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羊向东等:长江经济带湖泊环境演变与保护、治理建议

作者: 羊向东,中国科学院南京地理与湖泊研究所、湖泊与环境国家重点实验室;董旭辉,广州大学、地理科学与遥感学院;陈旭,中国地质大学(武汉)、地理与信息工程学院等 发布日期:2020-10-22
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长江经济带覆盖我国西南至东部沿海 9 省 2 市,自然条件分异明显。区域内湖泊众多,成因类型多样,其中面积大于 1平方公里的湖泊超过 660 个,大于 10 平方公里的湖泊 151 个(图 1),多集中分布于我国西南横断山区、长江中下游和淮河流域。

图1 长江经济带面积大于1平方公里的湖泊分布图(略)

长期以来,这些湖泊在保障供水、流域经济发展、蓄洪防灾、旅游休闲等方面发挥着重要服务功能。近几十年来区域内湖泊生态环境出现了不同程度的退化,尤其是受人类活动干扰强烈的一些大型湖泊和中小型城市湖泊退化尤为严重。这些退化湖泊的共同特点是生物群落结构趋于简单化,生态系统完整性遭破坏,生物多样性减少,生态服务功能退化。湖泊退化问题已威胁到流域甚至区域的生态安全和可持续发展。

长江经济带湖泊一直是国家水环境治理的重点,此前已着重开展了太湖、巢湖、滇池和洱海水体污染和富营养化防治工作。尽管投入力度很大,但治理成效较慢。

事实上,湖泊生态系统现状是长期演化的结果,这就需要我们了解湖泊历史,分析湖泊退化的时间和演化过程,揭示关键驱动要素与机制,厘清气候变化和人类活动干扰对湖泊生态系统的影响程度;在此基础上,提出湖泊保护和治理的对策,包括:治理的参考目标、治理效果的评估、生态质量评价及生态灾变预警等。在缺乏长期监测数据的情况下,湖泊沉积记录研究是解析湖泊长期演化规律的唯一途径。

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长江经济带湖泊分布和环境现状

湖泊分布和成因类型

长江经济带东、西部湖泊分布及成因类型具有明显的区域特色。

长江经济带西部湖群位于我国西南横断山区

该区域大、中型湖泊均位于较低海拔,多为构造断陷湖泊(如云南九大湖泊),系青藏高原隆升伴生的产物。而在山地不同海拔处则分布着众多的小型湖泊,主要以冰川遗迹湖和堰塞湖为主。

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长江经济带东部湖群位于我国江淮流域洪泛平原区

该区域面积超过 1平方公里 以上的湖泊近 580 个,大于 100 平方公里的湖泊有 27 个;我国的五大淡水湖泊——鄱阳湖、洞庭湖、太湖、洪泽湖和巢湖都分布于此。

主要生态环境问题

区域地理环境的差异和经济发展的不平衡,导致了长江经济带东、西部湖泊不同的生态环境问题。近期,对我国西南山地(高海拔)近 70 个小型湖泊水环境进行调查的数据表明,大多数湖泊保持在贫营养水平,浮游藻类生物量极低,这与高山湖泊远离人类活动直接影响有关。同期调查的 47 个西南低海拔湖泊水质数据显示(图 2a):大多数湖泊处于中营养和富营养状态,以洱海、滇池、星云湖等湖泊为代表,水质现状堪忧,藻类生物量高;仅约 28% 的湖泊处于贫营养状态,如泸沽湖和抚仙湖等。

图2 长江经济带典型湖群水环境状况调查结果(略)

(a)47个西南低海拔湖泊;(b)70个江淮地区浅水湖泊

江淮地区浅水湖泊,水环境质量总体比我国西南地区差。2016—2017 年,对近 70 个湖泊的四季水质调查资料显示,超过 93% 的湖泊已经处于富营养状态。2003—2004 年和 2016—2017 年相同湖泊(共 33 个)的四季水质调查数据对比发现,28 个湖泊(占比 85%)水质进一步变差,只有少数湖泊营养状态指数(TSI)略有降低(图 3)。太湖监测数据显示 ,2007—2017 年湖水 TN 浓度下降,但仍然超过 2 mg/L;TP 小幅下降后又上升,整体处于较高水平,藻类生物量逐年上升,蓝藻爆发面积并无减少趋势。

除水质恶化外,自 1950 年以来,由于大规模围湖造田,仅长江中下游地区湖泊面积和库容就分别减少约 1.3×104km2 和 5×1010m3,消亡的湖泊数超过 1000 个。

同时,20 世纪 50—70 年代大量水闸修建阻碍了江湖水系自然连通,改变了江湖之间物质和能量交换关系。此外,研究区湖泊还存在外来种入侵、藻毒素蓄积和三峡工程运行后通江湖泊生态水文过程改变等诸多问题。

过去百年来长江经济带湖泊环境变化与生态系统退化原因

湖泊沉积物中保存了丰富的生物和理化环境信息,可以通过沉积岩芯提取和多指标分析,重建过去生态环境演化的历史。针对长江经济带湖泊环境问题,许多研究者对长江经济带东、西部湖泊开展了近现代环境过程的重建工作,在数年至 10 年时间分辨率上,揭示了长江经济带不同类型湖泊生态环境演化的阶段性特征,探讨了全球变化和日益增强的人类干扰背景下,湖泊生态系统退化的原因。

长江经济带西部湖泊

我国西南横断山区是全球生物多样性最为丰富的地区之一。尽管位于高海拔的山地湖泊很少受到人类的直接干扰,但是近百年来,人类活动仍通过大气污染沉降等间接方式影响了高山湖泊生态系统。

在较低海拔,沉积记录的分析显示人类活动的持续干扰已导致近几十年该区域湖泊生态系统普遍偏离自然演化的轨迹。泸沽湖多指标变化显示,20 世纪 50 年代以来,流域侵蚀逐渐加强,且伴随着营养输入的增加,以及藻类的微弱变化;20 世纪 80 年代流域侵蚀达到峰值,入湖营养快速增加,底栖动物群落演替明显,藻类增长迅速,出现富营养化特征;20 世纪 90 年代后期,深水层溶氧环境进一步变差,硅藻群落更替明显。这些变化的阶段性在抚仙湖、洱海、程海、星云湖等湖泊沉积记录中均有反映。其趋势的一致性表明,在气候和人类活动影响下,流域土壤侵蚀加强导致的营养盐输入是西南湖泊生态系统退化的重要原因。

长江经济带东部湖泊

以长江中下游浅水湖泊为例,该区湖泊历史时期与长江保持着畅通的水力联系,两者之间的能量流、物质流和生物流不停交换,形成了自然的江湖生态系统。来自梁子湖、龙感湖、巢湖等多个湖泊的古湖沼学证据显示,1950 年前,该区域湖泊换水周期短,水体细颗粒悬浮物质和营养物质易随出水河流排出;开阔湖区的硅藻以适应流水环境的颗粒直链藻占绝对优势;水生植被多以清水型沉水植物类型组合,如小茨藻、轮藻、密刺苦草等为特征。

然而,20 世纪 50—60 年代以来的围垦和闸坝建设阻隔了江湖水力连通,形成半封闭的相对静水环境;泥沙淤积明显加快,水体细颗粒悬浮物质增多,沉积物中营养物质积蓄量增加,水体出现富营养化特征。1980 年以来,西太湖和巢湖等湖泊还经历了再次的富营养化加重过程,水体 TP 浓度明显增加,开阔水域水生植物消失,硅藻以富营养种类占绝对优势,湖泊演变为藻型生态类型。

不同于江湖阻隔的湖泊,通江湖泊,如洞庭湖和鄱阳湖的富营养化发生时间相对较晚,并受到三峡大坝工程的显著影响。2003 年以来,三峡工程运行后,出入湖径流量和输沙量发生明显变化,直接影响湖泊换水周期和湖泊富营养化趋势。

目前,在长江中下游地区仍有相当多湖泊处于水生植物占优势的草型状态。与藻型湖不同,这些草型湖在 1980 年后生态并没有出现明显转变,反映了这些湖泊生态系统在应对外力驱动时保持了较高的弹性。然而,在高强度的人类活动持续干扰下,未来可能存在由草型向藻型转变的生态风险。

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湖泊生态系统服务长期变化

基于长江中下游湖泊沉积物多指标的分析结果,一些研究者对过去 100 年来的生态系统服务变化进行了评估。总体而言,1950 年以来长江经济带湖泊流域调节服务开始呈下降趋势;1990 年以来快速下降,与供给服务需求呈反向变化关系。

近 70 年来,人类长期不合理的资源利用方式使得长江经济带湖泊流域的调节和供给两类服务呈现出明显的“此消彼长”的动态权衡特征,并可能进一步影响未来生态系统服务的供应。更进一步,通过对不同服务指标的边界条件设定,苏彦瑜等分别从环境安全和社会基础两个方面提出了构建湖泊流域社会-生态系统安全操作空间的思路。该研究发现在长江中下游地区,一些重要湖泊流域的水质、空气质量、沉积物质量、土壤稳定性等调节服务指标,目前已经超越了环境上限,处于危险状态;而清洁能源、产业创新的社会基础完成度则相对较低,这揭示出该区域可持续发展的短板。

湖泊生态系统服务长期变化过程和安全操作空间研究,有利于公众和管理部门理解环境上限和社会基础之间交互复杂的关系,可为区域生态系统的管理和决策提供宏观控制-预警的依据。由于生态系统服务间权衡效应的存在,进行生态系统管理时应多方考虑相关利益群体,以及当下与未来服务的综合得失情况,促进人类福祉的可持续发展。

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基于历史视角的湖泊保护与治理对策

湖泊治理与保护是一个复杂系统工程,需综合考虑多种自然和人为驱动要素的生态效应及其长效机制。本文以史为鉴,从过去环境演变的视角,提出如下长江经济带湖泊保护及治理对策。

对我国西南地区的清洁水源,应采取因地制宜的保护对策

我国西南地区众多的小型高山湖泊生态环境总体响应大气沉降的影响,但生态系统仍保持很好的完整性。对此类湖泊应该以保护为主,以维持清洁水源和多样化的生境为目标,一方面可以通过控制区域大气污染物排放,减少污染物沉降对湖泊营养物的输入;另一方面尽量避免人类活动(如牧业、森林砍伐等)对流域植被和土壤稳定性的直接干扰。

我国西南地区重要深水湖泊(如抚仙湖、泸沽湖等),尽管目前水质环境尚好,但环境演化趋势表明在人类活动影响下,这些湖泊已经出现早期富营养化迹象。此类湖泊应保护与治理兼顾;维持优质淡水资源,需要从源头上控制流域侵蚀强度,减少面源污染;同时,通过入湖河流湿地缓冲带,削减入湖营养负荷,以确保高标准的水质目标。此外,应避免对外来物种的引入,对其导致的生态风险应加以科学评估。

科学设定湖泊治理目标和阶段性效果评估标准

生态和环境本底的确定,为湖泊环境治理目标的科学设定提供了重要参考。长江中下游湖泊水体 TP 浓度的本底值在 50 μg/L 左右,这表明在对该区域富营养湖泊治理中,如果将水体 TP 的削减目标设定过低是不切实际的。通过沉积记录进行的多生物尤其是水生植物指标的分析,可为生态系统修复提供拟自然的生物群落结构信息。考虑到修复目标的合理性,可依据湖泊历史演化过程设定阶段性修复目标。

此外,由于同一区域或流域内不同湖泊生态演化存在群落结构的差异,针对具体湖泊的生态修复,还需要建立“因湖施策、一湖一策”的治理修复方案。目前的生态环境本底研究,主要针对长江中下游典型湖泊;而对于淮河流域和西南地区的富营养湖泊,这方面的研究尚未开展,有必要对其进行环境本底的普查,科学指导湖泊生态系统的修复。

逐步恢复河湖水力联系,重塑自然河湖水系格局

河湖系统间的联通,有助于增加水体的交换强度,缩短湖泊换水周期,增强水体自净能力,从而维持较好的水质状况;同时,河湖联通可建立河流与湖泊间的生态廊道,促进河湖间的水生生物交流。湖泊历史过程的重建,揭示了 1950 年以来长江中下游地区强烈围垦和建闸筑坝等人类活动引起的浅水湖泊自然水文节律的改变。这使得绝大多数湖泊从原本好的江河湖水力连通性,变成了相对静水状态的水库型湖泊,最终导致了富营养化的发生和生物群落的演替。尊重自然地理历史原貌,逐步构建畅通开放的水生态网络,恢复良性的河湖湿地水系格局,应是当务之急。

建议以史为鉴,在流域尺度上,通过河流疏导、生态清淤、水生和湿地植被恢复等工程并举,构建以湖泊、运河、骨干河流为主体的河-湖-湿地水力连通格局,逐步恢复流域河湖水系统保护体系,达到水环境和生态质量改善和提升的目的。

扼守系统突变红线,用突变理论研究指导湖泊生态系统修复

湖泊生态系统临界转换具有突然性、后果危害性、恢复滞后性等特点,甚至造成更大尺度上的级联负效应。因此,古湖沼研究揭示的临界转换早期预警信号,有利于对生态系统的管理,避免灾难性事件的发生。在长江经济带,一些重要湖泊的生态系统已经历了从清水态向浊水态的转变,藻类暴发呈现常态化。

对这些湖泊的治理,仅通过流域控源截污已经无法实现,必须考虑生态系统结构调整的修复策略。特别是那些正在逼近突变临界点的湖泊,如果得不到及时治理,后果将更严重。在这种情况下,可以通过临界转换发生前的“闪烁”现象诊断,及时提出保护和治理的应对措施。面对长江经济带湖泊较高的突变风险,建议将突变早期预警信号纳入监测预警体系,指导湖泊管理、保护和治理。

严控不当的人类活动,实现多尺度的协同管理

近 20 年来,我国针对滇池、太湖、巢湖等富营养湖泊开展了治理,在污染控制、水质达标、湖滨湿地景观改造等方面取得一定成效,但大湖面生态问题并没有得到缓解。为了从根本上解决流域内水环境问题,必须开展流域之间的统一协作管理,从整体上把握关键问题和解决问题,协调好地方各级政府及部门之间的关系,严格控制流域内不合理的人类活动,包括毁林、工业和生活废水的排放,尤其是农业活动中的化肥使用。同时,也要加强对环境系统的监测,把握各环境系统的动态变化过程,及时采取有效的措施遏制生态系统恶化,并制定区域湖泊健康生态系统长效维持管理方案。

作者:

羊向东,中国科学院南京地理与湖泊研究所、湖泊与环境国家重点实验室

董旭辉,广州大学、地理科学与遥感学院

陈旭,中国地质大学(武汉)、地理与信息工程学院

王荣中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室

王倩中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室

林琪中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室

徐敏,中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室

来源:微信公众号“中国科学院院刊”,https://mp.weixin.qq.com/s/pE-sm5ZBd4bRffExQC_y0Q 发表时间:2020年8月31日