河流景观生态学视角下三峡工程对荆江河段的生态效用分析

薛兴华，袁龙义 (长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

河流景观生态学视角下三峡工程对荆江河段的生态效用分析

薛兴华，袁龙义 (长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

从河流景观生态学的角度，探讨了三峡工程对荆江河段的生态效用。在概述河流景观生态学新近重要认识的基础上，分析并指出了三峡工程作为关键人文驱动因子，对荆江河段核心景观要素和主导生态过程的驱动作用；讨论了三峡工程水沙调节下，荆江河段多过程、多要素的耦合响应关系，以致在景观结构、景观格局和景观功能上，重建与新水沙条件相适应的景观生态系统；从功能过程区划、核心景观要素保护、维护自然水文连接度和人类活动生态学原则等4个方面，并提出了荆江河段景观生态维护的可持续策略。

三峡工程；荆江河段；生态响应；河流景观生态学

大江大河是陆圈-水圈的重要界面和生态交错带，成为区域生态功能和生态建设的主要承载体。同时，河流及河岸带的人类活动极为剧烈，特别是大型水利工程潜在的生态效应，已成为河流景观生态学研究的重要课题。三峡工程是目前世界上规模最大的水电站，正处于其下游的荆江河段历来河曲发育、河流地貌类型和地貌过程复杂多样，对水利工程的水沙条件变化反应敏感。三峡工程建成后，人们已经注意到了荆江河段的地貌格局与过程的显著变化[1-3]，但对三峡工程的生态影响，大多关注了某些物种的保护问题，少有研究从景观生态学的角度，讨论三峡工程对荆江河段的生态意义。由于河流系统的整体性、复杂性和人类活动的高强度特征，河流景观生态学为认识河流系统和理解人类活动的生态效应提供了重要理论框架。为此，笔者将在概述河流景观生态学新近重要认识的基础上，阐明三峡工程对荆江河段景观生态的驱动作用，以及荆江河段的景观生态响应关系，并提出荆江河段景观生态维护的可持续策略。

1 河流景观生态学——河流廊道研究与可持续发展的重要理论框架

对河流系统的认识，先后提出了10余种理论模型[4]，典型的有河流连续体(River continuum concept)、资源螺旋线理论(Spiralling resource concept)、序列非连续体理论(Serial discontinuity concept)、洪水脉冲理论(Flood pulse concept)、河底廊道理论(hyporheic corridor concept)、水文-生物-生态功能河流连续体[5]、河流生物地貌演替理论[6]等。随着河流生态问题日趋显现，人们开始重视河流生态系统的研究。河流系统的复杂性、综合性和空间异质性，以及河流可持续利用思想的确立，对有关研究提出了新的挑战，景观生态学强调景观尺度的综合、整体研究，为认识和管理河流及其河岸带提供了重要的理论和实践工具[7-8]。

河流廊道具有显著的边缘效应、多样性和复杂性，传统的景观生态研究中，河流被视为均质的景观要素或景观要素之间的边缘，随着河流景观生态研究的开展，河流在纵向、垂向、侧向和时间上的多时空异质性引起人们的重视。1999年国际景观生态学会第5次年会已就可持续河流的管理开展了专场讨论，随后河流景观生态学发展迅速，并于2001年举行了第1届河流景观国际年会[9]，景观生态学为研究河流廊道格局、过程、环境动态和景观要素的相互作用提供了有效框架[7]。

水文连接度、流态、河流动力地貌过程和人文干扰过程是河流景观生态的关键特性和关键生态过程。针对河流的特殊性，目前河流景观生态学关注的焦点主要是，河流廊道的生物多样性[10-11]、连接度[11-12]、功能过程[10-11]、人文干扰[13]、景观变化[14]，以及有关河流景观生态理论模型的研究[8，11，15-16]。生物多样性的讨论在概念上扩展到了生态多样性和功能过程的多样性。连接度主要指水文上的连接度，是河流景观生态的关键性质，也是河流景观异质性、生境完整性和生态过程的关键控制因子[17]。在功能过程上，特别重视水文过程、流态、破碎化、地貌与植被演替的研究，还涉及到生产力、N等物质流[18]过程。水利工程设施对景观格局与过程等方面的生态效应则是人文干扰研究的重点，并提出了反应人文干扰的景观指数。在理论模型研究上，基于已有河流系统模型，并考虑尺度转换问题，发展出了等级斑块动态[11]、功能过程区[8，11]理论，还提出了针对某一河流景观特性的模型，如多样性模型[15]、水文模型[16]等。在研究方法上，重视RS、GIS、GPS等现代空间信息技术的应用[14，19]，在研究趋势上越来越强调机理的研究和综合统计分析与模型模拟的方法。

国内对流域尺度的景观生态研究较多[20-21]，对河流廊道的景观生态研究主要涉及到景观变化[22-23]、景观生态功能与功能分区[24]等实证分析，并阐述了河流生态修复中景观生态学原则的理论基础[25-26]，还拓展了河流景观生态的理论研究[4]，并提出了有关理论模型[5]。

要维护江河系统的生态功能，必须在景观尺度上保持与恢复生物多样性，必须对景观尺度上地貌过程与生态过程及其相互作用有足够了解[27]。荆江河段是长江河流湿地生态功能的重要承载体，正处于三峡工程下游，由于特殊的水文地质条件，三峡工程影响下的生态响应值得关注。在景观尺度上，景观生态学不仅为认识这一大型水利工程的河流生态效应提供重要理论工具，还将为荆江段的管理和可持续发展提供重要依据。

2 三峡工程成为荆江段景观生态的关键人文驱动力

2.1 荆江河段的河流景观生态概要

荆江河段位处于长江中游，河流景观类型多样。在宏观上，上荆江段为弯曲型分叉河流景观，下荆江段为蜿蜒型河曲景观；在水体景观上，深槽-浅滩交替，除常年行水的径流面外，河岸湖塘众多；横向上河床心滩、心洲、边滩、河漫滩等景观发育，河岸有草地、人工林景观；漫滩系统有农业用地、码头、城市建设、工业用地等多种人文景观。

河流景观中，地貌多样性往往是其生态多样性的物质基础，荆江河段河流地貌类型多样，河湖关系复杂，河流湿地发育，是长江干流景观生态功能承载的重点河段。荆江段核心景观要素至少有河岸漫滩景观、河床心洲心滩景观、河面浅滩深槽景观、河岸湖塘景观等。荆江河段动植物种类丰富，特别是洄游淡水鱼类，是区域生态环境的重要生态走廊，对维护长江生态功能意义重大。荆江段自湖北枝城至湖南城陵矶，以藕池口为界，分上、下荆江。上荆江为弯曲型河段，河弯曲折率平均为1.72[2]，河道弯曲并呈周期性展宽，水道分歧，汊江发育，水流分散，主支汊兴衰交替[1]，心滩和江心洲发育，在荆江18处江心洲中，上荆江即占16处。下荆江属蜿蜒型河段，自由河曲极为发育。河流蜿蜒具有重要的生态意义，河曲发育通过增加长度、地形演化和水文过程等多种过程影响植被演替[28]。河曲易于发生裁弯取直，裁弯后形成多处牛轭湖，如尺八口、月亮湖、大公湖、西湖、沙滩子等。废弃河道河口门淤塞，会成为某些先锋物种的避难所[29]。荆江段河岸带还维护着湖、塘等重要淡水生态系统，在生物多样性、珍惜物种保护、水沙调节等方面承担着重要的生态功能。

荆江河段景观生态过程复杂、多样，人文和自然干扰过程剧烈，是其景观多样性维持与演化的动力基础。其基本生态过程有水文过程、河流地貌过程、人文过程、地球化学过程和生物过程等，前三者为荆江段景观格局与动态的关键主导过程。长江作为我国第一、世界第三大河，出三峡后即进入中游荆江河段，河流景观由受地形地质约束的峡谷型河流景观，转变为主要受水文和水动力过程控制的河曲、洲滩发育的平原淤积型河流景观，其巨大的流域系统使得水文和水动力过程在年内、年际尺度上存在周期性、非周期性扰动，自然干扰过程频繁而强烈。同时，河流及其河岸带高强度的人类活动，对荆江段景观格局与动态的干扰剧烈。荆江处长江中游平原区，工农业发展和城市建设的程度高，筑堤、修坝、引水建渠、水闸修建，严重干扰了河流自然生态过程。

2.2 三峡工程对荆江河段景观生态的驱动作用

由于人类在河流及河岸带进行的高强度社会、经济、生产活动，人类活动成为河流生态过程与系统演化的关键驱动力。在河流生态系统研究和有关理论模型中，如“横向—纵向—垂向—时间”四维变量模型、“水文-生物-生态功能河流连续体”四维模型[5]、“水文-河流地貌-生物”演替模型[6]等，都重视人文驱动力的作用，甚至将人类活动列为河流生态系统演化的关键因子，在第1届河流景观国际年会上即将人类活动与河流景观的相互作用列为6大专题讨论内容之一[9]。

三峡工程对荆江河段景观生态的驱动作用，一方面表现为直接改变景观要素的结构、格局和时空异质性，如径流面面积和横向宽度的减小，河流流态改变，水生、水陆两生滩地退缩，陆生滩地延伸等；另一方面，在水文和水动力过程的主导作用下，驱动地貌过程、物质输送与地球化学过程、生物过程等其他生态过程的调整，打破原景观生态系统的动态平衡，改变系统演化方向，甚至重建。

三峡工程自2003年蓄水运行以来，人们已经注意到其下游河段水动力条件、河流地貌发生了明显变化[1-3]，特别是荆江河段河床，受到清水下泄的影响，河床冲刷加剧，河势调整、滩堤冲淤变化，水沙调节对河流及河岸生境、河流景观格局与过程产生了深远影响，三峡工程的水沙调节作用成为荆江河段河流生态系统演化的关键驱动力。

在河流景观生态中流态是其生态过程的关键因素，三峡大坝直接影响到荆江河段河流流态，引起冲淤关系改变、主支汊更替，河湖关系调整，物质迁移特性变化，河流生境变化进一步影响到生物过程，甚至引起物种、群落结构的变化，多个景观生态过程在河流纵向、横向、垂向三维空间上耦合响应。尽管目前对荆江河段景观动态的研究还很有限，但国外相关研究指出，各种社会需要(发电、水管理与利用、城市和农业等土地利用方式)会使得河流系统严重偏离其自然过程(水文、物质输送等)，乃至生态资源的降低[30]，还会引起河流破碎化，影响到水播植物的分布[31]，造成自然生态遗产的丧失[32]。水利工程措施的生态效应可以是长期的[33]，甚至历史上的河流管理(坝、渠道)仍然影响到现代植物生态多样性具有重要影响[34]。在河流系统横向上，河岸带作为水生、陆生生态系统过渡带，是各类有机/无机物质的源/汇和分配的通道[35]，生物多样性突出，具有与其空间大小不成比例的生态功能重要性[36]，三峡工程影响下，流量、水位、过水断面等水文过程变化，将改变荆江段原有洲滩-径流-河岸之间的横向水文连接度，以及泥沙、水分、养分等物质的横向输送，在生物生长、植被演替的交互作用下，河流横向景观格局改变。在河流生态学的研究中，研究者强调地貌活跃段的重要意义，如河曲发育段通过河长增加、地形动态和水文过程等多种过程影响河流植被生态状况[37]。荆江河段为长江河流景观的纵向活跃段，上荆江为分叉型河道，下荆江蜿蜒型河曲发育，河流地貌类型多样，生态过程复杂，对三峡工程这一巨大的人文驱动力，具有敏感的景观生态响应。

三峡工程对其下游河段的生态驱动作用已引起人们的关注。2011年国务院《三峡后续工作规划》和《长江中下游流域水污染防治规划》[38]中指出，三峡工程在生态环境方面还存在一些亟需解决的问题。针对三峡工程对其下游的生态影响，明确指出要实施生态修复，改善生物栖息地环境，保护生物多样性。从河流景观生态学的角度，分析三峡工程驱动下，荆江这一生态敏感河段的景观生态响应具有重要的理论和实践意义。

3 荆江河段对三峡工程的景观生态响应关系

图1 荆江河段对三峡工程的景观生态响应关系

荆江河段对三峡工程的基本响应关系如图1所示：水沙过程→河流动力地貌过程→物质能量输送→生物过程→景观结构与格局变化。三峡工程以水沙调节为驱动力，作用于荆江河段的景观生态系统，直接影响该河段的水文泥沙过程和地貌过程等主导生态过程，通过多要素、多过程的耦合响应，引起景观要素结构和空间格局的变化，建立与新水沙条件下相适应的河流景观生态系统。

水文泥沙过程是荆江河段景观过程与动态的关键生态过程，三峡工程蓄水调洪引起的流量、流速、洪峰过程、水文周期变化，改变了原有河流景观要素及其之间的水分过程和水文连接度，对斑块之间的物质、能量过程产生隔离和破碎化效应。美国密西西比河的河岸廊道研究表明，大坝等水利工程设施改变了河流与漫滩系统间自然水力联系的时空异质性，大坝下游残留斑块生态系统生物多样性迅速降低[39]。相关研究也指出，水利工程设施会造成河流系统中不同栖息地间在水文上的连接性降低、景观破碎化[40]，并在地貌演替、物质能量输送过程改变的综合作用下，影响植被演替。

对于荆江河段的冲积型河流景观来说，河流动力地貌过程是控制其景观格局和动态的关键生态过程。三峡工程开始蓄水调洪后，研究发现，荆江河段非饱和水沿程冲刷、崩岸严重，上荆江段主支汊更替、床沙粗化，下荆江段撇弯切滩剧烈，局部河段已经发生河势调整[1-3]。河流动力地貌过程的调整，一方面直接改造河流在纵向和横向上的景观格局，同时改变物质能量的输送特征，流态变化、水热条件与养分动态在系统内重新分配，进一步引起动植物种群的迁移、消退等生物过程响应，种群、群落的结构和分布格局演替。

可见，在三峡工程这一巨大人文驱动力下，荆江河段这种河床景观、河岸景观等多种景观要素的连锁响应关系，地貌过程、物质过程、生物过程等多过程的耦合响应作用，并不仅仅是通过保护某几种物种、建立保护区等，就能实现河流系统在景观生态功能、景观格局和景观结构上的完整性的，必须在对河段景观生态规律与响应关系详细了解的基础上，才有可能准确把握三峡工程对其下游河段景观生态的效应作用。

4 荆江河段景观生态维护的可持续策略

全球大多数大江大河生态系统严重受到人类活动的干扰，研究者一方面重视人类活动特别是大型水利工程设施的景观生态效应[27，32，39-40]，还讨论了河流景观生态恢复与修复的途径与效果[41]。在第2届国际河流景观生态学会议上，即将河流景观恢复列为重要议题[42]，恢复自然河流景观特征成为修复人类活动改变的河流生态系统的普遍共识[43]，并证明了这种自然化河流廊道与公众景观美学的一致性[44]。

要维护荆江河段的景观多样性和生态功能的完整性，必须从河段自身景观生态规律出发，提出可持续的修复策略和途径，主要包括以下4个方面。①根据生态功能的空间分异，划分生态过程功能区，实施分区的功能管理策略。如，对于上荆江段弯曲型自然分叉过程区，维护湾段急流、顺直段缓流等多种流态，以及心洲、心滩、主流、支流等弯曲型河流景观区的多种生境；对于下荆江段河曲发育过程区，重塑河流的自然蜿蜒、切滩过程，尽量减少人工截弯过程，促进自然河流湿地的发育。②为核心景观要素划分保护区。如对上荆江段发育的江心洲、下荆江段的边滩和牛轭湖，特别是其中斑块面积较大者，建立保护区，使之成为维持湿生、陆生和水生生物多样性的基质，甚至成为某些特有、珍惜物种的庇护所。③维护河流纵向、横向、主支流的自然水力联系，增强景观要素之间水文连接度。修复砌石、堤岸等导致的硬质化河床和河岸，水闸等水工建设对水文连接度造成的干扰，以及道路、码头、管道等引起的景观破碎化，尽量采用缓坡河岸、生态护岸，优化纵向深槽-浅滩、横向岸滩-水面-江心洲/滩的自然景观格局。④人类活动的生态学原则。采用生态农业模式，减少农业面源污染，以及滩涂、湖塘的围垦，修复污染土壤。沿岸城市建设，采用自然化生态景观设计，减少硬质材料对自然水分、养分循环的干扰。采用生态护岸模式，合理配置乔、灌、草等生态护坡，使用柔性结构和透水材料，避免硬质岸堤对水文、物质输送等过程的隔离效应，为多种植物生长、动物栖息提供生境。码头等工业设施，尽量减少工业用地布置，污水、废水须截污处理，码头建设须充分考虑河段的生态功能。

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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

国家自然基金项目(No.31170400)；长江大学博士启动动基金(CJDX-D2010196)。

薛兴华(1976-)，男，湖北宣恩人，博士，讲师，主要从事河流景观生态与生态过程模拟研究。