環境流量研究的前沿問題與挑戰

陳 昂

(中國水利水電科學研究院水電可持續發展研究中心,北京 100038)

環境流量(environmental flow)研究與實踐主要基于自然流態范式理論[1]。自然流態反映了歷史流量的時間變異和適應過程,維持了本地物種生物多樣性的生態系統過程和棲息地條件。因此,除了恢復靜態流量條件(如最小流量),還應把恢復特定流量過程作為河流環境流量管理的目標。自然流態可通過長序列的天然流量過程確定,根據不同流量的生態學意義劃分流量組分,包括流量的大小、頻率、持續時間、出現時間、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、地形地貌以及流態的地理差異等[2-4]。在生態水文作用過程中,物種可不斷適應多種流態組分的組合疊加[5]。通過識別不同物種的促進和抑制因素,分析物種對主要流態組分的適應程度,可促進物種繁殖和群落形成。人類影響下的流量流態變化對有效生境、物種生活史過程、特定物種和棲息地的影響,導致了物種效能退化、生態過程和生態系統功能退化[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,實施環境流量的目標是恢復特定生態目標所需的自然流態組分。

過去25年,環境流量的研究體系不斷豐富,出現了基于水文變化的定量評估方法、生態水文響應關系法和區域尺度水文變化的生態限度框架等方法[13-16],逐漸形成統一認識,并對部分國家和地區的水資源政策產生了一定影響[17-19]。隨著對環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耦合。同時,為實現聯合國可持續發展目標,目前已開展了考慮全球生態用水需求的人類用水量研究[20-22],以指導淡水生態系統和農業灌溉的水量分配問題。

河流生態學研究的理論、方法和模型,是環境流量實踐的基礎。但是,非穩定性的影響導致單純考慮自然流態范式難以支撐未來變化環境下的環境流量研究,需要擴展環境流量的生態學基礎,才能提高可預測性。筆者通過梳理國內外環境流量研究成果,分析全球環境變化對環境流量的影響,總結了環境流量研究的前沿問題與挑戰,提出了人類世背景下的環境流量發展方向。

1 環境流量研究的前沿問題

1.1 全球環境變化與非穩定性

20世紀的水資源規劃與管理主要基于氣候穩定假說,即全新世的水文氣候過程相對穩定,對河流水文情勢的驅動表現為穩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變化,具體由生態流量組分(流量大小、頻率、持續時間和出現時間)表征[24],未受干擾流域可作為背景基線。21世紀以來人類活動的影響導致氣候變暖加速,全球氣候進入人類世的變化時期,氣溫和降水隨地表過程發生變化,非穩定性導致水文基線改變[25-26];與歷史相比,未來水文情勢也將發生變化,給環境流量研究帶來了新的挑戰。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]。

人類世環境流量研究的另一個挑戰是生態系統的非穩定性。由于人類活動的影響加劇,打破了局域的生態平衡[30],也影響了區域尺度生態系統的動態平衡。人類活動影響、水生生態系統的遺產效應和外來物種入侵對生物間相互作用的影響[31-32],導致了生態系統非穩定性,破壞了全球淡水生態系統的基線,影響了對目標恢復力的指導作用。

1.2 生態水文過程的動態模擬

水文氣候的快速變化導致構建生態水文動態模型更加困難。環境流量研究一般通過表征水文情勢長期變化的指標(如峰值流量、低流量大小和出現時間等)識別生態系統靜態特征[33-34]。生態水文響應關系反映了流量的時間變異模式,即:物種對流量變異的適應性為研究特定流量組分變化的生態響應奠定了理論基礎。研究表明,通過對物種及其水文指標進行分類排序,可識別一般生態過程,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)對生態的直接影響較大。但是在目前的環境流量研究中,尚未充分認識短期流量變化的重要性。單一或系列極端事件的影響,可能導致種群易危[41-44],非穩定性導致水文基線的改變,使物種暴露于更頻繁和劇烈的極端水文事件中,嚴重影響了物種效能和可持續性。

由于水文氣候的非穩定性,靜態水文情勢指標及其效應在多種情景的生態響應預測方面存在一定的局限性。水文事件的生態響應更多以生態過程為基礎,考慮物種效能與短期水文變化和特定水文事件的響應關系,需要從靜態水文指標與生態響應的回歸關系,向動態的生態水文響應機理擴展,研究生物個體、種群和群落對特定量級水文事件的響應機制[45-47]。

1.3 生態水文關系的時空特性

大部分生態系統狀態(如物種的數量和豐度)的變化,都可用水文情勢指標的變化解釋。研究表明,72%的生態水文關系研究都是生態系統評估研究的內容;環境流量研究應更加關注生態系統過程[48-50],加強生態基礎耦合。目前,對生態水文關系的認識和量化方法基本達成統一,但由于環境流量涉及多學科、多尺度的內容,在生態水文時空尺度表征方面還未統一,制約了不同尺度環境流量的實施。

環境流量研究與實踐需考慮不同時空尺度、多種技術方法和生態響應特征。環境流量的空間尺度從局域尺度擴展到流域尺度和生物地理尺度,生物地理尺度的差異導致物種周轉。隨著空間尺度擴展,水文學、水力學和生態學特征的表征方法從細粒度定點密集觀測,擴展到統計學特征的模型模擬。環境流量實踐的方法(觀測、模型、試驗)一般根據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、日尺度擴展到月尺度、季尺度、年尺度和年際尺度等。

環境流量研究與實踐的尺度關系框架考慮了多種生態尺度。第一種是年內相對緩慢的生態響應尺度,例如,確定昆蟲或河岸帶植被物種豐度在幾個月內的變化、水文情勢變化對群落結構的緩慢影響,需要同時開展多點觀測以建立生態水文關系,目前主要方法是開展長期連續的生態系統定點監測。第二種是快速的生態響應,可通過過程變化率識別,例如,通過監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變化條件下的物種效能。盡管功能相似的同資源種團適用性較好,但是實踐中通常只選擇少數物種或少數地點的種群統計數據。第三種是物種性狀特征的生態響應,反映了物種特征對不同時間尺度水文變化的響應,包括行為響應、特定水文事件響應(如躲避突變流量能力)、生活史特征響應(如繁殖時間)等。在動態水文條件和非穩定性條件下,環境流量研究更加強調生態水文關系的過程和機理,環境流量實踐更加關注通過物種種群變化率[51]的研究,提高不同區域研究與實踐的可移植性。

1.4 環境流量評估的關鍵指標

水文情勢是影響水生生物、河岸帶物種及其生態系統的主要因素[52-55]。與其他環境要素(如溫度、泥沙、水力學要素)相比,水文情勢的主導驅動是環境流量評估的假設前提。盡管通過劃分河流類型、合理選取生態指標等方式可以提高環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響應可移植性較差,環境流量評估需要考慮更多可能的影響因素,以改善生態水文預測結果。

在變化環境下,維持流量干預的生態穩定性和社會價值是環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響應。大型底孔泄流電站和調峰電站下游等環境變化劇烈的河段,難以建立較為明確的生態水文響應關系,流量恢復的生態效果有限;但是在能夠建立明確生態水文響應關系的河段,流量恢復的生態效果較好。在大多數水文情勢變化較小河段,非水文指標的變化極大地影響了環境流量的實施效果;在某些水文要素不是主要限制條件的河段,流量恢復的生態效果有限,其他恢復方法可能更加經濟。因此,需要重新考慮環境流量研究與實踐的生態水文基礎,綜合考慮多種影響因素、多種時空尺度和生態尺度的生態水文響應關系。

1.5 環境流量預測的生態學延展

考慮到生態水文的非穩定性問題,需要將生態學基礎原理和生態系統核心內容共同納入環境流量研究體系,以提高環境流量的可預測性。環境流量的生態學基礎研究主要關注種群和群落尺度的生態過程、局域和區域尺度的聯系。生物生活史過程受多種環境要素(如流量、溫度、泥沙、營養鹽)的影響,物種能夠完成其生活史過程是維持穩定種群可持續性的基礎,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境,如魚類需要產卵、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。

群落尺度的生態過程主要依靠生物傳播。生物以繁殖、發育、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物種傳播,建立局域種群和集合種群的聯系[57],物種傳播特征的差異可通過集合種群影響整個群落結構。

生態尺度與時空尺度的變化直接相關,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。盡管細粒度的群體過程考慮了群落物種補充機制,但在群落尺度的研究中一般不考慮補充群體監測。群落可用分類結構(如多樣性)或群落功能(如物種特征)評價,以便建立與環境條件的聯系,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;根據不同水文情勢要求,可確定物種的同資源種團;根據結構特征,可對食物網中物種的營養機能和對應水文情勢進行劃分。

環境流量的生態學基礎強調物種完成其生活史過程、群落形成所需的多種環境要素和空間尺度的重要性,通過加強生態學耦合與延展,可促進建立生態水文響應關系,提高環境流量的可移植性和可預測性。

2 加強生態目標的動態適應性管理

為應對全球環境變化背景下環境流量研究面臨的挑戰,需要加強生態目標的動態適應性管理。生態水文的非穩定性和多種環境要素導致的水生生態系統退化,給淡水生態系統保護和可持續發展帶來了新的挑戰。環境流量實施的目標一般是為了恢復生態系統特定的歷史狀態,為了達到最佳實施效果,需要考慮生態系統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,以及生態系統水文基線和環境變化的響應。考慮生態目標適應性管理的動態特性以及應對環境變化的不確定性,需要更加靈活的環境流量管理方式。

人類世背景下的自然流態范式的核心是生態恢復的變異管理和環境變化的生態響應。保護生態系統的主要方式是保持其彈性恢復力,即維持生態系統關鍵過程和聯系的穩定性,保障社會和環境變化條件下的生態系統功能完整性[60-62]。未來生態水文變化存在較大的不確定性,難以精確定量模擬,需要結合風險分析方法對未來各種情景的生態水文條件開展脆弱性評估。構建靈活的生態準則和生態水文響應關系框架,實施非穩定性條件下的環境流量管理是應對生態系統變化的有效措施。為滿足大壩的工程目標和生態目標,可采用決策擴展方法[62]建立氣候不確定性條件下的調度規則,明確生態效能指標和約束閾值,評估不同管理措施的效果,如可將物種持久性作為生態彈性恢復力的代表性指標。決策擴展方法可將基于模型或情景模式的未來水文條件與風險模型、非穩定性驅動因素(如氣候變化、用水需求等)等結合,評估同時實現工程經濟效益和生態效益的管理方式。持續開展脆弱性評估可為分水決策提供支撐,從而提高生態系統可持續性和彈性恢復力。

3 結 語

本文通過綜合分析國內外環境流量研究成果,提出了環境流量研究的前沿問題,包括全球環境變化與非穩定性,生態水文過程的動態模擬,生態水文關系的時空特性,環境流量評估的關鍵指標,環境流量預測的生態學延展。人類世全球環境變化背景下,水文、氣候和生態系統共同發生變化,應對全球環境變化成為未來環境流量研究面臨的主要挑戰。隨著對全球環境變化與非穩定性的適應,環境流量研究的特征要素發生了變化,更多地考慮生態水文變化與生態目標保護和恢復的協調,通過有效干預可實現更多的生態效益。非穩定性為環境流量與生態學的耦合發展奠定了基礎,生態耦合研究不僅可推動環境流量的發展,還可為生態保護目標的確定提供理論支撐。因此,為應對這些挑戰,未來環境流量研究應加強生態目標的動態適應性管理,加強局域到區域的生態學基礎,完善基于過程的生態水文響應機理，強化環境流量分階段實施的非水文指標耦合,加強適應性管理方式下的環境流量評估和實踐，以保障適應性管理框架下的生態完整性。