地下水生态系统的分析与评估

［美国］A.H.阿辛顿

地下水生态系统的分析与评估

［美国］A.H.阿辛顿

不仅人类对地下水利用的需求巨大，而且生态过程和生态系统服务都得依赖于地下水维系，保护好地下水，也就意味着保护和维持依存于地下水的生态系统及其功能。论述了地下水生态系统评估中需考虑的问题，提出了地下水中生物特性及其对环境依存度以及地下水生态健康度的评估方式，分析了地下水开采程度而不致对生态环境产生压力的管理问题。最后为评估地下水生态系统提出了8个估值步骤和优先级排序方法。

地下水;生态系统;分析评估

1 概述

提供环境用水并非仅仅是提供水源用以维持河流地表水水流，同时必须考虑由地下水维持的陆地、河岸、湿地和依存于地下水生存的生物系统的水情。国际上有关河流生态系统的文献早就承认了流水系统的三维特性，并提出了与地表水生态连续区并重的地表水-地下水交错带走廊概念，尽管如此，通常的观点仍然认为，河流环境流量与保护或恢复依存于地下水的生态系统的水情通常都应分别进行完整的评估。

结果很多学者发出呼吁，要求开发跨学科、多尺度的概念框架，进行跨系统的比较以及对地表水和地下水关系进行跨学科的整体评估，从而同时满足两者的用水需求，并适应多种多样的气候和社会经济环境。人们面临的挑战是巨大的，因为人类对地下水的利用需求在不断增加，但对地下水情的评估又非常困难，而生态过程、生物多样性和生态系统服务都得依赖于地下水的维系。

2 评估需考虑的因素

为了对依存于地下水的生态系统(GDE)进行评估，学者依默斯和弗罗恩德从一个较广的角度，列出了GDE评估中必须要考察的问题:

(1)在分析环境需水量需求(EWR)时，要在已有数据的基础上尽可能多地考虑GDE系统的组成部分(例如，整合植被、大型无脊椎动物和脊椎动物的物理化学需水量)。如果没有足够的数据将生态系统的其他组成部分整合进来，或者可证明只需一个部分(如庇护物种)就能顾及到所有其他主要部分的需求，那么单一组成法或许也能主导特定GDE的环境需水量需求评估。

(2)要认识到GDE每个生态组成部分对地下水需求的差异性。例如，并非所有的地下水湿生植物都对地下水有同等的依赖程度，因此，这些植物对地下水水位下降的响应也就不尽相同。这种在依赖程度与响应上的差异性，可能会对地下水水位下降的风险产生重大影响。因此，在描述环境需水量需求时，要加上需水量的范围值(不仅仅是绝对阈值)和/或不同需求与依存度的类型。

(3)要重视对GDE生态有重大影响的其他有关地下水水情的变量(如时间、历时、季节性丰水和枯水频率以及极端洪水和干旱事件的阵发性和可预见性)。

(4)通过分析历史上地下水在关键时间周期上的变化，对地下水可获取量减少的累计影响进行评估。应在分析未来开发或增加配水可能带来影响的同时，对上述历史上出现的变化进行分析。当地下水可获取量初次发生变化时，GDE可能会出现延迟响应，因此，在估算环境需水量需求时，应考虑GDE对地下水可获取量变化的响应速率。

(5)要认识到GDE对地下水可获取量变化的承受度，并研究在采取了补救或缓解措施后生态价值能得以恢复或维持的可能性。要以从长计议的视角来评估维持生态价值所必备的需水量，这应当成为一种通常的做法。

(6)既要考虑系统或流域层面的地下水需水量又要分析单一GDE的需水量，例如，应将重要的景观级别生态过程(如硫酸盐土壤)纳入到考虑的范围。

(7)界定GDE需水量评估中的不确定性和用作预测水文变化的模型的不确定性，例如，由未来勘探场地、流域土地利用和气候变化等引起的不确定性。

依默斯和弗罗恩德强调指出，从长远的角度讲，地下水开采达到某种程度，都会导致自然流量下降，并对环境造成影响。因此，地下水管理者的任务就是要确定何种程度的环境影响水平是可以接受的，并据此管控地下水的开采量，使其影响在“可接受的限度内”。

3 河流走廊对地下水的依存度

3.1 河流走廊概念

要对河流生态系统进行保护或修复，就需要了解并定量评估从河源到大海或内陆水体的地表水-地下水交错带走廊这一重要过程的连通性和重要性。河流走廊可以看成是由地表水-地下水相互交错小块组成的镶嵌体，地表水下渗到泥土之中，然后在河床下或沿河床移动一段距离，最终与地下水混合，之后再返回到河流之中。这一交错带通道通常都位于较大的山坡地下水系统之中，而地下水流流入地表河流的通道在空间上也是被隔断的。

上述河流中的这种交错带通道可用几种方法来识别，包括使用天然示踪体(如温度和氯化物)，投放保守示踪剂，以及基于水力水头分布和含水层特性对次表水流进行模拟等方法。河水通常在表面压力高的地方下渗(如浅滩的上游端)，在表面压力低的地方上涌(如浅滩的下游端)。因此，在界限清晰的地貌单元如浅滩和沙洲等地带，地表水流的水文交换相对周围的其他沙质基质带更高。

3.2 分类方案

学者汤姆林森和博尔顿提出了各分类方案和指标的优势，以辨明地下水与地表水相互作用的不同类型，以及如何支持地下水生态系统的研究以及依存于次地表地下水生态系统(SGDE)的管理。例如，达尔等学者提出了一套基于地质地貌以及水文概念的多尺度分类方法，能反映其功能性联系以及在逐步减小尺度上控制水流的过程。各种尺度的分类类型如下:景观型(集水区尺度，＞5 km)，河岸水文型(中等或河段尺度，为1～5 km)和河岸水流通道型(局部尺度，为10～1 000 m)。

尽管学者汤姆林森和博尔顿承认SGDE分类法的价值(如，可以预测暗层动物特征并支持脆弱性评估)，但他们指出，最有效的分类方法应该是遵循“生态水文地质原则”。他们呼吁更深入地了解大尺度过滤器与小尺度特性之间的关系，大尺度过滤器包括气候、地表排水与补给以及地形地质等，而小尺度特性则有孔隙率与渗透性、地下水情以及含水层之间及相邻生态系统之间的连通性等。从这个生态水文地质的角度讲，这些大尺度过滤器与小尺度特性决定了生态过程及生境的可获得性，影响着繁殖率与穴居动物的多样性，同时也控制着获取地下水生态系统的产品和服务。

3.3 地下水中的动物群

任何地下水管理计划的一个基本步骤就是要对动物群体的特性与多样性及其环境依存度进行描述。学者吉贝尔和卡尔弗对一个大规模欧洲调查项目——PASCALIS(帕斯卡利斯)成果进行了总结，PASCALIS是Protocol for the Assessment and Conservation of Aquatic Lift in the Subsurface的英文缩写，意即“次地表水生生命评估与保护计划”。帕斯卡利斯将重点放在地下水多样性评估方法上，这种评估以严格标准化的采样方法为基础。该方法在4个空间尺度上进行评估，即区域、流域、含水层类型(比如喀斯特与冲积含水层)和每个含水层中的地带(比如喀斯特含水层中的饱和带与非饱和带以及冲积含水层的底流带与潜水层)4个尺度。

相关成果表明，相比于生活在类似空间单元的地表淡水中的动物，采样点中地下水群落在物种的组成上显示出更大的差异性。学者汉考克和博尔顿强调指出，有必要采取组合采样方式对地下水中的生物多样性进行综合评估，有学者建议，采样周期需超过1 a，这样才能对生物多样性进行完整的评估。作为对采样问题的总结，吉贝特等人建议，帕斯卡利斯计划可以通过如下步骤作进一步改进，即:确定环境异质性最大之处的空间尺度(流域、含水层类型或生境类型);在最佳的水文周期如涨水期间进行采样;找到环境异质性的特定源头，如历史因素(比如海洋港湾形成，冰河作用)、污染、自然干扰或人类干预等。

为了避开生物多样性综合评估的难题，施托赫等学者使用了3组指标(腹足纲、猛水蚤目和端足类)作为预测欧洲喀斯特和多孔含水层整体生物丰富度的替代指标。他们采用的方法可以解释占总丰富度80％以上的差异性。但如果将此方法应用于测试区域之外的地方，就可能需要按区域特定的地下水群种进行率定。另一条研究路线是，考虑按地下水物种特性(如群饲)的功能性分类，不过地下食物链大多都由食腐质和杂食动物组成，因此，克拉雷特等人应用一种基于多个物种特性(食物、游移、身体大小、繁衍类型和父母照顾)以及栖息地与暗层生物的密切关系(偶居暗层的、喜暗层的和暗层生的生物)的组合进行了分类。这种分类方法在查明无脊椎动物对自然干扰与人类干预行为的反应方面被证明是有用的。

生活在地下水中的动物差异性与分布受如此众多的因素支配，理解这一点也只是人们向保护SGDE迈开的重要一步。而就间隙生物群的组成与密度而言，它们通常在与地表河流进行不同的水文交换地带会呈现出不同的状况，这些都与泥沙级配分布、水的化学特性(离子和溶解氧)以及有机质的成分有关。

必须了解作为地下水依存度评估方法一部分的地表水与地下水相互作用的时空形态。水流流态、地下水补给、洪水类型以及地貌结构的变化，不断改变着河流中地表-次表交换地带的空间范围与分布。莫里塞等学者使用溴化钠注射剂进行的试验表明，标准化的储水区面积(作为地表水-地下水交错带相对范围的替代物)随着新墨西哥洲一条河流的流量增加而减少。然而要真正测得某一地区动植物对上述交错带通道的时空形态响应确实难度非常之大。马拉尔等人建议，可对河流修复工程进行大规模控制试验来测定诸如河心洲和河湾形状对上述交错带水流过程的影响。上述研究成果同时让人们认识到，有必要将生命周期、相邻交换地带之间的水文连通性以及生物的运动型式等信息整合到地表水-地下水交错带群落的时空分布研究之中。

3.4 地下水生态健康度

地下水生态健康度的定义与评估正在成为一个活跃的领域，可与使用地表水动植物和其他指标进行的河流健康度评估相媲美。施托伊贝等学者描述了进行地下水生态系统综合评估的4个步骤:①确定地下水生态系统的类型;②获取自然背景值;③确定可能的生物学指标;④开发评估模型。因此，评价地下水生态健康度的方法需要生态学家、水文地质学家和地球化学家的通力合作，同时应用多变量统计之类的定量评估方法。

学者科布和霍斯提出了一个评估地下水生态健康度的分层框架，第1层代表健康度和基准点的主要指标，如果被突破，则表明需要进行更加详细的评估，即进入到下一步。第2层，以可能生成一个地下水健康度万用指数的一些指标为基础。在澳大利亚新南威尔士州西北部的一个冲积含水层进行了实例研究，展示了如何使用该方法来判别受到影响和未受到影响的地下水位置。该方法框架具有足够的灵活性，可以加以应用，并适应其他的特殊环境。汤姆林森和博尔顿认为，应该优先考虑拟定监测和评估SGDE健康度指标的标准化方法和协议，以便确定极具保护价值的生态系统，并指导与SGDE有关的管理活动，从而维持生物多样性，保护好生态系统功能和水质。

4 地下水系统的管理

现从管理的角度提出如下一些问题:哪些GDE很重要并如何评估其重要程度?如何判别处于风险中的系统?是否存在表征GDE环境压力的确定性指标?如何评估GDE的价值?如何对系统特性与过程进行定性描述和定量评估?可否对代表性的系统进行研究来回答上述问题，并有助于将特殊条件点的结果移植到相似条件的地方?可以开发哪些创新性工具并用于生态系统管理，从而可最大限度地利用资源同时又满足一致认可的环境需求?

用于评估“最大耗水量”的一组工具主要围绕在“可持续性地下产水量”的概念上，其定义为“在一定规划时段上运用的地下水开采模式，应在一个合理的承受水平上，并保护相关的经济、社会和环境价值”。该定义认为，可持续性地下产水量应以“开采模式”来表示，其含义不仅仅是个开采量，这里的模式是“一组在一定时间(或规划周期)和空间上定义的管理实践活动”。

虽然这一定义从本质上讲是功利性的，但它要求注重取水的型式，维持地下水4个关键属性，即，流量或流通量(地下水供给的速率和水量)、水位(对于非承压含水层而言，地下水面以下的深度)、压力(对承压含水层而言，含水层的测压管水头及其地下水过水面积表达式)和质量(地下水的物理化学特性，包括氧气、温度、pH值、盐度、营养物、污染物等)。开采限量可以用数量来表示，但应该进一步规定“开采或抽取模式，或一定周期内的开采速率及其影响，引起水位或压力及水质的变化”，而且开采限量可能是随机性的或有条件的。定义开采模式的方法通常是指任一年度内的最大开采量，但在某些情形下，地下水位下降超过补给速度可能是可以接受的，但这只能是在某一特定的时段内，而且在此时段过后开采速率应当低于补给速率以进行补偿。还可能会出现一些特殊情况，如出现降水多或降水少的年份，这时的开采量可能会比长期开采值或大或小，这种情况需特别说明。

这里提出的可持续性地下产水量方法认为，地下水的任何开采都会给包括GDE在内的整个系统造成某种程度的压力或影响。为了应对GDE的生态压力，提出了“合理的承受水平”概念。从本质上讲，这一概念复制了地表水环境流量的定义，因为它提出了平衡的需求，确定什么是合理的、什么不合理，以及对谁而言。一般而论，平衡就是要在环境、社会和经济需求之间实现平衡。在某些情形下，地下水开采带来的环境和生态压力可能是临时的，因为系统会自适应调整而获得新的平衡。但是，有必要考虑与GDE管理相关的内在时间滞差，不能轻易假定任何可见的环境压力都是最小的，因而认为可以接受。至于时间滞差，第1个是地下水实际开始抽取与GDE可用水量减少之间的时滞，因为地下水开发总是会导致天然流量的下降，从而造成环境影响。第2个是生态系统响应的时滞，会表现为环境恶化。

“合理的承受水平”概念进一步认为，必须考虑整个“地下水系统”，即含水层之间、地表水与地下水之间以及依存于地下水的生态系统之间的相互作用。这一系统论方法意味着，必须实施综合管理决策，充分满足地下水和地表水生态系统合理承受水平的要求。这是一种预防性方法，其指导原则是，在对取水的生态及其他后果了解有限的情况下，应将可持续性地下产水量估算得更低。最后，作为对地下水开采量的限制，计算得到的可持续产水量必须通过一个自适应管理过程得到落实，而这种自适应管理又能对地下水开采所带来的后果进行监测。再者，可持续产水量应当定期进行重复估算，并依据特定的规划框架进行调整，以便纳入更多新的信息，包括对生态系统的进一步深化了解以及对依存于地下水生态系统价值的更高评价。

5 依存于地下水的生态系统的评估与优先级排序

面对依存于地下水的生态系统受到的各种威胁，资源管理者必须将有限的资源(资金、时间、专家知识)分配给最有价值的GDE。穆拉伊等学者提出了以下8个估值步骤和优先级排序方法，用以评估经济和生态价值。

(1)确定与每个GDE相关的ES(生态系统服务)。

(2)确定GDE的ES是否有可能直接或间接地受到地下水自然流态改变的影响。

(3)给出GDE在原始条件下ES的经济价值(将会直接或间接地受到影响)。估值方法包括支付意愿;对已知市场价值(如木材)的ES进行估价;人工可替代的商品和服务(如通过海水淡化或污水处理进行清洁水生产，或者混凝土排水贮水设施及拦沙池取代森林集水区的自然蓄水拦沙)成本;接受ES损失补偿的意愿;最后一点，对由于ES丧失而直接导致的经济活动损失进行估价(如盐碱地地区农业生产率的价值损失)。

(4)将确定的每个GDE的ES相加，并乘以该GDE的面积，得出每个GDE的ES总价值。

(5)根据每个GDE的ES的总价值，对n个GDE从1到n进行排序。

(6)为了将生态价值考虑进来，如濒危珍惜物种和群落，或生物多样性等热点型生态价值，GDE可以按其保护价值排序。

(7)对每个GDE按其覆盖面积排序，以便增加稀有或较小GDE的权重，因为它们的面积范围较小，所以它们的ES价值较低。这一过程将间接地增加那些因为范围有限而受到威胁的GDE的权重。

(8)将下列各序列相加:①ES的经济价值;②GDE的生态价值;③GDE的景观丰富度。这一相加过程将给出GDE的整体优先级序列。

该方法的第6步为关注GDE的保护价值，但是要对保护的重要性进行估值，则需要进行更为详细的评估而不仅仅是依据生物多样性和濒危珍惜物种的存在进行排序。多尔-奥利维尔等人建议，既然SGDE存在多样性(至少是基于含水层类型的多样性)，就能通过找出可能的生物多样性热点进而帮助确定保护的优先次序。但学者汤姆林森和博尔顿则认为，只要了解与其他生态系统的连通性及含水层渗透性的生态水文地质特征，就“可以明确地认定需要保护的特性，在‘开放’的系统中，连通性很强，与相邻地表生态系统的完整性也同样值得保护，而在离散的栖息地中(如钙质结砾岩)，虽然连通性不够好，但地方特性可能更强。”

6 结语

(1)河流环境流量，以及保护或恢复依存于地下水的生态系统的水情，涉及多种因素，需进行深入分析和评估。

(2)地下水开采会对环境造成影响。应评估地下水开采对环境的影响程度，确定何种程度的影响水平是可以接受的，并据此管控地下水的开采量。

(3)水流流态、地下水补给、洪水类型以及地貌结构的变化，不断改变着河流中地表-次表交换地带的空间范围与分布，应将地表水与地下水相互作用的时空形态作为评估河流走廊对地下水依存度的一部分。

(4)地下水生态健康度的定义与评估受到人们的关注，应考虑建立监测和评估健康度指标的标准化方法，以便保护好生态系统功能和水质。

(5)地下水生态系统面临着各种威胁，因此应将有限的资源配给最有价值的GDE。文中提出了8个步骤和优先级排序法，可用来评估经济和生态价值。

(钱卓洲 付湘宁 编译)

P315.723

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1006-0081(2015)12-0013-04

2015-07-22