密西西比河干流大壩建設(shè)對(duì)魚類的影響及保護(hù)措施

常 濤 劉煥章

(中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所水生生物多樣性與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072)

魚類資源的保護(hù)極大地依賴于河流生態(tài)系統(tǒng)在時(shí)間和空間上的連續(xù)性[1,2]。隨著工業(yè)化, 城市化的快速發(fā)展, 大量水利設(shè)施的建設(shè)使得世界多數(shù)河流受到了人為的改變。水利水電工程的建設(shè)和運(yùn)行一方面滿足了人們對(duì)防洪、發(fā)電、航運(yùn)以及娛樂等方面的需求, 在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、保障國(guó)家能源安全方面發(fā)揮了巨大作用; 另一方面則改變了壩上、壩下河流的天然水文情勢(shì), 阻斷了洄游和半洄游性魚類的覓食、繁殖或越冬通道, 這些魚類在生活史的某些階段需要依賴于河流連續(xù)體的縱向活動(dòng)[3]。因此, 在大壩對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與魚類等水生生物保護(hù)的博弈中, 我們必須考慮魚類棲息地和產(chǎn)卵場(chǎng)的建立與維護(hù), 魚類資源的保護(hù)與補(bǔ)充, 以及在大壩建設(shè)中各種魚類保護(hù)措施的必要性和合理性。

美國(guó)是世界水資源較為豐富的國(guó)家, 據(jù)2003年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織頒布的《各國(guó)水資源評(píng)論》, 美國(guó)本土的年均水資源量為20000億m3, 人均水資源量接近7407 m3, 水資源總量位居世界第七[4—6]。根據(jù)美國(guó)國(guó)家大壩數(shù)據(jù)庫(kù)(NID, National Inventory of Dams)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 美國(guó)水能理論蘊(yùn)藏量為5285億kw·h/a, 2009年美國(guó)共有大壩83987座, 其中壩高在51—100英尺(約15.5—30.5 m)的大壩4596座, 壩高大于100英尺的大壩1575座(圖 1)。至2019年, 美國(guó)大壩已增至91468座, 總集水面積128萬 km2, 水能資源的經(jīng)濟(jì)開發(fā)度高達(dá)82%[7]。

美國(guó)水資源開發(fā)和利用過程中一直伴隨著諸多爭(zhēng)議, 尤其是大壩結(jié)構(gòu)對(duì)河流水環(huán)境的改變以及對(duì)魚類洄游的阻隔[8,9]。為了減輕水電開發(fā)產(chǎn)生的負(fù)面影響, 美國(guó)從19世紀(jì)開始, 開展了一系列筑壩河流魚類恢復(fù)措施[10]。因此, 美國(guó)在筑壩河流魚類資源保護(hù)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn), 而學(xué)習(xí)其成功經(jīng)驗(yàn)無疑對(duì)我國(guó)河流生態(tài)修復(fù)有很好的借鑒意義。本文以美國(guó)最大的河流-密西西比河為例, 通過文獻(xiàn)調(diào)研、資料收集等方式梳理了密西西比河干流大壩建設(shè)狀況及其對(duì)魚類的影響, 總結(jié)了當(dāng)前美國(guó)所采取的相關(guān)魚類保護(hù)措施及其效果, 以期為我國(guó)河流魚類資源保護(hù)與管理提供參考。

1 密西西比河大壩建設(shè)

1.1 密西西比流域建壩發(fā)展

密西西比河是世界第四長(zhǎng)河, 也是美國(guó)最重要的商業(yè)水道之一, 源于明尼蘇達(dá)州北部的伊塔斯卡湖, 向南注入墨西哥灣, 干流全長(zhǎng)約3856 km。根據(jù)密西西比河的水系結(jié)構(gòu)特征, 通常以俄亥俄河河口為界, 將密西西比河劃分為上密西西比河(UMR,the Upper Mississippi River)和下密西西比河(LMR,the Lower Mississippi River)[11—13]。

由于密西西比河洪水頻繁[14], 自然條件較差,美國(guó)政府一直比較重視密西西比河的治理和開發(fā)工作。從20世紀(jì)20年代開始, 美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(USACE, U.S. Army Corps of Engineers)對(duì)密西西比河制定統(tǒng)一規(guī)劃, 改善河道通航條件[15]。工程措施主要包括在上密西西比河修建梯級(jí)閘壩以提高航深; 在下密西西比河修建防洪堤和丁壩以穩(wěn)定河岸河床; 在各支流修建綜合利用水庫(kù)[16]。1933年5月, 美國(guó)國(guó)會(huì)通過了田納西河谷開發(fā)法案(TVA, the Tennessee Valley Authority Act), 進(jìn)一步推動(dòng)了密西西比河全流域的水資源規(guī)劃和開發(fā)利用。該法案的成功實(shí)施使美國(guó)進(jìn)入“大壩時(shí)代”(圖 1), 同時(shí)也為全世界范圍內(nèi)的流域水資源綜合開發(fā)管理提供了示范[17,18]。至20世紀(jì)90年代, 美國(guó)已逐步完成了密西西比河干支流河道的渠化工程,形成江、河、湖、海貫通的內(nèi)河航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)如今, 密西西比河建有上千座單功能或多功能的堤堰、大壩和水庫(kù), 用以航運(yùn)、防洪、發(fā)電、供水、灌溉以及娛樂。其中干流建有梯級(jí)閘壩41座(數(shù)據(jù)來源于NID, 附表 1), 全部分布在上游伊利諾斯河河口以上江段, 而密西西比河干流下游至今尚未修建攔河大壩(圖 2)。

1.2 密西西比河干流大壩特征

按運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)(圖 3), 上密西西比河最早投入運(yùn)行的大壩是1878年建在伊利諾斯州巖島的Arsenal Power Dam。最晚的是1990年建在伊利諾斯州東奧爾頓的Melvin Price Locks & Dam。20世紀(jì)30年代為建壩高峰期, 之前加速增長(zhǎng), 之后陡然下降。多數(shù)大壩的服役年限已達(dá)到60 a (36座, 占88%), 而美國(guó)大壩許可證的有效期一般為30—50 a,因此密西西比河干流大壩或水電站目前正進(jìn)入“老化”期。

按建壩壩高統(tǒng)計(jì)(圖 3), 最高的是1963年建在明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯的Upper Saint Anthony Falls Lock and Dam (壩高28.3 m), 是上密西西比河的第一級(jí)壩。最低的是建在明尼蘇達(dá)州彭寧頓的Knutson Dam (壩高2.7 m)。主流大壩壩高為10—15 m (24座, 占59%)。

按建壩總庫(kù)容統(tǒng)計(jì)(圖 3), 最大的是建于明尼蘇達(dá)州古德休縣的Lock & Dam 3 (壩高13.4 m, 庫(kù)容1.369 km3)。最小的是建于伊利諾斯州格拉尼特城的Lock & Dam 27 (壩高7.6 m, 庫(kù)容0), 是上密西西比河的最后一級(jí)壩。多數(shù)大壩庫(kù)容小于0.3 km3(33座, 占80%)。

按大壩開發(fā)目標(biāo)統(tǒng)計(jì)(圖 3), 密西西比河干流大壩開發(fā)目標(biāo)可分為五類, 分別是防洪(1座)、發(fā)電(8座)、航運(yùn)(26座)、娛樂(4座)和供水(2座), 其中航運(yùn)是主要開發(fā)目標(biāo)。

圖 1 美國(guó)各州大壩分布(數(shù)據(jù)引自NID)Fig. 1 Distribution of dams in various states of American (data from NID)

圖 2 上密西西比河主要大壩分布(數(shù)據(jù)引自NID)Fig. 2 Dams in the main stream of upper Mississippi River (data from NID)

圖 3 上密西西比河41 座大壩建設(shè)特征(數(shù)據(jù)引自NID)Fig. 3 The characters of 41 dams in the main stream of upper Mississippi River (data from NID)

2 閘壩對(duì)密西西比河魚類的影響

作為北美洲最大的河流, 密西西比河是多種魚類起源和進(jìn)化的中心, 也是冰川時(shí)期北方魚類的重要避難所, 保留了許多古老的、瀕危的魚類, 如匙吻鱘(Polyodon spathula)、雀鱔(Atractosteus spatula)、弓鰭魚(Amia calva)等。因此, 密西西比河被稱作是 “北美動(dòng)物區(qū)系的發(fā)源地”, 也是“溫帶淡水魚類多樣性的搖籃”[19]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)①注: 密西西比河魚類物種豐富, 具體物種數(shù)尚不明確, 如: FISHBASE記載總物種數(shù)為236種; 美國(guó)國(guó)家公園管理局(U.S.National Park Service)記錄總物種數(shù)為260種; 中上游若包括俄亥俄、密蘇里、伊利諾斯河等大型支流, 則約有魚類260種[22];Baker等[13]記載下游土著魚類約91種[23]; 若考慮河口墨西哥灣等海洋性魚類, 則河口區(qū)域增加魚類50—60種, 整個(gè)密西西比河流域共有淡水魚類31科375種[20], 約占北美魚類物種數(shù)的1/4。若僅考慮密西西比河干流, 則上游約140種[21,22], 下游約150種, 河口約206種[23]。但由于梯級(jí)閘壩的建設(shè), 導(dǎo)致密西西比河水文、水動(dòng)力、水化學(xué)和物理環(huán)境等均發(fā)生較大改變。因此, 與世界其他筑壩河流一樣, 密西西比河魚類同樣遭受著水電開發(fā)帶來的不利影響。

2.1 對(duì)魚類洄游的影響

筑壩對(duì)魚類的影響之一是溯河產(chǎn)卵魚類種類和資源量的下降。大壩阻斷了洄游魚類在繁殖地與肥育地之間的洄游, 導(dǎo)致繁殖群體和補(bǔ)充群體數(shù)量下降, 嚴(yán)重威脅其種群生存[24,25]。在上密西西比河的140多種魚類中, 至少有34種是洄游性魚類[26]。為保證通航, 上密西西比河的梯級(jí)大壩將干流分割成28個(gè)導(dǎo)航渠(Navigation Pools), 但都沒有配套輔助過魚設(shè)施。

上密西西比河大壩多數(shù)為弱調(diào)蓄能力的低水頭壩, 并在大壩底部設(shè)有泄水閘門。在高流量時(shí)期,閘門全開, 大部分都高出水面, 允許河流自由流通。而在低流量條件下, 閘門僅部分開啟, 保證通航水位(控制通航水深9英尺, 約2.74 m)。這種設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)行方式允許魚類通過大壩的閘門上行和下行[27,28]。但除閘門之外, 大壩系統(tǒng)中沒有設(shè)置其他的魚類過壩設(shè)施, 因此干流魚類通過大壩的機(jī)會(huì)會(huì)受到物種遷移時(shí)間、游泳能力以及大壩水頭、閘門結(jié)構(gòu)、水力變化等因素所限制[29]。Zigler等[30]采用無線電標(biāo)記評(píng)估了匙吻鱘在上游大壩間的通過效率, 發(fā)現(xiàn)夏秋季低水位時(shí)的通過率(29%)遠(yuǎn)低于春季高水位閘門開啟時(shí)的通過率(71%), 而大壩水頭每增加1 m, 會(huì)使匙吻鱘上溯通過效率降低7倍。此外, 對(duì)于梯級(jí)開發(fā)的河流而言, 大壩的逐級(jí)阻隔也會(huì)降低魚類的通過效率。Tripp等[31]證實(shí)70%的魚類上行和下行事件發(fā)生在閘門全開的時(shí)候, 并且多數(shù)魚類上行能力要顯著低于下行能力; 隨著大壩梯級(jí)增加, 過魚效率逐級(jí)降低, 三級(jí)以上大壩過魚事件發(fā)生率不足20%, 到lock and dam 19時(shí)已無過魚事件發(fā)生(圖 4)。

圖 4 不同大壩的過壩效率(數(shù)據(jù)引自Tripp等[31])Fig. 4 The percent of total passages between different dams (data from Tripp, et al.[31])

上密西西比河的梯級(jí)閘壩建設(shè)已經(jīng)造成了某些洄游性物種種群的滅絕。如lock and dam 19的阻隔導(dǎo)致壩上金綠西鯡(Alosa chrysochloris)種群的消失, 隨之而來的是壩上黑檀貝(Fusconaia ebena)種群數(shù)量的大幅減少。因?yàn)榻鹁G西鯡是黑檀貝幼體遷移的唯一寄主[32]。而對(duì)于現(xiàn)存魚類物種, 尤其是鱘類, 即便保留了一定的遷移通道, 也仍然無法抑制其種群的衰退?，F(xiàn)如今, 在密西西比河5種鱘中,湖鱘(Acipenser fluvescens)處于低危, 匙吻鱘和密西西比鏟(Scaphirhynchus platorynchus)鱘處于易危,密蘇里鏟鱘(Scaphirhynchus albus)處于瀕危, 阿拉巴馬鏟鱘(Scaphirhynchus suttkusi)處于極危(表 1)。

2.2 對(duì)魚類群落空間分布的影響

密西西比河梯級(jí)閘壩的功能在于通過調(diào)蓄上游來水對(duì)下泄流量的大小、洪水出現(xiàn)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間等進(jìn)行管理, 從而維持其通航條件。這種人為控制會(huì)阻斷自然河流生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性, 改變大壩上下游河流的物理化學(xué)環(huán)境, 形成交替出現(xiàn)的激流-靜水區(qū)。物理阻隔和生境改變也導(dǎo)致了魚類群落的空間異質(zhì)性[33]。

1913年建造的Lock and Dam 19是密西西比河第一座具有蓄水功能的閘壩, 創(chuàng)造了上密西西比河最長(zhǎng)的導(dǎo)航渠(壩上Pool 19, 74 km; 壩下Pool 20,35.2 km)。較高的水頭(11.64 m)使得下游魚類無法通過大壩閘門進(jìn)一步上溯遷移。Chick等[34]對(duì)比了上密西西比河14個(gè)航道渠的魚類群落, 發(fā)現(xiàn)pool 19和20與上游各航道渠具有相似的物種豐富度特征, 與下游各航道渠具有相似的物種多度特征。在此基礎(chǔ)上, Haun[35]分析了14年的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)pool 19和20的魚類組成分別與上下游其他航道渠形成不同的聚類, 其中上游群落以吸口魚屬(Moxostoma)和棘臀魚科(Centrarchidae)魚類為主,下游則以斑點(diǎn)叉尾鮰(Ictalurus punctatus)、淡水石首魚(Aplodinotus grunniens)、大口胭脂魚(Ictiobus cyprinellus)和金眼石鮨(Morone chrysops)等為優(yōu)勢(shì)種。Haun[35]的研究結(jié)果證實(shí)Lock and Dam 19對(duì)上密西西比河魚類群落產(chǎn)生的縱向空間隔離, 并認(rèn)為pool 19和20是上密西西比河魚類群落的過渡區(qū)。值得注意的是, Chick等[34]在其研究中指出, 對(duì)于上密西西比河的多數(shù)低水頭閘壩, 其上下游航道渠之間的魚類群落并沒有顯著差異。這說明魚類通過閘門進(jìn)行遷移和擴(kuò)散能夠減輕低水頭大壩帶來的阻隔效應(yīng); 但對(duì)于高水頭蓄水壩, 這種輔助遷移方式并不能有效彌補(bǔ)阻隔和生境改變對(duì)魚類群落的影響[36]。換言之, 大壩蓄水引起的生境改變對(duì)魚類群落的影響可能遠(yuǎn)大于阻隔引起的擴(kuò)散障礙。

頻繁的航運(yùn)同樣會(huì)干擾魚類群落的橫向空間分布。Weigel等[37]研究發(fā)現(xiàn), 密西西比河干流主航道的魚類多樣性要顯著低于河道側(cè)槽區(qū)域, 主航道魚類生物完整性指數(shù)(IBI, Index of Biotic Integrity)評(píng)級(jí)為“極好”, 側(cè)槽則為“一般”。但這種差異在威斯康辛河等未受航運(yùn)影響的支流并不存在。此外,航運(yùn)過程中的河床水位變化也會(huì)進(jìn)一步壓縮干流魚類可利用棲息地, 影響魚類的游泳能力[38], 甚至導(dǎo)致擱淺[39]。

表 1 密西西比河5種鱘分布及瀕危狀況Tab. 1 Distribution and endangered status of five sturgeon species in the Mississippi River Basin

2.3 對(duì)魚類多樣性穩(wěn)定性的影響

上密西西比河的梯級(jí)閘壩多建于1950年以前(占比83%, 附表 1), 長(zhǎng)期的阻隔已在壩上壩下形成了較穩(wěn)定的魚類群落。1993年起美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS, United States Geological Survey)對(duì)上密西西比河部分航道渠開展了標(biāo)準(zhǔn)化的魚類資源常規(guī)監(jiān)測(cè)(具體見章節(jié)3.1), 盡管建壩前后魚類多樣性變動(dòng)已很難評(píng)估, 但仍能從其長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中看出大壩運(yùn)行對(duì)魚類多樣性穩(wěn)定性的影響。到2017年, USGS平均每年在上密西西比河監(jiān)測(cè)到魚類124種, 最少106種(2006年), 最多136種(1997年)。物種豐富度的年間變化較小, 說明梯級(jí)閘壩運(yùn)行后, 上密西西比河仍具有較豐富的魚類多樣性。單位時(shí)間(天)捕撈數(shù)量的年間變幅較大, 最少822 ind./d (2003年),最多4689 ind./d (2002年), 年均2595 ind./d (圖 5)。但沒有文獻(xiàn)表明這種變化與上密西西比河梯級(jí)閘壩運(yùn)行有關(guān)。優(yōu)勢(shì)種方面, 翡翠閃光魚(Notropis atherinoides)、美洲真鰶(Dorosoma cepedianum)和藍(lán)鰓太陽(yáng)魚(Lepomis macrochirus)在絕大多數(shù)年份為優(yōu)勢(shì)種, 年均數(shù)量占比為53.5%, 最高69.2%(1999年), 最低27.1% (1994年), 優(yōu)勢(shì)種的年間更替不明顯。綜合來看, 建壩后的上密西西比河魚類多樣性維持在較穩(wěn)定狀態(tài)(圖 6)。

圖 5 上密西西比河魚類豐富度和日均捕撈數(shù)量變化(數(shù)據(jù)來源LTRMP)Fig. 5 Trend of fish species abundance and catch number per day in the upper Mississippi River (data from LTRMP)

上密西西比河的閘壩建設(shè)對(duì)下密西西比河魚類影響較小。下密西西比河受洪水侵蝕嚴(yán)重, 美國(guó)在下游修建了約3000 km的防洪堤以穩(wěn)固河岸河床, 保障通航[12]。大量的人工護(hù)岸弱化了下密西西比河生物地球化學(xué)循環(huán)[40], 但由于沒有修建攔河大壩, 以及豐富的支流水系和多樣化的生境類型(26條支流和242個(gè)8萬m2以上湖泊[12]), 使得下密西西比河仍具有較完整的魚類多樣性。目前, 下密西西比河魚類中僅密蘇里鏟鱘被美國(guó)魚類和野生動(dòng)物管理局(USFWS, U.S. Fish and Wildlife Service)列為瀕危物種[41], 而下游St. Louis以下江段的河道渠化工程也被認(rèn)為是導(dǎo)致密蘇里鏟鱘瀕危的首要因素[42]。

3 密西西比河生態(tài)及魚類保護(hù)措施

上密西西比河大部分屬于草原, 加上密集的水電開發(fā)和嚴(yán)重的河流污染, 生態(tài)系統(tǒng)較脆弱。美國(guó)聯(lián)邦政府將上密西西比河定義為“國(guó)家級(jí)生態(tài)系統(tǒng)和國(guó)家級(jí)商用航運(yùn)系統(tǒng)(A nationally significant ecosystem and a nationally significant commercial navigation system)”[43], 同時(shí)也針對(duì)其生態(tài)環(huán)境及魚類資源開展了系統(tǒng)化的的管理和保護(hù)。

3.1 上密西西比河生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境管理計(jì)劃

圖 6 上密西西比河魚類優(yōu)勢(shì)種變化(ERSN. 翡翠閃光魚; GZSD. 美洲真鰶; BLGL. 藍(lán)鰓太陽(yáng)魚; 數(shù)據(jù)來源LTRMP)Fig. 6 Change of dominant fish species in the upper Mississippi River (ERSN. Notropis atherinoides; GZSD. Dorosoma cepedianum;BLGL. Lepomis macrochirus; data from LTRMP)

1986年, 美國(guó)國(guó)會(huì)通過了水資源開發(fā)法案(WRDA,Water Resources Development Act), 并批準(zhǔn)了上密西西比河生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境管理計(jì)劃(UMRS-EMP, Upper Mississippi River System-Environmental Management Program)的實(shí)施。其目標(biāo)是為了恢復(fù)、保護(hù)和強(qiáng)化UMRS中的重要水生動(dòng)物、濕地和泛濫平原; 通過系統(tǒng)的資源監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用研究, 提高對(duì)UMRS的認(rèn)識(shí); 促進(jìn)和擴(kuò)大UMRS管理機(jī)構(gòu)、利益集團(tuán)和公眾之間的交流和合作關(guān)系; 最終形成示范并應(yīng)用到其他河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和管理中[44]。UMRS-EMP核心內(nèi)容之一即魚類資源長(zhǎng)期資源監(jiān)測(cè)計(jì)劃(LTRMP, Long Term Resource Monitoring Program), 監(jiān)測(cè)范圍覆蓋上密西西比河6大區(qū)域: Pool 4、Pool 8、Pool 13、La Grange Pool、Pool 26和Open River Reach, 并制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)化采樣規(guī)范[45]。自LTRMP監(jiān)測(cè)實(shí)施以來, 已記錄數(shù)據(jù)超過4.4萬個(gè), 收集魚類570萬尾。

LTRMP的監(jiān)測(cè)價(jià)值主要體現(xiàn)在三個(gè)方面: 一是保護(hù)漁業(yè)資源。UMSR是美國(guó)最具生物生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的泛濫平原生態(tài)系統(tǒng), 而魚類則是其中最重要的商品(每年約帶來12億美元的收入), 但大量的捕撈和休閑垂釣也會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)產(chǎn)生不利影響[46]。LTRMP可以及時(shí)反映特定物種的資源動(dòng)態(tài),并在出現(xiàn)任何不利趨勢(shì)時(shí)采取補(bǔ)救行動(dòng)。二是保存物種。UMRS擁有眾多古老、珍稀以及瀕危魚類, 但也是入侵物種在美國(guó)大部分地區(qū)擴(kuò)散的關(guān)鍵水域, 大量外來種會(huì)對(duì)UMRS土著魚類帶來了威脅[47]。如, 根據(jù)LTRPM 20年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 亞洲白鰱(Silver carp)形成入侵前后, 密西西比河土著魚類的生物量明顯下降(圖 7)。因此, 通過LTRMP可以及時(shí)掌握入侵物種的擴(kuò)散動(dòng)態(tài)、對(duì)本地物種的影響以及制定相關(guān)的保護(hù)策略。三是生態(tài)完整性評(píng)估。魚類是反應(yīng)河流物理和生物環(huán)境狀況的重要指示物種[48]。魚類多樣性變化及其對(duì)環(huán)境變化的多尺度響應(yīng)通常被作為UMRS生態(tài)系統(tǒng)完整性的指標(biāo)[48], 并借此提高公眾對(duì)UMRS魚類和河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)。從目前的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出, 不僅在區(qū)域尺度上, 上密西西比河保持了較豐富和穩(wěn)定的魚類多樣性(圖 5和圖 6); 在局域尺度上, 6大監(jiān)測(cè)區(qū)域的魚類物種豐度同樣具有上升趨勢(shì)(圖 8)。

圖 7 上密西西比河土著魚類和白鰱單位捕撈量的漁獲量(CPUE)變化趨勢(shì)(U.S. Army Corps of Engineers, 2016)Fig. 7 Trend of catch per unit effort (CPUE) of native fish species and silver carp in the upper Mississippi River (U.S. Army Corps of Engineers, 2016)

3.2 上密西西比河生態(tài)恢復(fù)和維持策略

2000年, 上密西西比河保護(hù)協(xié)會(huì)(UMRCC, The Upper Mississippi River Conservation Committee)在UMRS-EMP的基礎(chǔ)上, 提出了上密西西比河生態(tài)恢復(fù)和維持策略(UMRS-RMS, Restoration and Maintenance Strategies), 即通過對(duì)生態(tài)系統(tǒng)層面(Ecosystem, 指非生物環(huán)境, 如棲息地物理環(huán)境、水文節(jié)律和水土條件等)的綜合性修復(fù)來保障自然資源系統(tǒng)(Natural resource system, 指流域內(nèi)的魚類和鳥類等野生動(dòng)植物)的穩(wěn)定[22]。其內(nèi)容主要涉及以下9項(xiàng)修復(fù)措施: (1)減少營(yíng)養(yǎng)素、殺蟲劑和除草劑的使用, 控制污染源的輸入, 改善棲息地水質(zhì)狀況; (2)控制高地和河岸的水土流失, 重建支流河曲, 提高河流生境異質(zhì)性; (3)恢復(fù)天然洪泛區(qū), 拆除不合格及低效益的防洪堤; (4)降低蓄水位, 提供季節(jié)性洪水脈沖和周期性低流量, 提供魚類繁殖需求的水文節(jié)律; (5)通過水位調(diào)控等方式提高河網(wǎng)連通性, 降低生境破碎化; (6)創(chuàng)造島嶼、淺灘和沙洲等棲息地,使生境更加多樣化; (7)航道疏浚、清淤、人工護(hù)岸等維護(hù)措施要滿足河流生態(tài)修復(fù)目標(biāo); (8)切斷外來物種的擴(kuò)散路徑; (9)改善大壩閘門的運(yùn)行方式, 提高魚類過壩機(jī)率。

為保障RMS的成功實(shí)施, UMRCC進(jìn)一步提出了6項(xiàng)支撐性計(jì)劃[22], 包括(1)優(yōu)先支持水質(zhì)和沉積物改善的項(xiàng)目; (2)優(yōu)先支持泛濫河流水文過程恢復(fù)的項(xiàng)目, 保障其生態(tài)功能的可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn); (3)建議開展小尺度或特定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)修復(fù)工程; (4)在亟需改革和試點(diǎn)的已有項(xiàng)目、組織和機(jī)構(gòu)中推廣UMRS-EMP; (5)促進(jìn)管理者、學(xué)者和公眾之間的交流,分享有關(guān)適應(yīng)性管理和河流恢復(fù)的信息; (6)公開修復(fù)措施和建議, 以便獲得公眾的支持, 并通過相關(guān)組織和機(jī)構(gòu)促進(jìn)領(lǐng)導(dǎo)者的決策和執(zhí)行。由此可見,美國(guó)除了注重流域生態(tài)的系統(tǒng)性治理外, 更加善于利用社會(huì)力量, 并形成公眾-學(xué)者-管理者相互協(xié)作的良性管理體制。截止到2016年, UMRS共有87項(xiàng)棲息地修復(fù)及強(qiáng)化工程已完成或正在實(shí)施[50]。未來, UMRCC還將以LTRMP數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 不斷評(píng)估和改進(jìn)生態(tài)修復(fù)措施, 以保障上密西西比河生態(tài)系統(tǒng)和自然資源系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.3 密西西比河大壩拆除

美國(guó)最早于1912年拆除了第一座位于密執(zhí)根州的馬克特壩(Marquette Dam)。迄今為止, 全美已拆除近1700座老、棄、廢壩和“無名壩”, 主要分布于美國(guó)東西部河流的小支流或溪溝上, 多數(shù)拆壩的壩高小于8 m。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 密西西比河流域已拆除大壩50座以上, 但全部位于支流水系, 而干流為了保證通航以及防洪需求沒有計(jì)劃對(duì)已建大壩進(jìn)行拆除。美國(guó)拆壩的重要里程碑是2001年拆除了位于密西西比河二級(jí)支流巴拉博河的最后四座大壩, 拆壩后恢復(fù)了該河流185 km長(zhǎng)的自然流通狀態(tài)。在此之前, 巴拉博河被阻隔長(zhǎng)達(dá)150年之久。Catalano等[51]分析了巴拉博河拆壩后的魚類群落變化, 發(fā)現(xiàn)壩址區(qū)域的魚類生物完整性和物種豐度會(huì)在拆壩后2年內(nèi)迅速下降并隨后上升至穩(wěn)定, 有10個(gè)新物種在原壩上游定殖并大量繁殖, 這種群落變動(dòng)隨著離拆壩位置越遠(yuǎn)而逐漸減弱。

大壩拆除對(duì)魚類的影響是雙向的, 一方面可恢復(fù)河流的自然流態(tài)及其連通性, 有利于洄游性魚類的生長(zhǎng)與繁殖；另一方面, 對(duì)于阻隔較久的河流,其生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定和平衡, 拆壩后庫(kù)區(qū)底泥的釋放會(huì)影響下游水質(zhì), 改變下游河床基質(zhì)和河道形態(tài), 魚類群落產(chǎn)生新的演替。此外, 拆壩后也可能帶來新的物種入侵。目前, 在美國(guó)僅有9%的拆壩經(jīng)過科學(xué)評(píng)估, 并且多數(shù)評(píng)估僅針對(duì)建壩后1—4年內(nèi), 缺乏長(zhǎng)期評(píng)估以及拆壩前的對(duì)比評(píng)估。而現(xiàn)有評(píng)估也多關(guān)注于拆壩后水文、沉積物等短期形成的物理效應(yīng), 極少數(shù)關(guān)注生物、水質(zhì)等長(zhǎng)期生態(tài)效應(yīng), 以及物理和生態(tài)效應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系[52]。因此, 盡管美國(guó)較早的采取拆壩措施來恢復(fù)河流生態(tài), 但其恢復(fù)效果仍需大量長(zhǎng)期數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。

4 對(duì)我國(guó)水電開發(fā)下魚類保護(hù)的啟示

密西西比河與我國(guó)大型河流有諸多相似之處。以長(zhǎng)江為例: 從空間權(quán)屬看, 密西西比河僅流經(jīng)美國(guó)和加拿大兩個(gè)國(guó)家, 長(zhǎng)江為境內(nèi)河流, 權(quán)屬關(guān)系同其他國(guó)際河流相對(duì)簡(jiǎn)單; 從城市規(guī)劃看, 密西西比河和長(zhǎng)江流經(jīng)地區(qū)多為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市化較集中的中部區(qū)域, 人類活動(dòng)頻繁; 從建壩目標(biāo)看, 都以航運(yùn)、防洪、發(fā)電、供水等為主。盡管密西西比河在氣候、水文、長(zhǎng)度、流域面積等方面和長(zhǎng)江存在差異, 但其豐富的治理經(jīng)驗(yàn)仍可為我國(guó)筑壩河流魚類資源保護(hù)及其生態(tài)修復(fù)提供參考和示范。

圖 8 上密西西比河不同監(jiān)測(cè)區(qū)域的魚類物種豐富度變化(數(shù)據(jù)來源LTRMP; x軸. 年份; y軸. 物種豐度)Fig. 8 Variation of species richness of different monitoring areas in the upper Mississippi River (data from LTRMP; x-axis. years; y-axis.species abundance)

4.1 建立長(zhǎng)期系統(tǒng)的河流監(jiān)測(cè)體系

系統(tǒng)的自然資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)是成功治理的根本。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有利于掌握河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,并為河流生態(tài)修復(fù)提供信息和決策支撐, 但需要長(zhǎng)期的、標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。在密西西比河UMRS-EMP計(jì)劃中, 除了魚類資源監(jiān)測(cè)外, 還包含水生植物、大型無脊椎動(dòng)物、水質(zhì)、土地覆蓋、測(cè)深和遙感等監(jiān)測(cè)要素。借鑒密西西比河的成功經(jīng)驗(yàn), 美國(guó)環(huán)境保護(hù)研究與發(fā)展辦公室(EPAORD, U.S. Environmental Protection Agency Office of Research and Development)于2004年也開始在其他河流實(shí)施了“大型河流環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估計(jì)劃(EMAP-GRE, Environmental Monitoring and Assessment Program-Great Rivers Ecosystems)”[53]。

4.2 注重棲息地修復(fù)

目前而言, 以物種為導(dǎo)向的河流生態(tài)修復(fù)措施,如人工產(chǎn)卵場(chǎng)、建造繁育基地、增殖放流以及引種等, 仍難以保證魚類自然種群的恢復(fù)[54], 甚至?xí)?duì)原本的自然種群產(chǎn)生潛在威脅[55]。美國(guó)UMRSRMS和拆壩都是以棲息地修復(fù)為導(dǎo)向, 從河流生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制、維持過程、核心要素以及健康標(biāo)準(zhǔn)4個(gè)角度進(jìn)行綜合規(guī)劃, 其目標(biāo)更具有長(zhǎng)期性和系統(tǒng)性, 彌補(bǔ)了單一物種補(bǔ)償措施的不足, 而河流監(jiān)測(cè)體系的建立也可為棲息地修復(fù)效果評(píng)估提供資料。

4.3 建壩與拆壩之爭(zhēng)

拆壩的焦點(diǎn)在于對(duì)魚類洄游通道的恢復(fù), 但往往會(huì)帶來環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的不利影響, 這也促進(jìn)了魚道的發(fā)展。然而, 魚梯、升魚機(jī)等過魚設(shè)施難以滿足不同物種的洄游需求, 有進(jìn)一步增加外來種入侵的風(fēng)險(xiǎn), 如密西西比河的亞洲鯉[47]、七鰓鰻等[56], 同時(shí)也會(huì)引發(fā)生態(tài)陷阱(Ecological traps)[57]。因此, 過魚設(shè)施在美國(guó)被認(rèn)為是一種半成熟的技術(shù)[25,58]。不同河流由于人口、區(qū)域、氣候、水文、生物多樣性的差異, 水利開發(fā)通常產(chǎn)生不同的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益以及生態(tài)效益, 因此, 無論建壩、拆壩或是輔助過魚都需綜合考慮三者之間的平衡以及實(shí)施后的長(zhǎng)短期變化, 并通過大量的本底數(shù)據(jù)開展預(yù)測(cè)研究。尤其是對(duì)已經(jīng)形成穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的大壩,其拆除和修建過壩措施更應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。

4.4 因地制宜

成功的治理經(jīng)驗(yàn)要結(jié)合河流自身的實(shí)際情況才能加以借鑒運(yùn)用, 并研究制定針對(duì)性的修復(fù)措施。如前文提到的《田納西河谷開發(fā)法案》正是以田納西河水電規(guī)劃為藍(lán)本對(duì)密西西比河進(jìn)行的全流域開發(fā)。美國(guó)基西米河生態(tài)修復(fù)也采取了和密西西比河類似的工程措施, 但其側(cè)重目標(biāo)在于通過恢復(fù)河道的自然水文水力條件進(jìn)而重建其生態(tài)環(huán)境[59]。此外, 上密西西比河EMP和RMS計(jì)劃都只對(duì)干流進(jìn)行了修復(fù)試點(diǎn)和規(guī)劃, 而沒有涉及其他支流或湖泊。這也是考慮到不同河流各自的生物、環(huán)境狀況以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)影響的唯一性。

4.5 完善法律法規(guī)

健全的法律體系能夠保障河流治理做到依法治水、依法開發(fā), 并監(jiān)督敦促各項(xiàng)修復(fù)措施有效落實(shí)。美國(guó)1936年的《防洪法》、1965年的《水資源規(guī)劃法》、1972 年的《清潔水法》、1986年的《水資源發(fā)展法案》、1998年的《面向21世紀(jì)的交通運(yùn)輸平衡法案》以及1933—1977 年的多部防洪保險(xiǎn)法規(guī), 使得密西西比河的水資源、水利、水電、航運(yùn)均有法可依, 保障了內(nèi)河開發(fā)有序進(jìn)行。

5 總結(jié)與展望

美國(guó)對(duì)密西西比河生態(tài)系統(tǒng)的研究相對(duì)較早,河流修復(fù)理論、技術(shù)和方法較為成熟, 經(jīng)驗(yàn)積累豐富。鑒于河流生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性, 其恢復(fù)過程是長(zhǎng)期而持續(xù)的, 這也給我國(guó)相關(guān)研究和管理工作帶來了挑戰(zhàn)。目前我國(guó)水電開發(fā)下魚類保護(hù)存在的問題主要包括以下幾個(gè)方面: (1)對(duì)我國(guó)河流生態(tài)系統(tǒng)缺乏足夠的認(rèn)識(shí), 無法對(duì)癥下藥; (2)恢復(fù)措施多為國(guó)內(nèi)外已有成功案例的效仿, 沒有實(shí)施本地化;(3)河流的歷史生態(tài)數(shù)據(jù)極度缺乏, 難以開展系統(tǒng)的研究和評(píng)估; (4)多數(shù)修復(fù)研究?jī)H考慮了魚類、流量、水質(zhì)等單一生態(tài)指標(biāo), 缺乏對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的整體性考慮; (5)對(duì)影響河流物理、化學(xué)和生物過程的關(guān)鍵因子尚不明晰; (6)魚類物種保護(hù)方式仍以人工繁殖和增殖放流為主, 對(duì)棲息地的研究和保護(hù)力度較弱; (7)標(biāo)準(zhǔn)化的生態(tài)監(jiān)測(cè)體系尚未建立完全。

隨著習(xí)近平總書記提出的“生態(tài)文明建設(shè)”、“綠水青山就是金山銀山”以及“共抓大保護(hù), 不搞大開發(fā)”等理念的貫徹落實(shí), 我國(guó)也逐漸意識(shí)到河流生態(tài)和魚類保護(hù)的重要性, 在諸多流域開展了試點(diǎn)修復(fù)工作。早在2012年, 美國(guó)大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(TNC, The Nature Conservancy)與長(zhǎng)江流域漁業(yè)資源管理委員會(huì)(YFC, Yangtze River Basin Fisheries Resources Management Commission)建立了“長(zhǎng)江-密西西比河”綠色伙伴合作關(guān)系(Yangtze-Mississippi River EcoPartnership), 其目的是為了解決亞洲鯉在密西西比河干支流中的進(jìn)一步擴(kuò)散, 而通過學(xué)習(xí)密西西比河多年的流域治理模式和經(jīng)驗(yàn)也可為長(zhǎng)江流域生態(tài)修復(fù)和魚類資源保護(hù)提供借鑒。2018年, 國(guó)務(wù)院審定印發(fā)了《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)長(zhǎng)江水生生物保護(hù)工作的意見》, 在生態(tài)修復(fù)、拯救瀕危物種、加強(qiáng)生境保護(hù)、完善生態(tài)補(bǔ)償、加強(qiáng)執(zhí)法監(jiān)管、強(qiáng)化支撐保障、加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)等7個(gè)方面提出了19項(xiàng)政策措施。2019年, 在中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所曹文宣院士的多年呼吁下, 三部委聯(lián)合發(fā)布了《長(zhǎng)江流域重點(diǎn)水城禁捕和建立償制定實(shí)施方案》, 要求在長(zhǎng)江干流和重要支流等重點(diǎn)水域逐步實(shí)行合理期限內(nèi)禁捕的禁漁期制度,2020年底以前實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域重點(diǎn)水域常年禁捕(暫定實(shí)行10年禁捕)。此外, 《中國(guó)人民共和國(guó)長(zhǎng)江法》的基本框架和原則也已確定, 尚待落實(shí)。一系列的政策和法規(guī)為進(jìn)一步推動(dòng)“長(zhǎng)江大保護(hù)”奠定了基石。

未來, 我國(guó)河流生態(tài)保護(hù)和評(píng)估工作仍需依賴于多學(xué)科的基礎(chǔ)研究, 在充分吸收密西西比河等國(guó)外成功河流生態(tài)修復(fù)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí), 以大量既有資料為根本, 以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 通過掌握河流生態(tài)過程及其生物、環(huán)境的演變規(guī)律, 不斷發(fā)展適合我國(guó)河流特點(diǎn)的生態(tài)修復(fù)理論、技術(shù)和方法。同時(shí)在管理層面, 實(shí)施跨部門合作; 加強(qiáng)水域生態(tài)環(huán)境健康監(jiān)測(cè), 建立覆蓋全流域和所有環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系; 對(duì)于已建高壩大庫(kù)的河流, 積極開展魚類棲息地修復(fù)和生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制; 從連通支流入手, 評(píng)估替代生境的可行性, 科學(xué)拆除小水電, 恢復(fù)支流原來的自然流態(tài); 在魚類關(guān)鍵棲息地設(shè)置自然保護(hù)區(qū), 劃定水域生態(tài)紅線, 開展保護(hù)區(qū)效果評(píng)估,優(yōu)化空間布局; 針對(duì)瀕危特有魚類, 制定相關(guān)拯救行動(dòng)計(jì)劃; 最后, 應(yīng)以《長(zhǎng)江法》為范式, 盡快推進(jìn)其他河流生態(tài)保護(hù)相關(guān)法律法規(guī)的確立和落實(shí), 使我國(guó)河流生態(tài)保護(hù)有法可依, 并最終指導(dǎo)相關(guān)河流的生態(tài)修復(fù)和魚類保護(hù)工作。

附表 1 密西西比河干流41座大壩建設(shè)概況(數(shù)據(jù)引自NID)Attached table 1 The characters of 41 dams in the main stream of upper Mississippi River (data from NID)