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 報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（中國水利水電科學研究院，北京 100038）摘要：討論了河流生態(tài)系統(tǒng)的時空尺度 。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 等4個主要生境要素。在此基礎上進一步討論了科學范式和模型的概念 ，介紹了多種重要生態(tài) 系統(tǒng)結構 與功能模 型，提出了描述非生命變量和生命變量之間關系的河 流生態(tài)系統(tǒng)結構與功能整體模型。最后，

2、探討了科學研究對 于制定流域管理戰(zhàn)略的意義以及相關技術 開發(fā)的方向。關鍵詞：河流生態(tài)系統(tǒng)；框架；結構；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文獻標識碼：a河流生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜 、開放 動態(tài)、非平衡和非線性系統(tǒng)，人們?yōu)檎J識它的客觀規(guī)律 ，需要遵循 一種合理的研究思路，形成一個宏觀的研究框架，這種主觀設計的研究框架應盡可能接近客觀存在 。生 態(tài)系統(tǒng)結構包括營養(yǎng)結構 、空間與時間結構、層級結構、系統(tǒng)的整體性以及正負反饋等 。生態(tài)系統(tǒng)功能 包括在外界環(huán)境驅動下的物種流動、物質循環(huán)、能量流動和信息流動，生物群落對于各種非生命因子的適應性和自我調(diào)節(jié)，以及生物生產(chǎn)等?？蚣苤惺滓?/p>

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)這個大背景，還要考慮人類活動對于河流生態(tài)系統(tǒng)的巨大影響，研究自然力和人類活動雙重作用與河流生態(tài)系統(tǒng)的正負反饋調(diào)節(jié)關系。再者，在諸多生境因子中，需要識別對于河流生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能產(chǎn)生重要影 響的生境因子，建立關鍵生境因子與生態(tài)過程相互作用的耦合關系。在設定了尺度、背景、關鍵生境因子的基礎上，發(fā)展河流生態(tài)系統(tǒng)的科學范式，形成反映系統(tǒng)客觀規(guī)律的概念和模型。認識自然規(guī)律的一。在上述范式 概念和模型白指導下，以人與自,研究保護和修復河流生態(tài)系統(tǒng)的工程技術（圖 1）。個重要目的是為正

4、確處理人與自然的關系提供理論基礎 然和諧為目標，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時間尺度與空間尺度景觀生態(tài)學中的所謂 尺度 scak）是指在研究某一生態(tài)現(xiàn)象時所采用的空間和時間單位，同時又可以指某一生態(tài)現(xiàn)象或生態(tài)過程在空間和時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，帶有很強的主觀性。后者是自然現(xiàn)象的客觀存在。人們認識客觀世界，并努力使主觀認識與客觀的自然現(xiàn)象相符合，盡可能使研究尺度與客觀時空尺度相一致。1.1 河流生態(tài)系統(tǒng)的時間尺度河流生態(tài)系統(tǒng)的演進是一個動態(tài)過程，確定合理的時間尺度才能正確反映系統(tǒng)的動態(tài)性。對河

5、流產(chǎn)生重要影響的地貌和氣候變化，其時間尺度往往是數(shù)千年到數(shù)百萬年，因收稿日期：2008 08 12基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項（200801023作者簡介：董哲仁（1943-）,滿族，北京人，博士，教授，主要從事水工結構分析和生態(tài)水工學研究。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歷史，其時間尺度起碼要跨越數(shù)千年?？咳斯みm度干預的河流生態(tài)修復規(guī)劃 的時間尺度往往需要數(shù)十年 ，比如濕地的恢復和重建就需要1520年。另外，同一種過程

6、也會有不同的時間尺度，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間尺度就有多種：農(nóng)業(yè)種植結構變化的尺度要幾年、城市化進程要數(shù)十年、森林植被變化要數(shù)百年，如此等等?？傊?，要基于不同的研究 目標選擇適當?shù)臅r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運動（徑流、泥沙、營養(yǎng)物質等）、能量運動（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)境是一個尺度更大的生態(tài)系統(tǒng)。一方面，該系統(tǒng)的結構、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)生的物質運動、能量運動、物種遷徙等，對于河流廊道來說 是一種外部環(huán)境。同時物質、能量是在河流廊道與流域之間進行交換和相互作用，生物體也在二者間進行遷徙運動。在景觀生態(tài)學中用3種基本元素定義特定尺度下的空間結構，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、應的空間結構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構元素之間的相關關系。河流生態(tài)系統(tǒng)的空間尺度有多種劃分，筆者認為可以劃分為景觀、流域、河流廊道和河段等4種。(1)景觀。生態(tài)學把生物圈劃分為11個層次，依次是生物圈、生物群系、景觀、生態(tài)系統(tǒng)、群落、種群、個體4a織、細胞、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 相當大的一種尺度。在實際應用時，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)和人工構筑物(城市、道路心寸鎮(zhèn)等)， 反映自然地域和人類活動地域。景觀的空間結構中的基底，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。嚴格說，采用流域作為一種尺度不很確切，因為不同的流域尺度在幾何意義上相距甚遠。但是大小不同的流域卻有類似的生態(tài)結構特征，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特征，這些因素對河流生態(tài)系統(tǒng)具有深遠影響。在流域內(nèi)進行著水文循環(huán)的動態(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)的結構、功能、景觀異質性、斑塊性、植被、生物量等因子與水文過程密切相關，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，更關注水系、上中下游、河口三角洲i、洪泛灘地、河床結構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植物、鳥類、水禽和無脊椎動物的棲息地，有其自身的空間結構元素組合。兩岸森林和灌叢是河流廊道的主要基底。空間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，關鍵生境因子是河流地貌形態(tài)及其對應的水流流態(tài)。比如河流縱坡、蜿蜒性、河床斷面材質和幾何形狀等所相應的流速、水深、脈動壓力等水力學條件，由此產(chǎn)生不同的棲息地空間異質性。而生物群落多樣性則與空間異質性條件具有正相關關系2。所以河段的特征往往用急流、緩流、靜水區(qū)等描述。結構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、生物等屬性劃分河段，如水功能區(qū)、自 然保護區(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的大背景。在生態(tài)學誕生后的幾十年內(nèi)， 生態(tài)學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)濟發(fā)展、人口增加、環(huán)境污染和城市化進程，已經(jīng)極大地改變了河流的面貌。據(jù)統(tǒng)計，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 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，將會嚴重脫離客觀現(xiàn)實。實際上，近年來生態(tài)學界已經(jīng)把更多的注意力放 在研究在自然力和人類活動雙重作用下的河流生態(tài)系統(tǒng)演變，促進全球的經(jīng)濟社會可持續(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)的大背景應該是：自然系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(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）以及在太陽能驅動下的氣候變化和水文循環(huán)，提供了豐富的營養(yǎng)物質 。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，生態(tài)學中稱為脅迫（stress。由于各種脅迫效應不同，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、泥沙運動與淤積、河床沖蝕 所致，引起地貌與河勢的漸進變化。而地震、火山爆發(fā)、山體滑坡、颶風、大洪水等劇烈運動的沖擊導致

15、河流發(fā)生突變。對于這種突變，河流系統(tǒng)的響應或者恢復到原有狀態(tài)，或者滑移到另外一種狀態(tài)尋找新的動態(tài)平衡。2.2 經(jīng)濟系統(tǒng) 在龐大的經(jīng)濟系統(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、漁業(yè)、養(yǎng)殖、林業(yè)、牧業(yè)、旅游等。無論哪一個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。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致全球氣候變化對于河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，是一個大時間尺度科學問題。具體到對特定流域的影響還存在計算模

16、型尺度轉換問題，故尚難有定論。但僅從現(xiàn)象上看，極端氣候對于河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫，卻是一個現(xiàn)實問題。在生物方面，因貿(mào)易、旅游等原因導致的生物入侵以及魚類過 度捕撈是使土著物種退化的直接原因。圖2經(jīng)濟活動造成的直接與間接脅迫效應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)濟主導的經(jīng)濟系統(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，這是由市場機制本質所決定。由此，保護生態(tài)系統(tǒng)的任務就責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大，因此一個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) 嚴格講，工程系統(tǒng)應歸入經(jīng)濟系統(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)則化以及護坡材料的硬質化；二是自然河流的非連續(xù)化，包括筑壩對于順水流方向以及筑堤對于洪水側向漫溢這兩個方向的非連續(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。最后，在各類水利工程運行中，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。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。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)的結構與功能，而河流地貌、流態(tài)和水質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)時間、時機和變化率等參數(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成和生物過程與特定的水文情勢具有明顯的相關性。年周期的水文情勢變化是相關物種的生理學需求，引發(fā)不同的行為特點(behavioraltrait),比如鳥類遷徙、魚類河游、涉禽的繁殖以及陸 生無脊椎動物的繁殖和遷徙。驟然漲落的洪水脈沖把河流與灘區(qū)動態(tài)地聯(lián)結起來，形成了河流-灘區(qū)系統(tǒng)有機物的高效利用系統(tǒng)，促進水生物種與陸生物種間的能量交換和物質循環(huán)，完善食物網(wǎng)結構，促進魚類等生物量的提高。就我國情況而言，在實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 識，但是對于自然水文過程的恢復問題較少關注。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構特征包括景觀組成的多樣性/吉構和空間配置?？臻g異質性(spatial heterogeneity是指系統(tǒng)特征在空間分布上的復雜性和變異性。大量觀測資料表明，生物群落多樣性與非生物環(huán)境的空間異質性存在著 正相關關系，這種關系反映了生命系統(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雜性具有重要意義。自然河流地貌的空間異質性在縱向表現(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條件。由流速、水深、水溫、脈動壓力、水力坡度等因子構成了河流的流場特征，這些特征在時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有適宜的水動力學條件。如果河流在縱、橫、深3

22、維方向都具有豐富的景觀異質性，就會形成 淺灘深?m交錯，急流緩流相間，植被錯落有致，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力學條件的改變，都會對水生生物的生物過程產(chǎn)生影響。3.4水質 從本質上講，水質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 ，導致不少河流的生態(tài)系統(tǒng)退化 。如果不計及環(huán)境污染的影 響，那么對于河流生態(tài)系統(tǒng)的認識就會是不完整的。如果不首先解決治污問題，河流生態(tài)系統(tǒng)修復也將失去前提。以上四類生境要素與生態(tài)過程之間的關系是十分復雜的，其作用往

23、往是綜合 、非線性肆禺合與反饋關系。而且，四類生境要素也是相互作用、互為因果的。首先，河流的動力學作用，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動的邊界條件，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，又使水力學條件呈現(xiàn)時間異質性特征，也使河流-洪泛灘區(qū)系統(tǒng)呈現(xiàn)淹沒-干燥動水-靜水的空間異質性。至于污染物的遷移、擴散以及與生物體的交 互作用，也是在河流流場內(nèi)依據(jù)水力學條件實現(xiàn)的。4范式和模型范式(paradigm)是現(xiàn)代科學哲學中一個很重要的概念。范式是科學群體所共同承認并運用的，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”，它為科學家提供研究路線和學科思路 。在科學發(fā)展史中，隨著人們對自然界認識的深化 ，各種科學 范式也不斷發(fā)生完善和革新。僅就生態(tài)學領域來說，傳統(tǒng)意義上的以自然均衡理論為基礎的平衡范式，逐步被多平衡及非平衡范式所補充或取代 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，進行比較與評估，預測未來狀況等。生態(tài)學涉及不同的尺度、格局、元素、因子，生態(tài)過程又是具有易變性、開放性、非線性等復雜特征的過程，因此生態(tài)學模型的發(fā)展往往是從概念性模型發(fā)端，逐步向可以在計算機實際運算的數(shù)學模型發(fā)展。4.1 10種河流生態(tài)系統(tǒng)結構功

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)結構功能模型或概念始終是研究熱點之一。迄今提出的較有影響的河流生態(tài)系統(tǒng)結構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)結構和功能與非生命變量之間的相關關系6。其中7種概念模型是針對未被干擾的自然河流,3種模型的設計考慮了人類活動因素。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)展為側向、垂向再加上時間變量的四維。各個模型采用的非生命變量有不同側重點，包括水文學、水力學、河流地貌學和水質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性；在外界環(huán)境的驅動下營

26、養(yǎng)物質的循環(huán)方式；生物生產(chǎn)量與棲息地質量的關系等。生態(tài)結構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)構成；攝食群落轉移等。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)是一個影響深遠的理論。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；不同顆粒的有機物質輸移、遮蔭效應影響以及河床基底碎石作用對于食物網(wǎng)的影響等。(3)溪流水力學概念。statzner等10提出的溪流水力學概念(streamhydraulics concept,shc)認為，溪流物種組合的變化是與溪流水力學條件變化(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。sh

28、c促進了其后發(fā)展起來的生態(tài)水力學的研究。(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理論的補充。src定義了一個營養(yǎng)物質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的定義是當完成一個營養(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)物質利用效率越高，即在給定的河段內(nèi)營養(yǎng)單元會多次進行再循環(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)結構與功能的影響。一組參數(shù)稱為 非連續(xù)性距離”，另一組參數(shù)為強度(intensity),反映水壩運行期內(nèi)人工徑流調(diào)節(jié)造成影響的強烈程度。(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動力。洪水脈沖把河流與灘區(qū)動態(tài)地聯(lián)結起來，形成了河流-灘區(qū)系統(tǒng)有機物的高效利用系統(tǒng)，促進水生物種與陸生物種間的能量交換和物 質循環(huán)，完善食物網(wǎng)結構，促進魚類等生物量的提高。在

30、fpc提出后的10余年內(nèi)，不少學者對于這個概念進行了實地觀測驗證和完善，使rcc成為河流生態(tài)學中一個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。rpm針對有洪泛灘區(qū)的河流，重點考察河流側向的物質和能量的交換過程。rfm認為不僅河流本身傳輸營養(yǎng)物質，而且岸邊帶的種植物以及從陸地向河流的物質輸入也都做出了貢獻。(8)流域概念。流域概念(catchmentconceptscc)是frissel等 人于1986年提出的，這個概念強調(diào) 了河流與整個流域時空尺度的關系，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。其后一些學者發(fā)展了流域概念，gardinef6認為在不同的空間和時間尺度下，綜合的結構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態(tài)的分級框架概念，試圖預測在流域范圍內(nèi)生態(tài)變量的空間與時間格局。(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鍵意義。自然水流用5種水文因子表示：水量、頻率、時機、延續(xù)時間和過程變化率，認為這些因子的組合可以描述整個水文過程。動態(tài)的水

32、流條件對河流的營養(yǎng)物質輸移轉化以及泥沙運動產(chǎn)生重要影響，這些因素造就了河床-灘區(qū)系統(tǒng)的地貌特征和異質性，形成了與之匹配的自然棲息地。在河流生態(tài)修復工程中，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)結構功能整體模型(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)結構功能整體模型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)的結構功能相關關系，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)結構功能整體模型由以下3種子模型構成：河流流態(tài)-生態(tài)結構功能4維連續(xù)體模型；水文情勢-河流生態(tài)過程耦合模型；地貌景觀空間異質性-生物群落多樣

34、性耦合模型 15 16 o 4.3交叉學科的發(fā)展河流生態(tài)系統(tǒng)研究方式是一種跨學科的研究。通過學科間的交叉、融合發(fā)展富有生命力的新的學科領域(圖4)。生態(tài)學與水文學的交叉形成了生態(tài)水文學，主要是研究水文過程與生態(tài)過程間的相關關系。生態(tài)學與水力學的交叉形成了生態(tài)水力學，其要義是建立水力學變量與河流生態(tài)系統(tǒng)結構功能間的相關關iiblinhiiriic itquh. all riith水利1程學牛巖水工學景觀斗港木箝學她貌學 生春 牛奇學 水力水力學學學生態(tài)水文學水文學圖4與河流生態(tài)學有關的交叉學科舉例系。生態(tài)學與地貌學的交叉形成了景觀生態(tài)學，其目的是通過對于地貌的拓撲分析探索生態(tài)過程和系統(tǒng)的結構與功

35、能21-22。生態(tài)學與水利工程學的融合形成生態(tài)水利工程學，其目標是改進傳統(tǒng)規(guī)劃設計方法，使水利工程在具備社會、經(jīng)濟功能的同時兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)的健康需求23。5管理戰(zhàn)略及技術開發(fā)生態(tài)保護的實施取決于決策者的政治意愿。需要在科學范式和概念的指導下，制定正確的管理戰(zhàn)略，其目的是維持經(jīng)濟發(fā)展 社會公平和生態(tài)保護三者的動態(tài)平衡。主要手段是通過立法 機制與體制改革，處理好兩類關系，第一類是調(diào)整人與河流的關系，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 發(fā)展和生態(tài)保護派生出來的人與人的關系，以體現(xiàn)社會公平理念。這包

36、括生態(tài)補償機制、社會公眾參與機制以及水資源一體化管理等。保護和修復河流生態(tài)系統(tǒng)，需要在基礎理論的指導下，研究開發(fā)相關的工程技術。近年開發(fā)的河流 生態(tài)修復技術、生態(tài)方法污水處理技術、水庫生態(tài)調(diào)度技術和人工濕地技術等都是十分活躍的領域。參考文獻： 1 董哲仁.河流生態(tài)修復的尺度、格局和模型 j .水利學報，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,2003,( 7) :1- 5. 3 brookesa, shields f d. river channel restoration guiding principles for sus

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