北非海滨泻湖水生态研究综述

[英国]R.J.弗洛尔 等

北非海滨泻湖水生态研究综述

[英国]R.J.弗洛尔 等

鉴于南地中海地区未来环境变化的严重性,欧盟支持的监测、模拟北非海滨泻湖以及制订水生资源管理方法的综合性项目(MELMARINA),旨在监测和模拟摩洛哥、突尼斯和埃及海滨泻湖水体。对重要湿地的综合性水生态监测始于2003年,目的是建立环境基础数据库和率定具体地点的水生态模型。介绍了水生态项目MELMARINA及其结果,包括泻湖的分类和水生态,以及水生态模型的应用等。

水资源管理;生态环境研究;北非

1 概 述

协调环境可持续性和人口增长及经济发展之间的矛盾是世界性的难题。21世纪以来,人类对水和其他资源需求的增加、污染加剧、土地利用强度增加,再加上气候的变化,使很多国家在自然资源可持续利用方面面临更多的威胁。尤其是在发展中国家,对淡水资源的需求已大大超出其他环境方面对水的需求。在这些国家中,湿地是尤其脆弱的自然生态系统。在北非,淡水资源利用和土地开发影响湿地的问题尤其突出,已对南地中海地区(SMR)的水资源造成极大的威胁,海滨湿地及相关水域丧失的速度令人警醒。

最新研究指出,水文特性的人工干扰、水污染和土地开垦是地中海地区海滨湿地资源丧失的主要原因。列入北非湿地名录的很多湿地已不复存在,或者已严重退化。留存的一些湿地的价值通常已被国际机构、国家法规所认可。然而,有关北非湿地湖泊和泻湖的湿地现状、过去的综合性信息,以及人类利用方式的改变和一些其他环境变化过程方面的信息却无法得到。预测表明,地中海地区的降水在21世纪呈减少趋势。有一个地区的降水在未来50 a中每年将至少减少40 mm(或17%),其结果将造成该地区严重的水危机。另据预测,地中海地区将会由于海平面上升而引起大面积的海滨湿地丧失。

大多数北非海滨泻湖开发利用程度高,但极少是可持续的。作为北非水资源管理手段之一,MELMARINA项目是通过对海滨泻湖的监测和模拟,对在3个北非国家(摩洛哥、突尼斯和埃及)选定的泻湖建立综合性的水文和生态监测模型。这些模型能够模拟预测不同管理干预、气候变化和海平面上升等未来环境的各种改变方式。该项目由多个国际团体组织参与,旨在将国际综合研究成果用于促进北非泻湖水资源的可持续管理。本文概述了项目的实施情况,包括站点调研、泻湖生态系统观测、野外监测、古环境学研究和遥感观测。

目前泻湖的问题主要是由于各种水文特性的改变,加之富营养化问题造成的,然而,所研究的泻湖仍然是有重要价值的水生态系统。观测数据是否充分是模拟和预测结果可靠与否的重要因素。营养物质负荷削减方面的研究正在展开,旨在促进生态恢复。为改善水生态状况,欧盟“水框架指令”的某些方面也在项目中被建议执行。尽管如此,由于21世纪气候变化可能会加重对环境影响的压力,使得生态恢复和适应性管理刻不容缓。长期的可持续性取决于对环境(包括水质和生态质量)变化的观测,并将观测结果与适宜的水生态模型相结合,以便提出合适的管理方案。

2 MELMARINA项目及其实施

MELMARINA由欧盟资助,涉及2个欧洲国家的2个研究团体、3个北非国家的4个研究机构,旨在在选择的泻湖实施综合监测计划,以确定水生态系统的时空变化特征,并应用自动测量和最佳实践程序(参考欧盟水框架指令)。结合遥感图像和野外勘查方法,建立各泻湖的水资源和水生植被观测系统;识别影响植被特征和水质变化的关键环境变量;使用先进的模型代码建立水生态模型,并利用监测计划得到的数据来率定模型;使用这些模型来模拟具体地点的环境变化。为 MELMARINA项目所研究的泻湖建立完整的时间系列和GIS数据库,并将这些数据和模型模拟的结果提供给终端用户,尤其是这些国家的管理部门。

(1)研究区域。研究对象的选择遵循以下标准:①是永久性水体,且至少要有一个良好状况的通往大海的通道;②具有显著的生物多样性和渔业价值;③为人类提供额外的效益;④有不断淤积的泥沙;⑤便于定期采样和安装科学测量仪器。

选定的研究对象分别是摩洛哥的迈尔杰宰尔加(Merja Zerga)湖、突尼斯的加尔米勒赫(Ghar El Melh)湖和埃及的曼宰莱(Manzala)湖。所有这些海滨泻湖都位于高度开发的农业和渔业区,且都是受到强烈人工干扰的多目标系统。迈尔杰宰尔加湖位于大西洋沿岸,另外两个都位于南地中海海滨。尽管3个泻湖都存在着不同程度的环境退化,但仍具有生态重要性,包括水生植被、渔业资源和鸟类等。还对一些其他泻湖开展了研究,尽管没有进行监测,但仍可为主要研究对象提供素材。

(2)研究理论和方法。要达到MELMARINA项目的研究目标,需要结合野外观测、室内实验、分析和模型模拟等方法。这些研究方法及其之间的相互关系归结为一系列相互关联的工作包(WP),详见图1。

图2概要地展示了综合监测体系设计的复杂性和关键过程,例如内陆流域的淡水径流、与海洋的水交换和泥沙沉积,这些水文特征所影响的水生植被、鱼类、浮游生物和鸟类等生态系统要素,以及影响环境变化的决定性因素等。影响环境变化的决定性因素包括河流上游地区的农业、工业和生活用水等。这些被利用后含有各种杂质的污水又会被回排到河流中,有些会流入海滨泻湖。同样,泻湖周边地区的人类定居和农业活动也会造成水体污染,尤其是水体富营养化,同时围湖开垦的现象也很普遍。

图1 MELMARINA项目工作包结构

如图2所示,从长远的角度看,气候变化、海平面上升、人口增加和经济发展将会造成泻湖环境的改变。图2也总结了MELMARINA项目各工作包的一些关键性的方法。初始工作包(1～4)主要是从主要站点、综合性野外调查、水生态监测和遥感技术采集数据。这些工作包的主要目标是建立泻湖研究区的水文、泥沙和生态过程。以前的研究很少试图将北非泻湖的水生态与环境变量结合起来,工作包5是将植被数据与环境数据相结合以研究其相互关系。工作包6、7和8主要关注本项目的另一个目标,即在每个泻湖运行和应用水生态模型。这些模型在工作包6中建立,而未来的气候变化和管理对策建议在工作包7中给出,对这些对策的效果在工作包8中进行了模拟。使用水动态模型中生态与环境变量之间的关系(已结合水量和水质信息),可以模拟泻湖的生态变化。营养物质含量、土地利用、海平面变化、淡水的获得,都被认为是促使北非泻湖环境变化的主要因素。对这些要素的评估与区域水资源管理相关。工作包9致力于提升北非相关机构水生态系统管理的能力,包括水质控制评估、各种培训、讲座和学术交流,以及其他一些关于目前项目发展的宣传等。各机构承担MELMARINA项目的专项任务,负责执行每日的监测计划(包括水文、水质、浮游生物、鱼类和水生植被等),以及收集已有数据和其他的资料信息。专项任务还包括对迈尔杰宰尔加湖和加尔米勒赫湖的浮游动物和植被分析、鱼类多样性和生长速率、土地利用分析和遥感等。欧盟的相关机构负责质量控制、底泥采样和分析、水文分析、数据库管理和GIS,同时还担任实施监测活动的顾问。

图2 南地中海区域泻湖概念性模型

(3)项目结果。所研究的3个主要泻湖的物理和生态特征差异显著。这些泻湖都至少有1条沟渠与大海相通,此外,水深都在2m以内,泻湖的面积从小于20 km2到约700 km2不等,其水生态特征也不尽相同:迈尔杰宰尔加湖受强烈的大西洋海潮的影响,而加尔米勒赫湖和曼宰莱湖靠近地中海,因此受潮流的影响小。迈尔杰宰尔加湖有2个入流,其中1个为人工开挖,2个入流都存在着明显的季节性。加尔米勒赫湖的淡水入流也存在着季节性,但是变化却比较小,许多来自上游的入流都被大坝所拦截,减少了本来已经很小的入流。因此迈尔杰宰尔加湖和加尔米勒赫湖以咸水为主,尤其是在夏天。曼宰莱湖受淡水影响较多,因为该湖长年接受来自尼罗河的入流,主要通过农业排水和生活排水方式得到。所有这些泻湖都有沙坝、沙丘和地坑等与大海相隔,湖周边密集地种植着谷物、蔬菜和水果。受影响最明显的是曼宰莱湖的南部地区,这里很多湖区被开垦为农用地。

(4)泥沙特征。在MELMARINA项目实施的初始阶段,进行了野外调查工作,虽然集中于3个主要研究对象,但对其他泻湖也进行了野外调查与取样,主要是收集表层泥沙和泥芯。除了进行深海测量外,泥沙质量的空间分析也在每一个主要泻湖研究区展开。在泻湖中心地带海水含氧区的泥沙沉积区,生物碎片物质较常见,例如软体动物的贝壳。在通往海洋的渠道深水区,底栖生物较少,泥沙较多。仅曼宰莱湖西部的浅层泥沙中,淡水软体动物残留物分布较为普遍。迈尔杰宰尔加湖的泥沙采样表明,湖底泥层30 cm以下遍布海洋贝类的残留物。这与所观测的次要研究泻湖纳祖尔(Nador)湖的情况类似,贝类残留物几乎占泥沙的大部分。对加尔米勒赫和曼宰莱的泥沙样本分析表明,偶尔有贝壳类的分布。表层泥沙的采样分析结果表明,海洋贝类生物的种类和数量近年来减少明显。曼宰莱湖可能是因有较多的淡水流入,但是其他地方的富营养化和缺氧可能是导致贝类种类和数量减少的原因。

泥沙样本还可用来测定放射性同位素年龄,这样可以计算出泥沙沉积的速率。所研究主要泻湖表层泥沙(SARS)的沉积速率为0.7～0.8 cm/a。加尔米勒赫湖和尼罗河三角洲湖泊,包括曼宰莱湖的表层泥沙沉积在最近一段时期有减少的迹象,表层泥沙的减少可能是受洪水和来沙量减少的影响,或是人为调控尼罗河(对曼宰莱湖来说)的结果。目前泥沙的沉积速率表明,有相当数量的泥沙在泻湖沉积了下来。每个泻湖年沉积泥沙量约2～5 kg/m2,最少的泥沙干重发生于曼宰莱湖,表明湖内自身产生了相当数量的有机物质。尽管当前主要泻湖的泥沙沉积速率十分相似,但泥沙的动态变化却显示出湖与湖、站点与站点之间的显著不同,表现在入流和海水入侵程度方面。

3 水生态监测及动植物生境

3.1 水生态监测

MELMARINA项目的水生态监测主要通过两种方式来实现:①实地测量,以记录水文和一些水化学变化;②通过有规律的野外采样,分析水质和生态变化。研究时间集中于2003～2004年的15个月,这期间的其他信息大多通过气象站和潮位站得到。各泻湖均安装了数字水位计,在监测站之间还安装了传导率、气温和气压的旋转测量仪。另外也通过当地观测者每月现场记录一次水位尺的水位,并提取选定监测站用于水化学分析和浮游生物分析的水样。因为受大西洋海潮的影响,迈尔杰宰尔加湖的日水位波动较大,而两个地中海沿岸的泻湖日水位波动则小得多。离海洋越远,水位变化越小。迈尔杰宰尔加和加尔米勒赫湖的淡水入流季节性较强,主要依赖于内陆流域的降雨。因此除冬季以外,这些站点的淡水入流很少,或者没有。在曼宰莱湖,由于上游筑坝,尤其是阿斯旺大坝以及尼罗河三角洲灌区多年来的发展,使尼罗河受到了人工调控,淡水入流季节性变化已大大减少。淡水入流和海潮循环很大程度上调节着泻湖的盐碱度,所以在夏天,迈尔杰宰尔加湖和加尔米勒赫湖的水位主要由海水所维持。曼宰莱湖的盐碱度则表现出强烈的梯度变化,西部和南部为淡水,北部则有较多的咸水,因此那里是海水入湖的地方。

3.2 浮游生物

浮游植物群落是泻湖食物链结构和生态系统健康的重要组成部分。然而水质的变化,尤其是富营养化,是影响泻湖的主要问题。这些变化会改变浮游生物的种类组成,但难以精确预测种群的变化;浮游植物的数量在年内各月处于不断波动的状态,表现为11月到次年1月逐渐减少,春季3月左右则增加。浮游植物细胞数最多发生在夏季,此时浮游植物的个体相对较大。有毒藻类的大面积生长仅是极少情况,研究时段的2003～2004年仅有偶尔发现。与很多湖泊和泻湖一样,浮游植物种群的变化与营养物质浓度有关,而与盐度的变化无关。

3.3 水生植物

研究人员还对每个泻湖植被季节性的变化特点进行了调研。对迈尔杰宰尔加湖和加尔米勒赫湖的湖岸进行了断面采样,杂草丛生表明其景观已受到人为干扰。植被主要由季节性变化不明显的湖岸植物种类组成。

3.4 渔 业

曼宰莱湖展现出与加尔米勒赫湖和迈尔加宰尔加湖不一样的渔业性质,尤其是该湖的鱼类组成是以淡水鱼为主(主要种类为罗非鱼),有些种类与尼罗河的类似。另外曼宰莱湖为渔业生产提供了最重要的支撑,每年渔获量约为8 000 t。而加尔米勒赫湖和迈尔加宰尔加湖的鱼类产出较少,且呈逐年下降的趋势,加尔米勒赫湖尤其突出。迈尔加宰尔加湖的主要种类是2种胭脂鱼和鳝类,以及一些贝类。加尔米勒赫湖的渔业产出明显受区域特性的影响,夏季中西部的水体盐度高,水体富营养化问题严重,迈尔加宰尔加湖没有这些问题是因为受大西洋海潮冲刷的影响。3个泻湖胭脂鱼的生长环境和生长速度的差别不大,能够反映出过去10 a的生态状况。加尔米勒赫和迈尔加宰尔加湖渔获量的减少与通海联系的破坏、富营养化程度加剧、人类干扰活动加强有很大关系。而曼宰莱湖的鱼类产出在过去几十年间相对稳定。

4 遥 感

对于大尺度区域而言,当传统的野外观测技术不能提供大尺度的研究时,遥感监测湿地有着明显的发展潜力。遥感监测再加上野外实地调查,可以掌握不同湿地植物群落的特征。遥感技术提供了识别植被空间分布、确定敞水区和湖岸受干扰程度的独特手段,该技术也能用于水体水质的研究。本项目也应用了遥感技术。遥感监测结果表明,曼宰莱湖遍布大型水生植被,植物群落展现出13种不同的光谱形式,根据物种的不同,又能细分为若干个组。遥感图像处理技术能将35 a的长系列资料应用于评估研究区域的长期变化情况。通过与以前资料比较,发现曼宰莱湖面积的减少是由于南岸被开垦造成的,同时也可看出挺水植被的演变情况。同样,通过将遥感技术用于另外2个泻湖的研究,发现迈尔加宰尔加湖洲滩的扩张与纳祖尔运河有关,然而沙洲向海洋推进却将加尔米勒赫湖与地中海分离开。

5 水生态模拟

主要通过采用MIKE21有限元模拟系统来进行水生态模拟,所用模型的参数是对历史数据、野外调查和监测结果进行综合后获得的。参数包括泻湖的测深、上游淡水入流和下游海潮曲线等边界条件、风速风向和水的蒸发量。水动力学模型主要通过盐度对比和湖区水位观测来率定,将水生态实验模型(DHI-WE)与水动力学模型相结合,即可以模拟水质的变化情况。因此需要进一步确定上下游边界的水质等参数,将水化学模拟结果与野外数据进行对比,同时也将模型模拟的生物量结果与植被野外调查结果进行对比。模型模拟的结果能够突出泻湖的一些生态功能,包括淡水入流和海水交换的相对重要性,以及对盐度的影响、泻湖物质循环方式、营养物质来源和分布等。研究人员利用模型模拟了具体站点的影响并对结果进行了讨论和评估,例如,若加尔米勒赫湖的营养物质负荷减少25%,悬浮物含量也相应减少的情况下,则藻类的生长将受到抑制,水体透明度会增加,从而可以扭转川蔓藻群丛近年来衰退的局面,促使其大面积的恢复和重建。贝壳类在过去几十年也呈现出减少的态势,通过引入增强其过滤作用,可以促进生态系统的恢复。在曼宰莱湖模拟的重点是营养物质负荷减少的影响,尤其是关于水质和水生植被的恢复。

6 结 语

南地中海的泻湖是很有价值的经济和生态资源,然而这些资源遭受到了人类活动的严重影响,包括水文特性改变、污染和生境的丧失等。21世纪,这些环境压力会随着人类水需求量的增加、气候变化的影响和海平面的上升而加剧。维持海滨泻湖长期的可持续性,有赖于人们对认识生态系统功能能力、以及监测环境变化能力的增强。水生态模型对制定维护和改善环境质量、惠及当地居民的海滨泻湖管理规划非常有益,因为它能重现水生态中复杂的水文和生态过程,而MELMARINA项目则是实现水资源可持续管理的基础。

李红梅 译自荷刊《水生生物学》2009年第10期

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