大河三角洲營(yíng)養(yǎng)鹽研究進(jìn)展與啟示
——以阿斯旺建壩前后的尼羅河為例

顧家偉

(河南教育學(xué)院 地理系，河南 鄭州 450046)

0 引言

世界大河是陸源物質(zhì)與能量輸移至海洋系統(tǒng)的重要傳送帶[1].據(jù)估計(jì)全球河流每年由此進(jìn)入海洋的陸源物質(zhì)約200億噸[2].其中，N/P/Si營(yíng)養(yǎng)鹽、陸源無(wú)機(jī)碎屑和有機(jī)質(zhì)等成為維持海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[3].然而，這種自然的“陸-?！蔽镔|(zhì)傳送帶很容易受到人類活動(dòng)，特別是大型水利設(shè)施建設(shè)的干擾[4].其中，流域建壩導(dǎo)致的入海輸沙量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相應(yīng)減少，已經(jīng)對(duì)下游河口地區(qū)及鄰近海域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著負(fù)面影響[5].

尼羅河流域以獨(dú)特的干旱氣候背景和阿斯旺大壩(建于1964年)聞名于世，緊鄰地中海的三角洲地區(qū)，哺育了主要從事農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的埃及人民(>8 000萬(wàn)).20世紀(jì)中葉建壩后，埃及經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口激增，三角洲生態(tài)環(huán)境隨之惡化，特別是N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽肆意排放引發(fā)的一系列環(huán)境響應(yīng).近20年來(lái)，相關(guān)研究積累了眾多文獻(xiàn)資料，范圍涉及三角洲多個(gè)瀉湖水體和臨近海域[6].基于此，本文詳細(xì)梳理了阿斯旺大壩建成后尼羅河三角洲瀉湖和近海營(yíng)養(yǎng)鹽研究成果，并對(duì)我國(guó)三峽建壩與長(zhǎng)江河口生態(tài)環(huán)境響應(yīng)研究提出一些設(shè)想和建議.

1 尼羅河三角洲自然與社會(huì)條件

尼羅河發(fā)源于降水豐裕(1 000～2 000 mm·a-1)的赤道高原和埃塞俄比亞高原，蜿蜒于干旱的沙漠，最終由Rosetta 和 Damietta兩條支流注入地中海.埃及是尼羅河最后流經(jīng)地區(qū)，其稀少的降水(50～100 mm·a-1)使埃及極度依賴尼羅河河水，每年從阿斯旺大壩下泄55×109m3淡水，大多通過(guò)縱橫交錯(cuò)的水渠被引入三角洲農(nóng)田和沿海瀉湖[6]，最終注入地中海寥寥無(wú)幾[7].1960年之前尼羅河入海泥沙約1.6億噸，阿斯旺大壩建成后幾乎被截留(～98%)[7]，其后沿海地區(qū)遭受海洋侵蝕，埃及政府實(shí)施了多個(gè)護(hù)岸工程[8].埃及農(nóng)業(yè)主要集中在三角洲平原上，這里水渠縱橫交錯(cuò)，組成嚴(yán)密灌溉網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)大量農(nóng)業(yè)廢水也通過(guò)水渠排入Manzala、Burullus、Edku和Mariut 4大瀉湖[9].這些瀉湖自東向西分布于沿海地區(qū)，水深較淺(～1 m)，是埃及最重要的生物多樣性保護(hù)區(qū)，其魚產(chǎn)量占到埃及的一半[6].1964年阿斯旺大壩修建后，進(jìn)入下游地區(qū)泥沙驟減[7]，強(qiáng)烈改變了三角洲沉積環(huán)境.筆者前期利用同位素測(cè)量獲得瀉湖沉積速率從建壩前的0.5 cm·a-1降至建壩后0.27 cm·a-1[10]，進(jìn)一步印證了三角洲地區(qū)泥沙輸入減少，海岸保護(hù)工程實(shí)施后，瀉湖地區(qū)逐漸演變?yōu)榉€(wěn)定而緩慢的沉積環(huán)境.

2 尼羅河三角洲營(yíng)養(yǎng)鹽研究

2.1 尼羅河與瀉湖營(yíng)養(yǎng)鹽

19世紀(jì)的尼羅河流域經(jīng)常發(fā)生大洪水，伴隨巨量泥沙而下的N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽成為三角洲一年一度的天然肥源，埃及人也基于這種“恩澤”繁衍生息[6].然而，1964年阿斯旺大壩建成后，這種景象不復(fù)存在，大量泥沙蓄積上游水庫(kù)(圖1A)，每年沉積于三角洲泥沙由2 400萬(wàn)噸銳減到210萬(wàn)噸[7]，導(dǎo)致吸附于泥沙上的營(yíng)養(yǎng)鹽無(wú)法到達(dá)下游地區(qū)[11]，三角洲土壤開(kāi)始貧瘠化，這促使了化學(xué)肥料等的大規(guī)模使用.建壩后的近40年來(lái)，埃及化肥施用量激增，其中磷肥在1964—1970年使用量較為穩(wěn)定，其后每年增加約20萬(wàn)噸，1990年后開(kāi)始下降，而氮肥總體上呈線性增加趨勢(shì)(圖1B).

圖1 尼羅河三角洲營(yíng)養(yǎng)鹽和產(chǎn)魚量綜合圖(垂直虛線表征阿斯旺建壩年代)Fig.1 Nutrients and fishing load in the Nile Delta (the timing of AHD is denoted by the vertical dashed line)A.建壩后尼羅河水量與輸沙量曲線(據(jù)文獻(xiàn)[11]修改)；B.埃及化肥施用量變化(據(jù)文獻(xiàn)[12]修改)；C.埃及瀉湖產(chǎn)魚量變化(據(jù)文獻(xiàn)[12]修改)；D.瀉湖中N含量與產(chǎn)魚量變化(據(jù)文獻(xiàn)[13]修改)；E.四大瀉湖溶解有機(jī)氮(DIN)含量與產(chǎn)魚量的關(guān)系，其中菱形—Burullus、倒三角形—Edku、正方形—Manzala、圓圈—Mariut(據(jù)文獻(xiàn)[13]修改)；F.Mariut湖化肥輸入量與產(chǎn)魚量變化，實(shí)心圓—產(chǎn)魚量、空心圓—化肥輸入量(據(jù)文獻(xiàn)[13]修改)；G.瀉湖溶解氧含量變化(據(jù)文獻(xiàn)[14]修改)；H.瀉湖藻類生產(chǎn)力變化(據(jù)文獻(xiàn)[6]修改)

化肥大規(guī)模無(wú)節(jié)制使用增加了營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入量(N和P)，也大大超過(guò)了因阿斯旺建壩而“損失”的部分[12]，改變了三角洲水體的鹽度，造成了水體富營(yíng)養(yǎng)化.雖然埃及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域較為廣泛且分散，是典型的非點(diǎn)源污染，但是在三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)廢水被溝渠“收集”后，會(huì)以“點(diǎn)源污染”的方式注入瀉湖.據(jù)估計(jì)，埃及每年有4億m3的農(nóng)業(yè)廢水排入尼羅河及四大瀉湖[9].這些廢水含有較多的鹽類，導(dǎo)致了水體鹽度增加.有研究表明[9]，從阿斯旺大壩下泄的尼羅河水鹽度約為150 mg/L，到達(dá)開(kāi)羅附近增加到250 mg/L，最終到達(dá)三角洲北端和河口時(shí)會(huì)高達(dá)2 000～3 000 mg/L.進(jìn)入三角洲后，由于徑流分叉減少，城市生活污水、工業(yè)污水和農(nóng)業(yè)污水的加入，水質(zhì)惡化的情況尤為突出.

2.2 瀉湖營(yíng)養(yǎng)鹽與產(chǎn)魚量關(guān)系

1964年阿斯旺建壩后，三角洲瀉湖的產(chǎn)魚量大幅減少[13]，然而自1980年產(chǎn)魚量開(kāi)始逐漸恢復(fù)，且大大超過(guò)了建壩前的數(shù)值(圖1C).起初，人們對(duì)此現(xiàn)象無(wú)法理解，后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)建壩后瀉湖產(chǎn)魚量增加與水體N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽含量之間存在正相關(guān)關(guān)系(圖1D).然而，兩者關(guān)系并非人們猜想的那么簡(jiǎn)單[13-14].圖1E顯示了四大瀉湖單位面積產(chǎn)魚量與DIN(溶解有機(jī)氮)的關(guān)系，圖中顯示Manzala、Burullus、Edku湖泊單位產(chǎn)魚量與DIN呈大致正相關(guān)，這表明瀉湖N、P營(yíng)養(yǎng)鹽輸入增加起初極大地促進(jìn)了湖泊產(chǎn)魚量；Mariut湖DIN遠(yuǎn)比前三個(gè)湖泊高，而產(chǎn)魚量隨著DIN含量增加而迅速下降，表明N、P含量達(dá)到一定閾值后可能對(duì)湖泊魚類繁殖產(chǎn)生反作用力，圖中顯示這個(gè)DIN閥值為～100 μmol/L(圖1E).實(shí)際上，建壩前Mariut湖產(chǎn)魚量一直較為穩(wěn)定，建壩后隨著化肥施用量增加產(chǎn)魚量也隨之增加，但至20世紀(jì)80年代產(chǎn)魚量到達(dá)峰值后迅速降低(圖1F)，這應(yīng)該與營(yíng)養(yǎng)鹽輸入(包括附近亞歷山大市的廢水排放)超過(guò)閾值而產(chǎn)生的抑制效應(yīng)有關(guān)[13].與此同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)瀉湖水體溶解氧含量在1950—1995年間呈逐漸降低趨勢(shì)(圖1G)，這可能是由瀉湖N、P輸入過(guò)量水體富營(yíng)養(yǎng)化，藻類大量繁殖所致[6](圖1H).

3 埃及近海區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽研究

地中海是一個(gè)較封閉的萎縮性海域，由于周邊淡水輸入量少，地中海呈現(xiàn)出“高鹽度、低營(yíng)養(yǎng)”特征[15]，因此也被稱作“大洋沙漠”.尼羅河是注入地中海的最大河流.阿斯旺建壩前，隨洪水而下的營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)埃及近海生物群落的生長(zhǎng)繁殖極其重要[6].1964年建壩后，N、P和Si入海輸入量驟降(圖2A, B)，導(dǎo)致近海PPR(初級(jí)生產(chǎn)力: Primary Productivity Rate)降低(圖2B)，產(chǎn)魚量也隨之銳減(圖2C).后來(lái)，埃及大規(guī)模施用化肥(圖2C).雖然20世紀(jì)80年代后期磷肥施用量明顯下降，而氮肥施用量依然在上升(圖2B)，這導(dǎo)致了輸入地中海的營(yíng)養(yǎng)鹽比例失衡(圖2D)，N∶P比值升高(N∶P=19[15])，超過(guò)了正常藻類生長(zhǎng)的所需條件(N∶P=16[17])(圖3H)，埃及地中海海域出現(xiàn)了“P限制”(圖2E).建壩后，PPR隨著N、P輸入增加而迅速升高(圖2B)，且PPR與P施用量呈現(xiàn)出極好的線性正相關(guān)，這也側(cè)面證明了埃及近海水體出現(xiàn)了P限制現(xiàn)象(圖2E).Tyrrell研究表明[18]，世界80%的水體都受到P限制影響，這是由于當(dāng)水體中的N被消耗而減少時(shí)，上層水中的藻類可以利用空氣中的N，藻類死亡或被魚類食用排泄分解后，這部分N便可以轉(zhuǎn)化成水體中DIN，以彌補(bǔ)損失，然而空氣中沒(méi)有P儲(chǔ)備，水中的DIP被消耗掉后也就無(wú)法補(bǔ)充了.另外，圖2B顯示建壩后Si的輸入量雖驟降，但其后長(zhǎng)期沒(méi)有明顯變化，原因是Si主要來(lái)源于陸源碎屑，而建壩后泥沙劇減，后期雖然化肥施用量增加，但是入海泥沙沒(méi)有增加.

4 尼羅河三角洲營(yíng)養(yǎng)鹽研究對(duì)我國(guó)長(zhǎng)江的啟示

流域建壩已成為現(xiàn)今很多發(fā)展中國(guó)家獲取廉價(jià)電力的主要途徑，例如截至2000年，我國(guó)長(zhǎng)江流域修建了超過(guò)50 000座水壩，總庫(kù)容約為200×109m3，相當(dāng)于長(zhǎng)江年徑流量的22%[19].特別是2003年長(zhǎng)江三峽建壩后，來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生改變，對(duì)下游三角洲及東海的水文地貌、生態(tài)效應(yīng)影響深遠(yuǎn)[20-21].目前，對(duì)長(zhǎng)江干流、三峽水庫(kù)和長(zhǎng)江口已經(jīng)做了大量的工作，對(duì)于相關(guān)營(yíng)養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)過(guò)程及長(zhǎng)江口的生態(tài)環(huán)境演化，現(xiàn)在已有較為清晰的認(rèn)識(shí)，且研究的深度和廣度都較尼羅河三角洲要豐富得多.然而，國(guó)外科學(xué)家在尼羅河的相關(guān)研究，仍可以為我們提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)，因此，為深入認(rèn)識(shí)我國(guó)三峽建壩與下游環(huán)境響應(yīng)過(guò)程，筆者認(rèn)為以下幾方面應(yīng)予以進(jìn)一步關(guān)注.

圖2 埃及近海營(yíng)養(yǎng)鹽和環(huán)境響應(yīng)綜合圖(垂直虛線表征阿斯旺建壩年代)Fig.2 Nutrients and environmental responses in the adjacent sea of Egypt (the timing of AHD is denoted by the vertical dashed line)A.尼羅河入海營(yíng)養(yǎng)鹽N、P通量變化(數(shù)據(jù)來(lái)源文獻(xiàn)[16])；B.尼羅河入海Si通量與近海初級(jí)生產(chǎn)力(數(shù)據(jù)來(lái)源文獻(xiàn)[16])；C.埃及近?；瘦斎肓颗c產(chǎn)魚量變化(據(jù)文獻(xiàn)[15]修改)；D.埃及近海營(yíng)養(yǎng)鹽比值變化(數(shù)據(jù)來(lái)源文獻(xiàn)[16])；E.埃及近海的P限制(數(shù)據(jù)來(lái)源文獻(xiàn)[15])；F.世界大河與湖泊水體的N:P比值散點(diǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[17]修改)

4.1 水庫(kù)蓄積效應(yīng)研究

三峽大壩與阿斯旺大壩不同，它“攔沙不攔水”[22]，三峽水庫(kù)淤積率一般在60%～70%[23]，而建壩后入海流量沒(méi)有明顯減少.營(yíng)養(yǎng)鹽要素N、P和Si在固—液兩相中的賦存形態(tài)和含量差異較大[24]，因此水庫(kù)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的滯留效應(yīng)不同.因此，從入庫(kù)、出庫(kù)和水庫(kù)(內(nèi))沉積、水庫(kù)內(nèi)部物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程等角度來(lái)分析建壩對(duì)河流物質(zhì)通量和組成的影響尤其重要，但目前這方面研究較為薄弱.另外，宜昌以下長(zhǎng)江干流并無(wú)大壩，而兩湖地區(qū)可能向長(zhǎng)江輸送大量營(yíng)養(yǎng)鹽，如何剝離這部分而科學(xué)評(píng)估大壩效應(yīng)，也是今后的研究課題.

4.2 河口營(yíng)養(yǎng)鹽研究

建壩改變了入海物質(zhì)通量與組成，導(dǎo)致河口水體性質(zhì)(溫度、濁度、鹽度、pH值等)發(fā)生變化.在這種背景下，營(yíng)養(yǎng)鹽的分布規(guī)律與擴(kuò)散方式發(fā)生改變，今后應(yīng)繼續(xù)這方面研究，特別是對(duì)與初級(jí)生產(chǎn)力關(guān)系密切的溶解無(wú)機(jī)態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的含量監(jiān)測(cè).

4.3 河口近海生態(tài)健康研究

近些年，由于流域建壩對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的“選擇性”攔截，以及中下游的過(guò)量“補(bǔ)充”(類似埃及阿斯旺大壩)，長(zhǎng)江入海營(yíng)養(yǎng)鹽比例失衡，河口與近海也出現(xiàn)了“P限制”和“Si限制”[5, 20]，這對(duì)藻類繁殖產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響.例如，Li等[21]研究發(fā)現(xiàn)由于入海溶解硅通量減少，導(dǎo)致了長(zhǎng)江口硅藻優(yōu)勢(shì)種向有毒鞭毛藻轉(zhuǎn)變.Zhou等[25]也發(fā)現(xiàn)近些年長(zhǎng)江口和近海海域有毒藻類的赤潮爆發(fā)頻率與范圍強(qiáng)度都有逐漸增加的趨勢(shì).因此，今后應(yīng)加強(qiáng)長(zhǎng)江口的藻類和魚類等生物種群、數(shù)量和結(jié)構(gòu)的變化檢測(cè)，這對(duì)維持河口—海洋生態(tài)系統(tǒng)健康和保障魚類(舟山漁場(chǎng)等)生產(chǎn)安全更具現(xiàn)實(shí)意義.

致謝：作者感謝埃及Kafrelsheikh大學(xué)的Mena Mohamed Essam博士提供的大量文獻(xiàn)資料以及在Burullus湖考察期間的幫助；同時(shí)感謝澳大利亞墨爾本大學(xué)Brian Finlayson教授提出的寶貴修改意見(jiàn).