洪水脈沖理論及其在河流生態(tài)修復中的應用

洪水脈沖理論及其在河流生態(tài)修復中的應用（張晶董哲仁）摘要：在介紹洪水脈沖理論的基礎上，重點闡述了與洪水脈沖相應的生態(tài)過程。同時，分析了Junk提出的洪水脈沖理論的局限性，進一步回顧了洪水脈沖理論的發(fā)展完善過程。最后，指出了洪水脈沖理論在河流生態(tài)修復研究中的應用價值，并以美國基西米河生態(tài)修復工程為例予以說明。關鍵詞：洪水脈沖理論洪泛灘區(qū)河流生態(tài)學生態(tài)恢復FloodPulseConceptanditsApplicationinRiverEcologicalRestorationZhangJing,DongZherenAbstract:EcologicalprocessdescribedbythefloodpulseconceptispresentedonthebasisofintroductionofthefloodpulseconceptofJunk.Thelimitationoffloodpulseconceptisalsodiscussedalongwiththereviewofdevelopmentoffloodpulseconcept.Finally,theapplicablevalueoftheconceptinriverecosystemrestorationispresented,takingtheKissimmeeRiver,USAasatypicalexample.Keywords:floodpulseconcept;floodplain;riverecology;ecologicalrestoration中圖分類號：TV877文獻標識碼：B文章編號：1000-1123（2008）15-0001-04由于全球氣候變化、水資源危機和水生態(tài)惡化的頻繁發(fā)生，促使人們給予河流更多的關注，河流生態(tài)學研究由此日趨活躍，并發(fā)展成為一門高度交叉型學科（生態(tài)學、水文學、

生物學、地貌學等)，其理論體系也得到迅速發(fā)展。河流生態(tài)學家陸續(xù)提出河流連續(xù)體理論［1］、河流水力學理論［2］、順次不連續(xù)理論等10大理論［3］,使人們對河流生態(tài)有了更深入的理解。其中，洪水脈沖理論(Floodpulseconcept,FPC)［4］是Junk等人基于在亞馬孫河和密西西比河的長期觀測和數據積累，于1989年提出的河流生態(tài)理論。洪水脈沖理論著眼于河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)的整體性和洪水脈沖對河流一洪泛灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要性,關注洪水側向漫溢產生的營養(yǎng)物質循環(huán)和能量傳遞的生態(tài)過程，同時還關注水文情勢特別是水位漲落過程對生物過程的影響。洪水脈沖理論可以作為河流生態(tài)修復的理論基礎之一，應用于水庫的生態(tài)調度以及恢復河流一洪泛灘區(qū)的連通性等方面。本文旨在推進對洪水脈沖理論的理解，進一步認識洪水脈沖的生態(tài)作用，指導河流生態(tài)修復。一、洪水脈沖理論內容1.洪水脈沖理論概念模型(1)洪水脈沖的生態(tài)過程Junk提出，洪水脈沖是河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)生物生存、生產力和交互作用的主要驅動力。在大型原始熱帶河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)，周期性的洪水脈沖可造成有機體的適應和對洪泛灘區(qū)的有效利用。洪水水位漲落引起的生態(tài)過程，直接或間接影響河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)的水生或陸生生物群落的組成和種群密度，也會引發(fā)不同的行為特點，比如鳥類遷徙、魚類洄游、涉禽的繁殖以及陸生無脊椎動物的繁殖和遷徙。圖1可說明洪水脈沖的生態(tài)過程：洪水期間，河流水位上漲，水體側向漫溢到洪泛灘區(qū)，河流水體中的有機物、無機物等營養(yǎng)物質隨水體涌入灘區(qū)，受淹土壤中的營養(yǎng)物質得到釋放，洪泛灘區(qū)初級生產力大大增加，陸生生物或腐爛分解，或遷徙到未淹沒地區(qū)，或對洪水產生適應性；水生生物或適應淹沒環(huán)境或遷徙到灘地，部分魚類開始產卵；當水位回落，水體回歸主槽，灘區(qū)水體攜帶陸生生物腐殖質進入河流，洪泛灘區(qū)被陸生生物重新占領，大量的水鳥產生的營養(yǎng)物質擱淺并且匯集成為陸生生物的食物網的組成部分，水生生物或者向相對持久的水塘、濕地遷徙，或者適應周期性的干旱條件，水塘、濕地等相對持久性水體與河流主流逐漸隔離。生物生產力在洪水循環(huán)中因過程的多變性得以提高，因此洪水脈沖對維持遺傳和物種多樣性、保護特有的自然現象有重要意義。

■化?屯JLHH陸?汕囪為曲需K、仙冋；!;■化?屯JLHH陸?汕囪為曲需K、仙冋；!;整EHIt圖1洪水脈沖生態(tài)過程示意圖(2)洪水脈沖理論幾個關鍵概念水陸過渡帶在Junk的洪水脈沖理論中，他將'洪泛灘區(qū)(floodplain)”明確定義為：定期被側向溢流、降雨或地下水淹沒的區(qū)域，該區(qū)域產生的物化環(huán)境能導致生物產生形態(tài)學、解剖學、生理學、生物氣候學或生態(tài)學適應性等方面的反應，從而產生特定的群落結構，稱為水陸過渡帶(aquatic/terrestrialtransitionzone,ATTZ)。也有學者認為洪泛灘區(qū)在生態(tài)學中屬于群落過渡帶(ecotone)(圖2)。

圖2河流一洪泛灘區(qū)橫斷面移動岸線移動岸線(Movinglittoral)是Junk洪水脈沖理論中另一個重要的概念。移動岸線指水生環(huán)境的近河岸帶邊緣，橫穿洪泛灘區(qū)或水陸交錯帶。洪泛灘區(qū)上的移動岸線可使有機物和營養(yǎng)物質快速循環(huán)，因而產生較高的生產力。移動岸線是洪泛灘區(qū)上的一個主要活力區(qū)[5],該區(qū)在漲水和退水時會橫穿洪泛灘區(qū)，使有機物和營養(yǎng)物形成較高的周轉率(turnoverrate)，而這種洪泛灘區(qū)的面積遠大于永久性動靜水體的面積。退水時移動岸線的倒退會使營養(yǎng)物流失和濃縮，導致浮游植物大量生長；漲水時，則可為魚類提供營養(yǎng)物質，為無脊椎動物提供優(yōu)質的生存環(huán)境。高速公路類比部分研究者發(fā)現主河道中生存著各種魚類，但最高的生產力卻出現在相鄰的洪泛灘區(qū)中，而且大多數生產力來自洪泛灘區(qū)棲息地。因此Junk認為，在河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)中，主要生態(tài)過程發(fā)生在洪泛灘區(qū)，而主河道只是用作生物遷移的路線。Junk將河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)中的河流網絡按照高速公路類比(HighwayAnalogy)，其中主河道代表高速公路,河道中的魚類等生物代表公路上的車輛,洪泛灘區(qū)則提供高速公路以外的產品來源，如農場、

油田、礦山等。在這樣的類比下，河流僅作為通往喂食、育種、產卵區(qū)域的路線，或低溫季節(jié)時的避難所。2.Junk洪水脈沖理論的局限雖然洪水脈沖概念相比河流連續(xù)體概念，對水流向洪泛灘區(qū)側向漫溢產生的生態(tài)過程進行了詳細的闡述，但由于河流一洪泛灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的復雜性，Junk概念模型仍有其局限性。研究對象范圍偏小Junk洪水脈沖理論的產生主要是基于熱帶亞馬孫河的觀察試驗研究，因此大部分內容僅適用于大型熱帶原始河流低地。該理論能否適用于亞熱帶或溫帶河流，還需要系統(tǒng)的觀察和研究論證。目前國內外河流大多經過人工改造，完全原始的河流已屬罕見，因此也需要將理論擴展至非原始狀態(tài)的河流，要考慮建有大壩等水利設施的河流如何應用洪水脈沖理論，還需考慮其他人為活動對河流的影響。高速公路類比存在問題河流一洪泛灘區(qū)是不可分割的系統(tǒng)，河流生產力也不可忽視。洪泛灘區(qū)的生物群落既具有灘區(qū)自身特征又兼有相鄰的河流生物群落特征。有學者認為，有機物質的輸入和生產量來自上游流域、洪泛灘區(qū)和河流本身，至于這三部分對于河流有機物質總量的貢獻比例，取決于三者的生產量和營養(yǎng)物質傳輸條件。Galat等人［6］通過分析歐美8條河流中的淡水魚類對棲息地的利用，發(fā)現其中約29%的魚類棲息在河流中，多種魚類需要在河流棲息地中完成生命周期。Dettmer［7］研究了主河道能量的重要性，通過對主河道中魚類、浮游動物和底棲無脊椎動物的研究，提出主河道中能量水平較高，主河道能提供獨特的食物網。缺乏機理研究

Junk洪水脈沖理論描述了洪水的生態(tài)過程和生態(tài)效應，但未解釋清楚其機理，如物理系統(tǒng)與生物系統(tǒng)之間如何互相發(fā)生作用，人類活動如何產生影響，需要建立定量或半定量的模型。Sedell[8]提出通過確定洪泛灘區(qū)寬度與河流寬度的比例、海岸線長度與水體表面積的比例來預測河流的物理或生態(tài)特性，也有人提出可用洪水泛濫的面積和時間進行預測。3■洪水脈沖理論的發(fā)展完善洪水脈沖理論誕生近20年的時間里，有關洪泛灘區(qū)的研究成果不斷涌現，多名研究者對洪水脈沖理論在下萊茵河洪泛灘區(qū)、密西西比河等不同河流進行了實驗驗證，并不斷提出新的觀點，對洪水脈沖理論進行修正、完善。研究者將洪水脈沖理論的應用范圍擴展到溫帶地區(qū)[9]-[11]，Tockner[9]提出在溫帶地區(qū)除考慮洪水脈沖外，還需考慮溫度變化對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。2003年,Junk[12]提出該理論并不限制于大型熱帶河流，可以作為大型河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)的一般概念。對河流水文特性的研究也有助于更多地理解河流的生態(tài)過程，因此Puckridgr[13]等提出識別水文變量的方法，并提供了根據水文變量的河流分類方法，強調了水位變化在棲息地大小和特性的影響。Benke[14]等利用航拍和GIS資料對Ogeechee河(unregulatedriver)58年間洪水泛濫的動態(tài)變化、洪泛灘區(qū)不同時期的淹沒面積進行了定量研究，發(fā)現該河流洪水的可預測性和持續(xù)時間均低于熱帶大型河流，且洪水是因季節(jié)性的蒸散發(fā)變化引起，不同于熱帶河流因降雨引起的洪水。有學者認為洪水的大小產生的生態(tài)效應不盡相同。中等洪水脈沖產生的干擾對于灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生物群落多樣性存在著更多的有利影響，特大、罕見洪水對于灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可能產生破壞作用甚至引起災難性的后果。二、洪水脈沖理論的應用

洪水脈沖概念可在河流系統(tǒng)生態(tài)修復的5個方面作為基本理念和技術方法應用。兼顧生態(tài)的水庫多目標調度人工徑流調節(jié)水文過程線盡可能模擬河流自然水文過程線，以產生河流脈沖效應［15］。美國基西米河生態(tài)修復計劃中就包括恢復自然河流洪水脈沖的內容?；謴妥匀凰那閯莺恿魃鷳B(tài)恢復僅僅有生態(tài)基流還是不夠的，還需要考慮其水文過程。因此在改善河流物理棲息地的同時，需要考慮提高水文情勢多樣性(diversityofhydrologicalregime)［16］，以全面提高棲息地的空間異質性。另外，河流生態(tài)修復規(guī)劃工作需要調查水域生物生活史，特別是生物對于水文情勢的生理學需求，在此基礎上改善河流的水文、水力學條件?；謴秃恿饕粸﹨^(qū)系統(tǒng)的連通性河流與灘區(qū)、湖泊、水塘、濕地的連通性是洪水脈沖效應的地貌學基礎，因此恢復河流一灘區(qū)系統(tǒng)的連通性是河流生態(tài)修復的一個重要任務。在河流生態(tài)修復規(guī)劃中應在流域的整體尺度上全盤考慮恢復連通性問題。如拆除效能低下阻隔水體流通的閘壩；恢復通江湖泊的口門；合理調度閘壩等工程設施；疏浚阻礙水系連通的河道等。洪泛灘區(qū)的恢復近幾十年來，各類經濟活動對于洪泛灘區(qū)的圍墾侵占，不但降低了上述灘區(qū)的生態(tài)功能，而且降低了防洪功能，增大了洪水風險。因此，洪泛灘區(qū)的恢復應結合防洪工程整體進行規(guī)劃。在有條件的河段擴大堤防間距以擴大灘區(qū)，提高蓄滯洪水能力。退化濕地景觀的恢復

規(guī)模較大的洪水可使洪泛灘區(qū)范圍內的鹽堿地、沼澤濕地和草地轉換為河流湖泊濕地,或將大面積草地和鹽堿地轉換為沼澤濕地，景觀破碎化降低，整體性增強，恢復退化濕地景觀中的生態(tài)功能［17］。三、基西米河洪水脈沖恢復實例基西米河位于美國佛羅里達州賓西法尼亞南部的中心地區(qū)，源頭流域面積為4229km2，流域包括基西米河、2-5km寬的洪泛灘區(qū)和側向支流。1962-1971年間，河流一洪泛灘區(qū)廊道上建立了一系列防洪工程，造成濕地和相關魚類及野生生物資源的減少和水質的下降，促成了20年之久的相關恢復研究［18］。歷史基西米河水文和生態(tài)特性基西米河的水文情勢在亞熱帶河流中比較典型，最高流量常在夏秋雨季末出現。基西米湖的流量由高流量脈沖（＞85m3/s）、中流量脈沖（28-56m3/s）和低流量脈沖構成（圖3）。在渠道化之前，河床渠道側面有16000hm2洪泛灘區(qū)濕地為河流生物群落多樣性提供了基本條件，可支持300多種魚類和野生動物種群棲息。fflofflo5OC3W2001W年儉ES3基西米湖出口處歷史流壘水利工程的脅迫1962-1971年，河流一洪泛灘區(qū)廊道上建立了一系列防洪工程。自然河流的渠道化使生境單調化，水流側向聯(lián)通性受到阻隔，水閘的人工調節(jié)改變了原來脈沖式的自然水文周期變化。這些綜合結果是生境質量的大幅度降低。據統(tǒng)計，保存下來的天然河道的魚類和野生動物棲息地數量減少了40%；人工開挖的C-38運河，其棲息地數量比歷史自然河道減少了67%。其結果是生物群落多樣性大幅度下降，據調查，減少了92%的過冬水鳥，魚類種群數量也大幅度下降［19］。洪水脈沖恢復工程自1976年開始，對重建河道生物棲息地進行了規(guī)劃和評估，經過7年的研究工作，提出了基西米河渠道化河道的恢復工程規(guī)劃報告，規(guī)劃提出的工程任務是重建自然河道和恢復自然水文過程，將恢復包括寬葉林沼澤地、草地和濕地等多種生物棲息地，最終目的是恢復洪泛平原的整個生態(tài)系統(tǒng)?；謴颓熬昂樗}沖特點的恢復包括水位的初始提高、洪泛灘區(qū)長時間淹沒頻次、較低的水位回退速度（表1）。2001年第一期工程完成后的6年中，已監(jiān)測到12次洪水脈沖，但時間短于原

來洪水脈沖［20］。結合歷史系統(tǒng)數據，利用生態(tài)上相似但未被干擾的參考河段數據，應用河流一洪泛灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)方式與過程概念模型數據，可預測基西米河的恢復前景。古:有關的饒復洪水眛沖洪泛灘醫(yī)曲襪闊葉樹沼襌爭落的應洪水淹沒期延德很地隆木群落的憐蔑，就勢群常為鳳箱蘋和柳樹洪水厳沒朝延民猊草原群苗囲恢復?主湮包括咅性或靈性濕地禾卒蘋糞、辱車、.燈芯罕、1E禾本乘宕占恢復后洪泛陽區(qū)的曲騎枝短、寥交制洪樂潢決期折續(xù)的軍節(jié)性干早水主死券椎主鉗水生無眷推生物通過內遷或產卵的沁褊益或主動腿行穿過河疣一泯眨辟區(qū)的避界移居到新迂需的淇眨曲區(qū)苜諛洪水際沖水生無詩稚生糊髀祐的燼谿種冀豐于［怨生產圣野年環(huán)斷増加延長、參變的洪水溝投期羌卷推生韌的主物蠱卿陰滝區(qū)輸出到河道中緩潼的以僮回退兩權糞和爬行冀恢鷹后的洪迂灘區(qū)內參于對種爬行動物辭常的恢復延氏、參變的洪水淹投期恢羈的洪汪涌區(qū)向兩犧夷師蟲可価測的辜苗性生菠酸頰睡耳、勢愛的浜汞憑泱霸魚糞費時尿河遊游入洪泛帶區(qū)栢恵地首設洪水豚沖丈型魚據旬丟用憐篁石的洪奩灘區(qū)棲思地.至少包括四種供垂釣魚芙，其相免豐宙底占洪迂罐匡母眶的弭輛延長的洪水槪役期當地餌料魚群港的像復延械旳洪忒淹渋期烏糞群嵇水鳥數崑的季節(jié)性増加，主要是恢復右洪眨灘區(qū)上的藍翅鴨曲卷地脖鴨校短的淇術淹沒期，慶夏后洪在灘置上的穆倉豆牟的密度堆加〉1曲％區(qū)裱、話亜的浜水逼沒期歷史上的2—5個寒殖醫(yī)的恢匣，至少包括4種光于刃對配偶朗種群延扶、多便的洪水逼投期疑履的水位回退謹率恢夏后洪豆灘區(qū)上雀犧巨鳥類的増加曲卵b延長的淇水潑役期參考文獻VannoteL.,MinshallG.W.,CumminsK.W.,&SedellJ.R.,CushingC.E.Therivercontinuumconcept[J].CanadianJournalofFisheriesandAquaticSciences,1980,37:130-137.

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