與地下水相互依存的生態(tài)系統(tǒng)及其面臨的威脅

［美國］A.H.阿辛頓

1 概述

所有在地球表面以下的水都可稱之為“地下”水。降水、地表徑流、冰、風和構(gòu)造作用力這類因素均為地表水滲入到地下材料創(chuàng)造了機會。水透過土壤和植物根系層(稱為“地下水補給”或“滲透”)一直要到粘土、頁巖、巖石或其他不透水層或半透水阻隔物(如有機膠結(jié)砂)這些非滲透層。一旦遇到這種阻隔層，地下水便會聚集，并完全浸透地下材料。飽和層的頂板稱為“地下水位”，地下水位以下飽和帶的水稱為“地下水”(圖1)。地下水位以上地層中的水稱為“滲水”(或淺水)，從地下水位一直到地面這一帶稱為不飽和帶。季節(jié)過度期和在豐水期或枯水期周期性的變化對淺層地下水位高程的影響，都可能把這些水帶到地面，而帶到地面的地下水，又可能形成泉水、水塘、湖泊或濕地，促成岸棲植物生長，也可能形成河流的基流(圖1)。這些生態(tài)系統(tǒng)對地下水的依賴性和地下水開采對淡水生態(tài)系統(tǒng)的影響是本文的主題。

圖1 與地形和淡水系統(tǒng)有關的地下水系統(tǒng)、飽和帶和非飽和帶、地下水水位

儲存有豐富地下水的透水層稱為“含水層”，出現(xiàn)在能存儲和產(chǎn)出有效水量、富有孔隙或裂隙的砂層、礫石、砂巖、白堊巖、石灰?guī)r破碎巖石(例如花崗巖)的地質(zhì)構(gòu)造中。含水層中的水量隨地質(zhì)物料之間的孔隙空間(亦稱孔隙、空隙或裂縫)特性而變化，由于孔隙空間是互相連通的，使得水在重力作用下能夠流動和聚集，當水累積到足夠量時便形成含水層。含水層的飽水厚度變化不定，小則1 m左右，最厚的可達100多米;其分布范圍也是不定的，小則幾米，大的分布范圍可能達數(shù)百公里，甚至跨越村界、州界、省界或國界。在不透水巖層、粘土層或頁巖層(即隔水層)覆蓋含水層的地方，水位不能升降變化，則稱為封閉含水層。隔水層(即地質(zhì)屏障)以下隔斷的地下水所產(chǎn)生的壓力，足以使水透過裂縫和裂隙，無需抽取就會涌至地面，形成涌泉。在沒有低滲透性巖層形成隔斷的地方，含水層無限制，則稱為開放含水層，這種含水層可從高處流到低處，涌至地面成為泉水，或流到濕地或江河中。在碳酸鹽和泥沙沉積、形成沙丘或小山包的地方，或水滲到淺沼澤低洼的地方，當構(gòu)造作用和斷裂帶富含鈣和重碳酸鹽的地下水逸出地面時，便形成堤泉。在南澳大利亞和昆士蘭州，沿澳大利亞大盆地西南邊緣，形成了數(shù)個大堤泉群。這些孤立的水體，支持著稀有的水生無脊椎動物(尤其是蝸牛)及鰕虎魚、鯰魚和銀漢魚等魚類。流經(jīng)石灰?guī)r(一種由礦物方解石組成的沉積巖)這類地下巖層的水，因其微酸性而具有溶解作用，從而構(gòu)建了裂隙、地下洞穴和稱為“落水洞”的崩坍區(qū)。在喀斯特(石灰?guī)r)地帶，與流動的地下水持續(xù)接觸的方解石被溶解，形成奇妙的地下洞穴體系和獨特的巖石地貌。世界上最長的洞穴——肯塔基州的猛犸洞穴，地下通道長達240km。位于新西蘭漢密爾頓南部懷托摩地區(qū)的懷托摩巖洞(Waitomo Caves)(懷托摩來自于毛利語 wai，意思是“水”和“洞”)，由現(xiàn)在已知的300個洞穴組成，這些洞穴因洞中生長著雙翅類昆蟲(一種本土生物熒光物種)而著名。洞穴系統(tǒng)支持著靠地下水生活的稀有物種及大型甲殼類動物，還有昆蟲、蠕行動物、腹足動物、螨類和魚類。這類由地下水支持的動物群落，就生活在喀斯特和淤積土的孔隙空間以及巖石含水層的裂縫中。

濕地、河流、岸區(qū)、沖積平原和河口與源自非飽和帶和地面徑流的水和地下水都有著密不可分的各種依存關系。與地下水密切相關的生態(tài)系統(tǒng)(GDEs)是由復雜多樣、而且往往又是由世界生態(tài)系統(tǒng)中一個豐富的生物子集所構(gòu)成。它們可通過對地下水的不同依賴程度進行區(qū)分，以維持其水化學性能、熱學性能、生物體組成及生態(tài)功能。

2 河流作為與地下水密切依存的生態(tài)系統(tǒng)

河流流量可能源于直接降水、泉水、地面徑流，也可能從地下流動的水直接注入河道。這部分地下水稱為表層流(或中間流，壤中流)，也就是說，這是通過非飽和帶未滲透到主地下水面的下滲部分。表層流也包括非飽和帶中從任何滯水位流動的水。在地下水位(深飽和帶頂板，參見圖1)以下，地下水可能直接注入河中，形成基流。

由于這部分基流源自地下水的總流量，所以其反映了含水層的滲透能力、局部和區(qū)域的地質(zhì)狀況、岸區(qū)和漫灘的儲水狀況，以及地下水位所在的地形地勢。在不透水巖區(qū)，降雨滲透較慢，因此總流量中的基流貢獻率一般較小，而地面徑流部分較大。在透水性地質(zhì)構(gòu)造流域，地面徑流可能最小，河道流量大多源自基流。在既沒有降水也沒有地面徑流入河槽期間，就只有靠地下水提供水源。許多向干旱和半干旱地區(qū)供水的河流，多半只是基流。在更多降水量偏多、氣候溫和和濕熱氣候帶的河流，即使雨量減少，但表層流仍會持續(xù)，時常都是流入河中，因此，許多持續(xù)流入河流體系的水，都是通過表層流和地下水分配得到的。學者博爾頓和漢考克指出，除了一些只是雨后和僅靠地面徑流的季節(jié)性小溪流之外，其他河流完全是或大部分是靠地下水。河道中的水基本上都與注滿砂礫石和巖床間空隙的地下水直接接觸，而地下水的深度可能在河床以下數(shù)米，地下水整個范圍可能達數(shù)公里，形成隱藏在水下的水生生物棲息地，因此人們稱這一地帶為“地表水－地下水的交錯帶”和“河岸濕地帶”。地表水－地下水交錯帶和河岸濕地帶與地表水、地下水、沖積含水層和河岸帶的關系見圖2。地表水－地下水交錯帶可定義為河道以下及其旁側(cè)的水飽和沙土沉積帶，河水和地下水在此處進行水體交換。大多數(shù)基流源于從河道邊緣地帶及其漫灘通過河岸濕地帶滲入的地下水，或者從河道下面的地表水－地下水交錯帶流入。這樣，河岸帶及其生態(tài)特性也就與經(jīng)由河岸濕地帶的大多數(shù)河流地下水密切相關了。

圖2 與地表水－地下水交錯帶相關的水文區(qū)域示意

可按3個空間尺度審視河流基流體系在功能上對地下水的依賴性:①沉積物尺度，即微生物過程和化學過程會產(chǎn)生微小尺度的環(huán)境梯度;②延伸尺度，即地下水與地表水的水體交換，以及地表水－地下水交錯帶水滯留時間的不斷變化，顯然會沿淺灘、沙洲和河道分支產(chǎn)生坡降;③流域尺度，即從河流源頭到其低地區(qū)域沿河的地表水－地下水交錯帶、沉積物和洪水滯留的相對尺度綜合坡降。

3 依存于地下水的河段范圍

在泉水與滲透河段范圍內(nèi)，河流的基流源自泉水和河源區(qū)滲出的水，然后經(jīng)由河流中游(此帶多為上升流區(qū)和下滲流區(qū))的河岸濕地帶和地表水－地下水的交錯帶(見圖3)。

圖3 典型流域中常見的河流基流體系

大多數(shù)永久性泉水，一般來說其流動性、水化學特性及水溫都很穩(wěn)定，盡管沼澤地區(qū)的出水量帶有季節(jié)性。這些淡水系統(tǒng)完全依靠地下水，其生物群可能包括生活在專性和本土地下水中的無脊椎動物，這種動物缺眼缺色素。在離下游越來越遠和生物棲息地更多樣化的地方，物種的數(shù)量一般會增多，群落組成開始與附近常年河流中的相接近。河岸濕地帶和地表水－地下水的交錯帶在多孔滲透性河床河流的中游(取決于地下水位的剖面)，基流是通過地下水而產(chǎn)生，而這種地下水是從河邊的河岸濕地帶和河床下面的地表水－地下水的交錯帶流入河道的(圖2和圖3)。在這些上升流區(qū)或出流區(qū)，各種生態(tài)過程都隨流入的地下水而啟動。如地下水中的溶解氮，開始為水底的藻類生長供養(yǎng)分，某些水生植物也對上升流或地下水的出流有所動作。水面下的微生物和無脊椎動物也隨著空間形態(tài)的變化和地下水與河道間水文交換的程度表現(xiàn)出獨特的分布形態(tài)。這些微生物和無脊椎動物的活性會對生態(tài)系統(tǒng)過程產(chǎn)生影響，如地面河流呈現(xiàn)枝葉狀分離，因而導致有機物出現(xiàn)分解過程。

在地表水－地下水的交錯帶，地下水的上升流可能多方面對魚類有益。有些鮭魚喜歡在上升流區(qū)的沉積物地帶產(chǎn)卵，因為在冬季地下水可防止卵被凝固。上升流區(qū)可為魚類產(chǎn)卵的沉積物地帶提供含氧水，這些富集帶也可帶來更多的食物供應。對于諸如龍利魚(cobbler)這類淡水魚 (Tandanuts bostockz)，有地下水侵入，就能在具有地中海氣候特征帶的長年枯水期，由地下水透過淺石灘維持棲息地的連通性和魚類的遷移路線。地下水的補給和地表水－地下水交錯帶的地下水流，只能在常年河流的干旱期和缺水少雨時為魚類和無脊椎動物的生存解難，而且對維持流量大小和枯水期不定的季節(jié)性河流中孤立的水生生物生存是絕對必須的。在進化時期范圍內(nèi)，含水層在外部環(huán)境條件發(fā)生變化時便成為水生生物的避難所。

4 在流域和區(qū)域范圍對地下水的依存性

學者博爾頓和漢考克指出:在流域范圍內(nèi)，從來沒有評估過地面河流生態(tài)系統(tǒng)對地下水分配(水源為泉水、滲流、地表水－地下水的交錯帶和河岸濕地帶)的附加效應。地表水－地下水交錯帶的走廊概念(即HCC)，在某種程度上是從流域范圍的角度來講的，它是根據(jù)地下水滲入河道受限的地形構(gòu)造和約束條件，沿河流走向虛擬的一條地下連續(xù)流動的水體。地表水－地下水交錯帶走廊形成的地下連續(xù)流動水體，在兩側(cè)范圍還延向岸區(qū)、支流、河岔、埋藏河道和灘區(qū)的含水層(可能從主河道向兩側(cè)延伸3 km以上)。這就形成了一種寬范圍側(cè)向延伸，各自具有與河流表面流態(tài)相銜接的時空地貌特征。大多數(shù)河流沿縱向出現(xiàn)制約和非制約的交替狀況，而且地形的約束支配著分布到河流基流、地表水－地下水交錯帶和河岸濕地帶的地下水范圍。結(jié)果是，河面下的地下水沿河流走廊擴展和收縮，像是“線上穿著的一串珠子”。

在整個流域范圍內(nèi)，地表水－地下水交錯帶走廊概念，有助于解釋河流和河岸系統(tǒng)的幾個特征。一是河岸帶的結(jié)構(gòu)和動態(tài)特征，能反映地表水－地下水交錯帶的流態(tài)、上升流區(qū)和下滲流區(qū)的狀況。另一特征是，受生物地球化學交換和地表水－地下水交錯帶的富養(yǎng)水上升流作用影響的河流帶，水域生產(chǎn)力呈片狀分布。從更廣的范圍看，這種水文交換過程和地下水連通性在時空上的變化，有利于生物多樣性在這種地域環(huán)境中發(fā)展。地下水滲入河道的水量和時間，也會隨著空間形態(tài)的變化而變化。例如，在悶熱的枯水期，地下冷水可為魚類提供舒適的避難場所，即使在小流域，也可讓魚群耐受這種環(huán)境而生存。在干旱地帶的河流，如澳大利亞的庫珀(Cooper)河，洪水過后水底的藻類生長很蕭條且有限;而一旦孤立水潭中的上層滯水位穩(wěn)定后便立即恢復，沿岸的生產(chǎn)帶也相應地恢復。這種隨外界環(huán)境而生長的海藻形成了水塘中的食物鏈，直接影響著干冷月份在水塘中避難的魚類存活率。當洪水月份再次到來時，作為魚類避難的水塘，它通過大量的繁殖和恢復，維持著賦予旱地生態(tài)系統(tǒng)恢復力的魚種。

5 其他與地下水密切相關的生態(tài)系統(tǒng)

任何河流都沒有與地下水密切相關的唯一生態(tài)系統(tǒng)。學者湯姆林森和博爾頓提出了一個概念性框架，即地表水與地下水相互依存的生態(tài)系統(tǒng)(SGDEs)不僅能通過地下水流來聯(lián)系，而且還通過地表水－地下水的交錯帶、滲流帶、海洋上升流區(qū)、侵入帶和沙岸帶這些過渡區(qū)或帶與地面水生、河岸、陸地、河口和海洋生態(tài)系統(tǒng)密切關聯(lián)。SGDEs之間也可能有直接的聯(lián)系，例如沖積含水層可能覆蓋或與鈣質(zhì)結(jié)礫巖或破碎巖這類含水層交錯分布。這些動態(tài)的生態(tài)過度區(qū)為巖石材料和能量的交換區(qū)，是動物群種疏散以及營養(yǎng)物和污染物傳輸?shù)臐撛谕緩?。學者湯姆林森和博爾頓極力推薦“生態(tài)水文地質(zhì)法”，以此來領會人類活動對SGDEs(主要認識地下水(例如，陸地、濕地和河口)生態(tài)系統(tǒng)含水層的滲透和連通途徑)干預的意義。該方法作為一種評估生態(tài)需水量的總體模型，通過超常規(guī)的區(qū)化，深入到河流、濕地、河口和地下水系統(tǒng)，具有良好的發(fā)展前景。

6 水文變化及地下水生態(tài)系統(tǒng)受到的威脅

深層含水層是極緩慢儲存起來的，世界上大約只有1%的這種淡水含水層可通過每年的雨量補給，但該含水層要存儲大量的水，累計則需數(shù)十年到百萬年的時間。據(jù)估計，距地球表面0.8 km的范圍內(nèi)，大約有420萬km3的地下水，占地球全部淡水的25.6%，但依目前的技術(shù)，大約有90%的這種地下水仍屬罕見。不過人類利用地下水作為生活和農(nóng)業(yè)用水的歷史已有8000多年，至今至少占世界總?cè)丝?/3的人取用過地下水。

在美國，用在農(nóng)田灌溉上的水大約占用水總量的85%，而且1/3均取自地下水。在澳大利亞、北非、中東、南亞和中亞、歐洲和北美洲的大部分地區(qū)，由于地下水過度開采，減少了地面河流的流量，原由地下水涌出的泉水干枯，河流流態(tài)改變。在中東和北非的干旱地區(qū)，開掘地下水主要是用來灌溉。例如，沙特阿拉伯利用的是不能再生的地下水來滿足幾乎所有的灌溉需水量。利比亞的“大人工河”(Great Man－Made River Project)項目，每年通過1600km的管路將2 km3以上的地下水輸送到沿海所建的巨大蓄水庫，用以支持135000hm2的農(nóng)田灌溉。該水量占到了該國總用水量的1/3。

水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)對地下水的依賴程度有所不同，取決于其構(gòu)造形態(tài)及功能，因此，它們在地表水和地下水水文狀況發(fā)生變化時會表現(xiàn)出不同的弱點。由于可能受影響的上述系統(tǒng)變化不定，這就給量化地表水與地下水密切聯(lián)系的生態(tài)系統(tǒng)對地下水變化的生態(tài)響應帶來了困難。湯姆林森和博爾頓的概念性構(gòu)想框架，有助于觀察到不同類型的SGDEs及其相互之間潛在的連通性，以及與地面水生生態(tài)系統(tǒng)(泉水、河流和濕地)、陸地生態(tài)系統(tǒng)(河岸和陸地填被)、河口和海洋生態(tài)系統(tǒng)的密切聯(lián)系。

人類活動對地下水位的下降有重要影響，包括抽取地下作為灌溉和生活用水以及洗礦用水(這些水又滲回到地下水位以下)，而地下水系統(tǒng)的回補特性又可能由于各種土地的利用(毀林、造林、種植農(nóng)作物、城鎮(zhèn)化用地)而發(fā)生改變。建壩、蓄水、河道流量調(diào)節(jié)、河道渠化、排水溝施工等進一步對地下水位造成影響。

在極端情況下，地下水位的降低，就完全切斷了源自下伏含水層的河流基流。河床和河岸的物理變化，也可能導致下伏含水層與河流基流的水源聯(lián)系。地表水－地下水交錯帶孔隙空間被泥沙或細菌生物膜阻隔，同樣也會減少地下水和地表水的水體交換。因此，在河流基流系統(tǒng)中，維護河岸濕地帶和地表水－地下水交錯帶的良好透水性，對維持正常水面和地下水交換及生態(tài)過程是至關重要的。

在降水量稀少的地區(qū)，許多河流有自然干涸的周期，一般在干燥雨少的生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)生得更為頻繁。由于氣候干燥且變化劇烈，造成人類用水的需求量節(jié)節(jié)攀升，尤其是灌溉農(nóng)業(yè)，許多旱地是通過大規(guī)模的調(diào)水方式直接將水輸至農(nóng)田來灌溉作物，或直接抽取地下水。以這種方式為灌溉取水，導致了世界范圍內(nèi)旱地河流的缺水和顯著的水文變化發(fā)生，包括美國、澳大利亞、西班牙和南非的河流和濕地在內(nèi)。

人類活動阻隔或抽取地下水，可能會延長具有旱地河流特征的零流量的自然周期，也可能會改變這一周期的起止時間。例如在新西蘭的南部島嶼，由于越來越大量地從地下抽取灌溉用水，對坎特伯雷平原上的塞爾溫(Waikirikiri)河下游造成了威脅。在過去的20a中，干涸河道的年平均長度每年增加0.6 km。這些干涸的河段成了埃爾斯米爾(Ellesmere)湖和塞爾溫河源頭之間魚類洄游的明顯障礙。雖然河流生物群具有適應和應對各自流域或地區(qū)天然流態(tài)變化能力，但在枯水期到來時，通過抽取地下水的方式調(diào)整過長枯水流量周期，就極有可能造成脆弱物種的消亡。這也可能意味著所有專性水生物種(魚類、軟體動物和許多無脊椎動物)都會滅絕，而只有那些處在休眠期的物種才能暫時幸存。

在北美洲，旱地河流不僅出現(xiàn)在沙漠地區(qū)，而且也出現(xiàn)在大平原上，并且橫跨整個北美洲大陸中部，形成北美洲第三大生態(tài)區(qū)。大平原是世界上生產(chǎn)價值最高、經(jīng)濟上最重要的農(nóng)業(yè)區(qū)之一，大約占全世界農(nóng)業(yè)總收成的25%。地下水為大平原河流的流量作出了重大貢獻，特別是在河源頭，并為水生生物群賴以生存的重要棲息地維持著生態(tài)基流和生態(tài)連通性。但為農(nóng)作物灌溉而大量開采地下水，造成地下水位明顯下降，導致河流棲息地破碎，致使西部大平原蒙受損失。例如，在西部大平原中，原產(chǎn)自美國普拉特河、阿肯色河和科羅拉多東部的里帕布利克河流域的37種本土魚種已大量減少，20種魚類中有的滅絕、有的瀕臨危險或者受到威脅，或者被列為科羅拉多河重點保護的物種。

鮭科魚(Salmonids)似乎對依賴于其產(chǎn)卵棲息地的地下水特別敏感。在丹麥的一條河流中，由于地下水開采，影響到鱒魚棲息地的原有生活狀況。虹鱒(斑鱒屬，現(xiàn)稱為大麻哈魚)，其出生前胚胎的存活率與河床泥沙顆粒尺寸組成無關，但與河床產(chǎn)卵區(qū)地下水的流速和水溶解氧濃度有關。在蘇格蘭的一條河流中，索爾斯比等人查驗了地表水－地下水交錯帶地下水與地表水的連通性，發(fā)現(xiàn)在地下水入流量增大的豐水期，當時實測到的氧含量較低，對大西洋鮭(斑鱒屬)產(chǎn)卵的成活率有一定的影響。

當抽取地下水的鉆孔太靠近河流時，往往會通過地表水－地下水的交錯帶加快地下水涌入地表水，這時可能引起河岸濕地帶水溫上升、溶解氧加大，透水率增強。富氧水的流入，也可能會使沉積的微生物群落從特別的厭氧變?yōu)楹醚酰矣捎诿摰^程實質(zhì)上是一種厭氧過程，可能導致硝酸鹽入河量增加，對河流水質(zhì)和生產(chǎn)能力造成較大的影響。

其他與地下水過程有關的水質(zhì)變化還包括水中含鹽度的上升，因為儲在土中的鹽份會集結(jié)在灌溉水中。過度使用這種灌溉水，加上去除深根性植物，可能會造成土壤鹽漬化，同時可能增大附近河流的含鹽量。由于地表水－地下水交錯帶和地面水生生物群不能適應高含鹽量的水，所以說高含鹽量是有不良影響的。在農(nóng)業(yè)區(qū)地下水養(yǎng)分含量也較高的地方(這種情況常見)，增大生態(tài)基流可能會導致富營養(yǎng)化及其他水質(zhì)問題。

當?shù)叵滤幌陆禃r，人們最為關注的是與地下水密切相關的生態(tài)系統(tǒng)，如果這時抬高地下水位，就能改變調(diào)入河流的基流系統(tǒng)的流態(tài)，從而產(chǎn)生生態(tài)效應。一種可能的結(jié)果是，在能適應非永久性和不斷變換環(huán)境中生活的物種，可能會被能適應固定利用水和棲息地的物種所取代。這些長期生存下來的物種，往往與流域或者生物區(qū)的環(huán)境不相容。

在一些沿海地區(qū)，通過地下水水井過量地抽取地下水，往往導致鹽水侵入到寶貴的淡水含水層中，在大洛杉磯的沿海地區(qū)，1/3的供水是目前冒著風險從鹽水入侵的局部地下水抽取而來。在湄公河三角洲，大約有200萬hm2的沿海農(nóng)田由于采用了深井進行地下水開采、導致鹽水下滲而影響到含水層。

7 結(jié)語

通過對與地下水相互依存的生態(tài)系統(tǒng)，以及地表水與地面水生生態(tài)系統(tǒng)連通性關系的分析，可得出如下結(jié)論。

(1)地表水與地下水相互依存的生態(tài)系統(tǒng)，不僅通過地下水流來聯(lián)系，而且還與地表水－地下水的交錯帶滲流帶、海洋上升流區(qū)、侵入帶和沙岸帶這些過渡區(qū)或與地面水生、河岸、陸地、河口和海洋生態(tài)系統(tǒng)密切關聯(lián)。

(2)地下水可能在河床以下數(shù)米，而整個分布范圍可能達數(shù)公里甚至更大。它們是隱藏在水中的水生生物棲息地。地下水的開采，會干擾和影響魚類棲息地的原有生活狀況。

(3)地下水是外界環(huán)境急劇變化時，魚類能作為舒適、至少能耐受的避難場所，因此應保護好地下水。

(4)人類活動對地下水有重要影響，包括抽取地下水作為灌溉、生活用水以及洗礦用水(這些水又滲透到地下水位以下);建壩、蓄水、河道流量調(diào)節(jié)、河流渠化、排水溝施工等也都會對地下水位造成影響，應引起高度重視。