水生態(tài)分區(qū)管理國際經(jīng)驗與太湖流域應(yīng)用研究

常聞捷，龔利雪，陸嘉昂，馮彬，孫潔麗

(1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院, 江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗室, 江蘇 南京 210036; 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 江蘇 南京 210098)

近一個世紀(jì)以來，全球淡水生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重威脅，水體污染、河流閘控、棲息地退化、土地利用等因素導(dǎo)致淡水生物面臨巨大風(fēng)險。近年來，我國淡水生物也表現(xiàn)出退化趨勢，白鰭豚、江豚和中華鱘等物種已滅絕或瀕臨滅絕。經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長與水環(huán)境治理不協(xié)調(diào)是導(dǎo)致淡水生態(tài)系統(tǒng)變化的主要因素。

長期以來我國以地表水環(huán)境功能區(qū)、地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的水環(huán)境管理方式發(fā)揮了重要作用，但在現(xiàn)階段表現(xiàn)出一定的局限性，它僅關(guān)注水體的使用功能及水化學(xué)指標(biāo)，忽略了對生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。以生態(tài)系統(tǒng)健康為目標(biāo)的水環(huán)境管理逐漸成為共識。水質(zhì)管理中的化學(xué)指標(biāo)表征的是瞬時環(huán)境質(zhì)量，其數(shù)值受溫度、水量、風(fēng)力等因素影響較大，具有偶然性；而水生生物的群落結(jié)構(gòu)表征的是長期綜合質(zhì)量，反映的是更長期的化學(xué)品污染、物理生境喪失、外來物種入侵、河岸帶植被破壞、水資源過量消耗等信息。因此，水生態(tài)綜合評價在一定程度上較水質(zhì)評價更具有代表性，也更能準(zhǔn)確衡量較長時間背景下的水體污染程度。因此需要一套針對水生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)劃體系，不僅可以指導(dǎo)水質(zhì)管理，而且能夠反映水生生物及其自然生活環(huán)境的特征[1]。作為水生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境管理的基本單元，水生態(tài)區(qū)不僅包含了當(dāng)前階段水質(zhì)目標(biāo)管理這一重要手段，更強(qiáng)調(diào)了對水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的保護(hù)[2]，體現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)空間特征的差異，可以實(shí)現(xiàn)水陸一體化統(tǒng)籌管理。

1 國外水生態(tài)區(qū)的發(fā)展歷程

1.1 美國水生態(tài)區(qū)研究與發(fā)展

1987年美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)Omernik[3]提出了水生態(tài)區(qū)的概念，即具有相對同質(zhì)的淡水生態(tài)系統(tǒng)或生物體及其與環(huán)境相關(guān)的土地單元，同時運(yùn)用生態(tài)群落具有的內(nèi)在因果關(guān)系，創(chuàng)新性地使用土地利用、地形、自然植被類型和土壤類型4個指標(biāo)劃分各個級別的生態(tài)區(qū)，揭示不同層次水生態(tài)系統(tǒng)的差異并提出生態(tài)區(qū)劃方案。之后世界自然基金會組織劃分了全球淡水生態(tài)分區(qū)，以保護(hù)生物多樣性為目標(biāo)，根據(jù)不同地區(qū)具有的相似環(huán)境條件、生境結(jié)構(gòu)、群體結(jié)構(gòu)和物種適應(yīng)性的群落劃分每個區(qū)域的主要棲息地類型，并對每個棲息地按照危急或瀕危、脆弱、相對穩(wěn)定或完整進(jìn)行分類。以幫助各地區(qū)更好地認(rèn)識和減輕土地使用類型變化的影響，或放棄特別敏感的生態(tài)區(qū)域的發(fā)展活動，保護(hù)生物多樣性。美國的生態(tài)區(qū)劃在時間、研究深度、應(yīng)用情況等方面均領(lǐng)先其他國家。

1.2 歐洲水生態(tài)區(qū)研究與發(fā)展

《歐盟水框架指令》(WFD)是第一個為地表水制定基于水生生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量目標(biāo)的大尺度框架，其方案源于1978年Illies[4]發(fā)布的歐洲水生態(tài)分區(qū)，該分區(qū)以水生無脊椎動物分布的差異性，將歐洲劃分為25個河流湖泊生態(tài)區(qū)。荷蘭學(xué)者Klijin[5]采用氣候、地形、植被、陸地和水生生物等作為分類特征指標(biāo)，將荷蘭分為37個二級生態(tài)區(qū)。2007年Schroeder等[6]依據(jù)歐洲苔蘚調(diào)查的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對德國不同年份共計2 646個點(diǎn)位的苔蘚樣本進(jìn)行多金屬含量分析，利用自然植被、高程、土壤質(zhì)地、氣候等地表資料，采用分類回歸樹方法最終將德國劃分為21個生態(tài)區(qū)。希臘學(xué)者Zogaris[7]研究了希臘及其鄰近巴爾干國家的WFD生態(tài)區(qū)邊界，對23個流域魚類組合進(jìn)行分類和排序分析，確定水生生物群落擴(kuò)散的主要生物地理屏障，劃分了本區(qū)域可描述淡水物種區(qū)系分布的生態(tài)區(qū)，并指出需要對WFD生態(tài)區(qū)邊界進(jìn)行調(diào)整，以使歐洲生態(tài)區(qū)劃可有效服務(wù)于水生態(tài)系統(tǒng)研究和水環(huán)境管理。國外水生態(tài)分區(qū)開展情況見表1。

表1 國外水生態(tài)分區(qū)開展情況

2 國外水生態(tài)區(qū)的主要應(yīng)用

2.1 基于水生態(tài)區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)庫

美國針對各水生態(tài)區(qū)分別建立了詳細(xì)的自然地理、野生動物、本土植物等各類數(shù)據(jù)庫。明尼蘇達(dá)州依據(jù)湖泊面積、深度和堿度等物理和化學(xué)特征對湖泊進(jìn)行分組，并將湖泊的清澈度值與生態(tài)區(qū)、縣、小流域和集水區(qū)的土地覆蓋變量聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)湖泊清澈度與農(nóng)業(yè)或者城市土地面積變化存在相關(guān)關(guān)系，建立基于水生態(tài)分區(qū)的水質(zhì)清澈度數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫涵蓋了從1985—2005年20年的時間跨度，以水體透明度為指標(biāo)對10 500多個湖泊進(jìn)行基于地球資源衛(wèi)星的水質(zhì)清澈度估算[8]。

2.2 基于水生態(tài)區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定

水生態(tài)區(qū)的應(yīng)用多集中于制定基于不同水生態(tài)分區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及完善標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)體系等方面。俄亥俄州[9]發(fā)現(xiàn)單一的水化學(xué)指標(biāo)難以起到保護(hù)和恢復(fù)地表水生物完整性的作用，因此將河流生物指標(biāo)作為該州水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的一部分。20世紀(jì)80年代末，明尼蘇達(dá)州基于生態(tài)區(qū)制定了由北向南湖泊的不同磷標(biāo)準(zhǔn)，以滿足湖泊區(qū)域差異保護(hù)的要求，這些標(biāo)準(zhǔn)已被《清潔水法》用來規(guī)定營養(yǎng)不良湖泊的閾值，并正在作為湖泊標(biāo)準(zhǔn)加以改進(jìn)。

2.3 基于水生態(tài)區(qū)的河流監(jiān)測及水體健康評價

在河流監(jiān)測及水環(huán)境評價中，水生態(tài)區(qū)是選擇參照系的有效單元。美國愛荷華州以水生態(tài)區(qū)作為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的依據(jù)，劃分長久監(jiān)測點(diǎn)位，評估水資源狀況，并確定了地表水環(huán)境監(jiān)測因子。Hoos等[10]利用水生態(tài)區(qū)研究流域內(nèi)進(jìn)入環(huán)境和影響向水體輸送氮的含量和時間的環(huán)境特征，模擬預(yù)測河道內(nèi)的氮負(fù)荷及影響氮遷移的控制因素。2013年美國依據(jù)馬里蘭州長期生物調(diào)查[11]，利用2級和3級河流描述營養(yǎng)景觀特征與總氮、總磷之間的關(guān)系，從而預(yù)測美國Ⅱ級和Ⅲ級水生態(tài)區(qū)的水質(zhì)特征。2007年美國對湖泊進(jìn)行全國性評估(NLA)時，以生態(tài)區(qū)為基礎(chǔ)定義了5個分區(qū)，提供環(huán)境變量和人類影響的基礎(chǔ)資料，最終確定了美國東北地區(qū)的參考湖泊。

2.4 基于水生態(tài)區(qū)的濕地修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)及保護(hù)水生生物多樣性

水生態(tài)區(qū)在描述濕地特征以及評價人類活動對濕地的影響方面具有重要作用。1996年Bedford[12]指出水生態(tài)區(qū)是建立大尺度濕地評判標(biāo)準(zhǔn)的適宜單元，在制定評判水文等值的準(zhǔn)則時，把尺度由個別濕地項目擴(kuò)大至更廣闊的范圍，決策者才能夠評估具體修復(fù)措施對大規(guī)模濕地多樣性格局的潛在累積影響。2006年Mccreadie等[13]發(fā)現(xiàn)黑蠅幼蟲的組合形式與生態(tài)區(qū)分布具有明顯的相關(guān)性，即相鄰但不同的生態(tài)區(qū)具有不同的水生動物類群，因此可以對不同生態(tài)區(qū)的水生昆蟲類型進(jìn)行預(yù)測。Glover[14]認(rèn)為水生態(tài)分區(qū)對魚類體內(nèi)汞含量具有重要的影響，不同生態(tài)區(qū)的土地利用和水化學(xué)指標(biāo)導(dǎo)致不同水體類型中魚類汞含量的差異。

2.5 基于水生態(tài)區(qū)評估水體的生態(tài)狀況

歐洲以水生態(tài)區(qū)作為確定河流水體參考條件的基礎(chǔ)開展淡水生態(tài)系統(tǒng)評估，從而確定以生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)為目標(biāo)的淡水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)原則。Moog等[15]基于奧地利海拔、地質(zhì)和河流類型的考慮，將河流景觀類型和主要地表水類型的先驗類型與多元分析結(jié)果相結(jié)合，分析相對較大的生態(tài)區(qū)之間的物種組成，建立了奧地利15個較小的生物河流區(qū)，用于評估水體的生態(tài)狀況。

3 太湖流域水生態(tài)功能分區(qū)研究

“十一五”以來，高永年和高俊峰等[16]提出了太湖流域水生態(tài)功能分區(qū)的理論和技術(shù)體系，并劃分了太湖流域的三級分區(qū)方案。一級分區(qū)以河網(wǎng)密度及地面高程作為分區(qū)指標(biāo)，將太湖流域分為西部丘陵河流生態(tài)區(qū)和東部平原河流湖泊水生態(tài)區(qū)2個分區(qū)，體現(xiàn)太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)中的生物群落及生物種群的差異性。二級分區(qū)將建設(shè)用地面積比、耕地面積比、土壤類型及坡度作為指標(biāo)，在一級分區(qū)的基礎(chǔ)上將太湖流域分為5個生境水生態(tài)亞區(qū)，目的在于體現(xiàn)太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性及完整性的空間差異，突出湖體的重要性原則。三級分區(qū)以底棲動物、葉綠素、水體流速、特征指示物種比例、水生生物生境等為分區(qū)指標(biāo)，將二級分區(qū)進(jìn)一步分為21個功能區(qū)，體現(xiàn)太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)支持和調(diào)節(jié)等維持功能的差異性。為太湖流域制定總量控制目標(biāo)、污染控制措施、環(huán)保準(zhǔn)入條件、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)修復(fù)與保護(hù)等流域水環(huán)境分類管理提供了新的模式和基本單元。

“十二五”期間，江蘇省結(jié)合太湖流域三級分區(qū)研究成果，以流域水文、水質(zhì)、水生態(tài)健康狀態(tài)、物種分布等流域水生態(tài)系統(tǒng)空間特征差異為基礎(chǔ)，在保證小流域完整性的同時，兼顧行政區(qū)域的完整性，研究劃定了49個(陸域43個、水域6個)分區(qū)，明確了49個分區(qū)的生態(tài)與服務(wù)功能，設(shè)定了生態(tài)I級區(qū)—IV級區(qū)4個等級，并分別制定了差異化的生態(tài)環(huán)境、空間管控、物種保護(hù)三大類管理目標(biāo)，最終形成的《江蘇省太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃(試行)》獲得江蘇省政府批復(fù)[17]。

執(zhí)行地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃是當(dāng)前江蘇省水環(huán)境管理的主要手段，但存在一定的局限性。而水生態(tài)區(qū)不僅可以指導(dǎo)水質(zhì)目標(biāo)管理，且能夠反映水生態(tài)系統(tǒng)的健康程度與空間特征差異，其根本目的是使水環(huán)境管理從水質(zhì)目標(biāo)管理向水生態(tài)健康管理拓展，從水體的使用功能保護(hù)逐步過渡到對水生態(tài)系統(tǒng)功能的保護(hù)。

4 太湖流域水生態(tài)區(qū)管理應(yīng)用研究建議

結(jié)合國外研究應(yīng)用情況，以及水生態(tài)區(qū)在太湖流域的實(shí)踐成果，建議重點(diǎn)從水生態(tài)區(qū)試點(diǎn)考核、監(jiān)測、評價、修復(fù)等具體操作層面開展應(yīng)用研究。

(1)開展基于水生態(tài)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)性監(jiān)測。水生態(tài)區(qū)的應(yīng)用依賴于水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和長時期監(jiān)測數(shù)據(jù)的支撐。國內(nèi)對于水生生物的系統(tǒng)監(jiān)測開展較晚，大多限于科研人員的研究，在采樣標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測方法、評價方式、質(zhì)量控制等方面尚未有統(tǒng)一的規(guī)范，加之監(jiān)測部門生態(tài)監(jiān)測技術(shù)水平參差不齊，傳統(tǒng)監(jiān)測方法不同人員的分析差異大且周期長，難以長期有效地開展水生態(tài)監(jiān)測工作，因此開發(fā)快速生物監(jiān)測方法、確定相應(yīng)的監(jiān)測技術(shù)規(guī)程、明確監(jiān)測指標(biāo)、優(yōu)化現(xiàn)行監(jiān)測布點(diǎn)、建立太湖流域基于水生態(tài)區(qū)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系對水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與保護(hù)至關(guān)重要。

(2)推進(jìn)太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)管理考核試點(diǎn)工作。地表水環(huán)境功能區(qū)劃、“水十條”等政策法規(guī)執(zhí)行過程中均制定了考核辦法以約束地方政府圍繞考核目標(biāo)定期開展考核任務(wù)與評價。在太湖流域開展水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)管理考核試點(diǎn)工作具有重要意義，在考核中發(fā)現(xiàn)長期以來不同分區(qū)水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)存在的問題，以便提出切實(shí)可行的方案恢復(fù)水質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)，也為推進(jìn)以水生態(tài)系統(tǒng)健康為導(dǎo)向的水環(huán)境管理制度提供抓手。

(3)構(gòu)建以水生態(tài)健康、水生態(tài)區(qū)為核心的管控實(shí)施策略。需要研判不同分區(qū)水生態(tài)環(huán)境存在的問題，長期持續(xù)開展太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)考核與評估，針對分區(qū)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)、土地利用現(xiàn)狀、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提出相應(yīng)的管控措施以達(dá)到考核目標(biāo)要求，針對不同區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)差異，遴選不同的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)，以水生態(tài)健康、水生態(tài)環(huán)境功能區(qū)為核心，為水生態(tài)功能的系統(tǒng)修復(fù)與保護(hù)提供策略依據(jù)。