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从生态学的观点了解地下水

摘要:地下环境的生态约束与地下水的流速、水力传导系数、孔隙内的生物地球化学作用、孔隙大小、与相邻含水层的水力联系以及地表生态系统有着直接的联系。地下水生态学已经从最初仅研究地下生物区演化到目前强调将水文地质学与生态学相结合的多学科交叉研究。

关键字:地下水,水质


     多学科交叉研究的目的是为了说明地下水生态系统的功能以及在维护地下水和地表水水质方面所起的作用。在含水层和地表水群落交错区,地球化学梯度与微生物的生物膜共同作用于水化学变化中。地下动物群落会消耗生物膜,在它们的运动过程中会改变孔隙大小,并通过地下水环境传输物质。此外,这种生物的种群变化是水质恶化的指标。将地下水生态学、生物地球化学和水文地质学相结合,有助于提高我们对地下生态系统的认识,特别是对污染地下水的恢复以及在地下水维持的生态系统中,提高地表水的水质和在开采天然资源过程中保护地下水环境。总之,这将有助于人类更好地认识地下水水文学、含水层地质概况、地下动物群落和微生物的分布、生态过程(如碳循环)以及可持续地下水管理之间的关系。

 

一、概 述

    在过去的20年间,水文地质学与地下水生态学之间的紧密联系已经越来越明显    (Noltie和Wicks,2001;Danielopol等,2003;Kemper,2004),最好的例证就是地下水生态学在含水层管理和水质恢复中的应用。大部分地下环境的生态约束条件与水文地质特征如地下水运动的动态性、孔隙大小、生物地球化学、与相邻含水层和地表生态系统的水文联系等都有直接关系(Gibert,1991)。更重要的是,地下水和地表水是水文系统中相互作用的两个组成部分,不能孤立起来分析(Winter等,1999)。例如,地下水与河水在河床的饱和沉积物带即潜流带中发生交换,二者的水质相互影响(Brunke和Gonser,1997;Boulton,2000b;Hancock,2002)。

内陆含水层组成了全球97%以上的不冻淡水(Gibert等,1994)。这些含水层通常维持着不同生物种群的生存。因此,如果地下水可持续利用是水资源管理的一个目标,那么必须将含水层看成是活跃的生态系统,而不仅仅是蓄水场所。尽管地下水在全球可利用淡水资源中占有最大的份额,但是我们对地下水生态系统的生态学认识远远不及河流和湖泊(Boulton等,2003)。同时,地下水需求量在不断增加,目前约有20亿人口以这种资源作为日常用水(Kemper,2004)。地下水水质恶化以及补给量减少(Alley等,1999)迫切要求我们提高对人类活动及可能的恢复措施如何影响地下水生态系统的认识(Kemper,2004)。在全球生态系统中,含水层中含有最多的稀有种群,它们的分布受到严格限制(Gibert和Deharveng,2002),因此,为了有效保护和管理地下水资源,必须从地形与气候方面去了解水文地质与生态之间的相互作用。

本文探讨了在地下水生态学背景下水文地质学未来的发展方向。在定义了地下水生态学,并简要回顾了本学科的演化和最近的进展之后,引入了地下水生境多样性的概念,同时分析了生态约束条件对动物群和微生物的影响。根据生物群的功能属性,可以说明人类利用地下水资源而带来的影响。本文探讨了水文地质学的将来发展方向和用以解决管理问题的生态学方法,强调了一种景观级别方法的重要性,该方法认为不同地下水和依赖于地下水的生态系统有其特殊的特征。

二、地下水生态学及其演化

    地下水生态学是研究地下水系统与其外部环境(含水层或相联系的陆地系统)之间相互作用的学科(Danielopol,1994)。关于生命依赖地下水的最早的记录可以追溯到公元1541年,栖居在中国云南阿庐古溶洞中的盲鱼—透明金线鲅(Romero 2001)。Danielopol等(1992)回顾了20世纪中期欧洲地下水工作者的贡献,但是直到20世纪90年代,地下水生态学才被世界公认为一门专门的学科,并于1992年在国际地下水生态学研讨会上正式宣布这一决定,随后出版了第一本关于该领域的教科书(Gibert等,1994)。图1是地下水生态学的演化过程:

1.穴居生物学,由Racovitza(1907)提出;

2.20世纪20年代澳大利亚人H.Spandl开始研究松散沉积物生态学;

3.Motas(1958)提出了潜水生态学;

4.Orghidan(1959)提出了术语“潜流带生态学”,但是直到20世纪70年代,D. L. Danielopol,D.D. Williams和H.B.N. Hynes将河溪和地下水生态结合起来研究之后,这一领域才得到了初步的发展;

5.Rouch(1986)提出了岩溶生态学;

6.20世纪80年代后期出现了地下深处微生物学;

7.应用分子技术(如Barton等,1994)和地理信息系统(GIS)进行生物地理研究。

 

    早在1926年,就有证据表明地下水中有微生物活动,当时的地质学家E.S.Bastin推断,在美国加利福尼亚Sunset Midway油田水中,存在厌氧硫酸盐还原菌(Chapelle,2001)。1962年,对地下水水质与微生物活动之间的主要联系进行了描述(Gurevich,1962),随后几年间,进行了微生物如何决定水化学特征的研究(K?lbel-Boelke等,1988)。这促进了地下水生态学的主要应用领域之一的发展,即通过生物修复技术来处理污染地下水(Piotrowski,1989;Wenderoth等,2003)。

从19世纪中期开始,科学家们就已经知道地下水中存在许多无脊椎动物(Botosaneau,1986),同时也生存有少量的脊椎动物(Romero,2001)。根据希腊神话中的描述,地下水中的动物统称为stygofauna。世界各地地下水中的动物群具有显著的差异(Danielopol等,2000;Boulton,2003),说明动物群的分布具有明显的地域特征,许多种群的分布范围受到一定限制(Marmonier等,1993)。例如,在澳大利亚西部沙漠中的钻孔内,存在世界上种类最丰富的地下潜水甲虫,然而,许多种群都仅局限于某种钙质砾岩中。这些甲虫种群与不足100km远的其它种群相比,进化程度有所不同。(Leys等,2003)。

二、地下水生态学的发展近况

    20世纪90年代是地下水生态学领域意义重大的10年,其发展始自Gibert等提出地表水/地下水群落交错区的概念。群落交错区是两个生态系统之间的过渡带,表现出两个生态系统的特征。Gibert等(1990)认为地表水和地下水之间的水文联系是群落交错区的中间媒介,在过渡带中水温、常量营养元素的生物化学梯度(如氮)都会变化。潜流带是一个典型的群落交错区(见下文),对营养元素或污染物起着物理、化学和生物过滤作用,阻止或减少这些物质在地下水和地表之间迁移(Hancock,2002)。

    在地下水生态学的群落交错区中,依据与地下水生境的关系,将潜流带的无脊椎动物从功能上可以分为三大类(Marmonier等,1993)。图2显示了这三大类动物与地下水不同的依存关系,stygoxen主要生活在地表水中,Stygophile只在潜流带中度过生命中的部分时间,但并不能适应地下生活,Stygobite在地下水中完成生命循环,已适应地下生活。这一分类可以用来说明地下水和地表水之间的联系,揭示人类活动的影响,例如改变这些联系的某些调节河流的措施(Claret等,1999)。


 

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