water-level-fluctuating zone of the Three Gorges Reservoir were proposed.

Key words: bioremediation technology; ecological environmental problem; Three Gorges Reservoir; water-level-fluctuating zone

長江三峽工程是開發和治理長江的關鍵性骨干工程,具有巨大的防洪、發電、航運、旅游等綜合經濟和社會效益。盡管三峽工程帶來了顯著的社會經濟效益,但同時對社會、生態環境也造成了一些不可逆的負面影響[1]。消落區(Water-level-fluctuating zone)是流域內水陸生態系統的自然交錯帶,是相鄰陸生和水生生態系統物質、能量和信息交流的紐帶,是流域生態系統組成的敏感部分,其特殊生境為物種的演化、發育和保存提供了有利的條件,具有重要的社會、經濟和生態價值。三峽水庫生態環境的變化,尤其是消落區的生態問題,已成為流域生態修復和研究的中心環節[2]。

三峽水庫(29°16′~31°25′N,106°20′~111°50′ E)實行145~175 m “冬季蓄水、夏季泄洪”的人工調節水位后,其水位漲落節律逆反自然枯洪規律。同時,水庫消落區具有水淹時間長(可達8個月)、面積大(約350 km2)、消落幅度大(30 m)、生境類型多樣等顯著特點。原來適應長江水位節律性變化的河岸植被難以適應三峽水庫水位的反季節變化,逐步消失或死亡,造成新生濕地植被稀疏散布,群落結構簡單,所形成的濕地生態系統十分脆弱[3]。

三峽水庫消落區生態環境問題復雜多樣而突出,認識和梳理過程仍需要一段時間,諸多目前已認識到的消落區生態環境問題的解決,也沒有可供參考和借鑒的資料。消落區的生物治理,首先要掌握消落區的生態環境現狀,其次要注重消落區的生態效益,另外,還要發揮消落區的經濟價值。因此,如何采取有效措施,監測和了解消落區的生態環境現狀,開展消落區生態環境修復,保障三峽工程的生態安全運行,改善水體質量,促進庫區社會經濟的可持續發展是庫區生態環境建設與保護的中心環節。

1三峽水庫消落區所面臨的生態環境問題

受水庫水位逆反枯洪規律人工調節的影響,三峽水庫消落區逐漸演變成一種新生濕地生態系統,其生態環境問題與自然消落區或一般濕地生態系統所面臨的生態環境問題存在較大差異。三峽工程上馬后,水位從以前的62 m逐漸上升到目前的蓄水水位(145~175 m),造成生境嚴重破碎化[4,5],Wu等[6]通過數字高程模型(Digital elevation model,DEM)結合地理信息系統(Geographic information system,GIS)估算出水位上升到175 m后,將形成47~102個新的島嶼。水位的反季節變化及生境破碎化造成原來的河岸植被難以生存,植物多樣性急劇下降[3]。王勇等[7]對三峽庫區自然消落區植物區系的研究表明,消落區分布有維管植物83科、240屬、405種,但2009年劉維暐等[8]對蓄水后水庫消落區植物區系的調查表明,維管植物只有61科、169屬、231種,其中科、屬、種分別減少了26.51%、29.58%和42.96%。水庫蓄水后,水流速度變慢,水體自凈能力下降,造成營養元素及重金屬沉積;水庫蓄水后,消落區巖土含水量變為飽和,在暴雨徑流沖刷、庫區水位變動侵潤、來往船只航行涌波等各種動力的作用下,消落區內水土流失嚴重,加劇了水庫的泥沙沉積[4]。水庫蓄水后,河面變寬,從而通過蒸騰、凈輻射等途徑的改變影響三峽庫區的微氣候[9]。水位降落后,庫區居民利用夏季出露的消落區土地開展短季節農作物的種植、發展淡水養殖或開展其他多種經濟活動。肥料、藥物、餌料殘余、作物殘留物、畜禽糞便形成新的非點源污染[10]。消落區受水陸交叉污染,易滋生各種相關的病原體、致病菌,特別是在夏季高溫高濕環境條件下,污染嚴重的消落區將成為相關病菌、寄生蟲的滋生源,有可能導致大規模疫情的發生和流行,危害庫區居民身心健康[11,12]。

2國內外研究現狀

三峽水庫消落區的核心問題是植被退化嚴重,并由此引起一系列其他生態環境問題。目前三峽水庫消落區的研究主要集中在消落區植被恢復與重建方面。消落區植被對水陸生態系統間的物流、能流、信息流和生物流等發揮著廊道、過濾器和屏障功能,同時對維護庫岸穩定、水庫壽命以及保持生態景觀、水體凈化等方面具有重要作用[2,3,5]。

近幾年,對三峽水庫消落區植被的研究較多,如Jiang等[13]對長江三峽干河河岸植被的16種草本及灌木群落的物種組成和物種多樣性進行了分析,結果表明各群落之間物種多樣性差異不顯著;王勇等[14]對長江三峽庫區自然消落區植物群落的研究表明,消落區主要分布有19種植物群落,4種植被類型,并提出水淹時間和土壤濕度是該區域植物群落組成和空間分布的主要限制性影響因子。對蓄水后水庫消落區的植被類型、群落結構的研究主要集中在部分高程或部分地區,還缺乏系統性研究。如白寶偉等[15]、馮義龍等[16]分別對重慶段庫區、重慶市主城區范圍內消落區植被種類組成及群落分布特征進行了研究;楊朝東等[17]對三峽庫區秭歸太平溪港至巴東楠木園的145~156 m消落帶的植物分布進行了研究,王強等[18]對三峽水庫蓄水后澎溪河消落帶植物群落格局及多樣性進行了研究。他們的研究結果都表明蓄水后水庫消落區植被退化嚴重,群落單一,物種豐富度和多樣性降低。造成這種狀況的主要原因是原來適應長江水位節律性變化的植物難以適應三峽水庫消落區的反季節水位變化,逐步消失或死亡。

受三峽工程淹沒的影響,一些庫區特有植物如疏花水柏枝(Myricaria laxiflora)、豐都車前(Plantago erosa var. fengdouensis)[19]、宜昌黃楊(Buxus ichangensis)[20,21]及荷葉鐵線蕨(Adiantum reniforme var. sinensis)[4]等的自然棲息地完全或部分消失。但中國科學院武漢植物園對以上物種進行遷地保護,有效地保存了物種資源。王永吉等[20]還對宜昌黃楊進行了扦插繁殖研究,已取得良好進展。由于三峽水庫消落區是一種新生的濕地生態型,其內的植被恢復與重建工作需要時間和經驗積累。中國科學院武漢植物園于2003~2007年在武漢植物園、秭歸庫區和萬州庫區水淹試驗基地進行了三峽水庫消落區植被重建適宜物種的篩選研究,通過水淹時間(3、5、8個月)和水淹深度(1、2、5、15、25 m)的交互試驗,篩選出適宜重建的耐水淹植物7種、種子散播植物8種、帶外攀爬植物12種,為深入開展三峽水庫消漲帶植被重建工作提供了種源基礎。同時還開展人工植被組建、結構優化配置研究和示范,結果表明:在145~156 m高程,植被恢復以耐水淹的草本植物為主,如狗牙根(Cynodon dactylon)、雙穗雀稗(Paspalum paspaloides)、頭花蓼(Polygonum capitatum)等;156~175 m高程,可采取灌草、喬灌草相結合的方式,喬灌木主要定植在170 m以上。同時,構建狗牙根+雙穗雀稗、狗牙根+秋花柳(Salix variegate)、加楊(Populus canadensis)+中華蚊母(Distylium chinesis)+暗綠蒿(Artemisia atrovirens)+狗牙根等植物群落。目前植被恢復效果良好,可為三峽水庫消落區植被重建提供理論指導、技術基礎和優化植被模式。

另外,近年來對庫區原有植物還開展了水淹脅迫下的生理生態適應研究,如硬稈子草(Capillipedium assimile)、雙穗雀稗、狗牙根[22,23]、香根草(Vetiveria zizanioides)、菖蒲(Acorus calamus)、空心蓮子草(Alternanthera philoxeroides)[24]、 野古草(Arundinella anomala)[25]、中華蚊母[26]、疏花水柏枝[27]、秋花柳[28]等。研究結果表明,這些植物都形成了特定的耐水淹機制,可作為三峽水庫消落區的植被恢復與重建的適宜物種。如疏花水柏枝利用在夏秋季處于休眠狀態、停止生長,而在冬春季露出水面,進入生長繁殖期的生活習性來適應夏季洪水淹沒[27];宜昌黃楊通過皮孔、不定根等形態特征的變化來適應夏季洪水淹沒[21];秋花柳通過提高酶活性來降低活性氧對細胞膜的傷害以適應水淹脅迫[28]。

三峽庫區陸域污染物主要通過水土流失及地表徑流進入水庫消落區,經滯留積累轉化再進入水庫;因此,水庫消落區在陸水污染物遷移轉化中具有“庫”、“源”、“轉換傳送站”和“調節器”的重要作用。一方面,庫水中的污染物、營養元素、重金屬等通過土壤機械吸收、阻留、膠體的理化吸附、沉淀、生物吸收等過程不斷地在土壤中富集,造成土壤污染[29]。喻菲等[30]對三峽水庫消落區重慶段5個區縣的土壤樣品進行分析,結果表明:Cd、Cu、Pb、Zn、Hg、As含量均達到國家土壤環境質量2級標準,且沿長江水流方向土壤Cu、Pb、As、Hg含量有降低的趨勢。土壤環境質量綜合評價結果表明三峽水庫消落區土壤處于警戒狀態,其中豐都和忠縣已受到輕度的Cd和Cu重金屬污染。據重慶市環境科學研究院估算,沿岸農田地表徑流入庫污染負荷總量達2 493.6萬t,其中懸浮固體(SS)為2 410.0萬t,化學需氧量(Chemical oxygen demand,COD)為62.4萬t,生化需氧量(Biochemical oxygen demand,BOD)為7.8萬t,總氮(TN)為12.7萬t,總磷(TP)為0.7萬t。萬縣市淹沒城區的污染表層土壤中Cd、Cu、Ni、Pb、TN、TP與溶解磷均比淹沒區農田土壤中的含量高2~255倍[29]。另一方面,水庫蓄水后,被淹沒的土壤中有毒有害物質被水溶出,可能引起水庫的水質下降,水體富營養化。張金洋等[31]對三峽水庫消落區淹水后土壤性質變化的模擬研究發現,淹水后土壤中的Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Hg、As的含量都有一定的降低,表明土壤中的重金屬不同程度地被水溶出,對水質影響較大。

在三峽庫區消落區面臨的一系列生態環境問題中,重要的問題之一是如何保持水庫消落區庫岸穩定、控制消落區的水土流失、提高消落區的生態環境質量和景觀效果。要達到這些目的,采用構建消落區植被、提高并恢復消落區生態質量、增加居民收入的生物治理措施具有重要意義。國際上采用營造植被的生物措施來穩定河流湖泊庫岸和控制水土流失已有較多的研究和實踐,效果明顯。在美國科羅拉多河[32,33]、加利福尼亞州莫哈韋河[34]、 美國的Kingsley大壩形成麥克克拿基湖通過楊樹防護林來穩定河流湖泊庫岸和控制水土流失[35]。Fortier等[36]利用楊樹作為護岸植物來控制河岸帶的非點源污染,結果表明,在加拿大布朗普頓維爾的6年生雜交楊的固碳、N、P吸附的值分別達到了52 t/hm2,770 kg/hm2、82 kg/hm2,有效地改善了水體質量,創造了良好的生態效益。Madejon等[37]利用白楊(Populus alba)作為生物監測器來追蹤污染河岸帶土壤中8個元素(As、Cd、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Fe)的狀況,研究結果表明白楊葉片對土壤中Cd、Zn、As元素具有較強的吸收能力。孫啟祥等[38]通過灘地楊樹人工林對抑制釘螺滋生的效果進行研究,人工造林后活螺框出現率、活螺密度均呈明顯下降趨勢,且隨林齡的增加,其下降幅度增大。吳立勛等[39,40]研究了楊樹人工林內釘螺種群消長的內在規律和環境因子的偶發效應,結果顯示了灘地楊樹人工林生態系統抑螺機制的有效性和持續性。

3生物治理初探

3.1建立生態環境監察站

保障三峽工程的生態安全運行和庫區社會經濟的可持續發展,都有賴于在水庫運行的條件下,對庫區包括消落區在內的不同生態系統類型的生態環境開展長期系統的監測與評估。建議建立三峽水庫消落區生態環境監測站,為全面系統地反映消落區的生態環境變化和實施綜合治理措施提供科學數據和理論指導。監測內容的設置,必須充分考慮消落區所面臨的重大和重點生態環境問題。主要監測內容包括:①消落區內的主要植物物種種類、數量和分布狀況,群落演替規律;②土壤理化特性包括土壤的顆粒組成、含水率、容重、pH、有機質含量、全氮、銨態氮、硝態氮、全磷和速效磷、全鉀和速效鉀、重金屬元素(Cu、Zn、Mn、Pb、Cr、Cd、Hg、As)含量等;③地表滯留水體水環境內容包括水溫、pH、溶解氧、COD、電導率礦化度、銨態氮,硝態氮、重金屬元素(Cu、Zn、Mn、Pb、Cr、Cd、Hg、As)、大腸桿菌數、細菌總數等內容;④生物媒介(鼠類、蚊類、蠅類、釘螺)密度及病原感染情況,土壤主要微生物(好氧和厭氧細菌、放線菌、真菌)的數量等。消落區監測站將對以上內容全面系統地進行全過程的跟蹤監測,并圍繞三峽工程的運行,對消落區的生態環境開展綜合集成分析,預警和預報消落區土壤和水環境、植物群落和人口健康等相關的生態環境問題,為消落區的生態環境保護與綜合整治、為水庫管理部門的決策和三峽工程的環境影響評價提供科學依據。

3.2建立生物治理示范基地并開展應用研究

如前所述,消落區植被能有效地保持庫岸穩定、控制水土流失、提高消落區的生態環境質量和景觀效果。消落區植被恢復不僅要注重生態效益,而且應發揮經濟效益,促進當地政府及居民的積極性。由于消落區特殊生境及生態環境問題,消落區生態修復及生物治理應秉承“勤研究,多示范、慎推廣”的原則,因此應積極開展典型消落區生物治理試點示范與應用研究。

在示范建設方面應做好以下工作:①在原有工作基礎上,繼續開展三峽水庫消落區植被重建適宜物種的篩選研究,尤其是一些具有生態、經濟價值的典型植物,如枸杞、桑樹[41]、楊樹[42,43]等。研究不同植物的耐水淹極限值(水淹時間、水淹深度),從而確定在消落區的種植范圍;②開展水庫消落區人工植被組建和群落結構優化配置的研究,探討適合三峽水庫消落區生境特點的人工植被優化模式,建立消落區植被重建技術體系;③開展種子庫萌發試驗研究,研究消落區土壤種子庫萌發數量特征及動態變化,掌握消落區植物種子的擴散方式,從而掌握消落區物種演替規律,為消落區植被群落構建奠定基礎。由于不同種[44]或同一物種的不同生態型[45]、不同性別[46]的植株對環境脅迫的持續時間[47]、脅迫程度[48]的反應不同,因此,在應用方面建議開展以下工作:①不同品系或不同生態型對水淹脅迫(水淹時間+水淹深度)的交互試驗,開展其對消落區環境(冬季水淹+夏季干旱)的適應機理研究;②不同適宜植物對土壤理化性質的影響,研究不同植物對土壤營養元素及重金屬的影響;③不同適宜植物(特別是食用植物如枸杞)組織內的重金屬含量,確定是否還能食用;④不同適宜植物對病原生物的控制效果研究。篩選出“既耐水淹,又耐干旱,還能有效改良土壤環境并能創造最大經濟價值”的適宜物種,從而為消落區的生態環境修復、經濟發展做出最大貢獻。

4小結

受三峽水庫水位反季節大幅度漲落的影響,三峽水庫消落區生態環境問題復雜多樣而突出,認識和梳理過程仍需要相當一段時間,因此應建立生態環境監測站,充分掌握消落區生態環境現狀,為三峽水庫消落區的生態環境補償提供第一手資料,預警和預報消落區植物群落、土壤和水環境及病原生物等生態環境問題,為消落區的生態環境保護與綜合整治及三峽工程的環境影響評價提供科學依據。鑒于消落區植被對維護庫岸穩定、控制水土流失及改善水體質量等方面的重要性,開展消落區生物治理試點示范及應用研究,為保障三峽工程的生態安全運行和庫區社會經濟的可持續發展提供理論依據與科學指導。

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