研究，一部分的特别功能北方地区生态修复

文德尔河流域支流恢复示范措施

• 摘要
• 简介
• 研究区域
• 材料与方法
  • 法律工作
  • 修复方法
  • 分析和监测
• 结果
• 讨论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

流动的淡水系统由于直接和间接的人类影响而在全球范围内退化(Maddock 1999, Malmqvist和Rundle 2002, Nilsson等人2005b)．人们越来越意识到健康生态系统的价值以及适应未来气候变化的必要性，这使得生态系统，特别是河流的恢复成为关注的焦点(Bernhardt等人2005年，Nilsson等人2007年，Palmer等人2008年，Arthington等人2010年)。最近的河流恢复方法包括河流的重新自然化;即环境流(Tharme 2003)和洪水保护(Nardini和Pavan 2012);重新配置渠道(Nilsson等，2005一个）;碎片整理，即拆除大坝(Bednarek 2001, Lejon等人2009)和重建人口(Luhta等人2012)。目前缺乏详细的、基于科学的河流恢复指南。因此，一些生态恢复项目在制定方法时采用试错法，而另一些则依赖于简单的指导原则或神话(cf. Hilderbrand et al. 2005)。然而，即使通过测试和评估创新组件开发了恢复方法，也很难知道何时获得了最合适的方法。不幸的是，从修复工作中学习和改进的潜力没有得到充分利用，因为很少有项目被监测以证明修复的长期结果，更少的项目会报告失败(Bernhardt等人，2005,Jähnig等人，2011,Kondolf等人，2011)。

早期的河流修复项目通常是由单一问题驱动的，并且是基于场地的;然而，最近的政策转变已经将重点转移到更全面和大规模的恢复工作上(Brookes 2011)。欧盟的几项指令导致了对河流修复项目的需求。例如，欧盟水质框架指示(指令2000/60/EC)，该指令指导欧盟成员国实现所有水体的质量和数量的良好状态，优先保护和改善水环境。此外，通过其获得欧盟资助的机会生活+计划是恢复工作的强大动力。LIFE+是欧盟支持整个欧盟环境和自然保护项目的金融工具。该计划还要求在项目计划中包含监视行动。

的温德尔河生活该项目是一个LIFE+项目，专注于恢复河流系统的支流，这些支流被河道化，用于木材漂浮。我们将该项目作为评估方法和非生物效应的案例研究，概述和报告利益相关方支持示范恢复措施的经验，而不仅仅是使用最佳实践方法。在这里，沟道化意味着从沟道中移走大块巨石、基岩和大木头。它们沿着河道边缘被放置，有效地切断了河道与泛滥平原的连接，并阻塞了任何边河道。至少，修复木材浮水河流的最佳做法是将河道边缘可用的粗沉积物放回河道中。由于使用黑火药和炸药来清除巨石和基岩，这样的沉积物通常太小，无法模拟木材漂浮前的情况。因此，该项目响应了文献中的科学建议(Palm等人，2007年，Rosenfeld等人，2011年)，并包含了一个实验部分，即演示行动，将非常大的巨石和大木材从相邻的高地搬到河道中。一个核心问题是，这些额外的恢复措施是否会以有利于河流生物区系的方式影响水流条件。然而，在生物群有机会做出回应之前，可能很难回答这个问题，而这个过程可能需要很多年。因此，本研究的目的是测试演示动作是否对通道水力学产生了显著不同于最佳实践动作的影响。

研究区域

文德尔河水系是一条受保护的瑞典河流，也是欧洲为数不多的自由流动的大河之一(Dynesius和Nilsson 1994)。这条河长450公里;它发源于瑞典和挪威边界的斯堪德斯山脉的高山地区，在博斯尼亚湾上游约40公里的北方地区与受到严格管制的Ume河汇合(图1)。在平均一年里，由于积雪融化，流量在5 - 6月最高，在8 - 9月最低。在温德尔河的主河道中，春季的极端洪水是洪水的100多倍(1323米)^3./s)比极端冬季低流量(9 m^3./s)，是平均流量的10倍(瑞典气象和水文研究所1979年)。支流流量较低，但季节变化和高低流量差异相似。春季洪水时间短而强度大，泄洪随降雨而波动(Nilsson等，1994年)。文德尔河及其支流是Natura 2000这是一个全欧盟范围内的自然保护区网络，旨在确保欧洲最宝贵和受威胁的物种和栖息地的长期生存。文德尔河也是瑞典宣布为国家河流的四条主要河流之一，这意味着它们受到保护，不受水电开发和改道的影响。文德尔河以前因木材漂浮而遭到开发，经过恢复努力，将得到改善。

木材漂浮深刻地改变了许多河流系统的环境条件，特别是在瑞典北部和中部。在20世纪初，瑞典有超过3万公里的河流被疏导，以方便木材的漂浮(Törnlund和Östlund 2000, Nilsson等人，2005一个)．在文德尔河的干流和至少27条支流上，大规模的木材漂浮始于19世纪50年代。这一活动的最终结果是超过1600公里的浮渠和150多个溅坝(Törnlund和Östlund 2002)。在此期间，温德尔河及其支流上有急流的高坡度河段陆续被改道(图2)。这主要是为了增加运输和速度，缩短河道。河道化的非生物效应包括结构均匀化、河道宽度减小、流速增加，以及(来自急流的)细粒沉积物的损失。生物的影响包括栖息地的丧失;陆水相互作用障碍;产卵区退化或消失，尤其是褐鳟鱼(斑鳟属truttaL.)和欧洲灰雀(Thymallus Thymallusl .);减少鱼类庇护所;由于栖息地的简化和滞留能力的降低，营养和食物也会减少。

从20世纪50年代开始，沿着河流的木材运输逐渐被使用卡车的地面运输所取代，在文德尔河系统中漂浮的木材于1976年结束。在漂浮的最后几年，主要使用的是主航道;支流首先被淘汰。恢复因木材漂浮活动而被开发的文德尔河部分地区的努力始于1990年代，当时通过这种活动恢复河流的知识仍处于初级阶段。2002年至2005年期间，一个包括皮特河(文德尔河以北的一条大小类似的河流)和文德尔河集水区的合作项目促进了文德尔河及其支流的几项恢复活动(Nilsson, 2007年)，恢复工作得到了加强。因此，许多支流都在一定程度上得到了修复。在温德尔河生命项目中，22条支流的另外44公里的河道上的激流正在恢复。该项目是便利鱼类进出文德尔河水系的更大努力的一部分，也是恢复和增加集水区鱼类的产卵和喂养面积的努力的一部分。

材料与方法

法律工作

恢复工作的实施需要受影响地区的文件，以及土地所有者和公共当局的许可证和执照。最初的实地清查为进一步规划和与土地所有者和其他利益攸关方的联系奠定了基础。到目前为止，我们的工作重点是记录大型森林公司拥有的土地，因为与多个土地所有者相比，单一土地所有者的后续法律程序不那么复杂。其他优先事项是在河道化的急流附近的洪泛平原或山坡上寻找有大型巨石的地点，这些地点要合理地靠近道路，以便重型机械通行。文德尔河支流恢复行动之前的法律工作是根据瑞典环境法(第12章，第6节)处理的，该法典要求管理者报告可能对自然环境产生重大影响的活动。在恢复一个地点之前，需要进行当地协商，这是通过在附近地区安排会议来实现的，邀请所有利益攸关者，包括土地所有人、当地居民、当地渔业管理组织、萨米村等参加会议。会议记录由会议组织者，在这里是温德尔河渔业咨询委员会，以及所有与会者撰写并签署。土地所有人必须为在其土地上计划的恢复行动签署协议。签署后，正式的许可证申请可以发送到Västerbotten的县行政委员会，这是签发授权在瑞典该地区的Natura 2000遗址进行恢复工作的机构。这项研究中所有地点的法律程序都相当简单，并在2010年野外季节之前完成。 The 10 demonstration sites assessed in this study all received restoration permits.

修复方法

本研究评估的所有20个地点在5-10年前都进行了最佳实践修复，从河道边缘获得的粗沉积物被放置在河道中，封闭的边河道重新开放，并尽可能恢复鱼类的产卵区。2010年，根据Helfield等人(2007年)的建议，其中10个地点成为了示范性恢复的对象，将高地地区的大块巨石和大块木材放置在渠道中，以补偿之前的损失。在河道中栽种的树种包括苏格兰松(抗旱性L.)和挪威云杉(挪威云杉(L) H.喀斯特)和较少见的绒毛桦树(桦木属下毛竹l .)。树木或对角线或垂直于水流方向放置，每10米的河流长度大约有一棵树。大多数树木的根团被放置在河岸带，并且没有锚定，以便在高流量之后进行重组和下游移动(Helfield et al. 2007)。在决定向河道中添加大块巨石的数量和位置时，考虑了周围洪泛平原和山坡上大块巨石的可用性，以及将它们锚定在基材上的可用性，从而改变水流方向。在2010年8月至10月期间对示范地点进行了恢复，以便在项目期结束(2014年)进行最后监测之前使生物区系适应新的条件。

最佳实践和示范工作最初都是由挖掘机完成的。工头会通知司机把大块的巨石和树木移到哪里去，这样周围的环境就会受到尽可能少的干扰，工头还会告诉司机把它们放在哪里才能达到预期的效果。机器领班还负责在恢复工作之前、期间和之后的文件。此外，工头还对溪流进行盘点，以决定新的产卵地的位置。因此，机器领班需要有丰富的水力和生态学方面的经验和知识，特别是关于鱼类的知识。通道基质的结构、周围环境和通道坡度控制着工作的执行方式和所需时间。产卵区域在挖掘机工作完成后恢复。主要的策略是重建耐侵蚀的砾石斑块，大部分工作是使用手工工具完成的，通过一种称为Hartijoki (Stridsman 1995)的方法或通过添加冬季带来的外部沉积物来修复现有的基底。恢复的产卵床有30厘米深的砾石和鹅卵石层，直径为2-10厘米。产卵床的大小各不相同，最小大小为4米²．产卵区恢复工作于2010年8月至2011年9月期间完成，示范点产卵床数量达到328个。示范恢复的结果是，恢复的河流面积共4.8公顷，包括由于改道和关闭边渠而以前干燥的地区。

分析和监测

为评价河道修复的水力效应，分别于2010年7 - 8月和2011年7 - 9月进行了修复前和修复后的研究。在这两年中，在10个示范点和10个最佳实践(参考)点的低流量和中流量条件下进行了采样。出于安全原因，没有在高流量条件下进行测量。此外，在高流量时，由于水深与晶粒尺寸比较高，形状粗糙度对流动的影响较小，因此在低流量时的测量更重要。每条具有示范场址的溪流在上游都有一个参考场址，在少数情况下，在同一集水区的附近溪流中也有一个参考场址。在这项研究中，最好还包括未修改的原始河流河段。然而，正如Helfield等人(2007)所强调的那样，用于木材漂浮的河流通常没有未受影响的河段，即使有，这些河段通常也会被伐木工人绕过，因为它们太窄或太陡，因此无法与受影响的河段相比。

为了获得流速和通道几何尺寸的测量结果以进行存储前和存储后的比较，在每个河段平均间隔设置了10个截面。在每个横截面上，测量5个点的平均速度，每一段总共测量50次速度。在水深0.6处测量速度，以获得给定垂直剖面的平均速度。如果一块巨石暴露在水面上的测速点上，则在靠近原始样带的最近的位置进行测量。在每个截面上也测量了湿渠宽度。流量是从一个相对均匀和狭窄的底部上方的每条河流的一个横截面上的测量结果计算出来的。在这个计算中，我们测量了沿截面8-11点的流速和深度。截面积(m²)，平均流速(m/s)提供了流量(m^3./ s)。我们无法获得恢复前后所有溪流中相同流量条件下的测量值。在恢复前进行野外工作时，所有河流的平均流量值分别为0.65和1.63 m^3.低流量和中流量分别为/s。贮藏后野外工作的对应值分别为0.66和2.03 m^3./ s。鉴于不同的介质流量值，我们分别分析了每个流量水平和组合流量的数据，试图控制介质流量大小的差异。

为了确定流量的可变性，计算了每个测量周期的每一段流速测量的变异系数(CV)。成对t对两个时间段内的河段进行了速度CV的检验比较，在演示河段恢复之前和之后，检验了两个时间段内速度CV的差值为零的零假设。还对恢复前后同一河流上的参考河段和示范河段进行了两两比较，以确定示范河段的流速变化是否与参考河段有显著差异。最后,t-试验用于评价恢复前后示范和最佳实践地点的流速和通道宽度的差异。

结果

定性地说，通过将演示方法应用到之前用最佳实践方法恢复的河段，结构的非均质性增加了(图3和图4)。结合河段和流量水平，我们还可以定量地表明，恢复对演示地点的流速和河道宽度都有显著影响(α=0.05)。恢复示范站点后，所有河段的平均流速下降了24%，河道宽度增加了13%(表1)在本研究开始前恢复的数据中，这些变量在两个时间段之间没有显示出任何统计学上显著的变化(α=0.05，表1)，这表明示范站点的观察差异代表了真实的变化。通过对低流量(α=0.05)、中等流量(α=0.10)和综合流量(α=0.01)的两两比较，示范站点的流速CV在恢复前后显著增加(表2)。参考站点的两个测量年份之间没有观察到显著差异。在示范地点观察到介质流的速度CV增长最低，可以用相对淹没的增加(水力半径与84的比率)来解释^th百分位晶粒尺寸)，它降低了粗糙度。在恢复示范点之前，同一河流的参考点和示范点之间的流速CV两两比较没有显示出任何显著差异，这是可以预料的。但是，在同一河流上恢复后，参考河段和演示河段的流速CV值也没有显著差异演示站点。虽然在分别测试和组合测试的所有流量水平中，速度CV的平均差异为正，但恢复前的差异为负。因此，恢复后参考河段与恢复河段之间缺乏显著性，可能是由于示范河段恢复前流速CV值较低所致。

讨论

vindl River LIFE项目是大规模河流恢复工作的一个很好的例子，它不简单地使用标准的最佳实践措施来恢复河流环境及其周围环境。该项目还通过测试和监测新的、创新的恢复方法的效果来挑战这些措施。一般来说，河流恢复产生了一些模糊的结果。例如，在一些河流河段，目前的最佳实践方法已被证明能增强生物多样性(Helfield等人，2007年)，而在其他河流河段则没有效果(Lepori等人，2005年)。可能是最佳实践修复并没有产生最好的可能结果，因为原始的通道材料可被重新放置在通道中，由于通道化的结果被破坏(巨石)或消除(大木材)(Nilsson等，2005年)一个)．通过添加邻近高地地区的大型结构，创造了更多异质的形态和水力通道条件，希望能导致更清晰的生物反应。然而，栖息地的异质性并不是通往成功的自动路径。例如，许多研究(Palmer at al. 2010)未能显示恢复河流异质性对无脊椎动物多样性的任何影响，可能是因为低生境异质性之外的压力源限制了生物区系。

有人可能会说，很难知道单个流段中大型结构的最佳数量(Dahlström和Nilsson 2004)。然而，在各自区域的爆破巨石的数量——通常移动到通道的边缘——以及相邻高地的大巨石的数量，提供了一个可靠的指标。罕见的未被渠化的河流河段的例子表明，巨石的丰富程度可能非常高(图5)，表明河流河段没有恢复到自然范围以外。然而，这些无通道的河段具有更高的梯度，因此，我们预计它们包含略大的巨石(Polvi，个人观察)．对于目前的项目，示范点只位于急流附近，周围有丰富的卵石。事实上，这些巨石是内陆最后的冰融化时沉积的不规则物，并没有嵌入精细的沉积物中，这意味着它们可以被移走，而不会在地面上留下洞，因此不会造成大的生态干扰。

根据曼宁方程(如Knighton 1998)等流阻方程，在河道中放置较大的结构将增加粗糙度，从而降低流速，从而减弱下游洪水。这反过来又被预测会保留漂流物质(Nilsson et al. 2005一个， Rosenfeld et al. 2011)，为鱼类提供躲避捕食者和快速流动的庇护所，以及提供水力适宜的喂养位置(Palm et al. 2007)。在小溪中，大木头已被证明是一种重要的河道形成剂，通过捕获沉积物、形成台阶和水池并触发崩裂影响河道形态(Faustini和Jones 2003年，Dahlström和Nilsson 2004年，Gurnell等人2005年)。研究结果表明，示范行动通过增加修复河段的保水能力和水力非均质性，为这种变化提供了条件。恢复后河道宽度非均质性的降低可能是河道-漫滩连接性增强的结果;也就是说，河道不再在局部与洪泛平原隔绝。尽管可以对通道几何形状进行更详细的测量，以更精确地量化非均质性，但我们主要关注湿化宽度和速度变化，以便在恢复前后相似流量水平下测量20个河段。对地貌复杂性的详细测量可以进一步阐明示范恢复的非生物效应的差异。

河流恢复方法不仅对实验恢复很重要，获取利益相关者支持的方法也对恢复的成功至关重要。根据我们的修复经验，我们遇到了一些来自当地土地所有者的阻力，他们质疑把巨石放回渠道中的做法;他们甚至可能更关心添加更多的材料。一个常见的误解是，水会“消失”，例如，钓鱼将变得困难甚至不可能。管道中的大块木头可能不会改善这种误解。这些人应该对我们目前的结果感到欣慰，我们的结果显示，恢复后，流速下降，通道宽度和体积增加。正如我们前面所讨论的，在恢复工作之前与所有利益攸关方举行会议提供了一个论坛，每个人都有机会表达关切并获得信息。鱼类活动增加的初步定性结果增加了土地所有者对恢复项目的支持。

我们的结论是，示范恢复增加了河流的水力非均质性，从而为生物的响应铺平了道路。然而，修复的生物效应仍有待研究。生物的反应可能出现在地方(范围)和区域(集水区)两个尺度上。总的来说，该项目很大程度上依赖于“梦境”假说，即如果创造了合适的非生物条件，生物就会自行入侵(Palmer et al. 1997)。这假设生物是可获得的，如果不是在当地，至少是在区域内，并且它们能够移动到特定的地点。例如，支流为许多鱼类提供了重要的苗期栖息地，因此，恢复这些区域不仅对当地种群很重要，而且对从主河道洄游的鱼类也很重要(Crisp 2000, Bagliniere和Maisse 2002)。在大多数支流中，由于巨石的放置，侧河道的打开和重新连接也会对鱼类产生类似的影响，尽管规模较小。然而，对当地物种丰富度的影响则更难预测(Lepori et al. 2005, Helfield et al. 2012)。这里很可能涉及到规模效应和时间效应。正如Jähnig等人(2010)所建议的，示范地点的生态改善不应仅仅归因于这种特定类型的恢复，而可能是集水区规模的恢复的累积效应，包括许多最佳实践范围。 In fact, the majority of the rapids in the catchment are being restored using best-practice methods. It could also be the opposite, namely that demonstration sites have the capacity to enhance biotic responses but that the number of such sites needs to be multiplied for effects to be measurable. The reason that Helfield et al. (2007) observed an increase in plant diversity whereas Lepori et al. (2005) failed to find any effects on macroinvertebrate or fish diversity after restoration could depend on an as-yet incomplete response of the ecological community. For example, although riparian plant species numbers had increased, the development of mature riparian forests and rich stands of aquatic macrophytes and periphyton will probably require a much longer time until they reach levels that result in a measurable response in aquatic macroinvertebrates or fish (cf. Hansen and Hayes 2012).

最后，尽管现在评估示范修复的总体结果还为时过早，但现有数据和经验表明，这种类型的修复在方法、非生物效应和利益相关者支持方面代表了当前最佳实践的改进。北欧河流恢复的一个原因是褐鳟鱼数量的恢复，这是一种受欢迎的猎用鱼。重建失去的产卵床和保留新增的产卵床基质是成功解决这一问题的关键(Rosenfeld et al. 2011, Luhta et al. 2012)，而这些目标更有可能在像示范点这样流量缓慢、富含卵石的河段实现。河流恢复的另一个原因是暴雨和洪水侵蚀事件期间的水潴留增加，预计由于气候变化，这将变得更加频繁(Nilsson et al. 2013)。beplay竞技在这种情况下，示范站点也可能是最有效的。文德尔河生命项目示范修复的一个缺点是示范场地少、分散。可能需要使用示范方法恢复在木材漂浮期间受渠化影响的大部分急流，以在集水区规模取得显著效果。未来的工作将判断示范恢复是否应该成为新的最佳实践，但我们目前的结果确实支持这种改变。

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