水生态系统保护与修复的理论与实例

  地球上有三大生态系统：湿地、森林和海洋，其中两个是水生态系统，可见水生态系统对于地球和人类的重要性。水及水域不仅是生命之源、生产之要、生态之基，也是人类精神之托、灵感之源和人类社会产生之地。由于我国正处在工业化、城镇化发展阶段，相对多的流域存在对水资源的过度开发，而水资源保护没有同步落实，水污染及水生态系统功能退化现象普遍存在，现在和未来水生态系统保护与修复任重道远。

一、水生态系统的定义

1 水生态系统

    水生态系统一般定义为：水生物群落与其所在环境相互作用的自然系统，一般由无机环境、生物的生产者(如藻类、水草、岸坡植物)、消费者(草食动物和肉食动物)以及分解者(腐生微生物)等四部分组成。无机环境是水生态系统的非生物组成部分，包含阳光、氧气以及其它所有构成生态系统基础的物质和条件，如水、无机盐、底质（土壤、岩石）、空气、栖息地、气候和水文过程等。无机环境是水生态系统的基础，其条件的好坏直接决定水生态系统的复杂程度和生物群落的丰富度。

2 良好水生态系统的特征

   1）具有生物的多样性。包括生物基因的多样性、生物栖息地的多样性和生物物种的多样性三方面；2）水生态系统的结构完整。水生态系统结构指构成生态系统诸要素及其量比关系，各组分在时间、空间上的分布，以及各组分之间的能量、物质、信息的交流途径与传递关系。只有结构完整的系统才是稳定和健康的生态系统，主要表象为生物的生产者、消费者和分解者齐全，各类生物需要的能量、营养和食物链结构完整。3）外来物种少。特有和珍稀物种生存良好；4）水质良好；5）景观及环境优美，使人宁静、陶醉、舒心，产生灵感和创作激情。

二、水生态系统保护与修复理论

1生态系统保护与修复原则

    由于生态系统的复杂性，到目前为止并没有经典、统一和定量化的水生态系统保护与修复理论，但有几个基本原则：1）需要按自然规律办事，少干扰，不进一步破坏也许是最佳的修复计划；2）水质良好是人类和生物都需要的，是生态修复的基本内容；3）保护生态系统比保护旗舰物种更重要；4）生态系统结构和完整性的保护比物种数量或者生物量的保护更重要；5）修复生态系统的功能比修复景观更重要。

    生态系统修复的目标，最好是生态系统的结构和功能的修复，但也有以标志性物种重现为目标：如莱茵河生态修复计划明确地把大马哈鱼回到河流作为其标志；英国泰晤士河修复将大马哈鱼、鳟鱼、鳗鱼等作为河流生态修复的重要成效指标；德国众多河流的生态修复也都把河流系统中的各种生物放在十分重要的位置，将水体重建、河流的水文循环恢复、使鱼类和底栖无脊椎动物回到河流以实现河流生态系统完整性作为目标，德国Isar河的生态修复甚至将在河流中安全游泳、洗浴作为修复目标。

    水生态系统的修复不仅在于水体和水底，更重要是修复水陆过度带，控制点源和面源污染。水生态系统恢复的三大任务是水质和自然水文过程的改善；水域形态及地貌特征的改善和生物物种的恢复。

     修复的方法包括物理（如栖息地）、化学（如水质）、生物和管理等多方面，重建或者调度比较自然的水文和水动力过程、恢复弯曲河道和分汊河道、增加水面生态斑点和生态走廊就是物理方法，而曝气复氧、添加活性炭等属于化学方法，重建岸边植被和水草、生物操作、增殖放流等属于生物方法。

2水生态文明的基本特征

    水生态文明定义可以分为广义和狭义两种，前者包括人水和谐及水生态系统良好两方面内容，而狭义的定义主要指水生态系统良好一个方面。广义水生态文明的基本特征：1）在社会和个人合理承担一定洪水风险的情况下，保障江河湖海水域的防洪安全，特别强调保障人民生命和财产的安全；2）在考虑节约用水等严格水资源管理条件下，保障人类用水安全，特别强调人畜饮用水安全保障；3）为了人类可持续发展，尽量保障水域生态系统良好，不仅要保障水域水质良好，还要为珍稀和特有水生生物提供基本的栖息地及水环境条件。

    水生态文明建设目标包括：1）保障人民安全和幸福地生活；2）水资源可持续利用；3）水生态系统良好，最终目标是为人类经济社会可持续发展，具体指标见下表：

主要目标	表现指标	说明
人民生命安全 与幸福地生活	1洪灾风险得到控制	保障人员生命安全，减少损失
	2饮用水安全	人民健康幸福的基本条件
	3水域环境与风景优美	人们生活环境质量的保障条件
水资源可持续利用	4用水总量得到控制	保障水域生态流量
	5用水效率高	建立节水型社会的基本要求
	6水功能区达标	保障人类用水的基本要求
水生态系统良好	7有相当比例的水域保护区	有比较自然或者较少干扰的自然水域面积及水陆过度带
	8水域栖息地多样性	栖息地多样性是水生生物多样性的前提
	9保留比较自然的水文和水动力过程	野生水生生物需要的环境条件
	10水生态系统结构完整	水生态系统稳定性的基本条件
	11大多数珍稀和特有物种可以保存	水生态系统良好主要标志

    从表中可见：水生态文明建设的首要目标应该是人民的安全和幸福地生活。洪水是自然现象，不可能消除，主要管理目标是将洪水风险控制在国家、社会和个人可接受的水平，最大程度地减少洪灾损失，避免人员伤亡。饮用水安全是人们健康和幸福生活的基本条件。水域环境与风景优美是人们高质量、幸福生活的基本条件，良好的水域环境不仅可以为人们提供食品和物质，而且为人类提供休闲娱乐的环境，使人愉悦和舒适，可以丰富人们的精神世界。水资源可持续利用目标直接采用中央一号文件提出的水资源管理的三条红线，一般来讲，保证三条红线，可以保障水资源可持续利用的目标。水生态系统良好是水生态文明最主要的体现，由于生态系统的复杂性和不确定，提出的评价指标相对多些。保留一定数量和范围的水域保护区体现了一个国家和社会对于自然环境和生态系统基本的态度和政策导向，所以，不仅应该进一步加强保护和管理已经确定的水域保护区，今后还应该不断增加水域保护区的范围，提高保护标准。生态系统包括生命和非生命（环境）两大部分，指标7-9为水域环境评价指标，指标10-11为水生生物评价指标。

3水生态系统修复的步骤和和措施

    1）水域生态系统现状调查和评价。逐步建立起水生态系统监测网络及站点，进行长期监测和定期评价制度；2）开展生态修改专项规划，制定水环境、水生态功能的保护和修复区划，根据区划制定各级各类水域保护和修复目标、修复方法和实施计划；3）设立更多更大范围的保护区；4)从源头抓起，开展水生态保护监督检查，减少污染物质向水域的排放;5）水生态修复应该顺应自然规律，应该以自然修复和生态工程修复相结合，其中前者应该为主要方式；6)由于水生态系统及修复效果评价的复杂性，应该采取适应性的修复和管理方式；7）严格的管理及公众参与必不可少。

三、水生态系统保护与修复案例

1 美国佛罗里达州大沼泽修复

    EVERGLADES曾经是从OKEECHOBEE湖到佛罗里达南角长达160km的沼泽湿地，水深从几cm到2m，水流缓慢，每年从5月到10月是雨季，到旱季许多湿地成为旱地，也常常有野火烧掉旱地植被。在旱季，许多水生动物生活在仅有很少水的水塘中，而鸟在陆地筑巢，吃水塘中的动物。该地区年平均降雨量1300mm，雨季主要在夏季，每年六月开始涨水，到秋末开始下降。春季气温高，降雨少，蒸发大，湿地水位最低。在雨季，湿地大部分被水淹没，初级和次生水生植物茂盛，在枯季，水生动物随水面缩小而集中，为美州鳄和涉水鸟提供食物。如果干旱严重，大部分水生生物死掉或被吃掉。如果干旱不严重，保留下来的水生动物在雨季来后，会迅速恢复。

    美国对EVERGLADES的开发大约持续了100年，该地区人口从20世纪初3万到1990年的500多万。为了农业开发，OKEECHOBEE湖被渠化，分汊和弯曲的河道整治成直河，湿地通过排水成为农田，周围湿地得不到OKEECHOBEE湖水的补给，大片湿地消失，生态系统处于危险之中。为了挽救这块湿地，美国1947年成立EVERGLADES 国家公园，1967年开了一条渠将湖水引入湿地，但不久，洪水又成了问题，水来的太快，渠道又太窄，水塘和鸟巢都被洪水淹没，鸟等生物栖息地损失，使涉水鸟比1870年时减少93%，美州鳄鱼也大为减少。原有的湿地分为四个区，城镇面积占12%，农田占27%，湖泊沼泽占30%，仅21%为国家公园。

    问题来自内外两方面，一方面，该地区的自然特点就是热带风暴引起大洪水和特大干旱交替出现的地方，另一方面由于农业生产和城市化，河流和湿地面积减少，水质不断下降。早期，农民认为洪水淹了他们的农田，需要排洪减涝，增加肥沃土地，方法是挖渠和排水，将洪水尽快排掉，在干旱时，可以扩大农田。这些努力并没有改变自然的水文循环规律，1903年发生大洪水，1926年和1928年发生严重的飓风。1947年，国家公园建立的那年，超过正常水平两倍的降雨造成了沿海社区严重的洪灾，一些地区淹没时间达几个月。从此由美国陆军工程师团负责开始了大规模防洪排涝工程建设，从1947年一直进行到1970年代，建设了2240km长的渠道和堤防，泵站日排水能力达到38亿升。由于与古巴关系紧张，该地区种植甘蔗产糖量从1959年到1970年增加了三倍，同期，农业用水与城镇工业和生活用水量都增加，在干旱年，用水矛盾突出，在1971年发生了40年一遇的大旱灾，全年降雨量仅820mm。经过几十年的治理工程建设总结处，解决EVERGLADES地区防洪、供水和抗旱等问题，仅靠单纯的水利工程还远远不够。

    1983年，佛罗里达州政府和国家公园发起挽救EVERGLADES湿地运动，由美国陆军工程师团提出综合修复规划，2000年美国国会批准设立一个基金实施该规划，该规划实施包括68个项目，耗资78亿美元，时间长达36年。大规模的生态修复工程包括恢复湿地正常的水文循环和水流路径，使水流进入湿地，恢复通向湿地的多水流通道，复原原来的弯曲河流，延长河水入海时间，同时，退田还湖，恢复植被，目前已经将10万公顷农田返回湿地，使OKEECHOBEE湖的蓄水能力提高。另一方面，全面清除附近农业面源污染，开展磷等营养物去处工程，改善水质。

    洪水和干旱作为自然水文过程，一方面通过改变下垫面条件，影响湿地生态物种栖息条件；另一方面对湿地生态系统直接产生干扰，改变湿地系统生物多样性。洪水过程可以淹没湿地周围过渡带，带来营养物质和能量，增加湿地面积和类型的多样性，实现水陆间物质和能量等的交换，同时也有利于湿地中一些水生植物生存和鱼类的繁殖。干旱过程可以暴露出更多的陆生生物所需的营养物质，有利于适应干旱环境动植物的生长，带来独特的过渡带栖息环境。

    自然的洪水和干旱过程会暂时影响水生态系统，甚至造成一定程度的破坏，但从水生态系统的长期演变过程来看，湖泊水生态系统已经适应了这一变化，对于洪水和枯水的抗干扰能力也逐渐的增强。同时，水生态系统及周围生存的一些物种，需要有周期性的洪枯变化为其提供生存环境或食物、栖息地等。如果采取修建水库、湖控工程等措施，对自然洪水和干旱过程进行调节，人为的追求更稳定和较大的水量，在有利于供水、防洪、灌溉等兴利的同时，对于生态系统同样产生危害，使得需要洪枯变化过程的水生生物和栖息地产生破坏。洪水和干旱过程对于某一物种会产生不同的作用，然而对于整个湿地生态系统，则需要一定程度的洪枯变化，驱动生态过程的稳定变化。因此，湿地生态的保护目标应不仅保护某一种物种，而是以整个系统为目标，发挥洪水和干旱过程的生态作用。

2日本的多自然河流计划

    日本70%左右的国土为山地，河流坡降大，河流流程短。全国有50%人口和3/4的资产集中在洪泛平原上，山洪和泥石流时常发生，人水地之间的矛盾十分突出。1990年日本出版了《让城镇和河道的自然环境更加丰富多彩－多自然型建设方法的理念与现实》，90年代初开展了“创造多自然型河川计划”，建设省第九次治水五年计划中，对5700公里河流采用多自然型河流理念开展治河，一改过去以裁弯取直和混凝土护岸为主的方法，开始推行多自然型河流整治法。其要点包括（1）保护并创造丰富多彩的自然环境，从河流环境上看，需要河流形状（河长、河宽、空间范围、连续性）、流水状态（水位、流速、流量、水温、水质）、土壤状态（粘土、沙、砾石等）的多样性。（2）保护美丽的自然景观。水流带来的浅滩、深渊和瀑布等是景色的主要组成，富于变化且自然形成，应该保护相当开阔的河滩面积和与当地风土相一致的自然景观。（3）自然与人类共存。对于洪水等自然灾害，人们不可能，也没有必要加以控制和支配，应该融入自然，与自然和谐相处，享受四季各异的美丽自然景色。

    以日本千曲川杵渊河段整治为例。千曲川流域面积11900km2，河长367km，居日本之首。千曲川杵渊河段河床坡降较缓，泥沙淤积严重，河流过水断面面积不足，另一方面，附近高速公路正好需要大量泥沙填土，因此需要结合防洪需要，对河道进行开挖及疏浚。在河道开挖时，不再使用过去一律修平的标准过水断面，而是在开挖的深度和宽度方面都保持一定的变化，制造出沙心洲。在开挖时，将现有的河畔林顺水流方向保存下来，河岸用石笼、木头或石块加固以便于水生动植物的生长，使河流环境呈现出多样性。工程1992年完成，根据1995年和1998年的测量和观测，开挖后，河道不仅增加了300-400m3/s的过流能力，河道断面保持着多变化的形状。观察发现岸边植被种类增加；燕雀、鹭、等鸟类众多，沙心洲使狗等鸟类天敌不能入内，成为鸟类喜欢的筑巢地。由于护岸使用木头或石块等传统方法，增加了鱼类的栖息地，同时由于河道断面的变化和水面的扩大，河岸有急流、缓流及浅滩，雅罗鱼、罗汉鱼、大口黑鲈等鱼类明显增加。

   实践表明，日本广泛开展多自然型河流生态修复后，有效地促进了水的良性循环，提高了岸边环境的自然净化功能，恢复了河流生物多样性，促进了河流生态修复。由于注重河流生态建设，目前日本在一级河流里生存着320种淡水鱼类，占日本淡水鱼类总量的70%，生物多样性状况良好，目前每年仅在一级河流水边憩息和游玩人数达到1.85亿人次。

3 日本的琵琶湖修复

    琵琶湖为日本第一大湖，面积674 km，为淀川水系重要组成部分，是流域内工农业和生活用水的重要水源地。但随着20世纪60年代日本经济高速增长、人口增加和工业化进程，琵琶湖的水资源遭到严重污染，水质下降，蓝藻时有发生。为改变这种状况，1972年——1996年根据《琵琶湖综合开发特别措施法》实施了琵琶湖综合开发保护事业。1999年日本中央有关各省和地方又联合制定了《母亲湖21世纪计划》。整个计划以琵琶湖与人类共生为基本理念，由中央政府、琵琶湖淀川流域和滋贺县共同治理，分3期实施。

    具体治理措施如下：① 修建农村生活排水处理设施。为了保护水质和生活环境，滋贺县于1996年施行生活排水对策推进条例。以1至几个村落为对象，修建了大量农村生活排水处理设施——小规模下水道及污水处理站或污水处理净化槽。条例中要求修建下水道必须先设置污水单独处理净化槽；新建住宅的，必须设置联合处理净化槽。政府对污水处理站或净化槽的设置给予补助。各污水处理站采用深度处理工艺，不仅要去除有机物，还要削减氮、磷的含量。目前常采用的方法是添加凝聚剂活性污泥循环法与沙土过滤相结合的方法。有些还采用了氮的超深度处理方法，即添加凝聚剂多级硝化脱氮与沙土过滤相结合的方法。此外，还尝试采用臭氧氧化与生物活性炭处理相结合的方法对付难分解的有机物，使琵琶湖湖岸地区，不仅对有机物进行了深度处理，还进行了去除营养物质的深度处理。② 制订鼓励环保型农业政策。2003年滋贺县政府制定了《滋贺县环保农业推进条例》，鼓励农民减少农药的使用。对减少农药使用量50%的农产品认证为“环保农产品”，政府对农民收益的减少给予经济补偿。实行节省化学肥料的措施，方法是：大量使用缓效性肥料。利用树脂覆盖缓效性肥料的表面，使营养成分暂时不会流出；使用侧条施肥插秧机，在稻秧侧面4～5 cm、深3 cm左右的土壤中局部施肥的同时进行插秧。侧条施肥是在土壤中局部施肥，减少肥料流失到田间外，有利于河流的水质保护。通过农业用水反复利用及农田自动供水装置，控制农田用水，以削减环境污染负荷。此外，还将污泥送还农田，污泥与含有水分的垃圾、杂草用于堆肥等。通过这些措施的实施，削减了琵琶湖流域地区的农药、化肥使用量，减轻了农业对环境的污染。③ 人湖河流的直接净化措施。主要是采取疏浚河底污泥的方式来削减从底泥中溶出的营养物质；同时，在河流人湖处利用芦苇等水生植物进行植被净化；修建河水蓄积设施，在涨水时暂时蓄积河水，使污染物沉降后再流人琵琶湖。此外，还采取多种措施对市区内的雨水进行收集和处理，削减雨水冲刷道路带来的污染物。④ 对湖内水的净化措施。采用疏浚湖泊底层污泥；对湖水设置浅层水循环设施，深层曝气设施向底层水供氧等措施。

     通过综合治理，琵琶湖的蓝藻爆发率逐年降低，水质得到明显的改善。实现了水质保护、水源涵养和恢复自然环境、景观保护方面的目标，通过工程措施和非工程措施相结合，最终形成人与自然共生的局面。

     总之，水生态系统如果破坏，修复过程不仅漫长，而且耗资巨大，需要从工程和非工程两方面展开修复，其中严格的管理和全社会的参与等非工程措施至关重要，是花费少，效果突出的方法。