薛興華，袁龍義 (長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

河流景觀生態(tài)學(xué)視角下三峽工程對荊江河段的生態(tài)效用分析

薛興華，袁龍義 (長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025)

從河流景觀生態(tài)學(xué)的角度，探討了三峽工程對荊江河段的生態(tài)效用。在概述河流景觀生態(tài)學(xué)新近重要認(rèn)識的基礎(chǔ)上，分析并指出了三峽工程作為關(guān)鍵人文驅(qū)動因子，對荊江河段核心景觀要素和主導(dǎo)生態(tài)過程的驅(qū)動作用；討論了三峽工程水沙調(diào)節(jié)下，荊江河段多過程、多要素的耦合響應(yīng)關(guān)系，以致在景觀結(jié)構(gòu)、景觀格局和景觀功能上，重建與新水沙條件相適應(yīng)的景觀生態(tài)系統(tǒng)；從功能過程區(qū)劃、核心景觀要素保護(hù)、維護(hù)自然水文連接度和人類活動生態(tài)學(xué)原則等4個方面，并提出了荊江河段景觀生態(tài)維護(hù)的可持續(xù)策略。

三峽工程；荊江河段；生態(tài)響應(yīng)；河流景觀生態(tài)學(xué)

大江大河是陸圈-水圈的重要界面和生態(tài)交錯帶，成為區(qū)域生態(tài)功能和生態(tài)建設(shè)的主要承載體。同時，河流及河岸帶的人類活動極為劇烈，特別是大型水利工程潛在的生態(tài)效應(yīng)，已成為河流景觀生態(tài)學(xué)研究的重要課題。三峽工程是目前世界上規(guī)模最大的水電站，正處于其下游的荊江河段歷來河曲發(fā)育、河流地貌類型和地貌過程復(fù)雜多樣，對水利工程的水沙條件變化反應(yīng)敏感。三峽工程建成后，人們已經(jīng)注意到了荊江河段的地貌格局與過程的顯著變化[1-3]，但對三峽工程的生態(tài)影響，大多關(guān)注了某些物種的保護(hù)問題，少有研究從景觀生態(tài)學(xué)的角度，討論三峽工程對荊江河段的生態(tài)意義。由于河流系統(tǒng)的整體性、復(fù)雜性和人類活動的高強(qiáng)度特征，河流景觀生態(tài)學(xué)為認(rèn)識河流系統(tǒng)和理解人類活動的生態(tài)效應(yīng)提供了重要理論框架。為此，筆者將在概述河流景觀生態(tài)學(xué)新近重要認(rèn)識的基礎(chǔ)上，闡明三峽工程對荊江河段景觀生態(tài)的驅(qū)動作用，以及荊江河段的景觀生態(tài)響應(yīng)關(guān)系，并提出荊江河段景觀生態(tài)維護(hù)的可持續(xù)策略。

1 河流景觀生態(tài)學(xué)——河流廊道研究與可持續(xù)發(fā)展的重要理論框架

對河流系統(tǒng)的認(rèn)識，先后提出了10余種理論模型[4]，典型的有河流連續(xù)體(River continuum concept)、資源螺旋線理論(Spiralling resource concept)、序列非連續(xù)體理論(Serial discontinuity concept)、洪水脈沖理論(Flood pulse concept)、河底廊道理論(hyporheic corridor concept)、水文-生物-生態(tài)功能河流連續(xù)體[5]、河流生物地貌演替理論[6]等。隨著河流生態(tài)問題日趨顯現(xiàn)，人們開始重視河流生態(tài)系統(tǒng)的研究。河流系統(tǒng)的復(fù)雜性、綜合性和空間異質(zhì)性，以及河流可持續(xù)利用思想的確立，對有關(guān)研究提出了新的挑戰(zhàn)，景觀生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)景觀尺度的綜合、整體研究，為認(rèn)識和管理河流及其河岸帶提供了重要的理論和實踐工具[7-8]。

河流廊道具有顯著的邊緣效應(yīng)、多樣性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)的景觀生態(tài)研究中，河流被視為均質(zhì)的景觀要素或景觀要素之間的邊緣，隨著河流景觀生態(tài)研究的開展，河流在縱向、垂向、側(cè)向和時間上的多時空異質(zhì)性引起人們的重視。1999年國際景觀生態(tài)學(xué)會第5次年會已就可持續(xù)河流的管理開展了專場討論，隨后河流景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展迅速，并于2001年舉行了第1屆河流景觀國際年會[9]，景觀生態(tài)學(xué)為研究河流廊道格局、過程、環(huán)境動態(tài)和景觀要素的相互作用提供了有效框架[7]。

水文連接度、流態(tài)、河流動力地貌過程和人文干擾過程是河流景觀生態(tài)的關(guān)鍵特性和關(guān)鍵生態(tài)過程。針對河流的特殊性，目前河流景觀生態(tài)學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)主要是，河流廊道的生物多樣性[10-11]、連接度[11-12]、功能過程[10-11]、人文干擾[13]、景觀變化[14]，以及有關(guān)河流景觀生態(tài)理論模型的研究[8，11，15-16]。生物多樣性的討論在概念上擴(kuò)展到了生態(tài)多樣性和功能過程的多樣性。連接度主要指水文上的連接度，是河流景觀生態(tài)的關(guān)鍵性質(zhì)，也是河流景觀異質(zhì)性、生境完整性和生態(tài)過程的關(guān)鍵控制因子[17]。在功能過程上，特別重視水文過程、流態(tài)、破碎化、地貌與植被演替的研究，還涉及到生產(chǎn)力、N等物質(zhì)流[18]過程。水利工程設(shè)施對景觀格局與過程等方面的生態(tài)效應(yīng)則是人文干擾研究的重點(diǎn)，并提出了反應(yīng)人文干擾的景觀指數(shù)。在理論模型研究上，基于已有河流系統(tǒng)模型，并考慮尺度轉(zhuǎn)換問題，發(fā)展出了等級斑塊動態(tài)[11]、功能過程區(qū)[8，11]理論，還提出了針對某一河流景觀特性的模型，如多樣性模型[15]、水文模型[16]等。在研究方法上，重視RS、GIS、GPS等現(xiàn)代空間信息技術(shù)的應(yīng)用[14，19]，在研究趨勢上越來越強(qiáng)調(diào)機(jī)理的研究和綜合統(tǒng)計分析與模型模擬的方法。

國內(nèi)對流域尺度的景觀生態(tài)研究較多[20-21]，對河流廊道的景觀生態(tài)研究主要涉及到景觀變化[22-23]、景觀生態(tài)功能與功能分區(qū)[24]等實證分析，并闡述了河流生態(tài)修復(fù)中景觀生態(tài)學(xué)原則的理論基礎(chǔ)[25-26]，還拓展了河流景觀生態(tài)的理論研究[4]，并提出了有關(guān)理論模型[5]。

要維護(hù)江河系統(tǒng)的生態(tài)功能，必須在景觀尺度上保持與恢復(fù)生物多樣性，必須對景觀尺度上地貌過程與生態(tài)過程及其相互作用有足夠了解[27]。荊江河段是長江河流濕地生態(tài)功能的重要承載體，正處于三峽工程下游，由于特殊的水文地質(zhì)條件，三峽工程影響下的生態(tài)響應(yīng)值得關(guān)注。在景觀尺度上，景觀生態(tài)學(xué)不僅為認(rèn)識這一大型水利工程的河流生態(tài)效應(yīng)提供重要理論工具，還將為荊江段的管理和可持續(xù)發(fā)展提供重要依據(jù)。

2 三峽工程成為荊江段景觀生態(tài)的關(guān)鍵人文驅(qū)動力

2.1 荊江河段的河流景觀生態(tài)概要

荊江河段位處于長江中游，河流景觀類型多樣。在宏觀上，上荊江段為彎曲型分叉河流景觀，下荊江段為蜿蜒型河曲景觀；在水體景觀上，深槽-淺灘交替，除常年行水的徑流面外，河岸湖塘眾多；橫向上河床心灘、心洲、邊灘、河漫灘等景觀發(fā)育，河岸有草地、人工林景觀；漫灘系統(tǒng)有農(nóng)業(yè)用地、碼頭、城市建設(shè)、工業(yè)用地等多種人文景觀。

河流景觀中，地貌多樣性往往是其生態(tài)多樣性的物質(zhì)基礎(chǔ)，荊江河段河流地貌類型多樣，河湖關(guān)系復(fù)雜，河流濕地發(fā)育，是長江干流景觀生態(tài)功能承載的重點(diǎn)河段。荊江段核心景觀要素至少有河岸漫灘景觀、河床心洲心灘景觀、河面淺灘深槽景觀、河岸湖塘景觀等。荊江河段動植物種類豐富，特別是洄游淡水魚類，是區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要生態(tài)走廊，對維護(hù)長江生態(tài)功能意義重大。荊江段自湖北枝城至湖南城陵磯，以藕池口為界，分上、下荊江。上荊江為彎曲型河段，河彎曲折率平均為1.72[2]，河道彎曲并呈周期性展寬，水道分歧，汊江發(fā)育，水流分散，主支汊興衰交替[1]，心灘和江心洲發(fā)育，在荊江18處江心洲中，上荊江即占16處。下荊江屬蜿蜒型河段，自由河曲極為發(fā)育。河流蜿蜒具有重要的生態(tài)意義，河曲發(fā)育通過增加長度、地形演化和水文過程等多種過程影響植被演替[28]。河曲易于發(fā)生裁彎取直，裁彎后形成多處牛軛湖，如尺八口、月亮湖、大公湖、西湖、沙灘子等。廢棄河道河口門淤塞，會成為某些先鋒物種的避難所[29]。荊江段河岸帶還維護(hù)著湖、塘等重要淡水生態(tài)系統(tǒng)，在生物多樣性、珍惜物種保護(hù)、水沙調(diào)節(jié)等方面承擔(dān)著重要的生態(tài)功能。

荊江河段景觀生態(tài)過程復(fù)雜、多樣，人文和自然干擾過程劇烈，是其景觀多樣性維持與演化的動力基礎(chǔ)。其基本生態(tài)過程有水文過程、河流地貌過程、人文過程、地球化學(xué)過程和生物過程等，前三者為荊江段景觀格局與動態(tài)的關(guān)鍵主導(dǎo)過程。長江作為我國第一、世界第三大河，出三峽后即進(jìn)入中游荊江河段，河流景觀由受地形地質(zhì)約束的峽谷型河流景觀，轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕芩暮退畡恿^程控制的河曲、洲灘發(fā)育的平原淤積型河流景觀，其巨大的流域系統(tǒng)使得水文和水動力過程在年內(nèi)、年際尺度上存在周期性、非周期性擾動，自然干擾過程頻繁而強(qiáng)烈。同時，河流及其河岸帶高強(qiáng)度的人類活動，對荊江段景觀格局與動態(tài)的干擾劇烈。荊江處長江中游平原區(qū)，工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)的程度高，筑堤、修壩、引水建渠、水閘修建，嚴(yán)重干擾了河流自然生態(tài)過程。

2.2 三峽工程對荊江河段景觀生態(tài)的驅(qū)動作用

由于人類在河流及河岸帶進(jìn)行的高強(qiáng)度社會、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)活動，人類活動成為河流生態(tài)過程與系統(tǒng)演化的關(guān)鍵驅(qū)動力。在河流生態(tài)系統(tǒng)研究和有關(guān)理論模型中，如“橫向—縱向—垂向—時間”四維變量模型、“水文-生物-生態(tài)功能河流連續(xù)體”四維模型[5]、“水文-河流地貌-生物”演替模型[6]等，都重視人文驅(qū)動力的作用，甚至將人類活動列為河流生態(tài)系統(tǒng)演化的關(guān)鍵因子，在第1屆河流景觀國際年會上即將人類活動與河流景觀的相互作用列為6大專題討論內(nèi)容之一[9]。

三峽工程對荊江河段景觀生態(tài)的驅(qū)動作用，一方面表現(xiàn)為直接改變景觀要素的結(jié)構(gòu)、格局和時空異質(zhì)性，如徑流面面積和橫向?qū)挾鹊臏p小，河流流態(tài)改變，水生、水陸兩生灘地退縮，陸生灘地延伸等；另一方面，在水文和水動力過程的主導(dǎo)作用下，驅(qū)動地貌過程、物質(zhì)輸送與地球化學(xué)過程、生物過程等其他生態(tài)過程的調(diào)整，打破原景觀生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，改變系統(tǒng)演化方向，甚至重建。

三峽工程自2003年蓄水運(yùn)行以來，人們已經(jīng)注意到其下游河段水動力條件、河流地貌發(fā)生了明顯變化[1-3]，特別是荊江河段河床，受到清水下泄的影響，河床沖刷加劇，河勢調(diào)整、灘堤沖淤變化，水沙調(diào)節(jié)對河流及河岸生境、河流景觀格局與過程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，三峽工程的水沙調(diào)節(jié)作用成為荊江河段河流生態(tài)系統(tǒng)演化的關(guān)鍵驅(qū)動力。

在河流景觀生態(tài)中流態(tài)是其生態(tài)過程的關(guān)鍵因素，三峽大壩直接影響到荊江河段河流流態(tài)，引起沖淤關(guān)系改變、主支汊更替，河湖關(guān)系調(diào)整，物質(zhì)遷移特性變化，河流生境變化進(jìn)一步影響到生物過程，甚至引起物種、群落結(jié)構(gòu)的變化，多個景觀生態(tài)過程在河流縱向、橫向、垂向三維空間上耦合響應(yīng)。盡管目前對荊江河段景觀動態(tài)的研究還很有限，但國外相關(guān)研究指出，各種社會需要(發(fā)電、水管理與利用、城市和農(nóng)業(yè)等土地利用方式)會使得河流系統(tǒng)嚴(yán)重偏離其自然過程(水文、物質(zhì)輸送等)，乃至生態(tài)資源的降低[30]，還會引起河流破碎化，影響到水播植物的分布[31]，造成自然生態(tài)遺產(chǎn)的喪失[32]。水利工程措施的生態(tài)效應(yīng)可以是長期的[33]，甚至歷史上的河流管理(壩、渠道)仍然影響到現(xiàn)代植物生態(tài)多樣性具有重要影響[34]。在河流系統(tǒng)橫向上，河岸帶作為水生、陸生生態(tài)系統(tǒng)過渡帶，是各類有機(jī)/無機(jī)物質(zhì)的源/匯和分配的通道[35]，生物多樣性突出，具有與其空間大小不成比例的生態(tài)功能重要性[36]，三峽工程影響下，流量、水位、過水?dāng)嗝娴人倪^程變化，將改變荊江段原有洲灘-徑流-河岸之間的橫向水文連接度，以及泥沙、水分、養(yǎng)分等物質(zhì)的橫向輸送，在生物生長、植被演替的交互作用下，河流橫向景觀格局改變。在河流生態(tài)學(xué)的研究中，研究者強(qiáng)調(diào)地貌活躍段的重要意義，如河曲發(fā)育段通過河長增加、地形動態(tài)和水文過程等多種過程影響河流植被生態(tài)狀況[37]。荊江河段為長江河流景觀的縱向活躍段，上荊江為分叉型河道，下荊江蜿蜒型河曲發(fā)育，河流地貌類型多樣，生態(tài)過程復(fù)雜，對三峽工程這一巨大的人文驅(qū)動力，具有敏感的景觀生態(tài)響應(yīng)。

三峽工程對其下游河段的生態(tài)驅(qū)動作用已引起人們的關(guān)注。2011年國務(wù)院《三峽后續(xù)工作規(guī)劃》和《長江中下游流域水污染防治規(guī)劃》[38]中指出，三峽工程在生態(tài)環(huán)境方面還存在一些亟需解決的問題。針對三峽工程對其下游的生態(tài)影響，明確指出要實施生態(tài)修復(fù)，改善生物棲息地環(huán)境，保護(hù)生物多樣性。從河流景觀生態(tài)學(xué)的角度，分析三峽工程驅(qū)動下，荊江這一生態(tài)敏感河段的景觀生態(tài)響應(yīng)具有重要的理論和實踐意義。

3 荊江河段對三峽工程的景觀生態(tài)響應(yīng)關(guān)系

圖1 荊江河段對三峽工程的景觀生態(tài)響應(yīng)關(guān)系

荊江河段對三峽工程的基本響應(yīng)關(guān)系如圖1所示：水沙過程→河流動力地貌過程→物質(zhì)能量輸送→生物過程→景觀結(jié)構(gòu)與格局變化。三峽工程以水沙調(diào)節(jié)為驅(qū)動力，作用于荊江河段的景觀生態(tài)系統(tǒng)，直接影響該河段的水文泥沙過程和地貌過程等主導(dǎo)生態(tài)過程，通過多要素、多過程的耦合響應(yīng)，引起景觀要素結(jié)構(gòu)和空間格局的變化，建立與新水沙條件下相適應(yīng)的河流景觀生態(tài)系統(tǒng)。

水文泥沙過程是荊江河段景觀過程與動態(tài)的關(guān)鍵生態(tài)過程，三峽工程蓄水調(diào)洪引起的流量、流速、洪峰過程、水文周期變化，改變了原有河流景觀要素及其之間的水分過程和水文連接度，對斑塊之間的物質(zhì)、能量過程產(chǎn)生隔離和破碎化效應(yīng)。美國密西西比河的河岸廊道研究表明，大壩等水利工程設(shè)施改變了河流與漫灘系統(tǒng)間自然水力聯(lián)系的時空異質(zhì)性，大壩下游殘留斑塊生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性迅速降低[39]。相關(guān)研究也指出，水利工程設(shè)施會造成河流系統(tǒng)中不同棲息地間在水文上的連接性降低、景觀破碎化[40]，并在地貌演替、物質(zhì)能量輸送過程改變的綜合作用下，影響植被演替。

對于荊江河段的沖積型河流景觀來說，河流動力地貌過程是控制其景觀格局和動態(tài)的關(guān)鍵生態(tài)過程。三峽工程開始蓄水調(diào)洪后，研究發(fā)現(xiàn)，荊江河段非飽和水沿程沖刷、崩岸嚴(yán)重，上荊江段主支汊更替、床沙粗化，下荊江段撇彎切灘劇烈，局部河段已經(jīng)發(fā)生河勢調(diào)整[1-3]。河流動力地貌過程的調(diào)整，一方面直接改造河流在縱向和橫向上的景觀格局，同時改變物質(zhì)能量的輸送特征，流態(tài)變化、水熱條件與養(yǎng)分動態(tài)在系統(tǒng)內(nèi)重新分配，進(jìn)一步引起動植物種群的遷移、消退等生物過程響應(yīng)，種群、群落的結(jié)構(gòu)和分布格局演替。

可見，在三峽工程這一巨大人文驅(qū)動力下，荊江河段這種河床景觀、河岸景觀等多種景觀要素的連鎖響應(yīng)關(guān)系，地貌過程、物質(zhì)過程、生物過程等多過程的耦合響應(yīng)作用，并不僅僅是通過保護(hù)某幾種物種、建立保護(hù)區(qū)等，就能實現(xiàn)河流系統(tǒng)在景觀生態(tài)功能、景觀格局和景觀結(jié)構(gòu)上的完整性的，必須在對河段景觀生態(tài)規(guī)律與響應(yīng)關(guān)系詳細(xì)了解的基礎(chǔ)上，才有可能準(zhǔn)確把握三峽工程對其下游河段景觀生態(tài)的效應(yīng)作用。

4 荊江河段景觀生態(tài)維護(hù)的可持續(xù)策略

全球大多數(shù)大江大河生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重受到人類活動的干擾，研究者一方面重視人類活動特別是大型水利工程設(shè)施的景觀生態(tài)效應(yīng)[27，32，39-40]，還討論了河流景觀生態(tài)恢復(fù)與修復(fù)的途徑與效果[41]。在第2屆國際河流景觀生態(tài)學(xué)會議上，即將河流景觀恢復(fù)列為重要議題[42]，恢復(fù)自然河流景觀特征成為修復(fù)人類活動改變的河流生態(tài)系統(tǒng)的普遍共識[43]，并證明了這種自然化河流廊道與公眾景觀美學(xué)的一致性[44]。

要維護(hù)荊江河段的景觀多樣性和生態(tài)功能的完整性，必須從河段自身景觀生態(tài)規(guī)律出發(fā)，提出可持續(xù)的修復(fù)策略和途徑，主要包括以下4個方面。①根據(jù)生態(tài)功能的空間分異，劃分生態(tài)過程功能區(qū)，實施分區(qū)的功能管理策略。如，對于上荊江段彎曲型自然分叉過程區(qū)，維護(hù)灣段急流、順直段緩流等多種流態(tài)，以及心洲、心灘、主流、支流等彎曲型河流景觀區(qū)的多種生境；對于下荊江段河曲發(fā)育過程區(qū)，重塑河流的自然蜿蜒、切灘過程，盡量減少人工截彎過程，促進(jìn)自然河流濕地的發(fā)育。②為核心景觀要素劃分保護(hù)區(qū)。如對上荊江段發(fā)育的江心洲、下荊江段的邊灘和牛軛湖，特別是其中斑塊面積較大者，建立保護(hù)區(qū)，使之成為維持濕生、陸生和水生生物多樣性的基質(zhì)，甚至成為某些特有、珍惜物種的庇護(hù)所。③維護(hù)河流縱向、橫向、主支流的自然水力聯(lián)系，增強(qiáng)景觀要素之間水文連接度。修復(fù)砌石、堤岸等導(dǎo)致的硬質(zhì)化河床和河岸，水閘等水工建設(shè)對水文連接度造成的干擾，以及道路、碼頭、管道等引起的景觀破碎化，盡量采用緩坡河岸、生態(tài)護(hù)岸，優(yōu)化縱向深槽-淺灘、橫向岸灘-水面-江心洲/灘的自然景觀格局。④人類活動的生態(tài)學(xué)原則。采用生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，減少農(nóng)業(yè)面源污染，以及灘涂、湖塘的圍墾，修復(fù)污染土壤。沿岸城市建設(shè)，采用自然化生態(tài)景觀設(shè)計，減少硬質(zhì)材料對自然水分、養(yǎng)分循環(huán)的干擾。采用生態(tài)護(hù)岸模式，合理配置喬、灌、草等生態(tài)護(hù)坡，使用柔性結(jié)構(gòu)和透水材料，避免硬質(zhì)岸堤對水文、物質(zhì)輸送等過程的隔離效應(yīng)，為多種植物生長、動物棲息提供生境。碼頭等工業(yè)設(shè)施，盡量減少工業(yè)用地布置，污水、廢水須截污處理，碼頭建設(shè)須充分考慮河段的生態(tài)功能。

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10.3969/j.issn.1673-1409(S).2012.03.005

P941.77

A

1673-1409(2012)03-S015-05

2012-02-22

國家自然基金項目(No.31170400)；長江大學(xué)博士啟動動基金(CJDX-D2010196)。

薛興華(1976-)，男，湖北宣恩人，博士，講師，主要從事河流景觀生態(tài)與生態(tài)過程模擬研究。