密西西比河始于明尼苏达州北部的艾塔斯卡湖, 由于河源头区域的主要土地使用类型为森林和湿地, 只有少量的开发用地和农业用地, 所以河源头的整体状况较好。因此, 河源头的工作重点是保护水源头以及监控土地开发和土地用途变化对河源头水质的影响^[6]。

为管理河源头区域的土地使用状况, 对密西西比河源头进行严密保护, 河源头区域的地方政府联合实施了限制密西西比河走廊区域土地使用的综合计划。综合计划由8个县组成的联合权力理事会— — 密西西比河源头理事会负责实施。综合计划规定了区划监管机构以及允许使用和开发的范围, 通过一致的标准和管理目标将8个县联合起来对密西西比河走廊进行共同管理。

综合计划将密西西比河走廊河流分为3类, 分别是风景河流、野生河流以及河源湖, 如表1所示, 并标明了与走廊各河段对应的种类。此外, 密西西比河源头理事会规定在河流或湖两侧建立约150 m(针对风景河流)或约300 m(针对野生河流或源头湖)的走廊来对不同种类河流进行严格管理。最终, 通过对河流生态系统进行严格保护使密西西比河约前750 km都受到了保护^[8]。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 密西西比河源头走廊河流分类[7] Tab.1 Classification of the Mississippi River headwater corridor[7] 种类 定义 风景河流 指走廊中河岸线相对没有被开发的河流, 具有重要的自然、历史、文化、科学和娱乐资源。进入河流及河岸线受到一定限制 野生河流 指走廊中通常无法进入的区域, 通常被认为是偏远的, 有独特而重要的自然、文化、历史、科学和娱乐价值 河源湖 指定的9个密西西比河河源湖

表1 密西西比河源头走廊河流分类[7] Tab.1 Classification of the Mississippi River headwater corridor[7]

密西西比河源头理事会还开展了全面的河流监测计划。通过对9项理化指标(溶解氧、粪大肠菌群、pH值、碳生化需氧量、温度、导电性、总磷、硝酸盐、浊度)以及1项生物指标(大型底栖无脊椎动物)^[9]进行长期监测, 记录了水质随季节和水体使用变化的波动和趋势, 从而评估河流系统的健康状况。

除上述措施外, 密西西比河源头理事会还开展了密西西比河源头生境走廊项目来建立和扩展连续的生境综合体, 并对每个流域进行风险级别分类和风险源识别等, 以支撑对河源头的保护与修复管理工作。

密西西比河上游系统作为一个充满活力的大型河流生态系统, 覆盖了从明尼苏达州明尼阿波利斯至伊利诺伊州开罗的俄亥俄河汇合处之间的天然洪泛区。密西西比河上游系统不仅有重要的商业航运意义, 每年还会吸引大量的游客到位于这里的国家野生动物和鱼类保护区参加各种水上活动, 并且有超过3 000万当地居民依靠河水作为公共和工业供应^[10]。商业航运、娱乐活动、鱼类和野生动植物的蓬勃发展, 对密西西比河上游生态系统产生了巨大的影响与压力。对此, 美国在密西西比河上游系统开展了一系列监测与修复管理活动。

2.2.1 密西西比河上游恢复计划

密西西比河上游恢复计划(原名环境管理计划)是美国首个大型河流系统综合性环境监测和恢复计划, 1986年由水资源开发法授权, 对密西西比河上游系统进行恢复^[11]。计划包含的2个主要元素为系统研究与监测和生境恢复, 这2个元素分别通过长期资源监测计划和生境重建与改进项目进行。

密西西比河上游恢复计划由美国陆军工程兵团负责, 并与美国地质调查局、美国鱼类及野生动物管理局、美国国家环境保护局、美国农业部自然资源保护局以及密西西比河上游的5个州合作实施。广泛与联邦和州政府、非政府机构以及公众之间建立合作关系, 是密西西比河上游恢复计划的独特之处, 也是取得修复成果的重要因素。总的来说, 密西西比河上游恢复计划为具有重要商业航运意义的生态系统— — 密西西比河上游系统的生态保护修复做出了重大贡献。

2.2.1.1 长期资源监测计划

长期资源监测计划被定义为集监测、应用研究和管理评估于一体的多用途计划, 旨在实现以下目标: ①更好地了解密西西比河上游系统的生态状况及资源问题; ②监测资源变化; ③开发替代方案以更好地管理密西西比河上游系统; ④对监测信息提供适当的管理^[12]。

长期资源监测计划的主要工作是从6个能体现上游系统环境梯度的约50~100 km的河段内, 通过随机抽样和标准化检测, 收集4种主要生态成分数据, 包括鱼类、水质、水生植被和水生大型无脊椎动物^[12]。此外, 长期资源监测计划还收集了相关的土地覆盖、水文和测深数据。迄今为止, 密西西比河上游恢复计划已经利用长期资源监测数据发布了2份有关河流生态健康状况的状态和趋势报告。根据2008年密西西比河上游系统状态和趋势报告, 监测计划所采用的指标类别和具体监测指标如表2所示。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 长期资源监测计划所采用的指标分类和具体监测指标[12] Tab.2 Indicator categories and specific indicators used in the Long Term Resources Monitoring Program[12] 指标分类 指标 水文指标 年流量 季节性水位升高 水质指标 总氮 总磷 叶绿素a 总悬浮固体 溶解氧 合适的冬季生境(即回水区适合翻车鱼的冬季生境) 沉降指标 水深多样性(蓄水区) 回水区中的净沉降率 土地覆盖指标 洪泛区森林覆盖 新生植被覆盖 堤后方的河漫滩区域 水生植物指标 水下水生植物 大型无脊椎动物 指标 蜉蝣 指甲蛤 鱼类指标 蓝鳃太阳鱼 斑真鮰 加拿大梭鲈 小口牛胭脂鱼 饲料鱼指数 物种丰富度 非原生鱼类 休闲娱乐性的原生鱼类 商业可捕捞鱼类

表2 长期资源监测计划所采用的指标分类和具体监测指标[12] Tab.2 Indicator categories and specific indicators used in the Long Term Resources Monitoring Program[12]

状态和趋势报告指出监测数据表明大多数指标都保持相对稳定, 密西西比河上游系统存在健康梯度, 北部相对健康, 南部河段较不健康^[12]。报告还建议进一步研究和分析指标的有效性, 特别是鱼类指标的有效性, 以及选择使用一些可以识别变化过程的替代指标(例如生长率这类可以预示丰度变化的指标)来替代变化速度缓慢、高度可变或有滞后效果需要许多年才能显示其基本趋势的现有指标^[12]。

长期资源监测计划数据库是世界上大型河流系统最全面的数据库之一, 其丰富的数据能有效支持指标的量化评价, 揭示河流生态系统的实际健康状况和变化趋势。此外, 长期的监测数据还有助于提高对河流生态系统内在机制以及生境恢复项目所产生影响的认识。

2.2.1.2 生境重建与改进项目

生境重建与改进项目也是密西西比河上游恢复计划的组成部分, 旨在通过改变洪泛区结构、水文特征等来修复改善生境。生境重建与改进项目使用了各种各样的技术以便因地制宜地解决问题, 包括实施疏浚工程、修建堤防、改变侧渠、修复多样化的洪泛区森林等^[13]。尽管密西西比河上游系统十分复杂, 但是恢复计划使生境重建与改进项目获得了良好的成效与进展。自1986年以来, 生境重建与改进项目已经改善了超过429 km²(约106000英亩)的鱼类和野生动植物生境^[14], 且平均成本仅为每英亩2 900美元^[15]。

密西西比河上游恢复计划解决了密西西比河生态系统面临的长期压力, 避免了生态系统的加速退化。之后, 密西西比河上游恢复计划将按照2015— 2025战略计划, 继续进行科学的长期资源监测和调查以及生境恢复, 从而持续对密西西比河进行修复管理。

2.2.1.3 生境需求评估

为评估密西西比河上游生态系统现状、预测未来状况以及确定监测重点, 补充实施了生境需求评估。生境需求评估的实施主要依赖于收集的长期监测数据。首次生境需求评估已于2000年由美国陆军工程兵团、美国鱼类及野生动物管理局、美国地质调查局等多个部门联合完成, 评估结果显示河流调节、沉积物、洪泛区开发是影响密西西比河上游系统生境的主要压力源^[16]。

由于密西西比河上游恢复计划逐渐加强了对于提高密西西比河健康和复原力的关注^[17], 第二次生境需求评估基于支持生态系统复原力的5个基本特征(水力学和水文、生物地球化学、地形学、生境、生物区系) 和4个方面(连通性、多样性和冗余、控制变量、缓慢过程)对上游系统的生境需求进行了评估, 评估结果显示虽然河流需要不同程度的恢复, 但是其生态潜力仍然很高。

2.2.2 河岸线管理计划

为平衡河岸线使用, 美国陆军工程兵团于1989年实施了河岸线管理计划, 将其管理的河岸分为4种用途类别, 如表3所示。通过对所管辖河岸线进行统一的保护规划和开发利用, 可确保在提高河岸线利用效率的同时, 塑造自然健康的河岸线。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 河岸线分类[18] Tab.3 Classification of shorelines[18] 河岸线分类 定义 有限的开发区 唯一可以发布新许可证以授权专有私人使用的分类 公共娱乐区 由政府机构、商业特许经营者或非营利性组织管理的河岸线 禁止进入区 为保护公众安全或政府设施安全而划定的河岸线区域 受保护的河岸线区域 指定的为保持或恢复美学、鱼类和野生动物、文化或其他环境价值的河岸线地区, 还用来保护不稳定的河岸线免受侵蚀。除了当前已经存在的使用授权外, 受保护的河岸线地区不允许个人使用

表3 河岸线分类[18] Tab.3 Classification of shorelines[18]

2.2.3 土地使用分配计划

针对共同管理的沿河联邦土地, 美国鱼类及野生动物管理局和美国陆军工程兵团于1983年共同制定了密西西比河上游土地使用分配计划。根据土地使用分配计划, 土地的使用种类分为项目运营、密集娱乐使用、低密集娱乐使用、野生动物管理、自然区, 并规定自然区主要是保存和保护科学、生态和风景资源以及重要的考古和历史遗迹及受威胁和濒危物种栖息地, 且此类区域内限制或禁止公共活动^[19]。通过对沿岸土地使用进行管理, 旨在维持河流系统航运功能的同时, 确保鱼类和野生动物生境以及娱乐用途之间保持平衡。

2.2.4 航行与生态系统可持续发展计划

为保证密西西比河上游系统经济和生态环境的可持续发展, 解决上游系统可能会出现的交通延误问题, 并修复由9英尺(即2.74 m)河道项目所造成的生态系统结构和功能变化问题, 美国陆军工程兵团对改进航运功能和修复河流生态系统的可行性进行了广泛调查。通过调查, 确定了航运改善和生态修复的项目位置及顺序, 并将在50 a内逐步实施, 以确保减少商业交通延误的同时, 保护和修复生态环境。

2.3.1 修复美国最伟大的河流计划

修复美国最伟大的河流计划始于2006年, 其目的是改善密西西比河下游生境并修复洪泛区的水文和连通性^[20]。通过此计划, 密西西比河下游委员会与美国陆军工程兵团等5个机构合作开展了一系列的生境修复活动, 包括修复和改善河道、下游造林工程、亚洲鲤鱼管理与控制等。迄今为止, 下游委员会已经在密西西比河下游的修复和管理上取得了一定成效, 并表明在未来将加强与政府部门、非政府机构、航运业等各方的合作来改善生境和减少或避免生境损失。

2.3.2 相关监测工作

相较于上游, 密西西比河下游的相关监测数据比较缺乏。部分原因是由于密苏里河和俄亥俄河的流入导致下游泥沙含量和流量远远超过上游, 因此监测难度更大^[21]。除此之外, 由于下游各州对同一河段的指定用途不同且各州间工作缺乏协调, 所以监测程度差异很大, 数据相对缺乏^[22]。

相较于其他机构和部门, 美国地质调查局对下游的监测工作处于相对领先的地位。最初, 美国地质调查局运营的国家河流质量评估网络在密西西比河流域设置了26个监测站, 但在密西西比河下游只有4个站点, 其中2个监测站运行了实时连续监测仪表^[22]。但是由于监测力度和监测站数量的不断下降, 最终在1991年被取消。同年还开展了国家水质评估, 但未能对包括密西西比河在内的大型河流提供覆盖完整空间范围的评估^[21]。最终国家河流质量评估网络和国家水质评估于2013年合并形成了国家水质网络, 并在密西西比河下游流域内5个地点进行了水质和沉积物监测数据收集。

为应对路易斯安那州海岸和密西西比河三角洲的土地流失危机, 美国在路易斯安那州整个沿海地区开展了一系列保护和修复项目, 例如实施沉积物转移、水文恢复、淡水分流、障壁岛和岬角修复、海岸线保护等^[23]。

路易斯安那州还设置了海岸参考监测系统来监测不同空间尺度修复工作的有效性。海岸参考监测系统包含了覆盖整个路易斯安那州海岸的390个监测站, 在1 km²和200 m²两个尺度上进行监测。在1 km²的尺度上, 高分辨率航空摄影被用于计算土地和水的比率来揭示土地变化趋势; 在200 m²的尺度上, 使用标准化的方法收集现场数据^[24]。海岸参考监测系统收集的数据包括水位、盐度、沉积物堆积、地面高程变化、植被的组成和丰度、土地与水的比例以及土壤特性^[24]。收集到的数据经固定程序处理后被存储到海岸信息管理系统数据库, 用于评估修复项目以及整个路易斯安那州海岸的状况。

为解决墨西哥湾的富营养化问题, 缺氧工作组在2001年发布了海湾缺氧行动计划, 其主要目的是控制流域的氮排放, 并规定每5 a更新一次缺氧行动计划来评估已经采取的行动并确定未来工作重点。修订版的海湾缺氧行动计划于2008年发布, 要求组成缺氧工作组的各州继续合作, 制定全面的针对密西西比/阿查法拉亚河流域地表水以及墨西哥湾的减排计划, 并且表明允许每个州灵活制定、调整和实施自己的战略措施。

缺氧工作组每年夏天会对墨西哥湾缺氧区的范围进行测量, 目的是通过持续监测来准确评估缺氧区对来自密西西比/阿查法拉亚河流域营养物质的响应。根据2016年联邦策略, 缺氧工作组接下来的工作重点是将长期监测网络制度化并支持各州实施州营养物质减少策略^[25]。

除此之外, 2012年缺氧工作组成立了由美国地质调查局牵头的密西西比河流域监测协作组织, 以整合长期监测和径流记录数据来评估在降低营养物质方面的进展。自2000年以来, 来自参与州的48个机构已收集了超过67万份营养物质数据^[26]。为更好地评估在减少营养物方面取得的进展, 密西西比河流域监测协作组织还通过由美国地质调查局、环境保护局和国家水质检测委员会赞助的合作服务网站— — 水质门户网站提供其所收集的数据。

除缺氧工作组实施了监测外, 美国农业部农业研究局与自然资源保护局也进行合作, 在密西西比/阿查法拉亚河流域内的小流域中进行了农田边缘监测和河流监测, 以评估农业径流情况以及用来减少沉积物和养分流失的养护措施的有效性^[22]。

美国在开展密西西比河监测工作时, 特别是在长期资源监测计划中, 根据流域实际情况建立了具有针对性的指标体系, 从而获取了能够有效识别生境状况和变化趋势的基础数据。目前, 我国流域生态修复工作还处于尝试探索阶段, 尚未建立起科学有效的生态系统监测与评价指标体系。从我国基本国情及流域特点出发, 制定和完善流域生态系统监测和评价指标体系, 从生态学角度出发, 借鉴包括密西西比河在内的其他国家流域生态修复监测与评价体系, 综合考虑包括生境、理化、水生生物和土地覆被等指标, 从单一理化指标监测向综合的流域生态系统监测与评价转变, 具有重要意义。值得注意的是, 河流生态系统中有的过程具有缓慢性、较高变化性或时间滞后效应, 因此需要选择能揭示变化过程的有效指标^[12]。另外, 评价和判断修复工作成功与否, 应建立一套能够定义预期生态系统状况的数值或者条件集合, 即目标范围^[12], 并且随着对流域生态系统的逐渐了解, 不断精细化和量化各项指标的目标范围。

利用流域生态系统监测指标体系对水文、水质、水生态环境、生物群落多样性以及土地覆盖等进行监测, 并对监测数据进行分析评价, 不仅能够获取有效的流域生态状况信息, 并且长期的监测数据对于了解河流生态系统的内在机制也十分必要, 特别是在自然和人为干扰下河流生态系统的内在变化机制和规律。基于监测数据才能准确判断和识别流域存在的问题、发展趋势和机会, 因此应依据河流实际情况, 合理设定修复目标, 进行修复规划, 充分利用其自我修复能力, 并辅以恰当的修复措施, 以逐步恢复河流的生态环境功能和社会服务功能。

河流生态系统本身是一个动态且具有开放性的系统, 河流与其周边环境不断相互作用, 并且从上游到下游具有自然变化的纵向模式, 支流之间、子流域之间也存在巨大差异。另外, 由于人口的不断增长, 不同河段的河岸使用程度及使用方式的不同, 也对河流生态系统产生了不同的影响。因此, 监测网络应扩展至流域范围, 以获取覆盖全流域的、更丰富的监测数据, 提高对复杂流域生态系统及修复需求的认知和识别。

长期监测除了可以记录正常的波动和变化趋势外, 还有助于提升对河流生态系统内在机制的认知, 并且有利于预测河流生态系统对未来修复措施的响应。特别是对于在年内和年际间会出现实质性变化的大型河流, 10 a的监测数据是获得长期有效动态刻画的最低基线^[12]。因此, 应逐步建立像密西西比河长期资源监测计划一样集监测、应用研究和管理评估为一体的多用途计划, 进行覆盖全流域的长期综合监测, 以提升流域修复管理的有效性。

在密西西比河的修复工作中不少流域管理机构通过信息共享平台将收集到的相关数据进行整合使其信息化、系统化, 为密西西比河的监测和修复管理提供了强有力的支撑。我国也应充分利用互联网, 建设和完善流域生态环境信息共享平台, 推动跨行政区和跨部门的信息资源共享, 提升流域修复管理效率和成效, 整合政府、科研单位以及公众等多方数据, 为我国流域生态保护修复提供数据支撑。

建立流域尺度的生态系统状况调查和评估机制, 摸清我国河流生态系统当前的健康状况与需求。密西西比河的生境需求评估综合评估了流域生态系统的健康状况, 准确识别了流域的修复需求, 进而依据事实数据实施了监测和修复工作。我国在此方面开展的工作相对较少, 并且随着我国人口的不断增长和城市化进程的推进, 人类对河流生态系统产生的干扰和破坏越来越大。因此, 我国流域生态修复亟需建立流域尺度的调查和评估机制, 对流域内的每个河段进行系统评估, 特别是河流源头和生态脆弱区, 以识别最紧迫的修复需求, 改善河流生态系统的总体状况。

从美国在密西西比河上游系统开展的长期资源监测, 到流域健康状况和需求评估以及流域内航道与生态可持续发展的调查评估, 再到土地利用及河岸线使用规划和生境修复项目的实施, 形成了一个相对完整、环环相扣的监测、评估、规划、实施循环体系。持续的监测可以为流域生态系统状况评估提供丰富的基础数据, 从而进行基于事实数据的有效评估; 评估则帮助识别了流域生态系统的健康状况和需求, 进而根据实际评估结果形成更加平衡合理的流域规划来指导保护修复工作的实施。特别是近年来人口的不断增长和城市化进程的推进对我国河流生态系统产生的干扰和破坏越来越大, 因此基于实际情况定制流域规划并实施修复行动至关重要。最后, 监测又会通过事实数据反映出流域规划和保护修复工作的实施成效。为提高我国流域保护修复成效, 应尽快建立和完善监测、评估、规划、实施循环体系, 形成基于事实数据的良性循环体系。

我国过去的河流生态保护修复常常侧重于某一河段或某一问题, 忽略了流域的整体性和连通性。部分原因是我国在流域生态修复方面的研究起步较晚, 侧重于研究生态工程技术, 而忽视了生态学过程方面的研究^[27\]。对生态系统缺乏科学的认知, 将某一河段或问题从整个流域中割裂出来进行治理。随着对河流生态系统人为干扰的不断增多, 我国亟需加强对河流生态过程及河流对人类干扰响应机制的研究, 认识流域生态系统内在机制和发展规律, 从而充分利用其自我修复能力, 使用低影响或基于自然的解决方案, 减少或避免人工干预。除此之外, 应加强多学科综合性研究, 例如生物学、社会学、水文学等学科的融合研究, 推动我国流域生态保护与修复管理的不断提升与创新。

在具体的监测与保护修复工作中, 由于流域面积大和气候地貌条件的不同, 不同河段通常会呈现不同的水文特征, 所以不同河段监测与保护修复重点也应有所区别。密西西比河上游系统周边娱乐休闲、农业等人类活动丰富, 对河流生态系统具有直接干扰, 造成了水质恶化、生境破坏及美学价值降低等一系列问题, 并且上游系统河流状况会对下游生态系统产生直接影响, 因此美国陆军工程兵团在上游系统实施了细致、全面的监测与保护工作, 同时进行了修复工作来修复生境, 阻止生态系统加速退化。密西西比河下游则呈现与上游系统不同的水文特征, 下游泥沙浑浊, 流量远远超过上游系统, 因此在进行监测的基础上, 实施了广泛的修复工作以保障河流连通性, 恢复其生态功能。由此, 我国在流域监测与保护修复工作中, 应在秉持流域生态系统完整性思想的同时, 结合河段水文情势、河流地形以及河道特征等, 对不同河段实施具有针对性的监测与保护工作, 因地制宜地实施修复措施。

密西西比河的流域委员会模式使流域各州享有更平等的参与投票权, 更能调动各州及公众的积极性, 联邦政府在这方面则没什么机会发挥作用^[4\]。虽然密西西比河的流域委员会模式也具有一定的局限性, 但其在密西西比河上游取得的修复成效一定程度上凸显了流域协调治理的重要性和有效性。由于河流跨度通常较大, 我国河流一般按照行政区进行管辖, 再加上部门之间缺乏信息共享和沟通等原因, 流域管理通常呈现碎片化的特点。以行政区为单位的治理割裂了河流系统的完整性和连通性, 破坏了其生态和水文特征。

由于行政区或部门间协作机制不健全, 且不同行政区对生态保护修复的认知存在差别, 导致流域系统化管理难、生态保护修复成效低。针对我国流域管理体系中的问题, 应打破分割管理状况, 创建跨行政区的流域协调管理体系, 全流域统筹规划。明确流域主管部门或设立流域管理机构, 如流域管理局、水利委员会, 切实强化流域的统一管理和监测工作, 避免不同部门、地方间权责不清导致的管理不力或重复监测造成的资源浪费。鼓励多元主体参与, 强化流域协同治理, 积极成立相关工作小组, 推进生态保护修复工作。