三峡库区消落带环境治理和生态恢复的研究现状与进展

熊 俊 袁 喜 梅朋森 张丽萍 许文年 黄应平

(三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心,湖北宜昌 443002)

消落带是指水库季节性水位涨落使库区被淹没土地周期性出露于水面的区域[1].三峡水库175 m蓄水运行后,消落区全面形成,原陆生生态环境发生变化,导致了一系列生态环境问题,直接影响和危害三峡水库生态与环境安全,影响到社会经济的可持续发展[2].近年来,随着人们对生态环境的重视,库区消落带环境的治理得到逐步的实现,其中,植被生态恢复技术受人们热切的关注,筛选适合当地的生态植被能起到减污截污、防止水土流失、美化环境等作用.本文以三峡库区为例,综述了当前国内外消落带环境问题和生态恢复的研究现状与进展,并对三峡库区今后生态环境的研究与治理热点作出了展望.

1 三峡库区消落带特征

1.1 三峡库区消落带的形成

库区消落带是因为水利工程防洪发电的需要而调节水位消涨,在水库四周和河道两岸所形成的涨水期间最高水位线与枯水期间最低水位线之间的水面消落区域.以三峡库区为例,水库建成完工后,根据拟定的“蓄清排浊”的运行方案,即在每年汛期(6～9月),将水库水位降至最低的145m,汛期后(10月)开始蓄水,一般在10月底至11月上旬蓄水到最高水位175m,并保持到12月,然后水位又开始逐步回落,次年的1～4月降到156 m,至5月底降到145 m,这样一年内在三峡库区就形成垂直落差达30 m的水库消落带[3],如图1所示.由于人为的调节,使得三峡库区水位的变化与自然情况下的水位变化成相反状态,由原来的冬枯夏洪到现在的冬洪夏枯的现象,库区消落带的生态环境与建库前形成了极大的反差.

图1 三峡水库蓄水前后水位变化比较

1.2 三峡库区消落带的环境问题

消落带形成后会带来一系列的生态环境问题,如形成岸边污染带,水陆交叉区的环境污染,可能诱发流行性病情、疫情,对土壤的重力侵蚀和冲刷作用,环境地质灾害,植物多样性及生态系统受损问题,其中,形成水陆交叉区、植物生物多样性减少和诱发环境地质灾害等问题显得尤为严重.

三峡工程完成后,每年库区退水都会有许多漂浮物包括水体中动植物尸体滞留在水库消落带,如没有对应的预防措施,水库消落带将变成垃圾带,影响水库消落带的景观效果[4-5].王晓荣[6]研究表明:消落带内全磷、全钾、有效磷和速效钾含量增加,说明水淹和清库等人为活动对土壤母质风化影响严重,导致消落带内土壤磷和钾含量增高,而速效钾在水淹后则大量流失.生活垃圾和残留的化肥、农药、农作物残体及其它固体废弃物由于缺乏人工消落带固有植被群落的拦截和吸收,直接进入水库水体,造成水质污染,导致水体的富营养化.自2003年三峡水库蓄水运行以来,富营养化问题突出,支流水华频发,三峡库区已先后监测到分别以隐藻、硅藻、甲藻、绿藻和蓝藻为优势种群的5种类型水华,主要原因是库区土壤大量氮、磷的存在以及面源污染趋于严重,以2004、2005年均值计,来自面源的CODMn、N、P负荷为58.6、33.8、1.0万吨,分别占总污染负荷的 70.8%、60.6%、74.9%[7-8].加上三峡库区自然环境条件脆弱、土地利用不合理和耕作管理技术落后等问题使得库区出现大量水土流失,生物多样性减少.

水库蓄水运行后,消落带原来的陆生生态系统演变为季节性湿地生态系统:一方面会出现一些新的物种或发生物种变异;另一方面更重要的是原来适应陆生环境生长的物种尤其是植物物种将逐步消亡,而适应水生环境生长的物种又因消落带的季节性出露水面而成活率低.整个消落带的植物种类将较以前的陆生环境大为减少,生态系统结构和功能简化,生态系统稳定性降低,脆弱性增强.研究表明:三峡库区蓄水175m后,直接淹没植物有120科358属550种,145 m以下植物被永久性淹没将全部死亡.其中,巫溪叶底珠(Securinegawuxiensis)和荷叶铁线蕨(Adi antumreniforme)是世界上仅三峡库区有分布的特有群落,其绝大多数生境被淹没[9-10].

消落带土体高水位长期浸泡,将使岩土内部应力及物理、化学性能发生显著变化,除加剧老滑坡和老崩塌危险区的复活外,还会产生某些新的滑坡及崩塌.一些原本稳定的斜坡和冲沟,由于库岸变形失稳将发展成为新的泥石流沟.库区很多移民都是就近靠山安置,势必开采和利用周围的土地资源,造成水土流失和库区两边山体生态环境的破坏[11-13].最后,消落带植被稀少且零星散布,基岩大量裸露,局部淤泥、沼泽化,漂浮物大量淤落,让消落带变成似“荒漠化”或“垃圾带”一样的景观.此外,航运船舶污染、酸雨污染、土壤侵蚀和库岸掏蚀作用加强、加剧水土流失、水文、水力学因子变化导致生物多样性受损等环境问题也逐渐成为人们关注的问题[14-15].

综上所述,水库水位的涨落交替和长期的蓄水浸泡,消落带原有植被及其它生物群落逐渐丧失,如果得不到及时的人工植被重建和生态恢复,将造成消落带内寸草不生,带来更为严重的环境灾害,因此,人们应该综合考虑生态和经济效益,因地制宜地对三峡水库消落带环境进行有效的治理.

2 三峡库区消落带植被生态恢复研究现状

三峡库区自蓄水以来,人们针对其带来的一系列生态环境问题做了相应的预防和保护措施.加强消落带土地资源管理,合理利用消落带的土地资源,开展消落带土地利用适宜性评价,梯度开发,建设生态屏障带,建立消落带开发统一管理体制,完善政策制度,加大生态保护投入,建立基于3S技术的消落带生态环境问题监测预警系统,研究开发消落带污染的生物修复新技术[16-17];制定消落带生态环境保护与利用规划,划分功能区(如水质保护区、河湾段的生态渔业区、开阔河滩段的季节性种植区、陡峭消落带地段的禁垦区、失稳库岸段尤其是城镇地段)、优化土地利用政策、调整农村产业结构等.其中,植被生态工程是现在治理消落带生态环境问题比较有效技术之一,目前,它广泛的被应用于滨水城市的护坡工作和部分库区消落带的植被恢复工作当中,并取得了很好的效果.

2.1 边坡稳固技术的研究

国内消落带治理技术起步较晚,加上消落带问题的特殊性,治理起来也比较困难.如任雪梅等[18]从理论上探讨了库区消落带植被生态工程构建的可能性,但这种可能性只是建立在具有土质且坡度较缓的边坡上,至于岩质边坡且坡度较大的区域则无能为力.因为植被的生长需要一定的土壤和营养成分,如果所处的环境是较陡的岩质边坡,更不利于土壤的留存和植被的生长,种子也难以发芽[19].随着人们对边坡防护技术的逐步探索,国内已呈现出许多边坡绿化技术,就岩质边坡生态特点而言,经过实践检验的最适宜方法是植被混凝土护坡绿化技术和厚层基材喷射植被护坡技术.这两种方法分别为三峡大学、西南交通大学的专利技术,两者的差别在于其外在添加剂的不同,这也是两种技术各自的核心[20].当前这种技术在国内已大面积推广,人们可以应用该技术原理来进行库区消落带的生态恢复,如图2所示[21].通过对植被混凝土护坡绿化技术和厚层基材喷射植被护坡技术进行技术改进,也可以更加丰富其用于消落带的生态恢复,如可以在物种的选择上加入一些灌木、花等使绿化景观不再单一,同时,对物种的搭配及排列进行适宜的调整,使边坡达到更好的景观效果及生态恢复功能,也可以在选择上多考虑本地的物种,如中华蚊母和疏花水柏枝,荷叶铁线蕨,以有效防止外来物种入侵和提高边坡的稳定性.

图2 消落带生态植被构建示意图

2.2 生态植被筛选技术的研究

筛选适宜在消落带生长的物种是植被恢复和重建的基础.根据三峡水库消落带水位节律、生境特点及其功能,在物种选择时,应考虑以下因素:(1)以选择水陆两栖生长的本地物种为主,生长节律与库区未来水分节律尽量一致;(2)具有好的耐淹性能,退水后能够很快的恢复生长能力;(3)具有发达的根系,固土效果好;(4)减污截污的能力强,能有效地拦截流向水体的有害化学物质和氮、磷等其他物质;(5)具有一定的植被景观效果.

植物是生态系统的生产者,为整个系统提供物质能量来源,是系统稳定的基础.植树种草,增加植被覆盖是非常有效地优化消落带生态环境的一种方式,如果能够充分利用植物功能,构建合理的生态屏障,对消落带的环境优化将起到积极得作用.其中,被引种到工程地带进行边坡绿化和护坡常用的植物,如香根草.香根草(Vetiveria zizantoides),英文名为Vetiver,又名岩兰草,为禾本科香根草属多年生粗壮草本植物.香根草生存能力极强,能耐高低温、耐淹、耐旱、耐瘠、耐酸碱等极限条件,更重要的是它根系发达,具有极强的水土保持能力和重金属等污染物的消减能力,因此,被广泛用于消落带等水土流失比较严重的地方[22-25].除了香根草外,禾本科多年生草本植物芦苇在防止水土流失、重金属污染、水体富营养化、垃圾渗漏液污染、固体废弃物污染和藻类爆发等问题上也具有广泛的应用前景[26-27].除此之外,马跃[28]经过相关研究筛选出适宜库区消落带的八种植物,它们分别是:南川柳、秋花柳、枫杨、长叶水麻、小梾木、杭子稍、甜根子草和卡开芦.

生态植被的构建要经过合理的物种搭配,正确的物种搭配构建生态屏障所取得的环境效益要远超过与单种植被[29].张光富,王剑伟等[30]人通过对三峡库区开县植被物种的调查,提出了一套物种搭配模式:在180m以上构建复合农林生态系统带;在175～180 m之间构建防护林带;在174～175m之间构建耐水湿植物带;在172～174 m之间构建水生植物带.其中,在175～180 m带可种植池杉、落羽杉、水杉、枫杨、垂柳、意杨等耐水湿乔木,或刺槐、黄葛树、构树等当地适应性强的树种,以及水麻、插田泡、地桃花、红花锦鸡儿等灌木或慈竹等竹类.草本可种植斑茅、拂子茅、荻、水芹、野芋等根系发达并耐水湿的种类.藤本可种野葛、过江藤、地瓜、爬山虎、中华常春藤等种类.

消落带生态植被应该是适应消落带环境特征的物种,而且能够在冬淹夏旱的条件下生存,在保证植物成活的前提下,可以在引进的植物种类和配比上多加考虑以提高当地物种多样性,还可以选择一些当地濒危的物种做生态植被来加强对其保护.其次,种植一些根系发达且容易成活的物种来加强土壤对水流的冲刷力可以起到保持水土的作用,实施消落带植被生态工程最重要的是发挥植被的减灾功能,加固库岸的稳定,使库区能够顺利地运作.另外,净化环境,保持水库的水质也是植被生态工程的一个重点,因为库区的水资源是维持库区居民的生产生活,水质保障的关键,因此在种植消落带植被过程中最好不要施用化肥和农药,否则会加重水资源的污染.最后,所选的生态植被能够具有一定的景观效果,达到环境效应和景观效应合一是工程实施的最终目标.

2.3 植被恢复的环境与经济效应

植被生态工程已逐渐引起人们的注意,而且植被护坡技术的应用也带来了一定得环境与经济效应.

宜昌绿野环保工程有限公司长期以来从事边坡绿化工作,以其开发的边坡绿化草坪为研究对象发现:植被单体对重金属离子、有机污染物及富营养化TN、TP主要指标均具有消减作用.其对 TN、TP、Cr6+、COD、挥发酚类化合物、BOD5消减分别为33%、21.6%、20%、30.7%、19.0%和51.4%[31].尤作亮[32]指出芦苇对酚类和石油类污水具有净化作用.吴振斌[33]报道,芦苇对COD、BOD5有较高的净化能力,当废水经过芦苇场28d后,氨氮、酚、芳烃、石油及硫化氢的含量普遍下降,并达到出水标准.Muratova A等[34]的研究也表明:芦苇净化多环芳烃的能力达到68.7%.同时,芦苇对Pb、Mn、Cr的能力分别是80.18%、94.54%、100%.国外关于植被恢复的研究相对国内较早,并且很多地方应用的制备恢复效果也比较显著.例如,澳大利亚南部温带草原引进各种耐盐牧草以改善干旱地的盐渍化,效果显著[35];在富含铅和锌等重金属的土壤中,Begonia和Palazzo发现高羊茅具有极强的生存力和富集效果[36-37].人们还发现,在一些草本植物中,特别是一些牧草,如香根草、百喜叶、红三叶、多花黑麦草等都是一些植被恢复比较好的物,这些物种在一定程度上对重金属都有富集能力[38].目前,对植被恢复的不仅仅停留在对环境做出的贡献上,有的工作已经向经济上进行转变,如添加一些螯合剂可以提高植物对重金属的吸收,如EDTA、DTPA、柠檬酸、苹果酸和土壤改良剂铵肥等[39-40];还有的将植物吸收的重金属进行回收,如美国Viridian环境修复公司用植物修复技术净化Ni污染土壤,每年可从Ni的回收中获取2500美元◦hm2的收益.

鉴于以上,植被生态恢复在国内外已有一定的技术基础,并且取得了相应的环境效应和经济效应.三峡库区消落带是一个特殊的湿地生态系统,对其生态环境的治理要根据当地的人文地理、气候环境、污染现状等特征选择不同治理模式才能取得事半功倍的效果.

3 展 望

三峡库区面积之广,流域人口之多以人类活动与消落带环境的复杂关系决定了其在整个三峡流域的重要地位,三峡库区生态环境的健康程度将严重影响长江的水环境以及流域内人们的生活质量.因此,在三峡大坝建成之际,对三峡水库消落带的土地利用一定要进行统一合理的规划.

首先,应全面了解消落带的环境背景值及环境容量,包括消落带土壤和植被在不同尺度包括垂直、水平、空间和时间上生态演绎过程;进行库区生态脆弱性的研究,对自然资源开发利用、环境规划管理、社会经济可持续发展等领域具有重要的指导意义和参考价值[41-42];了解生态系统中碳、氮、磷等物质循环过程以及人类活动对消落带生态环境的影响等;然后根据不同的地域、气候特征以及特定的生态环境问题,制定相应的生态环境保护与利用规划,划分不同的功能区,如水质保护区、生态渔业区、季节性种植区、陡峭消落带地段的禁垦区以及适宜于观光旅游的禁耕区等,并以此作为三峡库区土地资源利用、生态环境保护和治理的指导依据.消落带生态屏障的建设能够过滤和滞留氮、磷及其他污染物质,减缓水土流失,保护消落带和水库水质免受污染和破坏,同时还可改善和美化库区旅游景观,根据三峡库区的实际情况,在175m至征用线之间,建设以生态保护为主,搭配不同经济林(如桑树、柑橘等)的生态缓冲带,对保护三峡水库消落带和带动流域经济发展具有重要意义;对于不同类型(坡度,地质)的消落带,要对其进行分类管理,在植被生态恢复技术上应选择适宜的物种和合理的搭配模式以取得最好的治理效果.

另外,水库温室气体汇源问题研究在国际上属于前沿领域,没有太多成熟的经验,促进这一领域的研究,对于推动我国水电开发的顺利进行具有重要意义,要认真研究三峡工程本身和库区消落带的温室气体汇源问题,努力把消落带塑造成为生态良好的区域,尽可能减少温室气体的排放,对库区经济和环境协调发展有着重要的意义.

最后,政府应制定和颁布相应的政策、法规或规范性文件,指导和促进库区消落带的生态环境保护与合理利用,同时,多渠道多途径提高全民环保意识,公众参与是解决任何生态环境问题的重要举措.

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