随着全球人口增长和社会发展，能源需求日渐增加。目前水电占全球总发电量的15%，且50%的可再生能源发电量由水电提供。据估计，目前全球正在运行或者建设的水电站超过了8万座。在能源需求持续上升和气候变化背景下，水电站可能会在亚洲、非洲和南美将进一步大规模开发。虽然水电属于可再生能源的范畴，但其可持续性一直饱受争议。越来越多的研究表明水电开发改变了自然生境结构和环境节律，导致生物多样性下降，其影响在河流生态系统中尤其明显。因此，为了提升河流保护和修复效率，迫切需要综合目前关于水电站在不同区域(如坝上、出水口下方、下游泛滥平原湿地)和时空尺度对各河流生物类群(如藻类、水生植物、浮游动物、底栖无脊椎动物、鱼类和半水生哺乳类和爬行类等)影响的理解。基于此背景，中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生物与环境学科组联合来自德国、美国、丹麦、巴西等多国的学者，系统性阐释了不同类型水电站对河流纵向、横向、垂向和时间连通性的破碎化作用(图1)，从不同时空尺度综述了水电站对各生物类群影响的观测证据。
图1 水电站在纵向、横向、垂向和时间维度对河流连通性和生物多样性的影响
水电站会导致坝前河段水流减缓且水深增加，其中大型水电站对坝前河段影响尤其明显，形成静水环境并导致生物群落结构发生明显改变(图2.图3)。例如，适应于流水生境的鱼类和底栖无脊椎动物特化种在水库中会经历多样性下降，而一些泛化种(包括外来物种)则往往会在水库中迅速增加。
图2 大型水电站对其上游河段的生态影响
下游河段受到的影响与水电站类型和运行模式密切相关(图3)。引水型电站截水坝和出水口之间的河段流量明显减少甚至出现枯竭，而出水口下游河段则由于间歇性发电放水的影响导致原有径流和温度节律紊乱，影响河流生物的生长、发育和繁殖。水电站引起的水文节律改变和沉积物运输受阻等效应会延续至下游泛滥平原和河口区(图4)，不仅影响河道中的水生生物如鱼类和底栖动物，还会影响河岸带植物和半水生动物包括哺乳类、水鸟、龟类和两栖类等。
图3 不同类型水电站对其上下游生态系统的影响
除了改变河流理化条件，水电站还是河流生境破碎化的主要驱动因子之一。目前全球大型河流多数已经遭遇生境破碎化，正在建设和已经规划的水电站会在未来进一步导致淡水生物多样性热点地区如亚马逊和刚果河流域的众多河流生境破碎化(图4)。由于河流生境破碎化、过度捕捞和水污染等多重胁迫作用，全球淡水洄游鱼类的相对丰度在1970至2020年间平均下降了81%。
图4 全球长度超过500km的河流的自由流动状态以及各大型河流河口泥沙通量的变化
文章还进一步评估了当前不同修复措施对于缓解水电站负面环境影响的效率，最后从平衡水电开发和生物多样性保护角度建议了未来的研究方向，并提出了STREAM可持续水电开发和管理框架，包括系统性地规划不同可再生能源设施，建立长期的研究和监测网络，制定包含持续反馈和适应性调整的管理策略来增强水电站运行管理的灵活性和响应性，及时移除社会经济效益低但环境影响较大的水电站，在水电站开发和运行的不同阶段持续性地评估其社会经济和环境影响以及多属性群体决策等。
该研究发表于Nature Reviews Earth & Environment，东北地理所湿地生物与环境学科组何逢志研究员为第一作者和通讯作者，合作作者包括来自德国莱布尼茨淡水生态与内陆渔业研究所(IGB)、森根堡生物多样性与地球系统研究所、图宾根大学、丹麦奥胡斯大学、美国华盛顿大学和巴西龙多诺波利斯大学的学者，武海涛研究员为研究提供了重要支持。研究得到了国家重点研发计划(2022YFF1300900)、中国科学院人才计划项目(E355S122)、德国学术交流总署博士后项目(MEGALINKS)以及欧盟Horizon Europe项目(101093985)等项目的资助。
论文信息：
He, F., Zarfl, C., Tockner, K., Olden, J.D., Campos, Z., Muniz, F., Svenning, J.C. and Jähnig, S.C. Hydropower impacts on riverine biodiversity. Nature Reviews Earth & Environment (2024). https://doi.org/10.1038/s43017-024-00596-0
