地下水生態系統的分析與評估

［美國］A.H.阿辛頓

地下水生態系統的分析與評估

［美國］A.H.阿辛頓

不僅人類對地下水利用的需求巨大，而且生態過程和生態系統服務都得依賴于地下水維系，保護好地下水，也就意味著保護和維持依存于地下水的生態系統及其功能。論述了地下水生態系統評估中需考慮的問題，提出了地下水中生物特性及其對環境依存度以及地下水生態健康度的評估方式，分析了地下水開采程度而不致對生態環境產生壓力的管理問題。最后為評估地下水生態系統提出了8個估值步驟和優先級排序方法。

地下水;生態系統;分析評估

1 概述

提供環境用水并非僅僅是提供水源用以維持河流地表水水流，同時必須考慮由地下水維持的陸地、河岸、濕地和依存于地下水生存的生物系統的水情。國際上有關河流生態系統的文獻早就承認了流水系統的三維特性，并提出了與地表水生態連續區并重的地表水-地下水交錯帶走廊概念，盡管如此，通常的觀點仍然認為，河流環境流量與保護或恢復依存于地下水的生態系統的水情通常都應分別進行完整的評估。

結果很多學者發出呼吁，要求開發跨學科、多尺度的概念框架，進行跨系統的比較以及對地表水和地下水關系進行跨學科的整體評估，從而同時滿足兩者的用水需求，并適應多種多樣的氣候和社會經濟環境。人們面臨的挑戰是巨大的，因為人類對地下水的利用需求在不斷增加，但對地下水情的評估又非常困難，而生態過程、生物多樣性和生態系統服務都得依賴于地下水的維系。

2 評估需考慮的因素

為了對依存于地下水的生態系統(GDE)進行評估，學者依默斯和弗羅恩德從一個較廣的角度，列出了GDE評估中必須要考察的問題:

(1)在分析環境需水量需求(EWR)時，要在已有數據的基礎上盡可能多地考慮GDE系統的組成部分(例如，整合植被、大型無脊椎動物和脊椎動物的物理化學需水量)。如果沒有足夠的數據將生態系統的其他組成部分整合進來，或者可證明只需一個部分(如庇護物種)就能顧及到所有其他主要部分的需求，那么單一組成法或許也能主導特定GDE的環境需水量需求評估。

(2)要認識到GDE每個生態組成部分對地下水需求的差異性。例如，并非所有的地下水濕生植物都對地下水有同等的依賴程度，因此，這些植物對地下水水位下降的響應也就不盡相同。這種在依賴程度與響應上的差異性，可能會對地下水水位下降的風險產生重大影響。因此，在描述環境需水量需求時，要加上需水量的范圍值(不僅僅是絕對閾值)和/或不同需求與依存度的類型。

(3)要重視對GDE生態有重大影響的其他有關地下水水情的變量(如時間、歷時、季節性豐水和枯水頻率以及極端洪水和干旱事件的陣發性和可預見性)。

(4)通過分析歷史上地下水在關鍵時間周期上的變化，對地下水可獲取量減少的累計影響進行評估。應在分析未來開發或增加配水可能帶來影響的同時，對上述歷史上出現的變化進行分析。當地下水可獲取量初次發生變化時，GDE可能會出現延遲響應，因此，在估算環境需水量需求時，應考慮GDE對地下水可獲取量變化的響應速率。

(5)要認識到GDE對地下水可獲取量變化的承受度，并研究在采取了補救或緩解措施后生態價值能得以恢復或維持的可能性。要以從長計議的視角來評估維持生態價值所必備的需水量，這應當成為一種通常的做法。

(6)既要考慮系統或流域層面的地下水需水量又要分析單一GDE的需水量，例如，應將重要的景觀級別生態過程(如硫酸鹽土壤)納入到考慮的范圍。

(7)界定GDE需水量評估中的不確定性和用作預測水文變化的模型的不確定性，例如，由未來勘探場地、流域土地利用和氣候變化等引起的不確定性。

依默斯和弗羅恩德強調指出，從長遠的角度講，地下水開采達到某種程度，都會導致自然流量下降，并對環境造成影響。因此，地下水管理者的任務就是要確定何種程度的環境影響水平是可以接受的，并據此管控地下水的開采量，使其影響在“可接受的限度內”。

3 河流走廊對地下水的依存度

3.1 河流走廊概念

要對河流生態系統進行保護或修復，就需要了解并定量評估從河源到大海或內陸水體的地表水-地下水交錯帶走廊這一重要過程的連通性和重要性。河流走廊可以看成是由地表水-地下水相互交錯小塊組成的鑲嵌體，地表水下滲到泥土之中，然后在河床下或沿河床移動一段距離，最終與地下水混合，之后再返回到河流之中。這一交錯帶通道通常都位于較大的山坡地下水系統之中，而地下水流流入地表河流的通道在空間上也是被隔斷的。

上述河流中的這種交錯帶通道可用幾種方法來識別，包括使用天然示蹤體(如溫度和氯化物)，投放保守示蹤劑，以及基于水力水頭分布和含水層特性對次表水流進行模擬等方法。河水通常在表面壓力高的地方下滲(如淺灘的上游端)，在表面壓力低的地方上涌(如淺灘的下游端)。因此，在界限清晰的地貌單元如淺灘和沙洲等地帶，地表水流的水文交換相對周圍的其他沙質基質帶更高。

3.2 分類方案

學者湯姆林森和博爾頓提出了各分類方案和指標的優勢，以辨明地下水與地表水相互作用的不同類型，以及如何支持地下水生態系統的研究以及依存于次地表地下水生態系統(SGDE)的管理。例如，達爾等學者提出了一套基于地質地貌以及水文概念的多尺度分類方法，能反映其功能性聯系以及在逐步減小尺度上控制水流的過程。各種尺度的分類類型如下:景觀型(集水區尺度，＞5 km)，河岸水文型(中等或河段尺度，為1～5 km)和河岸水流通道型(局部尺度，為10～1 000 m)。

盡管學者湯姆林森和博爾頓承認SGDE分類法的價值(如，可以預測暗層動物特征并支持脆弱性評估)，但他們指出，最有效的分類方法應該是遵循“生態水文地質原則”。他們呼吁更深入地了解大尺度過濾器與小尺度特性之間的關系，大尺度過濾器包括氣候、地表排水與補給以及地形地質等，而小尺度特性則有孔隙率與滲透性、地下水情以及含水層之間及相鄰生態系統之間的連通性等。從這個生態水文地質的角度講，這些大尺度過濾器與小尺度特性決定了生態過程及生境的可獲得性，影響著繁殖率與穴居動物的多樣性，同時也控制著獲取地下水生態系統的產品和服務。

3.3 地下水中的動物群

任何地下水管理計劃的一個基本步驟就是要對動物群體的特性與多樣性及其環境依存度進行描述。學者吉貝爾和卡爾弗對一個大規模歐洲調查項目——PASCALIS(帕斯卡利斯)成果進行了總結，PASCALIS是Protocol for the Assessment and Conservation of Aquatic Lift in the Subsurface的英文縮寫，意即“次地表水生生命評估與保護計劃”。帕斯卡利斯將重點放在地下水多樣性評估方法上，這種評估以嚴格標準化的采樣方法為基礎。該方法在4個空間尺度上進行評估，即區域、流域、含水層類型(比如喀斯特與沖積含水層)和每個含水層中的地帶(比如喀斯特含水層中的飽和帶與非飽和帶以及沖積含水層的底流帶與潛水層)4個尺度。

相關成果表明，相比于生活在類似空間單元的地表淡水中的動物，采樣點中地下水群落在物種的組成上顯示出更大的差異性。學者漢考克和博爾頓強調指出，有必要采取組合采樣方式對地下水中的生物多樣性進行綜合評估，有學者建議，采樣周期需超過1 a，這樣才能對生物多樣性進行完整的評估。作為對采樣問題的總結，吉貝特等人建議，帕斯卡利斯計劃可以通過如下步驟作進一步改進，即:確定環境異質性最大之處的空間尺度(流域、含水層類型或生境類型);在最佳的水文周期如漲水期間進行采樣;找到環境異質性的特定源頭，如歷史因素(比如海洋港灣形成，冰河作用)、污染、自然干擾或人類干預等。

為了避開生物多樣性綜合評估的難題，施托赫等學者使用了3組指標(腹足綱、猛水蚤目和端足類)作為預測歐洲喀斯特和多孔含水層整體生物豐富度的替代指標。他們采用的方法可以解釋占總豐富度80％以上的差異性。但如果將此方法應用于測試區域之外的地方，就可能需要按區域特定的地下水群種進行率定。另一條研究路線是，考慮按地下水物種特性(如群飼)的功能性分類，不過地下食物鏈大多都由食腐質和雜食動物組成，因此，克拉雷特等人應用一種基于多個物種特性(食物、游移、身體大小、繁衍類型和父母照顧)以及棲息地與暗層生物的密切關系(偶居暗層的、喜暗層的和暗層生的生物)的組合進行了分類。這種分類方法在查明無脊椎動物對自然干擾與人類干預行為的反應方面被證明是有用的。

生活在地下水中的動物差異性與分布受如此眾多的因素支配，理解這一點也只是人們向保護SGDE邁開的重要一步。而就間隙生物群的組成與密度而言，它們通常在與地表河流進行不同的水文交換地帶會呈現出不同的狀況，這些都與泥沙級配分布、水的化學特性(離子和溶解氧)以及有機質的成分有關。

必須了解作為地下水依存度評估方法一部分的地表水與地下水相互作用的時空形態。水流流態、地下水補給、洪水類型以及地貌結構的變化，不斷改變著河流中地表-次表交換地帶的空間范圍與分布。莫里塞等學者使用溴化鈉注射劑進行的試驗表明，標準化的儲水區面積(作為地表水-地下水交錯帶相對范圍的替代物)隨著新墨西哥洲一條河流的流量增加而減少。然而要真正測得某一地區動植物對上述交錯帶通道的時空形態響應確實難度非常之大。馬拉爾等人建議，可對河流修復工程進行大規模控制試驗來測定諸如河心洲和河灣形狀對上述交錯帶水流過程的影響。上述研究成果同時讓人們認識到，有必要將生命周期、相鄰交換地帶之間的水文連通性以及生物的運動型式等信息整合到地表水-地下水交錯帶群落的時空分布研究之中。

3.4 地下水生態健康度

地下水生態健康度的定義與評估正在成為一個活躍的領域，可與使用地表水動植物和其他指標進行的河流健康度評估相媲美。施托伊貝等學者描述了進行地下水生態系統綜合評估的4個步驟:①確定地下水生態系統的類型;②獲取自然背景值;③確定可能的生物學指標;④開發評估模型。因此，評價地下水生態健康度的方法需要生態學家、水文地質學家和地球化學家的通力合作，同時應用多變量統計之類的定量評估方法。

學者科布和霍斯提出了一個評估地下水生態健康度的分層框架，第1層代表健康度和基準點的主要指標，如果被突破，則表明需要進行更加詳細的評估，即進入到下一步。第2層，以可能生成一個地下水健康度萬用指數的一些指標為基礎。在澳大利亞新南威爾士州西北部的一個沖積含水層進行了實例研究，展示了如何使用該方法來判別受到影響和未受到影響的地下水位置。該方法框架具有足夠的靈活性，可以加以應用，并適應其他的特殊環境。湯姆林森和博爾頓認為，應該優先考慮擬定監測和評估SGDE健康度指標的標準化方法和協議，以便確定極具保護價值的生態系統，并指導與SGDE有關的管理活動，從而維持生物多樣性，保護好生態系統功能和水質。

4 地下水系統的管理

現從管理的角度提出如下一些問題:哪些GDE很重要并如何評估其重要程度?如何判別處于風險中的系統?是否存在表征GDE環境壓力的確定性指標?如何評估GDE的價值?如何對系統特性與過程進行定性描述和定量評估?可否對代表性的系統進行研究來回答上述問題，并有助于將特殊條件點的結果移植到相似條件的地方?可以開發哪些創新性工具并用于生態系統管理，從而可最大限度地利用資源同時又滿足一致認可的環境需求?

用于評估“最大耗水量”的一組工具主要圍繞在“可持續性地下產水量”的概念上，其定義為“在一定規劃時段上運用的地下水開采模式，應在一個合理的承受水平上，并保護相關的經濟、社會和環境價值”。該定義認為，可持續性地下產水量應以“開采模式”來表示，其含義不僅僅是個開采量，這里的模式是“一組在一定時間(或規劃周期)和空間上定義的管理實踐活動”。

雖然這一定義從本質上講是功利性的，但它要求注重取水的型式，維持地下水4個關鍵屬性，即，流量或流通量(地下水供給的速率和水量)、水位(對于非承壓含水層而言，地下水面以下的深度)、壓力(對承壓含水層而言，含水層的測壓管水頭及其地下水過水面積表達式)和質量(地下水的物理化學特性，包括氧氣、溫度、pH值、鹽度、營養物、污染物等)。開采限量可以用數量來表示，但應該進一步規定“開采或抽取模式，或一定周期內的開采速率及其影響，引起水位或壓力及水質的變化”，而且開采限量可能是隨機性的或有條件的。定義開采模式的方法通常是指任一年度內的最大開采量，但在某些情形下，地下水位下降超過補給速度可能是可以接受的，但這只能是在某一特定的時段內，而且在此時段過后開采速率應當低于補給速率以進行補償。還可能會出現一些特殊情況，如出現降水多或降水少的年份，這時的開采量可能會比長期開采值或大或小，這種情況需特別說明。

這里提出的可持續性地下產水量方法認為，地下水的任何開采都會給包括GDE在內的整個系統造成某種程度的壓力或影響。為了應對GDE的生態壓力，提出了“合理的承受水平”概念。從本質上講，這一概念復制了地表水環境流量的定義，因為它提出了平衡的需求，確定什么是合理的、什么不合理，以及對誰而言。一般而論，平衡就是要在環境、社會和經濟需求之間實現平衡。在某些情形下，地下水開采帶來的環境和生態壓力可能是臨時的，因為系統會自適應調整而獲得新的平衡。但是，有必要考慮與GDE管理相關的內在時間滯差，不能輕易假定任何可見的環境壓力都是最小的，因而認為可以接受。至于時間滯差，第1個是地下水實際開始抽取與GDE可用水量減少之間的時滯，因為地下水開發總是會導致天然流量的下降，從而造成環境影響。第2個是生態系統響應的時滯，會表現為環境惡化。

“合理的承受水平”概念進一步認為，必須考慮整個“地下水系統”，即含水層之間、地表水與地下水之間以及依存于地下水的生態系統之間的相互作用。這一系統論方法意味著，必須實施綜合管理決策，充分滿足地下水和地表水生態系統合理承受水平的要求。這是一種預防性方法，其指導原則是，在對取水的生態及其他后果了解有限的情況下，應將可持續性地下產水量估算得更低。最后，作為對地下水開采量的限制，計算得到的可持續產水量必須通過一個自適應管理過程得到落實，而這種自適應管理又能對地下水開采所帶來的后果進行監測。再者，可持續產水量應當定期進行重復估算，并依據特定的規劃框架進行調整，以便納入更多新的信息，包括對生態系統的進一步深化了解以及對依存于地下水生態系統價值的更高評價。

5 依存于地下水的生態系統的評估與優先級排序

面對依存于地下水的生態系統受到的各種威脅，資源管理者必須將有限的資源(資金、時間、專家知識)分配給最有價值的GDE。穆拉伊等學者提出了以下8個估值步驟和優先級排序方法，用以評估經濟和生態價值。

(1)確定與每個GDE相關的ES(生態系統服務)。

(2)確定GDE的ES是否有可能直接或間接地受到地下水自然流態改變的影響。

(3)給出GDE在原始條件下ES的經濟價值(將會直接或間接地受到影響)。估值方法包括支付意愿;對已知市場價值(如木材)的ES進行估價;人工可替代的商品和服務(如通過海水淡化或污水處理進行清潔水生產，或者混凝土排水貯水設施及攔沙池取代森林集水區的自然蓄水攔沙)成本;接受ES損失補償的意愿;最后一點，對由于ES喪失而直接導致的經濟活動損失進行估價(如鹽堿地地區農業生產率的價值損失)。

(4)將確定的每個GDE的ES相加，并乘以該GDE的面積，得出每個GDE的ES總價值。

(5)根據每個GDE的ES的總價值，對n個GDE從1到n進行排序。

(6)為了將生態價值考慮進來，如瀕危珍惜物種和群落，或生物多樣性等熱點型生態價值，GDE可以按其保護價值排序。

(7)對每個GDE按其覆蓋面積排序，以便增加稀有或較小GDE的權重，因為它們的面積范圍較小，所以它們的ES價值較低。這一過程將間接地增加那些因為范圍有限而受到威脅的GDE的權重。

(8)將下列各序列相加:①ES的經濟價值;②GDE的生態價值;③GDE的景觀豐富度。這一相加過程將給出GDE的整體優先級序列。

該方法的第6步為關注GDE的保護價值，但是要對保護的重要性進行估值，則需要進行更為詳細的評估而不僅僅是依據生物多樣性和瀕危珍惜物種的存在進行排序。多爾-奧利維爾等人建議，既然SGDE存在多樣性(至少是基于含水層類型的多樣性)，就能通過找出可能的生物多樣性熱點進而幫助確定保護的優先次序。但學者湯姆林森和博爾頓則認為，只要了解與其他生態系統的連通性及含水層滲透性的生態水文地質特征，就“可以明確地認定需要保護的特性，在‘開放’的系統中，連通性很強，與相鄰地表生態系統的完整性也同樣值得保護，而在離散的棲息地中(如鈣質結礫巖)，雖然連通性不夠好，但地方特性可能更強。”

6 結語

(1)河流環境流量，以及保護或恢復依存于地下水的生態系統的水情，涉及多種因素，需進行深入分析和評估。

(2)地下水開采會對環境造成影響。應評估地下水開采對環境的影響程度，確定何種程度的影響水平是可以接受的，并據此管控地下水的開采量。

(3)水流流態、地下水補給、洪水類型以及地貌結構的變化，不斷改變著河流中地表-次表交換地帶的空間范圍與分布，應將地表水與地下水相互作用的時空形態作為評估河流走廊對地下水依存度的一部分。

(4)地下水生態健康度的定義與評估受到人們的關注，應考慮建立監測和評估健康度指標的標準化方法，以便保護好生態系統功能和水質。

(5)地下水生態系統面臨著各種威脅，因此應將有限的資源配給最有價值的GDE。文中提出了8個步驟和優先級排序法，可用來評估經濟和生態價值。

(錢卓洲 付湘寧 編譯)

P315.723

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1006-0081(2015)12-0013-04

2015-07-22