松原灌區(qū)建設(shè)對查干湖生態(tài)風(fēng)險分析及對策*

孫廣友，田 衛(wèi) ，賈志國，王海霞，馬廣慶，畢淑霞，徐 寧 ，王軍海，姚允龍

(1:中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春130012)

(2:吉林大學(xué)環(huán)境與資源科學(xué)學(xué)院，長春130026)

(3:哈爾濱學(xué)院，哈爾濱150086)

(4:吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，長春130012)

(5:東北師范大學(xué)，長春130024)

(6:東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱150086)

目前，吉林省西部的松原、大安、引嫩入白三大灌區(qū)，以及黑龍江省西部的引嫩綜合工程正在同期建設(shè)，松嫩平原鹽堿地進(jìn)入了大規(guī)模開發(fā)的歷史時期［1］.因此，合理控制尾水排放以避免河湖水體污染，就成為這些灌區(qū)開發(fā)能否成功的關(guān)鍵性生態(tài)問題.

松原灌區(qū)是國家糧食基地建設(shè)的組成部分，意義重大.但區(qū)位上卻是對查干湖外圍大面積蘇打鹽堿地的圍墾.查干湖作為松嫩平原第一大湖，已列入國家自然保護(hù)區(qū).如果將高濃度鹽堿尾水直接泄入湖內(nèi)，無疑將造成湖區(qū)污染，生態(tài)后果嚴(yán)重.因此，科學(xué)分析并防范這一生態(tài)風(fēng)險，對保護(hù)該湖生態(tài)環(huán)境極其重要，也是灌區(qū)可行性的基礎(chǔ).而目前有關(guān)查干湖生態(tài)系統(tǒng)的研究報告均未涉及鹽堿地圍墾下的環(huán)境保護(hù)①北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院.查干湖旅游度假區(qū)暨中心區(qū)控制性規(guī)劃，2002:1-5.;發(fā)表的論文也多側(cè)重于湖泊生態(tài)分析或面源污染的一般性研究［2-4］;僅有個別研究涉及到稻田尾水中農(nóng)藥排放對湖水水質(zhì)的影響［5］，但尚無松原灌區(qū)鹽堿性尾水排放對查干湖生態(tài)綜合影響以及風(fēng)險控制的專門性研究.

本文基于生態(tài)規(guī)劃原則［6-7］，系統(tǒng)分析了松原灌區(qū)鹽堿物質(zhì)排放對查干湖可能產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險，并首次提出了利用湖泊外圍退化沼澤濕地構(gòu)建濕地水處理系統(tǒng)，從而對鹽堿地大規(guī)模開發(fā)可能引發(fā)的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行控制的新思路，解決了既使查干湖的生態(tài)環(huán)境得到保護(hù)，又使松原灌區(qū)建設(shè)能夠?qū)嵤┑慕裹c(diǎn)矛盾，并成為灌區(qū)規(guī)劃的重要科學(xué)依據(jù).

1 查干湖區(qū)生態(tài)環(huán)境

1.1 湖區(qū)尺度大、水量失衡

查干湖原屬于全新世中期大安古河道的南段，經(jīng)地殼緩慢沉降，與入湖的霍林河一起失去外泄條件而演變?yōu)閮?nèi)流湖，降水與霍林河洪水為主要補(bǔ)給水源.因干旱和截流，霍林河的入湖徑流量在1957----1998年期間，曾有20年接近于零，導(dǎo)致湖面萎縮.為此，建設(shè)了通過新廟的第二松花江補(bǔ)水渠道，兼接納因長期開發(fā)而濃度大為降低的前郭灌區(qū)尾水，年入湖量3.56×108m3，使湖水位高程保持在海拔130 m.此時，查干湖的面積為347.4 km2，平均水深為1.56 m，最大水深為3.50 m，相應(yīng)容積為 5 .42 ×108m3.而且，原來與查干湖分離的新廟泡和新甸泡彼此聯(lián)通為統(tǒng)一水體，形成了查干湖的完整體系(表1)②孫廣友，孟憲璽，楊富億等.查干湖生態(tài)系統(tǒng)及漁葦業(yè)開發(fā)對策綜合研究報告，1992:1-70..

表1 查干湖系統(tǒng)主要特性Tab.1 The main features of Lake Chagan system

由于環(huán)境變化，目前查干湖每年仍缺水1.0×108～2.0×108m3，水位已降至129.2 m左右，水質(zhì)也有惡化趨勢，特別是枯水期堿度增高，因此增加水量補(bǔ)給仍是迫切問題.

1.2 半干旱、生物多樣性豐富

查干湖保護(hù)區(qū)的劃定面積為50684 hm2，外圍保護(hù)帶為14666 hm2.保護(hù)目標(biāo)為使查干湖為半干旱氣候帶湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng).湖區(qū)植被的維管束植物有292種，隸屬于61科190屬，建群種、優(yōu)勢種和主要伴生種皆為堿性中旱生植物;典型植被為蘆葦和堿蓬群落［8］.查干湖有鳥類239種，其中國家Ⅰ級(東方白鸛等8種)、Ⅱ級(大天鵝等35種)重點(diǎn)保護(hù)的鳥類43種，具有稀有性和瀕危性.兩棲爬行類9種、魚類46種、昆蟲446種.查干湖生物多樣性豐富，組成了獨(dú)特的生物基因庫.

1.3 復(fù)合型鹽堿濕地

查干湖是由弱堿性湖泊濕地、中-重度堿性蘆葦沼澤濕地(湖灘)和堿性河流濕地(霍林河口)構(gòu)成的濕地復(fù)合體，在中國具有典型性，具有水體核心帶、蘆葦濕地緩沖帶與外圍鹽沼帶的層圈性濕地景觀.該湖發(fā)育于沉降湖盆，是松遼分水嶺北斜面地表物質(zhì)流的匯聚中心［9］.湖體儲納地表水、礦物質(zhì)和可溶鹽，并對蘆葦沼澤直接補(bǔ)給;而蘆葦又對外圍以堿蓬、虎尾草為代表的頂極鹽沼群落向湖輸送的物質(zhì)起到過濾、降解和沉淀作用，對湖體環(huán)境發(fā)揮穩(wěn)定效應(yīng)，共同形成鹽沼濕地多異質(zhì)共生結(jié)構(gòu).亦表征該內(nèi)陸鹽堿濕地景觀發(fā)育到高級階段，具有內(nèi)陸型鹽堿濕地的典型性.

1.4 生態(tài)系統(tǒng)脆弱性突出

1.4.1 水質(zhì)呈弱堿性，亟待改善 查干湖屬于重碳酸鹽類納組Ⅰ型微咸水富營養(yǎng)湖泊［10］.查干湖水質(zhì)季節(jié)分異明顯，夏季豐水期，礦化度平均為0.91 g/L，pH為8.2(表2);枯水期堿性加重，pH平均為9.0.可見，對查干湖的水質(zhì)加以控制是必要的.

表2 查干湖夏季豐水期化學(xué)特征(霍林河口至新廟泡斷面)① 孫廣友，孟憲璽，楊富億等.查干湖生態(tài)系統(tǒng)及漁葦業(yè)開發(fā)對策綜合研究報告，1992:6-13.*Tab.2 The chemical features in summer of wet season of Lake Chagan(from the mouth of Huolin River to Lake Xinmiao section)

1.4.2 生態(tài)環(huán)境退化 本區(qū)因處于松嫩平原鹽堿地核心區(qū)，鹽堿地年增長率達(dá)到1.5%～2.0%，環(huán)境出現(xiàn)突變趨勢，生態(tài)退化嚴(yán)重［11-14］.大片蘆葦(Phragmites australis var.)群落逐漸被堿蓬(Suaeda glauca)代替，甚至出現(xiàn)堿斑連片的堿質(zhì)荒漠(圖1).

2 灌區(qū)建設(shè)與生態(tài)風(fēng)險

2.1 灌區(qū)范圍、性質(zhì)與結(jié)構(gòu)

灌區(qū)位于查干湖南側(cè)與霍林河河口的低平原區(qū)，為嫩江大安古河道與霍林河古河道交匯區(qū)［15-16］，總面積為18.93 ×104hm2，含水田、旱田、草原，面積分別為10.61 ×104、2.76 ×104、30 ×104hm2.還兼有漁業(yè)、濕地恢復(fù)效益，是一個以商品糧為主，兼顧牧、漁業(yè)和濕地恢復(fù)的綜合性生態(tài)灌區(qū)，并與大安灌區(qū)等共同形成東北第四大水稻帶［1，17］.水源引自第二松花江哈達(dá)山水庫，另有部分地下水匹配(圖2)①吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院.松原灌區(qū)規(guī)劃，2010..

圖1 查干湖區(qū)衛(wèi)星影像(據(jù)Google截圖，藍(lán)色為湖泊，白色為鹽堿地)Fig.1 The remote sensing of Lake Chagan(from Google，blue is lake，white is saline-alkaline land)

圖2 松原灌區(qū)范圍(12個灌片)結(jié)構(gòu)略圖Fig.2 The scope and construction(12 irrigation pats)of Songyuan Irrigation

2.2 生態(tài)風(fēng)險分析

2.2.1 風(fēng)險物質(zhì)匯聚中心 灌區(qū)處于松遼分水嶺北坡面，最高海拔170.0 m，最低海拔129.5 m.地貌面從東、南和西三個方向向湖區(qū)傾斜，成為地表二維徑流場的匯聚中心——風(fēng)險物質(zhì)匯點(diǎn).同時，潛水徑流方向與地表徑流一致.這樣，灌區(qū)開發(fā)后，地表與地下可溶鹽流會呈三維模式向湖區(qū)匯聚，對湖泊生態(tài)構(gòu)成威脅.

2.2.2風(fēng)險源范圍廣 按開發(fā)規(guī)劃，灌區(qū)共劃分為12個灌溉片(表3)①吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院.松原灌區(qū)項目建議書，2010:1-126..前郭片(含紅星片)具有排向二松的獨(dú)立系統(tǒng);而大布蘇片尾水泄入大布蘇泡，對查干湖無直接影響，其它9片尾水都泄向查干湖方向，構(gòu)成大面積風(fēng)險源.該9片的面積為7.70 km2，占總面積的41%.其中鹽漬化土地面積達(dá)6.17 km2，占80.1%.在這些鹽漬化土地中將開發(fā)水田5.63 km2，占鹽漬土總面積的91%.可見，鹽堿地圍湖造田規(guī)模之宏大、鹽漬化程度之嚴(yán)重，在中國乃至世界上史無前例，對查干湖必然構(gòu)成范圍較大的風(fēng)險源區(qū).

表3 松原灌區(qū)各片土壤類型及開發(fā)規(guī)模(km2)*Tab.3 The soil type and development area of Songyuan Irrigation

2.2.3 風(fēng)險物質(zhì)數(shù)量巨大 風(fēng)險物質(zhì)主要是鹽堿地開發(fā)成水田所釋放的可溶鹽類與農(nóng)藥殘留物.郭斌認(rèn)為農(nóng)藥殘留物對查干湖水環(huán)境影響不大［18］，但灌區(qū)可溶鹽釋放量巨大，對查干湖水質(zhì)影響最為關(guān)鍵.為評估這一風(fēng)險，需要計算其年可溶鹽釋放率及釋放量.據(jù)大安古河道萬畝試驗區(qū)多年試驗結(jié)果，不同鹽化土壤表層經(jīng)過一年種稻洗堿后的鹽堿脫鹽率(釋放率):輕度、中度和高度鹽化草甸土分別為33.33%、59.70%和62.00%(表4)［19］.

表4 種稻第1年可融鹽釋放率及釋放量*Tab.4 The releasing rate and quantity of saline-alkaline in the first year of planting rice

三類蘇打鹽漬土的平均灌前含鹽量為0.37%(表4).經(jīng)計算，在經(jīng)過第一年不同泡田次數(shù)的種稻洗堿后，鹽堿的平均釋放率為51.68%，與陳恩鳳等的研究結(jié)果(釋放率為50%)接近［20］.古河道試驗區(qū)每畝平均排鹽量是145.32 kg，恰好反映了三類鹽漬土復(fù)區(qū)狀態(tài)，具有代表性.那么，以釋放量為2179.8 kg/hm2、面積為5.63 km2的排鹽總量達(dá)到1.23 ×108kg.湖泊容積(海拔130.0 m)按5.15 ×108m3計算，這些可溶鹽類入湖，可使湖的含鹽量增加2.4%，達(dá)到3.4%，變成一個中度堿湖，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化.

2.2.4 中、高級風(fēng)險區(qū)比例高 為評估保護(hù)湖區(qū)生態(tài)安全，依據(jù)開發(fā)(風(fēng)險源)對查干湖的接觸關(guān)系、污染源(排泄鹽堿)的強(qiáng)度等要素以及有害獨(dú)立元素，對沿湖岸帶進(jìn)行了風(fēng)險區(qū)劃分.本文基于農(nóng)業(yè)開發(fā)性質(zhì)，以前2個要素最為重要，并進(jìn)行四級劃分.

1)低級風(fēng)險區(qū):擬擴(kuò)建的前郭灌區(qū)與查干湖之間有連續(xù)的河流一級階地分隔，地面標(biāo)高140～160 m，平均寬度約1.5 km.組成物質(zhì)為亞砂土-亞黏土，滲透性低，阻隔了地表水與湖水的聯(lián)系.水田擴(kuò)展開發(fā)后，排灌系統(tǒng)進(jìn)一步完善，紅星片排水納入其中.因此，該段屬于低級風(fēng)險區(qū).

2)中級風(fēng)險區(qū):有字片與戎字片北段為原有旱田，采用滴灌基本無排水.與湖間有斷續(xù)崗狀高地(一級階地自然堤)，只要適當(dāng)加固，可阻擋開發(fā)后的可溶鹽流入湖中.因此該段屬于中級風(fēng)險區(qū).

3)高級風(fēng)險區(qū):洪字片、余字片與潛字片涉及收字井至辰字井之間的范圍，沼澤和農(nóng)田直接與湖體接觸，土地鹽堿化較重，中、重度鹽漬化土占85%，產(chǎn)出鹽堿較多，對湖體會有較大風(fēng)險.其次，辰字井至劉家圍子之間，湖體與即將開發(fā)的洪字片水田區(qū)呈開放狀態(tài)，故定為高級風(fēng)險區(qū).

4)最高級風(fēng)險區(qū):龍海片涉及劉家圍子與姜家圍子之間的查干湖湖口帶，即霍林河口洪泛帶，兩者呈開放型接觸，且坡降向湖口傾斜.開發(fā)水田面積大，中、重度鹽漬土高達(dá)90%，因而鹽堿最重，有連片堿漠，屬于最高級風(fēng)險區(qū).

2.2.5 風(fēng)險物質(zhì)具有累積效應(yīng) 蘇打鹽堿土種稻開發(fā)中可溶鹽具有高釋放率特性.由重度向中度和輕度鹽漬土轉(zhuǎn)化的速度也較快.大安古河道萬畝試驗區(qū)證明，蘇打鹽類還具有較其他鹽類更高的水溶特性.土壤中可溶鹽的釋放是一個較長的過程，盡管第一年的釋放量較大，占土壤表層含鹽量的50%左右，但之后按降冪遞減.根據(jù)大安古河道萬畝試驗區(qū)的結(jié)果，下一年可溶鹽的釋放量是上一年的25%左右.據(jù)此計算，若查干湖無控制地接受排放尾水，則水田開發(fā)第5年，查干湖將變成重堿性湖，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重惡化.

3 風(fēng)險控制機(jī)制與防范措施

3.1 建立濕地緩沖區(qū)，避免尾水直排入湖

3.1.1 建立緩沖區(qū)的必要性 如上所述，沿湖圍墾產(chǎn)生的大量可溶鹽，會從中、高及最高級三類風(fēng)險區(qū)進(jìn)入湖中，導(dǎo)致嚴(yán)重生態(tài)后果.所以，盡管查干湖有良好庫容，尾水也不能直排入湖.鑒于此，本文擬定在湖的外圍建立相應(yīng)的濕地處理系統(tǒng)——生態(tài)緩沖區(qū)，來承泄排放尾水，待尾水進(jìn)入沼澤處理系統(tǒng)后，得到降解和沉淀，鹽分被蘆葦?shù)饶望}植物吸收，pH值降低.當(dāng)水質(zhì)滿足湖水水質(zhì)要求時，再入湖補(bǔ)給.達(dá)到控制和化解生態(tài)風(fēng)險的目的.

3.1.2 緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)特征及功能 針對中、高及最高級三類風(fēng)險區(qū)，在湖濱鹽堿沼澤設(shè)計了5個水質(zhì)處理系統(tǒng).這種以儲蓄含鹽水體為主的濕地處理系統(tǒng)，與水污染濕地處理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有明顯不同，不必考慮床體結(jié)構(gòu)，而主要是利用其區(qū)位與空間特性，以蘆葦為主要生物群落，依托階地和天然堤等地貌條件，并實(shí)施必要的矮堤工程，切斷可溶鹽直接入湖徑流，以滿足容納相應(yīng)開發(fā)片泄水量的原則(表5).

表5 松原灌區(qū)尾水的查干湖濕地處理系統(tǒng)Tab.5 The wetland treatment systems of Lake Chagan for Songyuan Irrigation tail water

5個緩沖區(qū)目前都是嚴(yán)重退化的鹽沼，pH一般為8～10，屬于中、重度蘇打鹽堿地環(huán)境，而水田開發(fā)的鹽堿地主要為輕-中-重度鹽堿地復(fù)區(qū)，平均為中度，在經(jīng)過泡田洗堿等技術(shù)措施后，尾水的含鹽量在中度以下.因此，總體上尾水進(jìn)入緩沖區(qū)后不會加重其鹽堿度，甚至還會有一定的稀釋效果.濕地處理系統(tǒng)經(jīng)過約3到5年運(yùn)行，尾水鹽度降低，濕地生態(tài)環(huán)境都將得到優(yōu)化.因此，這種生態(tài)控制是可行的.

3.2 滾動開發(fā)，合理調(diào)控尾水排放濃度和時間

在大安古河道萬畝試驗區(qū)，本文總結(jié)出不同類型蘇打鹽漬土種稻洗堿的轉(zhuǎn)化規(guī)律(表6).鹽漬土淡化過程的轉(zhuǎn)變規(guī)律表明，蘇打鹽類水溶性高、釋放快.為了平緩可溶鹽的釋放峰值，提出了滾動開發(fā)的方案，即制定合理開發(fā)額度，每年約0.67 km2，并將不同鹽漬土復(fù)區(qū)實(shí)施輕、中、重度(含堿土與鹽土)配置開發(fā)，這樣便使灌區(qū)釋放可溶鹽的平均濃度降低到中度或以下，并限制了釋放總量.由于作為濕地處理系統(tǒng)的退化沼澤，相當(dāng)于中度鹽化土環(huán)境，當(dāng)尾水低于中度當(dāng)量時，則一般不會加重緩沖區(qū)的鹽漬化程度.再考慮種稻過程中可溶鹽的釋放量及濃度服從降冪趨勢，因而濕地處理系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境也隨之進(jìn)入恢復(fù)時期，并允許排入湖中發(fā)揮補(bǔ)水功能.

表6 松嫩平原蘇打鹽漬土種稻洗堿后的類型轉(zhuǎn)變時間Tab.6 The transform time of saline-alkaline soil type in Songnen Plain

3.3 合理利用湖泡隨機(jī)排水，減小查干湖壓力

灌區(qū)湖泡廣布.為減輕對查干湖的生態(tài)壓力，設(shè)計中將用30余個湖泡用以承擔(dān)灌片的泄水(表7).這些隨機(jī)承泄區(qū)具有重要承泄功能，可使大布蘇灌片和安字灌片全部尾水內(nèi)泄，洪字泡可容納水字、余字及洪字灌片的大部分泄水，超過部分再泄入鄒家圍子濕地系統(tǒng).可見，這些湖泡的承泄對查干湖區(qū)的分流功能是顯著的.

表7 松原灌區(qū)其它承泄湖泡特征及儲量Tab.7 The other lakes for keeping tail water from Songyuan Irrigation

4 結(jié)語

查干湖是微堿性湖泊，屬于國家自然保護(hù)區(qū)，具有半干旱復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)典型性和生物多樣性.但其生態(tài)系統(tǒng)脆弱，增加水量、改善水質(zhì)是生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵.

擬建松原灌區(qū)將對查干湖外圍的蘇打鹽堿地進(jìn)行大面積圍墾，所產(chǎn)生大量較高濃度的水田尾水，將對查干湖構(gòu)成生態(tài)風(fēng)險.而且尾水具有風(fēng)險源廣大、風(fēng)險物質(zhì)量大和集聚速度快等特點(diǎn)，若尾水直接排向查干湖，將使其變?yōu)橹卸葔A湖，對查干湖的生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅.

為了防止這種后果的發(fā)生，在分析排水模式，計算尾水含鹽濃度、產(chǎn)鹽率和總量基礎(chǔ)上，通過風(fēng)險區(qū)劃分，首次提出灌區(qū)尾水不直接入湖，而是利用湖泊外圍的退化濕地，構(gòu)建5個濕地尾水處理系統(tǒng)的構(gòu)想.這些尾水處理系統(tǒng)即是查干湖的生態(tài)緩沖區(qū)，尾水進(jìn)入后得到凈化、降解和沉淀.伴隨水田排鹽量逐漸減少，灌區(qū)運(yùn)行一定時期后，水質(zhì)便得到改善，那時再入湖泊發(fā)揮補(bǔ)水效應(yīng).既可防止湖水污染，又可保證灌區(qū)開發(fā)可行.這也是濕地處理系統(tǒng)在大規(guī)模鹽堿地農(nóng)田工程的首次嘗試，在國內(nèi)外尚未見先例.同時，充分利用大量堿湖泡作為隨機(jī)承泄區(qū)，就地容儲尾水，減輕查干湖匯水壓力.采取這些技術(shù)措施，既能夠保證查干湖生態(tài)安全，又能夠使松原灌區(qū)建設(shè)具有可行性.

致謝:參加早期調(diào)查的還有郝凌云、劉景雙、楊富億、張曉平、王其純等研究員;王國石、顧斌等工程師，羅金明、羅新正博士等參加了部分工作，謹(jǐn)此一并表示感謝.

［1]孫廣友.東北西部建設(shè)水稻基地帶動區(qū)域綜合開發(fā)的建議.見:孫廣友等編.松嫩平原古河道農(nóng)業(yè)工程研究.長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2007:425-458.

［2]申晉利，張軍龍.基于面向?qū)ο蠓诸惙椒ǖ牟楦珊貐^(qū)生態(tài)環(huán)境變化遙感分析.地球科學(xué)與環(huán)境，2009，31(2):212-215.

［3]代雪靜，田 衛(wèi).查干湖水質(zhì)污染分析及控制途徑.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2011，25(8):182-187.

［4]劉 強(qiáng)，魏春風(fēng).查干湖國家自然保護(hù)區(qū)生態(tài)安全評價研究.長春工程學(xué)院學(xué)報，2010，(2):50-53.

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