TNC解读 | 守护河流健康：基于自然的解决方案保护与恢复淡水生物多样性
- 日期：2025.01.03
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- 来源：TNC
水是生命之源，河流如生命之泉，支持生命繁衍生息，也孕育出了人类文明。河流不仅是水资源的重要载体，更是淡水生物多样性的宝库。淡水生态系统虽仅占不到1%的地球表面面积，却支撑着至少10%的已知物种和1/3的已知脊椎动物物种的生存，拥有全球约一半的鱼类物种[1][2]。淡水生物多样性为人类提供了重要的生态系统服务[3]，包括供给食物、遗传资源等物质产品，调节气候、净化水质、参与养分循环，以及提供文化、教育和娱乐服务等，影响着全球所有地区和不同社会发展阶段的人类生存与发展。
然而，由于入侵物种、流量改变、无序取水、栖息地退化、污染和过度捕捞等多种因素，全球淡水生物多样性下降形势尤为严峻[4]。世界自然基金会（WWF）《2024年地球生命力报告》[5]显示，在1970至2020年间，全球淡水物种数量以85%的平均速度下降，远高于陆地和海洋生态系统。尽管现在人们已逐渐意识到淡水生物多样性的保护危机，但由于全球自然保护工作重点针对陆地和海洋生态系统，淡水生物多样性保护在很大程度上尚未得到足够的关注和重视。
有研究认为淡水生物多样性危机未得到遏制的根本原因，除了缺乏保护行动的资源与资金投入之外，还有人类使用传统灰色基础设施对河流进行管理[6]，在很长一段时间内往往较少考虑野生动植物及其栖息地[7]。联合国环境规划署（UNEP）指出淡水生物多样性下降的主要原因是栖息地的退化与丧失，其中水坝等工程设施建设使河流生态系统破碎化，直接导致包括淡水鱼类在内的水生物种面临种群数量下降和灭绝的风险[8]。许多研究均证实了水坝等河道工程设施建设与淡水物种数量下降的相关性[9]。据统计，全球48%的河流流量受到人工流量调节或破碎化的影响，目前已建成、建设中和计划建设的水坝，将在建成后使全球所有河流丧失93%的自然水文流量[10]，全球242条超过1000公里的河流中仅有三分之一还保持着自然流淌状态[11]。大自然保护协会（TNC）认为河流健康的核心在于其自由流淌的状态，自由流淌河流（free-flowing rivers）是保留了大部分或全部关键生态特征（如连通性和自然流态）的河流，这些特征不仅维持着生态系统的健康，也为人类社会带来诸多价值[12]。
以往的河流治理从水资源管理和水安全的角度出发，主要关注水质调节、洪涝灾害等方面，对生物多样性的关注度有所不足。从20世纪初期德国学者首先提出“近自然河溪治理”的概念开始[13]，国内外河流治理经过多年发展，从仅关注水质水量单要素的硬性工程措施，逐步拓展到覆盖水文情势、栖息地、生物群落等多要素的综合治理模式，逐渐强调基于自然和近自然的生态工程理念[14]。在全球面临淡水生物多样性急剧丧失的挑战背景下，河流治理需要增加对生物多样性、生态系统连通性、栖息地质量等因素的考量。从淡水生物多样性保护的角度出发，WWF首席河流顾问David Tickner等人提出了扭转淡水生物多样性退化趋势的“紧急恢复计划”（ERP），将保护优先行动分为6项：（1）加速实施生态流量；（2）改善水质；（3）保护和恢复重要栖息地；（4）管理淡水生态系统资源的开发；（5）预防和控制非本地物种入侵；（6）保护和恢复淡水生态系统连通性[15]。同时，TNC提出了5个关键生态属性（KEA），为淡水生物多样性保护提供了一个以生物多样性和生态系统健康为核心的框架（表1）。该框架可用于识别淡水生态系统的威胁因素及来源，指导设计保护行动，评估保护成效，以实现生物多样性和生态系统完整性的提升。
表1 淡水生态系统的关键生态属性[16]
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关键生态属性 |
定义 |
可衡量指标 |
退化带来的危害 |
潜在威胁来源 |
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水质 |
水体的物理化学性质 |
水体的氮磷含量、污染物含量、化学需氧量、溶氧量、透明度以及水温等 |
水质污染改变流域生态系统结构；致病菌、病毒、毒害物质造成流域内动植物疾病；流域内受重金属和合成有机物影响等对人类健康造成威胁 |
沿岸企业向河道内排污；农业面源污染；水坝等阻隔设施增加了营养物质或污染物在水中停留时间间接地增加了水质变化对风险 |
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水文情势 |
淡水生态系统的最关键指标，指一定时间内水量和水流的变化形式 |
月平均流量指标、极端流量指标、频率、持续时间和变化速率等 |
无法为湖泊湿地提供动态水文条件；抑制淡水生态系统鱼类、鸟类、岸边滩植物等繁殖繁衍 |
水库、水坝等水利设施；引水灌溉设施 |
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生物组成 |
指生态系统所特有的生物结构、组成成分、相互作用及关键的生物过程，也包括营养过程 |
鱼类物种组成与分布、物种丰富度、无脊椎动物预测与分类系统、IBI指数等 |
气候调节、基因库保存、有害生物控制、净化水质和大气等生态系统服务功能下降甚至消失 |
鱼类过度捕捞；外来物种入侵等 |
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连通性 |
河流不同水体之间的物理联系，以及阻碍了水体中生命形式，包括动物、幼体、种子和果实等活动的程度 |
连通河网长度、连通河网比例 |
影响鱼类及其他水生生物迁徙、洄游；阻碍水体中生命形式的活动程度 |
瀑布、堰塞湖等自然阻隔；水坝或不合理设计的涵洞等人为阻隔 |
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栖息地 |
本地物种赖以栖息的生态环境，其中不仅包括水生生物的栖息地，还包括陆生动植物的栖息环境 |
栖息地结构、分布、数量、条件等情况调查，鱼类产卵场、仔幼鱼栖息地隐蔽场等生境指标 |
生物多样性降低 |
河道内采石挖沙；河道截弯取直、航道建设、渠化以及水利设施建设前后对河流水深、流速、水面宽度、浅滩、湍流、减脱水河段等自然环境栖息地分布影响 |
针对这些关键生态属性，我们急需能够有效管理水资源，同时又能逆转淡水生物多样性丧失的替代解决方案[17]。将现有基础设施与生物多样性保护的目标相结合，恢复河流生态系统服务和关键特征，基于自然的解决方案（NbS）可以在提升KEA方面发挥重要作用，同时还是一种社会与自然环境“双赢”的途径，使河流健康提升，使加速下降的淡水生物多样性受益，并让人类通过健康的河流生态系统服务获益。为有效提升淡水生物多样性，在河流生态系统中实施NbS必须与提升KEA的关键行动紧密结合，对此，我们列举了能够提升KEA的典型NbS措施（表2）。
表2 在河流生态系统中提升关键生态属性（KEA）的典型NbS措施[6][18]
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关键生态属性 |
核心理念 |
河流生态系统中的NbS措施 |
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水质 |
基于生态系统的方法 |
河岸带植被恢复 建造人工湿地 河漫滩恢复与植被重建 |
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水文情势 |
改善水流的时间与流量变化 |
生态流量调度 拆除水坝、堰塘、涵洞等 堤防后退、恢复河漫滩与河道的连接 |
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生物组成 |
恢复本地物种种群和群落结构 |
恢复本地物种数量（科学增殖放流） 鱼类栖息地修复 拆除水坝、堰塘、涵洞等 |
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减少入侵物种 |
预防、控制和清除入侵物种 |
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连通性 |
移除障碍物 |
拆除水坝、堰塘、涵洞等 |
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增强连通性 |
堤防后退、恢复河漫滩与河道的连接 |
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栖息地 |
保护、恢复和管理栖息地 |
河漫滩恢复与植被重建 鱼类栖息地修复 硬化河道的生态化改造 堤防后退、恢复河漫滩与河道的连接 河岸带植被恢复 |
NbS提升河流生态系统生物多样性的经验与实践
01
水坝拆除和河流栖息地修复
拆除河道内的障碍物是恢复河流连通性最有效的措施。虽然水坝在发电、防洪、航运等方面发挥着重要作用，但也会引发显著的生态问题，拆除水坝将有助于改善自然流量、恢复珍稀及重要物种栖息地、恢复河流生态功能等。然而这种措施常具争议，由于人类对水坝的功能高度依赖，并不是所有的水坝都可以被拆除，需要综合流域规划，并考虑公共安全隐患、经济成本、河流连通性的改善、鱼类洄游受阻缓解、功能或经济价值丧失等驱动水坝拆除的关键因素[19]。具体来看，水坝拆除项目全流程可分为5个阶段：
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可行性评估和计划阶段：组建项目团队，通过咨询可能受影响的利益相关方及实地调查，评估拆坝的可行性，确认项目目标和优先行动，制定初步计划。
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设计和许可阶段：根据收集的数据、项目成本估算、基础设施影响评估等设计详细的拆坝方案，包括施工方法、施工图纸、影响缓解措施、时间表和预算等，准备备选行动方案，并获取必要的许可。
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拆除或施工阶段：开始实际的施工和拆除工作，包括对水坝结构的拆除、沉积物的处理以及对受影响区域的初步生态恢复，施工活动需明确工作量、遵循合理的顺序并关注施工活动本身的生态影响。
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河流修复阶段：拆坝后河流的生态修复工作包括修复河流地貌和河道形态、恢复植被、控制沉积物、恢复河漫滩等，考虑目标恢复物种的形态学和行为学特征、流速流量、水流方向、基质等，以恢复河流的自然水文过程和生态功能。
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监测和适应性管理阶段：定期监测河流的生物多样性、水文和水质状况以及社会经济影响，评估拆坝项目的效果，并根据监测结果进行适应性管理，确保项目目标的实现。
TNC在推动全球河流生态系统生物多样性保护方面发挥了积极的作用，曾多次为北美和欧洲的水坝拆除项目提供科学支持，推动老旧水坝和无序开发的小水电设施等河流障碍物的拆除工作。在美国，TNC与政府、金融机构、企业和社区等合作伙伴合作，拆除废弃的水坝、设计不当的涵洞等其他河流障碍物，直接参与恢复了数千英里的河流。在欧洲，TNC加入了“欧洲水坝拆除”（DRE）联盟，提供科学技术支持，并开发了一个在线工具包（Restoring Free-flowing Rivers in Europe），帮助联盟伙伴掌握将水坝拆除作为河流恢复的工具、处理新项目和参与现有项目的知识与方法。此外，TNC还致力于科学研究，引导河流恢复性投资及相关绿色创新融资等，以期实现河流生态系统保护与恢复的可持续性。
实践案例：
美国佩诺布斯科特河流恢复项目
Veazie大坝拆除前 © Bridget Besaw
美国缅因州的佩诺布斯科特河是多种本地海洋洄游鱼类的栖息地，但由于干流上建设的多座水坝，河流的自然流动被阻断，导致鱼类洄游通道受限，生态系统遭到严重破坏。为了恢复这一重要生态系统和洄游鱼类，TNC于2004年起与多方利益相关方合作，包括当地原住民社区、环保组织、电力企业和地方政府，发起了佩诺布斯科特河恢复信托基金会，并通过科学评估和公众参与，识别并划定了关键的生态区域，明确恢复目标。在2010年，信托基金会购买了Veazie、Great Works和Howland三座水坝，并于2012年拆除了Great Works大坝，2013年完成Veazie大坝的拆除。与此同时，为了保持水电生产，项目团队在其他建成水坝上增加了发电机组，确保了当地能源供应的稳定。此外，TNC还积极开展生态监测，评估拆坝对水质和生物多样性的影响。
随着水坝的拆除，佩诺布斯科特河的自然流动状态得以逐步恢复，数千英里的栖息地重新连接，为12种本地洄游鱼类提供了良好的生境。监测数据显示，拆坝后，春季迁徙期间，河流中内河鲱鱼的数量从拆坝前的几百几千条，增至2023年的超过600万条，显示出显著的生态恢复成效。
拓展阅读：https://www.nature.org/en-us/about-us/where-we-work/united-states/maine/stories-in-maine/restoring-the-penobscot-river/
实践案例：
中国赤水河河流连通性恢复及栖息地修复示范项目
簸笠修复点修复前（左，2021年3月）和修复后（右，2021年5月）生境对比 © 中国科学院水生生物研究所
赤水河，作为目前长江上游唯一一条干流未建电站、保持自然流态的一级支流，是长江上游珍稀特有鱼类的重要栖息地。然而，流域内大量小水电的开发严重破坏了河流连通性，导致鱼类栖息地大面积丧失。为此，2020年至2023年底，云贵川三省与中国科学院水生生物研究所合作，对赤水河流域的小水电进行了清理整改，共拆除小水电321座，占流域内小水电总数的86.1%，基本恢复了赤水河流域部分支流的自然连通。但鱼类栖息地的恢复若完全依靠自然修复势必是一个漫长的过程。为了重塑赤水河生态系统并提高鱼类物种多样性，该项目特别选取了鱼洞电站和簸笠电站两个引水坝旧址及其附近江段进行受损栖息地修复示范。
修复工作采用了人工构建阶梯-深潭系统的方法，将大小石块按照按叠瓦形式布置，同时在平面形态上布置成反拱形，从而相互嵌套形成一个牢固的整体，通过改善河床底质、水深和流速条件，显著改善栖息地环境条件。在两处修复点，项目共修建了6条人工阶梯-深潭系统，并抛投卵石以增加河床底质多样性、扩展河道水深和流速范围。监测结果表明，修复后的两处修复点基本形成了滩潭相间、急缓交替、深浅不一的生境格局，为不同本土珍稀特有鱼类提供了理想的栖息和摄食场所，鱼类组成、群落结构和资源量都得到了显著恢复。鱼洞修复点的鱼类密度由修复前的13尾/100m增加至84尾/100m，增幅达6.5倍；簸笠修复点的鱼类密度由修复前的33尾/100m增加至203尾/100m，增幅达6.3倍。该项目不仅恢复了河流连通性，还为长江上游珍稀特有鱼类栖息地恢复提供了重要的技术支撑，为保护和恢复水生生物多样性提供了宝贵的经验。
02
生态流量调度
传统水资源管理对河流水流量的人为调控严重影响了水位的自然、季节性变化模式，进而影响各类水生生物的生长、繁殖和栖息地环境。研究认为，人为导致的水文节律变化是造成淡水生物多样性丧失和生态功能下降的主要原因[8]，解决问题的关键在于生态流量管理，即如何保持自然流量状态以维持生态系统健康，同时满足人类对水资源管理的需求。生态流量指的是在湖泊、河流、溪流和河口保留流量的时间和数量，维持自然功能、过程和持续复原力所需的高低水位的季节性模式。TNC和合作伙伴共同设计了一个简单且通用的开发生态流量建议方案的流程，具体步骤包括：
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方针会议：召集科学家、水管理者、政策制定者等利益相关方，介绍生态流量建议的开发过程，包括生态流量实施方式和时间，讨论并汇总与会者提出的流量建议开发过程的改进意见。
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查阅文献和摘要报告：通过查阅现有文献和资料，收集关于河流-洪泛平原-河口生态系统、特定物种及流量信息，找出流量水位和生物群之间的联系，确定对维持或恢复生态系统健康至关重要的流量关键特征，编写汇总报告。
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流量建议研讨会：基于步骤2中提供的信息，合作定量分析水流成分模式所需的维度，包括确定低流量、高流量和洪水水位的适当范围、持续时间、频率以及从一个状态转变为另一种状态的速率，为每种水流成分提出流量建议，区分枯水年、平水年和丰水年的不同需求，并对确定出的生态流量建议达成共识。
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流量建议的实施：在实施流量建议前需要预先周密计划并精心设计，制定详细的监测计划，跟踪生态系统对新流量条件的响应，以便于进一步改进生态流量建议和方案。实施过程中可能会遇到一些预期之外的问题或新的科学发现，这时就需要灵活调整管理策略，以适应新的情况。
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补充资料的收集和科学研究：从步骤4开始，持续收集补充资料、进行相关生态流量研究，并评估正在进行和以往的流量恢复实验的结果，根据评估结果调整当前和未来所需收集的信息和研究工作的优先级。
水文改变的生态限制框架方法（ELOHA）的步骤[20]
以上流程从项目适应性管理的角度探讨了生态流量的设定和实施，但从流域层面来看，还需采取更为系统的方法将生态流量的管理纳入水资源管理决策，将生态流量从单个站点的实施拓展到地区或国家政策领域，使淡水生态系统的保护与恢复与水资源开发速度和程度相匹配。为此，研究人员提出了水文改变的生态限制框架方法（ELOHA）[20]，一个利用现有的水文和生物信息在区域范围内确定和实施生态流量的框架。ELOHA通过分析不同河流对水文变化的生态响应，识别出水流变化与生态健康之间的关系，从而为各类河流建立生态流量标准。该方法强调尽管每条河流都是独特的，但许多河流对流量变化的生态反应是相似的，因此可以利用已有的数据和模型来推导出适用于多个河流的生态流量需求。这种框架的灵活性使其能够适应不同的流域特征、数据可用性和社会政治环境，促进生态保护与水资源开发之间的平衡。
实践案例：
美国萨瓦纳河生态流量调度项目
美国陆军工程兵团在丰水期对萨瓦纳河进行流量调度 © Mark Godfrey/TNC
萨瓦纳河发源于乔治亚洲北侧的蓝岭山脉，以其丰富的生物多样性而闻名，为约100种鱼类提供了栖息地，包括小鰭吸口鱼（Moxostoma robustum）在内的濒危物种。然而由于水坝建设等人类活动的影响，该河的自然流量过程受到了严重改变，破坏了生态系统的完整性，阻碍了当地主要经济渔业产品的发展，同时还由于流量改变限制了河漫滩地区阔叶树的生长，影响了水质，进而使依赖于河流和河漫滩森林的生物多样性降低。
对此，TNC联合美国陆军工程兵团在2002年共同启动了“生态流量建议方案”。在方针会议中，50多名来自不同联邦、州及地方机构和学术机构的专家参与讨论，开启生态流量建议的开发流程。随后，TNC和乔治亚州立大学（UGA）合作，查阅了超过375份文献资料，并汇总了文献综述和总结报告。2003年，在流量建议研讨会中，47名科学家和技术人员参与，共同探讨了维持萨瓦纳河河流、洪泛平原和河口生态系统的流量建议，考虑了河道流量状况（低流量、高流量和洪水）和自然流量体系的生态特征（规模、频率、时间、持续时间及变化速度），还分别针对枯水年、平水年和丰水年提出了建议。会议结束后，美国陆军工程兵团根据TNC制定的生态流量推荐方案对大坝的运行进行了初步运行试验和调整，如在2004年释放了高流量脉冲水流。项目还对河流的水文、水质、生物状况进行持续监测和评估，以评估实施的效果，并根据监测结果对生态流量方案进行反馈和调整，建立适应性管理机制，不断完善建议方案。
方案实施后，萨瓦纳河低流量运行过程恢复并增加了洄游鱼类的产卵场，提高了幼鱼成活率，并促进了河漫滩阔叶林的萌发和生长。而高流量的运行过程则促进河漫滩森林各类植物种子散播，补充土壤养分，为鸟类提供了栖息地，短吻鲟和漫滩植物等濒危物种也得以逐渐恢复再生。该项目展示了通过科学规划和多方合作，生态流量调度可以在不影响或几乎不影响水坝运行和水资源使用的情况下，有效管理和恢复河流生态系统的健康，提高淡水生物多样性。
拓展阅读：https://www.nature.org/en-us/about-us/where-we-work/united-states/south-carolina/stories-in-south-carolina/savannah-river-flows-help-birds/
在运用NbS提升淡水生态系统关键生态属性时，为了确保保护行动长期有效，TNC还在上述措施之外，提出了长效淡水保护框架（Durable Freshwater Protection, DFP），强调设计和执行能够长期维持淡水生态系统的生态状况、社会价值和经济利益的行动。具体途径包括法律、行政、资金机制等，建议采用至少持续25年的时间框架，以确保保护行动、政策以及资金投入的持久稳定。
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