改造科羅拉多河以拯救大峽谷

工作日晚上，數百萬工人回到美國西南部的家中，開啟空調、微波爐和電視。從圖森到伯班克，電力需求激增。為了滿足這種需求，格倫峽谷大壩在早上 5 點或 6 點開始執行，這座混凝土大壩堵住了大峽谷上游的科羅拉多河。中午，平均每秒 14,000 立方英尺的水峰值透過八個渦輪機攪動，然後釋放出來。

人工潮汐在下游峽谷深邃狹窄的 200 多英里範圍內振盪，沖刷著砂岩河岸，並將魚類衝出漩渦。這些流量由美國墾務局始終計算和控制，有時在水向下遊移動時體積會增加一倍。帶領科羅拉多河漂流之旅的筏工知道將船隻停靠在高處，並留下大量繩索讓它們漂浮，這樣他們就不會在早上水位下降時被困。他們知道，河流在不斷變化。

然而，如果您在 2018 年夏天在科羅拉多河上划船或釣魚，您可能會注意到幾天都沒有潮汐。對於試圖更好地瞭解河流生態系統的科學家來說，這是一個難得的機會，墾務局在夏季週末釋放了每秒 8,000 立方英尺的穩定流量。水生生態學家泰德·肯尼迪及其在大峽谷監測與研究中心 (GCMRC) 的團隊想看看將河流保持在穩定水平是否有助於苦苦掙扎的本地昆蟲種群，其中 85% 的昆蟲在潮間帶產卵。這些卵可以溼潤，但不能幹燥；在高潮時產下的卵會在水位下降後一小時內乾燥。

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昆蟲似乎是微不足道的東西。但它們構成了複雜食物網的基礎。當它們的數量下降時，這種減少會影響以它們為食的物種，例如蝙蝠和瀕臨滅絕的駝背魚。在被譽為標誌性荒野的國家公園中，肯尼迪和他的團隊正在試圖弄清楚，根據他們在 2016 年發表在《生物科學》雜誌上的研究，為什麼科羅拉多河大峽谷段是美國昆蟲多樣性最低的地區之一。“底特律河裡的昆蟲更多，”肯尼迪實驗室的生物學家傑夫·穆爾鮑爾說。

去年夏天，研究人員正在測試調整大壩洩洪，使科羅拉多河更接近其自然流向，是否有助於昆蟲種群恢復。在這些測試中，他們人為地創造了在大壩建成之前允許生命蓬勃發展的流量模式——而沒有拆除大壩本身。

近 4000 萬人依靠科羅拉多河滿足日常生活必需品，包括電力、自來水和美國 10% 糧食生產用地的灌溉。自 1963 年格倫峽谷大壩開放以來，河流一直被改造以適應這些需求。這樣做改變了生態系統的平衡，這種平衡依賴於沉積物、融雪和季節性流量等因素。30 多年來，研究人員一直在試圖弄清楚如何幫助生態系統與人類需求共存，他們終於開始測試一些解決方案。透過制定一項對發電影響最小的實驗性流量計劃，2018 年的昆蟲測試標誌著大壩執行首次為大峽谷的物種健康進行了調整。

與此同時，河流卻在萎縮。科羅拉多河流域已經乾旱了近二十年；2018 年是有記錄以來第三乾旱的年份。自 2000 年以來，流域環境溫度比 20 世紀平均水平高出 1.6 華氏度，研究人員預測到 2100 年，流域環境溫度將再升高 9.5 華氏度。氣候變化的影響可能會使本世紀末的河流流量減少一半。隨著融雪提前和蒸發量增加，墾務局預測，它可能不得不首次削減向下遊輸送的水量——最早可能在 2020 年。這將給系統的每個部分帶來壓力，從水電和城市供水到本地魚類種群。這也意味著實驗性流量的空間將減少，科學家們認為實驗性流量是瞭解如何保護峽谷的關鍵工具。

昆蟲研究是朝著維持河流棲息地和人類可持續發展邁出的有意義的一步。它也直接觸及了科學與科羅拉多河政策之間的核心衝突：科學家希望具有實驗的靈活性，而電力和用水管理者則希望穩定。隨著科羅拉多河的乾涸，這種衝突將加劇。然而，如果肯尼迪和其他人能夠證明改變流量可以使昆蟲種群恢復，那麼這可能會使生態系統健康成為那些管理西部用水量最大河流的人們更重視的優先事項。

河流法則

早在 1966 年格倫峽谷大壩的壓力管道關閉時，很明顯，脆弱的、受聯邦保護的大峽谷國家公園下游生態系統出乎意料地發生了改變。不穩定的、沉積物耗盡的流量沖刷著沙洲，沙洲是本地植物（如小葉灰柳和箭葉草）的重要棲息地結構。從鮑威爾湖深處釋放出來的清澈的 48 度水給瀕臨滅絕的魚類帶來了壓力，這些魚類已經適應了泥濘的 80 度水流。在大壩建成之前，人們對這些要素之間的相互聯絡知之甚少，因此這些變化是在沒有預先考慮後果的情況下發生的。

直到 1989 年，在 1982 年初步評估的科學證據以及公眾和國家公園管理局等機構的壓力下，內政部長才要求對大壩進行首次環境影響評估報告。1995 年最終確定的結果證實，瀕危物種和寶貴的資源正在受到影響，但內政部沒有足夠的資料來量化事物的變化程度。在那次調查中發現的資訊引發了 1992 年的《大峽谷保護法》，該法案要求墾務局在管理大壩的同時，既要維護水電，又要維護自然棲息地。

為了維護該法案，墾務局於 1996 年成立了一個聯邦諮詢委員會，以指導大壩執行。該委員會被稱為適應性管理計劃 (AMP)，由 25 個利益相關者組成，他們代表對水擁有合法權利或在經濟上依賴峽谷的團體。他們包括瓦拉派部落，其保留地沿著河流和大峽谷延伸 108 英里；西部地區電力管理局，為 15 個州的客戶提供電力；以及旅遊業，為當地經濟帶來 9.38 億美元的收入。適應性管理是加拿大漁業生物學家在 20 世紀 70 年代創造的一個術語，它是根據正在進行的研究改變管理決策的做法。換句話說，它是從實踐中學習。格倫峽谷 AMP 是首次將適應性管理應用於擁有如此多利益相關者的聯邦專案。

長期以來，人們對大壩、乾旱和其他變數如何給科羅拉多河生態系統帶來壓力知之甚少。水溫、洪水時間、沉積物懸浮、化學成分和物種多樣性的變化都會相互影響。“你不可能拉動一根弦，而不期望它會發生變化，”肯尼迪說。因此，在 1995 年，作為 AMP 的一部分，美國地質調查局建立了大峽谷監測與研究中心，以調查這些影響，並充當其強大的團體中唯一的聲音。

在美國地質勘探局的支援下，GCMRC 的地質學家、水文學家、生物學家、生態學家和其他科學家監測河流併為 AMP 提供建議。在過去的二十年中，研究人員建立了一個縱向資料集，以建立峽谷生命線的基線。他們設計了實驗來探索魚類種群的減少和沙洲的消失——所有這些，理想情況下，都不會削減其他利益相關者的需求。“以前沒有人做過生態系統科學，也沒有研究過大壩的管理，”前墾務局生態學家戴夫·韋格納說，他在 GCMRC 成立之初就建立了它。“我們是在摸著石頭過河。”

在最初構思適應性管理計劃的單一物種漁業中，更容易靈活地管理生態系統。在像科羅拉多河這樣複雜的非線性系統中，這種迭代策略也是一個緊張點——尤其是在任何調整都需要 25 個相互競爭的價值觀達成共識時。“我們改變了一些我們可以控制的東西，然後兩件我們無法控制的事情很快就會發生變化，”西南生物科學中心副主任、負責監督 GCMRC 的地質學家泰德·梅利斯說。例如，GCMRC 目前正在努力解釋自 2012 年以來掠食性非本地棕鱒魚種群增加了 1000% 的現象。這種激增發生在旨在建造沙洲的實驗性高流量前後。但梅利斯說，這就是適應性管理的意義所在：從生態系統變化中學習並做出響應。

關注昆蟲

2017 年 11 月，在大峽谷週末昆蟲流量實驗開始前幾個月，我加入了肯尼迪實驗室的穆爾鮑爾和大衛·古德諾夫，另一位研究人員，每月收集岸邊和河流中昆蟲種群的樣本。如果 GCMRC 科學家能夠了解是什麼觸發了昆蟲的死亡，他們就可以明確地展示流量和食物網等因素是如何相關的——以及為什麼在快速變化的未來的任何管理策略中都必須考慮這些因素。

肯尼迪自 2002 年以來一直在研究大峽谷的昆蟲。他認為，水力發電高峰——即為滿足電力需求而上下波動流量——是科學家們看到搖蚊數量最少，幾乎沒有蜉蝣、石蠅或襀翅目的原因之一，所有這些昆蟲在其他西部河流中都很普遍，而且很可能曾經在科羅拉多河中也很豐富。他的團隊模擬了昆蟲產卵週期對水力發電高峰的反應，研究人員在 2016 年發表了一篇論文，假設限制大壩洩洪造成的人工潮汐——即使連續兩天——也會給昆蟲足夠的時間繁殖。現在，肯尼迪和他的團隊正在競相測試，將流量調整到更自然的狀態是否會恢復和保護大峽谷生態系統，使其免受日益嚴重的乾旱和人類影響的河流的侵害。

直到最近，這樣的實驗才有可能進行。2016 年，由於科學和法定職責（例如瀕危物種名單的增加）都發生了變化，墾務局和國家公園管理局修訂了最初的環境影響評估報告，以允許更廣泛的實驗性流量。2018 年的昆蟲流量是 GCMRC 在新的法律框架內嘗試的第一個測試。這是一項及時的工作，在全球性問題的大背景下：2017 年發表在《PLOS ONE》上的一篇論文發現，自 1990 年以來，德國的飛行昆蟲種群數量銳減了 75%。該論文的作者是荷蘭拉德堡大學的卡斯帕·A·霍爾曼領導的，他們警告說，這種下降將對歐洲的授粉和養分迴圈產生連鎖反應——這種情況已經在科羅拉多河上演。

在一個寒冷的十一月黎明，研究人員和我離開了位於亞利桑那州弗拉格斯塔夫的 GCMRC 辦公室，驅車前往格倫峽谷大壩下游 16 英里的利斯費裡船坡道。在一艘名為水銀號的噴射艇上，我們沿著黑色的河流向上游駛向大壩，然後向下遊駛入大峽谷的咽喉。穆爾鮑爾和古德諾夫在監測點每隔大約一英里設定了四個粘性陷阱——背靠背的培養皿，內襯粘合劑並粘在鋁樁上——以捕捉成年無脊椎動物。我們穿過峽谷 21 英里，採集水柱中懸浮物的拖網樣本，以瞭解昆蟲密度和物種多樣性隨著我們離大壩越來越遠而發生的變化。

河裡幾乎沒有昆蟲。在我們向下遊行駛時，沒有昆蟲飛進我們的牙齒或眼睛。當我們停在檉柳叢中收集粘性陷阱時，也沒有昆蟲叮咬。當穆爾鮑爾拔出一個樣本樁並檢視培養皿內部時，他感到非常失望。“哦，我的天哪，大衛，”他對古德諾夫翻了個白眼說。“我們抓到了……搖蚊！”

後來，他們在實驗室裡對樣本進行了分類，用鑷子取出搖蚊的身體，並統計了不同的物種，一絲不苟地新增到沿河 22 年的單個昆蟲總數記錄中。肯尼迪希望 2018 年夏季受控流量的資料能夠揭示大壩洩洪的物理過程如何影響昆蟲。研究人員擔心，氣候變化等因素正在以比他們研究速度更快的速度改變條件。但是，如果 GCMRC 能夠證明，改造河流以使其更自然地流動可以使整個生態系統更具可持續性，那麼這將強調威脅從科羅拉多河轉移更多水的新專案的風險。

以鮑威爾湖管道為例。它每年將從鮑威爾湖（格倫峽谷大壩後面的人工水庫）抽取 86,249 英畝英尺的水，並將其轉移到猶他州南部的兩個不斷增長的縣。猶他州水資源部於 2006 年首次提出該管道，2018 年 9 月，聯邦能源管理委員會同意為該專案的水電部分頒發許可證。隨著不斷擴大的社群試圖索取他們合法分配的每一滴水，肯尼迪正在研究昆蟲如何與河流系統的其餘部分聯絡在一起——並展示 AMP 如何在下游水量減少的情況下同時管理兩者。

更熱、更乾燥的未來

讓科學家在水資源管理中擁有發言權，使人們對科羅拉多河水庫如何遭受氣候變化的影響有了新的認識。許多訊息令人震驚。科羅拉多州立大學的氣候科學家布拉德·烏達爾和當時在亞利桑那大學的喬納森·奧弗佩克在《水資源研究》雜誌上發表的 2017 年研究發現，21 世紀科羅拉多河的平均流量比 20 世紀低 19%。他們預測，由於全球變暖的影響，到 2100 年，流量可能會下降多達 55%。“如果你一直在關注，尤其是在過去兩三年裡，你現在應該感到害怕，”烏達爾說，他指的是可能很快就沒有足夠的水來滿足法律和環境需求。在墾務局每年 9 月底結束的水量統計中，2018 年流入科羅拉多河流域的水量僅為歷史平均水平的 43%。

鮑威爾湖的數學計算也存在問題。由於科羅拉多河的水幾乎被分配到了最後一滴，因此湖泊水位對於 1922 年的一項法律協議至關重要，該協議保證每年將有 823 萬英畝英尺的水流過利斯費裡。墾務局從 20 世紀 50 年代開始建造水庫——包括鮑威爾湖。但這些蓄水系統只有在得到補充時才能發揮作用。鮑威爾湖在海拔 3,700 英尺時被認為是“滿的”；上次發生這種情況是在 1986 年。在 2002 年有記錄以來最乾旱的年份，只有 380 萬英畝英尺的水從科羅拉多河上游流入鮑威爾湖。由於鮑威爾湖的全部目的是即使在不下雨或下雪的情況下也能保持下游供水的穩定，因此法律規定的 823 萬英畝英尺的水仍然流出。

然而，這種邏輯從根本上來說是錯誤的。該協議用水量是根據墾務局在 20 世紀初完成的計算分配的，那是測量歷史上記錄的最溼潤時期，結論是每年有 1800 萬英畝英尺的水流過河流流域。自 1922 年安裝在利斯費裡的 USGS 河流測量儀收集的資料顯示，平均年流量實際上為 1480 萬英畝英尺。由於該協議是聯邦法律，因此 823 萬英畝英尺的下游義務仍然存在。水資源管理者稱之為結構性赤字，這意味著如果每個州都索取其全部份額——由於鮑威爾湖管道等專案，這將在不久的將來成為現實——將沒有足夠的水來分配。

加速的乾旱變得如此具有威脅性，以至於在 2018 年，七個“流域州”起草了應急計劃。每個州都概述瞭如果鮑威爾湖水位達到海平面以上 3,525 英尺（僅略高於舒適地維持大壩發電所需的高度），它將把分配的協議用水量中的多少留在水庫中。（2018 年 11 月，鮑威爾湖水位為 3,588 英尺。）儘管臨時指南於 2007 年釋出，但這一正式步驟標誌著自該協議簽署近 100 年以來，流域州首次制定了具有法律約束力的計劃，以應對更加乾燥的未來。最終，政策開始反映科學。

水量減少也使得實驗更難進行。“我們在適應性管理計劃中做的每件事都必須在年度釋放量範圍內進行，”AMP 前科羅拉多河上游地區負責人卡特里娜·格蘭茨說。GCMRC 研究人員已經考慮了任何可以增加供應的合理選擇。一個長期存在且有爭議的想法是完全拆除格倫峽谷大壩，然後將水庫的水儲存在米德湖中，以最大限度地減少蒸發。但到目前為止，科學和政策都不支援拆除。猶他州立大學地貌學家、前 GCMRC 負責人約翰·C·施密特在 2016 年的一份白皮書中發現，合併水庫節省的任何水量都不到平均入流量的 1%。施密特解釋說，如果不顛覆美國西南部的生活，就不可能解開人類對河流的利用。“有時我們同意損害河流的環境健康，以提供功利效益，”他說。

競相適應

隨著迫在眉睫的水危機來臨，GCMRC 科學家正在儘可能多地進行實驗。他們希望在避免生態系統崩潰為時已晚之前，提出修改流量以保護自然的具體理由。肯尼迪在他的昆蟲流量的“令人鼓舞”的初步結果中說，他的團隊在 2018 年 5 月看到的幼蟲出現量是過去七年監測的任何月份的兩倍多。在這些“昆蟲流量週末”，研究人員在河岸上發現了數百萬個義大利麵條狀搖蚊卵鞘的殘骸。亞利桑那州漁獵部的釣魚調查報告稱，釣魚捕獲率有所上升，而且據傳，河流跑步者和飛蠅釣導遊抱怨說，昆蟲比平時多了。“這些發現有力地提醒我們，流量確實很重要，”肯尼迪說。

這一成功代表著朝著在科羅拉多河上增加實驗和可變流量邁出了有希望的一步。肯尼迪希望它能說服 AMP 批准再進行一兩年昆蟲流量實驗。但這可能具有更廣泛的影響。AMP 正開始成為全球管理大壩執行的典範，同時平衡生態系統、能源和灌溉的競爭需求。梅利斯說，在過去的 20 年裡，來自巴西亞馬遜計劃建設的大壩的水文學家和工程師——以及來自日本、中國、加拿大和美國墾務局其他專案的研究人員——來到亞利桑那州，向 AMP 學習並與之分享資訊。

適應性管理的協作性和長期性思維可能顯得過於理想化。梅利斯提到了科學家在試圖找到恢復生態系統健康的聯絡時必須考慮的“大雜燴”資源。但在已經改變和正在改變的科羅拉多河系統中，仍然有很多感覺很原始的東西，即使需要精確的管理才能使其看起來如此。

當穆爾鮑爾、古德諾夫和我收集了一天的昆蟲樣本後回到船隻發射場時，十一月下旬的陽光正在峽谷壁上投下陰影。氣溫迅速下降。當蝙蝠在即將來臨的黑暗中盤旋和發出咔噠聲時，我們是周圍唯一的人類。但在遙遠的電網下方，美國西南各地的人們正從工作崗位上回到家中，開啟燈。河流已經上漲以迎接他們。