河流生態(tài)系統(tǒng)研究的理論框架_董哲仁匯總

1、2009年2月水 利 學(xué) 報(bào)shuili xuebao第40卷第2期文章編號：0559935q2009 02 012909河流生態(tài)系統(tǒng)研究的理論框架董哲仁（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）摘要：討論了河流生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空尺度 。論述了景觀、流域、河流廊道和河段4種空間尺度 間的關(guān)系。闡述了河流 生態(tài)系統(tǒng)的4種背景系統(tǒng)，即自然系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和工程系統(tǒng)。歸納了水文情勢、河流地貌、流態(tài)和水質(zhì) 等4個(gè)主要生境要素。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了科學(xué)范式和模型的概念 ，介紹了多種重要生態(tài) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 與功能模 型，提出了描述非生命變量和生命變量之間關(guān)系的河 流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能整體模型。最后，

2、探討了科學(xué)研究對 于制定流域管理戰(zhàn)略的意義以及相關(guān)技術(shù) 開發(fā)的方向。關(guān)鍵詞：河流生態(tài)系統(tǒng)；框架；結(jié)構(gòu)；功能；尺度；河流地貌；流態(tài)；水文情勢；連續(xù)體中圖分類號：x171文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a河流生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜 、開放 動(dòng)態(tài)、非平衡和非線性系統(tǒng)，人們?yōu)檎J(rèn)識它的客觀規(guī)律 ，需要遵循 一種合理的研究思路，形成一個(gè)宏觀的研究框架，這種主觀設(shè)計(jì)的研究框架應(yīng)盡可能接近客觀存在 。生 態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括營養(yǎng)結(jié)構(gòu) 、空間與時(shí)間結(jié)構(gòu)、層級結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的整體性以及正負(fù)反饋等 。生態(tài)系統(tǒng)功能 包括在外界環(huán)境驅(qū)動(dòng)下的物種流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息流動(dòng)，生物群落對于各種非生命因子的適應(yīng)性和自我調(diào)節(jié)，以及生物生產(chǎn)等。框架中首要解

3、決的是研究尺度問題。確定合理的研究尺度才能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的整體性原則。其次，要設(shè)定河流生態(tài)系統(tǒng)的研究背景，不但要考慮自然系統(tǒng)這個(gè)大背景，還要考慮人類活動(dòng)對于河流生態(tài)系統(tǒng)的巨大影響，研究自然力和人類活動(dòng)雙重作用與河流生態(tài)系統(tǒng)的正負(fù)反饋調(diào)節(jié)關(guān)系。再者，在諸多生境因子中，需要識別對于河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生重要影 響的生境因子，建立關(guān)鍵生境因子與生態(tài)過程相互作用的耦合關(guān)系。在設(shè)定了尺度、背景、關(guān)鍵生境因子的基礎(chǔ)上，發(fā)展河流生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)范式，形成反映系統(tǒng)客觀規(guī)律的概念和模型。認(rèn)識自然規(guī)律的一。在上述范式 概念和模型白指導(dǎo)下，以人與自,研究保護(hù)和修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的工程技術(shù)（圖 1）。個(gè)重要目的是為正

4、確處理人與自然的關(guān)系提供理論基礎(chǔ) 然和諧為目標(biāo)，制訂符合自然規(guī)律的流域可持續(xù)管理戰(zhàn)略 本文即按此總體思路建議了河流生態(tài)系統(tǒng)研究的理論框架1時(shí)間尺度與空間尺度景觀生態(tài)學(xué)中的所謂 尺度 scak）是指在研究某一生態(tài)現(xiàn)象時(shí)所采用的空間和時(shí)間單位，同時(shí)又可以指某一生態(tài)現(xiàn)象或生態(tài)過程在空間和時(shí)間上所涉及的范圍和發(fā)生的頻率1。前者是從研究者的角度定義的單元，帶有很強(qiáng)的主觀性。后者是自然現(xiàn)象的客觀存在。人們認(rèn)識客觀世界，并努力使主觀認(rèn)識與客觀的自然現(xiàn)象相符合，盡可能使研究尺度與客觀時(shí)空尺度相一致。1.1 河流生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間尺度河流生態(tài)系統(tǒng)的演進(jìn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，確定合理的時(shí)間尺度才能正確反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性。對河

5、流產(chǎn)生重要影響的地貌和氣候變化，其時(shí)間尺度往往是數(shù)千年到數(shù)百萬年，因收稿日期：2008 08 12基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（200801023作者簡介：董哲仁（1943-）,滿族，北京人，博士，教授，主要從事水工結(jié)構(gòu)分析和生態(tài)水工學(xué)研究。的ohina ac3ddhic journal eledronic puhishin ttoustj all righb! reserved. hltp：f&9ki.nel此如果要追溯河流的演進(jìn)歷史，其時(shí)間尺度起碼要跨越數(shù)千年。靠人工適度干預(yù)的河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃 的時(shí)間尺度往往需要數(shù)十年 ，比如濕地的恢復(fù)和重建就需要1520年。另外，同一種過程

6、也會有不同的時(shí)間尺度，比如對于河流變化產(chǎn)生重要影響的土地利用方式改變的時(shí)間尺度就有多種：農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化的尺度要幾年、城市化進(jìn)程要數(shù)十年、森林植被變化要數(shù)百年，如此等等?？傊诓煌难芯?目標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間尺度 。4人可黑心纖 -圖1河流生態(tài)系統(tǒng)研究的理論框架1301.2 河流生態(tài)系統(tǒng)的空間尺度設(shè)定河流生態(tài)系統(tǒng)空間尺度的目的是為了體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的整體性原則，不可能孤立地研究單一尺度的生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)的完整性包括生命支持系統(tǒng)的完整性和生物完整性。不同尺度的河流生態(tài)系統(tǒng)之間是相互作用的，生態(tài)系統(tǒng)的諸多功能比如物質(zhì)運(yùn)動(dòng)（徑流、泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)等）、能量運(yùn)動(dòng)（食物網(wǎng)）、生物遷徙等都是在不同尺度的生

7、態(tài)系統(tǒng)之間進(jìn)行的。這可以解釋為某一尺度的生態(tài)系統(tǒng)的外部環(huán)境是一個(gè)尺度更大的生態(tài)系統(tǒng)。一方面，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能是更大尺度系統(tǒng)的一部分（但是不可線性疊加）；另一方面，該系統(tǒng)與較大尺度的系統(tǒng)存在著輸入-輸出關(guān)系。比如河流廊道尺度被流域尺度所環(huán)繞，在流域尺度發(fā)生的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、能量運(yùn)動(dòng)、物種遷徙等，對于河流廊道來說 是一種外部環(huán)境。同時(shí)物質(zhì)、能量是在河流廊道與流域之間進(jìn)行交換和相互作用，生物體也在二者間進(jìn)行遷徙運(yùn)動(dòng)。在景觀生態(tài)學(xué)中用3種基本元素定義特定尺度下的空間結(jié)構(gòu)，這3種基本元素是：基底（matrix、斑塊（patch）和廊道（corridoi）。每一級尺度在其層次內(nèi)都具有自身的空間格局。不同尺度對

8、應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)11 ri khnl要素具有不同定義和不同的空間格局，因此需要考察尺度與空間結(jié)構(gòu)元素之間的相關(guān)關(guān)系。河流生態(tài)系統(tǒng)的空間尺度有多種劃分，筆者認(rèn)為可以劃分為景觀、流域、河流廊道和河段等4種。(1)景觀。生態(tài)學(xué)把生物圈劃分為11個(gè)層次，依次是生物圈、生物群系、景觀、生態(tài)系統(tǒng)、群落、種群、個(gè)體4a織、細(xì)胞、基因和分子。這里所說的 景觀(landscape是指第3層次上白尺度，可見景觀是 相當(dāng)大的一種尺度。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以定義為自然地理區(qū)域(regio。，也可以定義為特大型河流流域，如長江、黃河、珠江流域等，或者定義為跨流域的空間尺度。景觀可以定義為土地覆蓋(land cove)的陸地格局

9、，這種覆蓋包括兩類：即自然覆蓋(森林、灌叢、沼澤、荒漠等)和人工構(gòu)筑物(城市、道路心寸鎮(zhèn)等)， 反映自然地域和人類活動(dòng)地域。景觀的空間結(jié)構(gòu)中的基底，通常是占支配地位的自然植被群落(如草原型、森林型、濕地型、沙漠型等)或者是以耕地、牧場為主的生態(tài)系統(tǒng)。斑塊有兩類：具有自然屬性的斑塊 包括森林、湖泊、濕地等；具有社會屬性的斑塊包括耕地城市帶、開發(fā)區(qū)、村莊等。廊道包括河流、峽谷、道路等。(2)流域。嚴(yán)格說，采用流域作為一種尺度不很確切，因?yàn)椴煌牧饔虺叨仍趲缀我饬x上相距甚遠(yuǎn)。但是大小不同的流域卻有類似的生態(tài)結(jié)構(gòu)特征，所以流域尺度常被采用。在本文中，流域尺度主要指中小型河流流域和特大型河流的支流流域。

10、流域的自然地理、氣候地質(zhì)和土地利用等要素決定著河流的徑流、河道、基底類型、水沙特性等物理及水化學(xué)特征，這些因素對河流生態(tài)系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)影響。在流域內(nèi)進(jìn)行著水文循環(huán)的動(dòng)態(tài)過程，包括植被截留、積雪融化、地表產(chǎn)流、河道匯流、地表水與地下水交換 案散發(fā)等。河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程 包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、景觀異質(zhì)性、斑塊性、植被、生物量等因子與水文過程密切相關(guān)，生態(tài)過程所發(fā)生及涉及的范圍，與水文過程的范圍往往在流域尺度中重合。換言之，水文過程與生態(tài)過程在流域這種空間單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)一定程度的耦合。流域集水區(qū)的土壤水滋潤著大部分陸生植被，無數(shù)溪流和支流成為陸生生物與水生生物匯集的紐帶，從而形成完善的食物網(wǎng)。在流域尺

11、度上，更關(guān)注水系、上中下游、河口三角洲i、洪泛灘地、河床結(jié)構(gòu)等這些空間基本元素。(3)河流廊道。河流廊道(river corrido)包括河道、兩岸植物群落、洪泛灘區(qū)和支流等，也可按照某一 頻率下洪水的淹沒范圍劃定河流廊道寬度。河流廊道具有很高的生態(tài)功能。一方面，河流廊道是河流生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流、信息流的重要通道，又是連接流域的上中下游以及洪泛平原的紐帶。另一方面，河流本身又是大量水生動(dòng)植物、鳥類、水禽和無脊椎動(dòng)物的棲息地，有其自身的空間結(jié)構(gòu)元素組合。兩岸森林和灌叢是河流廊道的主要基底?？臻g格局中的斑塊包括自然部分如濕地、草灌、牛軻湖、江心島等；人工部分包括居民區(qū)、開發(fā)區(qū)、游覽休閑區(qū)等。

12、(4)河段?？梢岳斫夂佣?reach)是相對較小的棲息地與生物群落的組合，關(guān)鍵生境因子是河流地貌形態(tài)及其對應(yīng)的水流流態(tài)。比如河流縱坡、蜿蜒性、河床斷面材質(zhì)和幾何形狀等所相應(yīng)的流速、水深、脈動(dòng)壓力等水力學(xué)條件，由此產(chǎn)生不同的棲息地空間異質(zhì)性。而生物群落多樣性則與空間異質(zhì)性條件具有正相關(guān)關(guān)系2。所以河段的特征往往用急流、緩流、靜水區(qū)等描述。結(jié)構(gòu)元素中斑塊包括深潭、淺灘、池塘、河灘水生植物區(qū)等。從河流利用角度，也常按照物理、化學(xué)、生物等屬性劃分河段，如水功能區(qū)、自 然保護(hù)區(qū)等。2背景系統(tǒng)不可能孤立地研究河流生態(tài)系統(tǒng)，需要考察其存在和演進(jìn)的大背景。在生態(tài)學(xué)誕生后的幾十年內(nèi)， 生態(tài)學(xué)家的興趣一直集中于原

13、始狀態(tài)的河流，提出的許多概念和模型大多是針對純自然”河流。但是近百年來全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加、環(huán)境污染和城市化進(jìn)程，已經(jīng)極大地改變了河流的面貌。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全 世界大約有60%的河流經(jīng)過了人工改造，包括筑壩、筑堤和河道整治等3。在我國，除西南和東北邊遠(yuǎn) 地區(qū)尚有幾條未建樞紐工程的大河外，絕大多數(shù)的江河都已經(jīng)不同程度被開發(fā)利用。如果繼續(xù)墨守成規(guī)，拘泥于自然河流的研究，將會嚴(yán)重脫離客觀現(xiàn)實(shí)。實(shí)際上，近年來生態(tài)學(xué)界已經(jīng)把更多的注意力放 在研究在自然力和人類活動(dòng)雙重作用下的河流生態(tài)系統(tǒng)演變，促進(jìn)全球的經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。研究1?1z014 c.,juzici acadcnic journal fl比cuk

14、rc p川 i聞1 t返hl匕& h1)i .,3.lnk 1.n1河流生態(tài)系統(tǒng)的大背景應(yīng)該是：自然系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng) 社會系統(tǒng)和工程系統(tǒng)。2.1 自然系統(tǒng)自然系統(tǒng)為河流生態(tài)系統(tǒng)提供了能源（太陽能）以及在太陽能驅(qū)動(dòng)下的氣候變化和水文循環(huán)，提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì) 。在自然河流經(jīng)歷的數(shù)萬以至數(shù)百萬年的演變過程中，承受著多種自然力的作用，表現(xiàn)為各種干擾效應(yīng)，生態(tài)學(xué)中稱為脅迫（stress。由于各種脅迫效應(yīng)不同，河流演變呈現(xiàn)漸變和突變的兩種過程。漸變過程是由于地殼變化、氣候變化以及土壤侵蝕、泥沙運(yùn)動(dòng)與淤積、河床沖蝕 所致，引起地貌與河勢的漸進(jìn)變化。而地震、火山爆發(fā)、山體滑坡、颶風(fēng)、大洪水等劇烈運(yùn)動(dòng)的沖擊導(dǎo)致

15、河流發(fā)生突變。對于這種突變，河流系統(tǒng)的響應(yīng)或者恢復(fù)到原有狀態(tài)，或者滑移到另外一種狀態(tài)尋找新的動(dòng)態(tài)平衡。2.2 經(jīng)濟(jì)系統(tǒng) 在龐大的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中涉水的行業(yè)和部門繁多，諸如工農(nóng)業(yè)和生活供水、防洪、農(nóng)業(yè)、水電、航運(yùn)、漁業(yè)、養(yǎng)殖、林業(yè)、牧業(yè)、旅游等。無論哪一個(gè)部門對于水資源的過度開發(fā)利用都會對河流生態(tài) 系統(tǒng)造成脅迫，宜采用更大的空間尺度考察這種脅迫效應(yīng)。在生境方面，需從水、大氣和土地三方面考察，涉及到水體、土地和大氣污染、超量取水、毀林、圍墾、城市化、水土流失、荒漠化等諸多因素（圖2）。 至于因溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變化對于河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，是一個(gè)大時(shí)間尺度科學(xué)問題。具體到對特定流域的影響還存在計(jì)算模

16、型尺度轉(zhuǎn)換問題，故尚難有定論。但僅從現(xiàn)象上看，極端氣候?qū)τ诤恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)的脅迫，卻是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。在生物方面，因貿(mào)易、旅游等原因?qū)е碌纳锶肭忠约棒~類過 度捕撈是使土著物種退化的直接原因。圖2經(jīng)濟(jì)活動(dòng)造成的直接與間接脅迫效應(yīng)2.3 社會系統(tǒng)由于水資源過度開發(fā)引起的河流生態(tài)系統(tǒng)的退化，以市場經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)無法得到正確的反饋信息，也無法理智地調(diào)節(jié)自身的行為，這是由市場機(jī)制本質(zhì)所決定。由此，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的任務(wù)就責(zé)無旁貸地落到了政府決策者的肩上。人類改造自然河流的威力強(qiáng)大，因此一個(gè)國家的政治意愿和政策制訂將成為影響河流生態(tài)系統(tǒng)變化的大事。所以，開展河流生態(tài)系統(tǒng)的研究，不能不考察國家立法、河流管理、資

17、金走向以及流域戰(zhàn)略規(guī)劃等重大社會背景。2.4 工程系統(tǒng) 嚴(yán)格講，工程系統(tǒng)應(yīng)歸入經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。但是，人們?yōu)殚_發(fā)利用水資源采用工程手段對河流進(jìn)行的改造已經(jīng)極大地改變了河流的水文情勢和河流地貌特征，成為河流生態(tài)系統(tǒng)白重要脅迫因素，因此有理由將工程系統(tǒng)單獨(dú)列出以突出其影響2 （圖3）。水利水電工程對于河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫可以歸納為三大類：一是自然河流的人工渠道化，包括河流平面幾何形態(tài)的直線化，河流橫斷面的幾何規(guī)則化以及護(hù)坡材料的硬質(zhì)化；二是自然河流的非連續(xù)化，包括筑壩對于順?biāo)鞣较蛞约爸虒τ诤樗畟?cè)向漫溢這兩個(gè)方向的非連續(xù)化，另外，各類閘壩工程對河流、湖泊和濕地之間連通性的破壞也屬此類；三是跨流域調(diào)水工程引

18、起調(diào)水區(qū)、受水區(qū)和運(yùn)河沿線1門 g3-oltt.,juacajcinjc journal fl比cukrc p川 i t! .ilstf. all t退hl匕$ki.liel圖3水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫的生態(tài)脅迫效應(yīng)。最后，在各類水利工程運(yùn)行中，自然水文情勢被人工徑流調(diào)解所代替由此引發(fā)的生態(tài) 過程變化，也是一種脅迫效應(yīng)。3生境要素河流生態(tài)系統(tǒng)主要生境要素分別為：水文情勢、河流地貌、流態(tài)和水質(zhì)。其中，水文情勢要素主要在景觀和流域尺度上影響生態(tài)過程和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，而河流地貌、流態(tài)和水質(zhì)主要在河流廊道和河段的這樣相對較小的尺度上發(fā)揮作用。3.1 水文情勢水文情勢(hydrologicalre

19、gim。既包括流量、水量，也包括水文過程，其特征用流量、頻率、持續(xù)時(shí)間、時(shí)機(jī)和變化率等參數(shù)表示。水文情勢是河流生物群落重要的生境條件之一，特定的河流生物群落的生物構(gòu)成和生物過程與特定的水文情勢具有明顯的相關(guān)性。年周期的水文情勢變化是相關(guān)物種的生理學(xué)需求，引發(fā)不同的行為特點(diǎn)(behavioraltrait),比如鳥類遷徙、魚類河游、涉禽的繁殖以及陸 生無脊椎動(dòng)物的繁殖和遷徙。驟然漲落的洪水脈沖把河流與灘區(qū)動(dòng)態(tài)地聯(lián)結(jié)起來，形成了河流-灘區(qū)系統(tǒng)有機(jī)物的高效利用系統(tǒng)，促進(jìn)水生物種與陸生物種間的能量交換和物質(zhì)循環(huán)，完善食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)魚類等生物量的提高。就我國情況而言，在實(shí)際管理工作中對于環(huán)境流量、生態(tài)

20、基流已經(jīng)有了一定認(rèn) 識，但是對于自然水文過程的恢復(fù)問題較少關(guān)注。3.2 河流地貌河流地貌是景觀格局(landscapepatterr)的重要組成部分之一。所謂景觀格局指空間結(jié)構(gòu)特征包括景觀組成的多樣性/吉構(gòu)和空間配置。空間異質(zhì)性(spatial heterogeneity是指系統(tǒng)特征在空間分布上的復(fù)雜性和變異性。大量觀測資料表明，生物群落多樣性與非生物環(huán)境的空間異質(zhì)性存在著 正相關(guān)關(guān)系，這種關(guān)系反映了生命系統(tǒng)與非生命系統(tǒng)之間的依存與耦合關(guān)系4。在河流廊道尺度的景觀格局中，河流地貌的各種成份的空間配置及其復(fù)雜性具有重要意義。自然河流地貌的空間異質(zhì)性在縱向表現(xiàn)為河流的蜿蜒性；河流橫斷面表現(xiàn)為幾何形

21、狀多樣性；在沿水深方向表現(xiàn)出水體的滲透性。另外，良好的河流地貌景觀格局是河流與洪泛灘區(qū)、湖泊、水塘與濕地之間保持良好的連通性，為物質(zhì)流、能量流和信息流的暢通提供了物理保障。由此可見，河流地貌特征是決定自然棲息地(physical habitat)的重要因子。 3.3流態(tài)河流流態(tài)可以理解為河流的水力學(xué)條件。由流速、水深、水溫、脈動(dòng)壓力、水力坡度等因子構(gòu)成了河流的流場特征，這些特征在時(shí)間尺度上隨水文條件和氣溫條件的變化而變化，在空間尺度上隨河流地貌特征變化沿程發(fā)生變化，呈現(xiàn)出空間異質(zhì)性特征。流場特征是水生生物的重要棲息地條件之一。不同的水生生物物種都對應(yīng)有適宜的水動(dòng)力學(xué)條件。如果河流在縱、橫、深3

22、維方向都具有豐富的景觀異質(zhì)性，就會形成 淺灘深?m交錯(cuò)，急流緩流相間，植被錯(cuò)落有致，水流消長自如”的景觀空間格局為魚類和其它水生生物提供了多樣的棲息地、產(chǎn)卵場和避難所。無論是自然因素還是人為因素造成水動(dòng)力學(xué)條件的改變，都會對水生生物的生物過程產(chǎn)生影響。3.4水質(zhì) 從本質(zhì)上講，水質(zhì)問題不屬于重要自然生境要素 。但是，我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活造成的水污 染，已經(jīng)對河流生態(tài)系統(tǒng)形成了重大威脅 ，導(dǎo)致不少河流的生態(tài)系統(tǒng)退化 。如果不計(jì)及環(huán)境污染的影 響，那么對于河流生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識就會是不完整的。如果不首先解決治污問題，河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)也將失去前提。以上四類生境要素與生態(tài)過程之間的關(guān)系是十分復(fù)雜的，其作用往

23、往是綜合 、非線性肆禺合與反饋關(guān)系。而且，四類生境要素也是相互作用、互為因果的。首先，河流的動(dòng)力學(xué)作用，包括泥沙輸移、淤積以及侵蝕作用，改變著河流地貌特征 。其次，河流地貌特征是水流運(yùn)動(dòng)的邊界條件，又是河流水系連通性的物理保障。再者，水文條件的年周期豐枯變化，又使水力學(xué)條件呈現(xiàn)時(shí)間異質(zhì)性特征，也使河流-洪泛灘區(qū)系統(tǒng)呈現(xiàn)淹沒-干燥動(dòng)水-靜水的空間異質(zhì)性。至于污染物的遷移、擴(kuò)散以及與生物體的交 互作用，也是在河流流場內(nèi)依據(jù)水力學(xué)條件實(shí)現(xiàn)的。4范式和模型范式(paradigm)是現(xiàn)代科學(xué)哲學(xué)中一個(gè)很重要的概念。范式是科學(xué)群體所共同承認(rèn)并運(yùn)用的，由世界觀、置信系統(tǒng)(belief system以及一系列

24、概念、方法和原理組成的體系 。也可以理解范式是一種 大理 論”，它為科學(xué)家提供研究路線和學(xué)科思路 。在科學(xué)發(fā)展史中，隨著人們對自然界認(rèn)識的深化 ，各種科學(xué) 范式也不斷發(fā)生完善和革新。僅就生態(tài)學(xué)領(lǐng)域來說，傳統(tǒng)意義上的以自然均衡理論為基礎(chǔ)的平衡范式，逐步被多平衡及非平衡范式所補(bǔ)充或取代 5。模型是人們對于客觀存在的自然現(xiàn)象的簡化或抽象，其目的在于探索規(guī)律，進(jìn)行比較與評估，預(yù)測未來狀況等。生態(tài)學(xué)涉及不同的尺度、格局、元素、因子，生態(tài)過程又是具有易變性、開放性、非線性等復(fù)雜特征的過程，因此生態(tài)學(xué)模型的發(fā)展往往是從概念性模型發(fā)端，逐步向可以在計(jì)算機(jī)實(shí)際運(yùn)算的數(shù)學(xué)模型發(fā)展。4.1 10種河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功

25、能概念與模型在河流生態(tài)系統(tǒng)研究流域，河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能模型或概念始終是研究熱點(diǎn)之一。迄今提出的較有影響的河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的概念模型主要有10種，這些概念模型基于對若干河流的調(diào)查，旨在建立河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能與非生命變量之間的相關(guān)關(guān)系6。其中7種概念模型是針對未被干擾的自然河流,3種模型的設(shè)計(jì)考慮了人類活動(dòng)因素。各種概念模型的尺度不同，從流域、景觀、河流廊道到河段，其維數(shù)從順河向的一維發(fā)展為側(cè)向、垂向再加上時(shí)間變量的四維。各個(gè)模型采用的非生命變量有不同側(cè)重點(diǎn)，包括水文學(xué)、水力學(xué)、河流地貌學(xué)和水質(zhì)4類。生態(tài)功能主要考慮了包括魚類在內(nèi)的生物群落對各種非生命變量的適應(yīng)性；在外界環(huán)境的驅(qū)動(dòng)下營

26、養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)方式；生物生產(chǎn)量與棲息地質(zhì)量的關(guān)系等。生態(tài)結(jié)構(gòu)主要涉及到魚類和底棲生物的區(qū)域特征；流域內(nèi)物種分布和物種多樣性；食物網(wǎng)構(gòu)成；攝食群落轉(zhuǎn)移等。盡管這10種模型各自有其局限性，但是它們提供了從不同角度理解河流生態(tài)系統(tǒng)的概念框架。(1)地帶性概念。huet illies等 7提出的地帶性概念(zonation concept,zc)是河流生態(tài)系統(tǒng)整體性描 述的首次嘗試。生物地帶性概念的內(nèi)涵是按照魚類種群或大型無脊椎動(dòng)物種群特征把河流劃分成若干 區(qū)域，地帶性反映了不同區(qū)域水溫和流速對于水生生物的影響。(2)河流連續(xù)體概念。vannote等8- 9提出的河流連續(xù)體概念(river contin

27、uum concept, rcc)是一個(gè)影響深遠(yuǎn)的理論。rcc描述了從源頭到河口的水力梯度的連續(xù)性；分析了上中下游非生命要素的變化引起的生物生產(chǎn)力的變化；不同顆粒的有機(jī)物質(zhì)輸移、遮蔭效應(yīng)影響以及河床基底碎石作用對于食物網(wǎng)的影響等。(3)溪流水力學(xué)概念。statzner等10提出的溪流水力學(xué)概念(streamhydraulics concept,shc)認(rèn)為，溪流物種組合的變化是與溪流水力學(xué)條件變化(包括流速、水深 差底糙率和水面坡度等參數(shù)變化)密切聯(lián)一) 44 性 aca?？诿? fkcty.nk publishing t： all 門 ghi系的，這些參數(shù)又與地貌特征和水文條件密切相關(guān)。sh

28、c促進(jìn)了其后發(fā)展起來的生態(tài)水力學(xué)的研究。(4)資源螺旋線概 念。wallace等11提出的資 源螺旋線 概念(spiralling resourceconcept, src)是對 rcc理論的補(bǔ)充。src定義了一個(gè)營養(yǎng)物質(zhì)向下游完成輸移循環(huán)的空間維度，這就形成一種開口循環(huán)的螺旋線。螺旋線可以用單位長度s量測，s的定義是當(dāng)完成一個(gè)營養(yǎng)單元(例如碳)循環(huán)的河流水流的平均距離。螺旋線長度s越短，說明營養(yǎng)物質(zhì)利用效率越高，即在給定的河段內(nèi)營養(yǎng)單元會多次進(jìn)行再循環(huán)。(5)串連非連續(xù)體概念 。串連非連續(xù)體 概念(serial discontinuity concept,sdc)是ward等 12為完善 r

29、cc提出的理論，意在考慮梯級布置的水壩對河流的生態(tài)影響。sdc定義了 2組參數(shù)來評估水壩對于河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響。一組參數(shù)稱為 非連續(xù)性距離”，另一組參數(shù)為強(qiáng)度(intensity),反映水壩運(yùn)行期內(nèi)人工徑流調(diào)節(jié)造成影響的強(qiáng)烈程度。(6)洪水脈沖理論。junk 13于1989年提出了洪水脈沖概念(flood pulse concept,fpc)。認(rèn)為，洪水脈 沖是河流-洪水灘區(qū)系統(tǒng)生物生存、生產(chǎn)力和交互作用的主要驅(qū)動(dòng)力。洪水脈沖把河流與灘區(qū)動(dòng)態(tài)地聯(lián)結(jié)起來，形成了河流-灘區(qū)系統(tǒng)有機(jī)物的高效利用系統(tǒng)，促進(jìn)水生物種與陸生物種間的能量交換和物 質(zhì)循環(huán)，完善食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)魚類等生物量的提高。在

30、fpc提出后的10余年內(nèi)，不少學(xué)者對于這個(gè)概念進(jìn)行了實(shí)地觀測驗(yàn)證和完善，使rcc成為河流生態(tài)學(xué)中一個(gè)具有廣泛影響的理論。(7)河流生產(chǎn)力模型 。河流生產(chǎn)力模型(riverine productivity model, rpm)是thorp等1提出的一種 假設(shè)。rpm針對有洪泛灘區(qū)的河流，重點(diǎn)考察河流側(cè)向的物質(zhì)和能量的交換過程。rfm認(rèn)為不僅河流本身傳輸營養(yǎng)物質(zhì)，而且岸邊帶的種植物以及從陸地向河流的物質(zhì)輸入也都做出了貢獻(xiàn)。(8)流域概念。流域概念(catchmentconceptscc)是frissel等 人于1986年提出的，這個(gè)概念強(qiáng)調(diào) 了河流與整個(gè)流域時(shí)空尺度的關(guān)系，并且建議了河流棲息地從

31、河道直到池塘、淺灘和小型棲息地的分級框架。其后一些學(xué)者發(fā)展了流域概念，gardinef6認(rèn)為在不同的空間和時(shí)間尺度下，綜合的結(jié)構(gòu)和功能特征是在不同的干擾情勢下產(chǎn)生的。townsencl7提出了在流域尺度上河流和河段的動(dòng)態(tài)的分級框架概念，試圖預(yù)測在流域范圍內(nèi)生態(tài)變量的空間與時(shí)間格局。(9)自然水流范式。poff等18于1997年提出的自然水流范式(nature flow paradigm,nfp)認(rèn)為未被干 擾狀況下的自然水流對于河流生態(tài)系統(tǒng)整體性和支持土著物種多樣性具有關(guān)鍵意義。自然水流用5種水文因子表示：水量、頻率、時(shí)機(jī)、延續(xù)時(shí)間和過程變化率，認(rèn)為這些因子的組合可以描述整個(gè)水文過程。動(dòng)態(tài)的水

32、流條件對河流的營養(yǎng)物質(zhì)輸移轉(zhuǎn)化以及泥沙運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要影響，這些因素造就了河床-灘區(qū)系統(tǒng)的地貌特征和異質(zhì)性，形成了與之匹配的自然棲息地。在河流生態(tài)修復(fù)工程中，可以把自然水流作為一種參照系統(tǒng)。(10)近岸保持力概念。schiemer等19 提出了近岸保持力概念(inshoreretentivity concept, irc)。irc研究的對象是渠道化的或人工徑流調(diào)節(jié)的河流。irc認(rèn)為，近岸地貌與水文因子的交互作用創(chuàng)造了生物區(qū)地貌棲息地條件。河流沿線的沙洲、江心島和河灣等地貌條件以及水文條件，決定了局部地區(qū)流速和溫度分布格局，而流速和溫度對于岸邊物種的生態(tài)過程十分重要。近岸保持力對魚類的小型棲息地意義

33、重大。近岸區(qū)域依靠增加浮防i生物和較高溫度，為幼魚發(fā)育度過脆弱期以及降低死亡率創(chuàng)造了條件。4. 2 河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能整體模型(holistic model of river ecosystemstructure and function ,hmre) 為了發(fā)展和整合業(yè)已存在的若干模型，筆者提出了河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能整體模型20,建立河流流態(tài)、水文情勢和地貌景觀這3大類生境因子與河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能相關(guān)關(guān)系，以期涵蓋河流生態(tài)系統(tǒng)的主要特征。河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能整體模型由以下3種子模型構(gòu)成：河流流態(tài)-生態(tài)結(jié)構(gòu)功能4維連續(xù)體模型；水文情勢-河流生態(tài)過程耦合模型；地貌景觀空間異質(zhì)性-生物群落多樣

34、性耦合模型 15 16 o 4.3交叉學(xué)科的發(fā)展河流生態(tài)系統(tǒng)研究方式是一種跨學(xué)科的研究。通過學(xué)科間的交叉、融合發(fā)展富有生命力的新的學(xué)科領(lǐng)域(圖4)。生態(tài)學(xué)與水文學(xué)的交叉形成了生態(tài)水文學(xué)，主要是研究水文過程與生態(tài)過程間的相關(guān)關(guān)系。生態(tài)學(xué)與水力學(xué)的交叉形成了生態(tài)水力學(xué)，其要義是建立水力學(xué)變量與河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能間的相關(guān)關(guān)iiblinhiiriic itquh. all riith水利1程學(xué)牛巖水工學(xué)景觀斗港木箝學(xué)她貌學(xué) 生春 牛奇學(xué) 水力水力學(xué)學(xué)學(xué)生態(tài)水文學(xué)水文學(xué)圖4與河流生態(tài)學(xué)有關(guān)的交叉學(xué)科舉例系。生態(tài)學(xué)與地貌學(xué)的交叉形成了景觀生態(tài)學(xué)，其目的是通過對于地貌的拓?fù)浞治鎏剿魃鷳B(tài)過程和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功

35、能21-22。生態(tài)學(xué)與水利工程學(xué)的融合形成生態(tài)水利工程學(xué)，其目標(biāo)是改進(jìn)傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，使水利工程在具備社會、經(jīng)濟(jì)功能的同時(shí)兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)的健康需求23。5管理戰(zhàn)略及技術(shù)開發(fā)生態(tài)保護(hù)的實(shí)施取決于決策者的政治意愿。需要在科學(xué)范式和概念的指導(dǎo)下，制定正確的管理戰(zhàn)略，其目的是維持經(jīng)濟(jì)發(fā)展 社會公平和生態(tài)保護(hù)三者的動(dòng)態(tài)平衡。主要手段是通過立法 機(jī)制與體制改革，處理好兩類關(guān)系，第一類是調(diào)整人與河流的關(guān)系，約束人類自身的行為，包括流域可持續(xù)管理 、河流污染控制戰(zhàn)略、河流生態(tài)修復(fù)戰(zhàn)略、生態(tài)功能區(qū)劃、環(huán)境流量、河流健康評估等；第二類是調(diào)整因經(jīng)濟(jì) 發(fā)展和生態(tài)保護(hù)派生出來的人與人的關(guān)系，以體現(xiàn)社會公平理念。這包

36、括生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制、社會公眾參與機(jī)制以及水資源一體化管理等。保護(hù)和修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)，需要在基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，研究開發(fā)相關(guān)的工程技術(shù)。近年開發(fā)的河流 生態(tài)修復(fù)技術(shù)、生態(tài)方法污水處理技術(shù)、水庫生態(tài)調(diào)度技術(shù)和人工濕地技術(shù)等都是十分活躍的領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)： 1 董哲仁.河流生態(tài)修復(fù)的尺度、格局和模型 j .水利學(xué)報(bào)，2006,37( 12) :1476- 1481. 2 董哲仁.水利工程對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫j .水利水電技術(shù),2003,( 7) :1- 5. 3 brookesa, shields f d. river channel restoration guiding principles for sus

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