2-3蔡庆华-河流生态学研究中的几个热点问题

河流生态学研究中的 几个热点问题,蔡庆华 唐 涛 刘建康 中国生态系统研究网络水域生态系统分中心 淡水生态与生物技术国家重点实验室 中国科学院水生生物研究所,河流连续统与河流的生态学研究 水资源与河流的生态需水量 河流生态系统的服务价值与健康评价 河流生态系统管理与流域生态学,河流连续统 Vannote等(1980)将由源头积水区的河源起，向下流经各级河流流域而形成的一个连续的流动的独特而完整的系统，称为河流连续统(River Continuum)。 这一概念把由低级至高级相连的河流网络作为一个连续的整体系统对待，强调生态系统中构成河流群落及其一系列功能与流域的统一性。它不仅是地理空间上的连续，更重要的是指生态系统中生物学过程及其物理环境的连续(Minshall, 1985)。,RCC三个基本模式（沿纵向分布）,低级别河流：由于森林郁闭度高和基质的不稳定，自身的初级生产量小；主要的能量来源于异源性的有机物输入，生产呼吸率比值(P/R)小于1； 中等级别的河流：由于森林郁闭度低且水浅，具有较高的自源初级生产能力；主要的能量来自大型水生植物和周从生物，P/R1； 高级别河流：由于水深且混浊，自源初级生产量较低，主要的能量源是源自上游河段的细有机颗粒物(FPOM)，P/R1。 实际上，这种纵向的格局是很罕见的，如果有，也只是存在于未受干扰的河流中。一般情况下，代表RCC系统的三种模式呈斑块分布于整个河流系统中。某一河段的具体特征由占数量优势的那种模式体现(Bretschko, 1995)。,纵观最近20多年河流生态学的发展，几乎所有研究都是在河流连续统概念的基础上开展的，这些研究涉及到河流生态学的各方面，而河流的生物多样性及其与主要生态因子(如水文学和水化学因子等)间的相互关系以及它们的时空变化规律等是其主流， 研究表明，生物多样性和生态因子间的关系是错综复杂的，它们的时空规律变化很大，对整个河流生态系统特征的作用也各不相同(Allan等，1993；Grevilliot等，1998）。 与以往研究不同的是，这些因子格局的尺度相关性受到高度重视。大量的研究表明，影响河流生物的分布既有河流生境地貌学、水文学、水化学等理化因素，也有系统内生物成分间相互作用等生物因素；同时，诸多因素的影响往往表现出很强的尺度相关性。,对藻类而言，样点微生境特征(如流速、氮、磷等营养盐水平、大型无脊椎动物的牧食压力等)主导河区、河段短期尺度上藻类的分布(Sommer, 2000)，而气候、地质状况等景观特征则主要通过对亚流域、流域尺度上营养盐的作用而对藻类的长期分布产生影响。 有学者甚至认为，美国东向森林河流都是磷限制的，而流向太平洋的西北向河流都是氮限制的(Mosisch等，1999）。,底栖无脊椎动物的物种丰富度和分布格局受河流级别、河流宽度、坡度、流速、及基质多样性、河岸植被带状况等河道生境特征和地质特征等因素的影响。其中，某一河段的坡度决定该区域内特定生境的沉积性营养物的分布状况，进而左右该点的无脊椎动物分布；在更宏观尺度上，不同河段坡度的变化会影响生境的多样性，从而导致河段间无脊椎动物丰富度的变化。 水生态系统的重要成员之一，水细菌的格局特征也逐渐受到重视。有研究表明，河流水细菌受水中芳香族化合物含量、藻类、原生动物等的影响呈现出明显的纵向格局(Leff, 2000)。,与此同时，河流与岸上陆地系统间的密切关系也受到重视。河岸植被带的纵向分布格局对不同河段营养盐的浓度和特定生物种群的密度分布等有重要影响，流域内陆地系统的土地利用状况也会对河流产生深远的影响(例如河流源头森林植被的破坏会增加下游洪水泛滥的可能性，流域内过度的农业活动会导致河流生态健康的恶化等) 很显然，河流生态学的研究视野已经有所拓展(Nikora等,1999)，就河论河的研究方法逐渐为河流与流域相结合的方法所替代，流域尺度的研究正在兴起。,在上游河段，河流发源于山地中(1)，并扩大成急流。 河流顺陡坡向下流动，以瀑布(2)的形式越过悬崖的边缘。 另一条河流或支流(3)加入其中，两条水道在坡脚的凹地形成一个湖泊(4)。 又一条支流(3)加入进来，河流经平原继续奔流。 在中游河段，地面起伏很小，因此，河水流动较慢，河面展宽，并形成河曲(5)。 河流从一个由裁弯形成的小“牛轭”湖(6)的旁边流过。牛轭湖在以前曾是河曲，现在被裁弯作用分离出去。 最后，河流来到下游河段，经进一步展宽后流入海洋，形成宽阔的河日湾(7)。,河流的流路,由此产生了区域湖沼学领域中的两个新的研究命题： 湖链 湖级,水资源与河流的生态需水量,水是淡水生态系统的基本要素，了解水资源是认识该类生态系统服务的关键。尽管由于研究或应用的方向不同，对水资源的定义也稍有差别，但传统的水资源观点是指水量和水能两个主要内容。随着认识水平的提高及对环境、水资源等问题的重视，人们逐渐意识到水质及水生生物的重要性。,水资源应明确包括 水量、水质、水能和水生生物 四大要素 (蔡庆华等,1998) 这种观点与传统观点的不同在于强调水质和水生生物的重要性,在传统观点及其水资源开发利用中，往往重量不重质、重水本身而不重水生生物、重开发利用而不重规划保护、重经济效益而不重生态效益，这种认识和做法明显存在缺陷，也限制了对水资源的进一步开发利用。 新的观点明确地把水质、水量、水能和水生生物作为水资源的四个主要内容，并强调水质在水资源组成要素中的重要性，这与大家日益重视的水质恶化及技术水平上对水资源利用按质处理密切相关。 此外，该观点把水生生物纳入水资源组成要素之中，强调了水生生物在净化水体、开发水体生产力以及水生生物多样性保护中的作用(蔡庆华等，1999)。,对河流保护可概括为三个方面：维持基本的生物学过程和生命支持系统、保护基因多样性、确保物种和生态系统的可持续性(Boon等, 1992)。而生态需水的保证为河流保护的实现提供了可能。 生态需水量是指为维持地表水体特定的生态环境功能，天然水体必须储存和消耗的最小水量（李丽娟等，2000）。 实际计算中，可分为三个部分（李丽娟等，2000） ： 1）河流基本生态环境需水量，即维持河流系统最基本的生态环境功能所需要的最少水量； 2）河流输沙排盐需水量，即维持河流形态和盐分的动态平衡，在一定输沙、排盐要求下所需要的水量； 3）湖泊洼地生态环境需水量，即维持湖泊洼地的水体功能而消耗于蒸发的水量。,计算生态需水量应遵循4大平衡原则（刘昌明，2000） ： 水热(能)平衡、水盐平衡、水沙平衡以及区域水量平衡与供需平衡 同时还应以生态环境现状作为评价的起点，而不是以天然生态环境为尺度进行评价（钱正英，2000）。在4大平衡原则的基础上，深入研究水资源承载力和科学地计算必要的生态需水量。,以往河流流量的研究主要集中在：分别考虑河道物理形态、所关心的鱼类、无脊椎动物等对流量的需求，来确定最小及最佳的流量。其中对鱼类与河流流量关系的研究较多，而鱼类、流量与水质标准三者相互关系的研究未见报道。另外，在确定河流流量的过程中未充分考虑生态系统的完整性（丰华丽，2002）。 在河流管理中，生态的需要与河流流量变化特征高度相关。维持河道的流量，应包括最小的和最适宜的流量。必须对由河流流量变化导致的生物群落变化（和恢复）进行预测，并且应该把维持河流生态系统生物群落和有价值的社会商品和服务的完整性作为河流管理的重要目标（Richter等, 1996,1997,1998)。,河流生态系统的服务价值与健康评价,生态系统服务是对人类生存及生活质量有贡献的生态系统产品和生态系统功能，支撑着人类的生存和社会发展（孙刚等，1999）。 自20世纪70年代提出生态系统服务的概念以来，这方面的研究就引起了生态学界的重视，其中，陆地生态系统，特别是森林生态系统服务的研究日趋完善，但对于淡水生态系统服务的研究则相对不足。 研究河流生态系统服务价值应以水资源为出发点，从其四大特性可归纳出河流生态系统的主要服务价值（蔡庆华等，2002）,1 供水。根据不同水体的水质状况，所蓄之水被用于生活饮用、工业用水、农业灌溉等方面，其价值由水量和水质共同决定。 2 水能。水力发电是该功能的转换形式，如今很多淡水生态系统如河流、水库都具有此功能。对于天然河道中的水流，其理论蕴藏的水能与水位差和通过的水量成正比。,河流生态系统的主要服务价值,河流生态系统的主要服务价值,3 水生生物。水生生物是提供水体生态系统服务的主体，它们具有诸多的生态功能。当前人类已知的服务主要包括： 1）由藻类、水草等初级生产者提供的有机物质生产； 2）初级生产者固定CO2及释放氧气； 3）营养元素的贮存及循环； 4）维持生物多样性及进化过程； 5）对污染物的吸收、分解及指示作用； 6）提供水产品等。 在这类功能中，除维持生物多样性及进化过程这一功能的计算目前还存在困难，是需要解决的问题外，其他功能均可进行定量估算。,河流生态系统的主要服务价值,4 环境效益。此类生态服务主要表现在： 1）调蓄分洪。湖泊、水库的存在有效缓解了大江大河的洪水压力，是湖泊和水库生态系统所特有的重要服务之一，可用高水位和低水位对应的容积来推算其调蓄能力； 2）气候调节。水的特性衍生出其对极端气候的缓冲能力，湖(库)区因此得益于水生态系统的气候调节功能，目前对此项功能的评价研究很少，也是近期需要解决的问题之一； 3）水质净化。在一定范围内，水体能有效消除污染物的影响。此功能是水体生态系统中各种物理、化学及生物学过程综合作用的结果。当然，任何水体都有污染物的负荷域值，超过域值，水质就会恶化； 4）休闲娱乐、美学、教育、精神和文化价值； 5）航运功能。此项功能针对具有一定规模的河流而言。,水质作为水资源四要素中的一个重要内容，其价值主要通过修正其他服务的价值而得以体现。狭义的水质仅仅指水化学指标的含量，但实际上，水质是由水体物理、化学和生物学过程共同作用的结果，应是一个综合参数，在一定程度上用生态系统健康反映水质更具代表性。,随着恢复和维持一个健康的河流生态系统成为河流管理的重要目标，河流的生物完整性及生态健康研究显得极其必要。研究表明，用河流水化学或物理指标作为河流生态状况评价工具存在难于综合且对生态系统的污染响应及解释不充分等缺陷，而生物指标则能很好地克服这种缺陷，应是河流水质及生态状况评价的主要指标(Harris等, 1999),Karr(1981)提出了基于河流鱼类丰富度、指示种、杂交率等12项指标的生物完整性指数(Index of Biotic Integrity, IBI)，用于评价河流的环境状况，该指数包含了一系列对环境状况变化较敏感的指标，能够在比较的基础上对所研究的河流健康状况作出评价。 此外，大型底栖无脊椎动物以其相对较长的生活周期、较高的生物多样性(在不同生境中都有分布)和形体易于辨别等优势而成为河流水质评价中另一常用的重要监测指标(Resh等, 1993)。 而藻类丰富度指数(Algal Abundance Index, AAI, Marsden等, 1997) 及营养硅藻指数(Trophic Diatom Index, TDI, Kelly等, 1998)等则是通过藻类的监测对河流水质进行评价的方法。,Ladson等(1999)提出了基于河流水文学(自然条件下的流量变化和径流的季节动态等)、物理构造特征(河岸稳定性、河床的侵蚀或沉积、人工屏障的影响、粗木屑的来源和数量等)、河岸区状况(河岸植被类型、空间分布范围、宽度及其完整性、河岸植被的再生能力、湿地和干河道状况等)、水质(磷浓度、混浊度、电导率和pH值等)及水生生物(大型无脊椎动物的属类)等5方面共计22项指标体系计分基础上的溪流状况指数(Index of Stream Condition, ISC) ，并据此对澳大利亚80多条河流健康状况进行了综合评价，为河流健康状况综合评价提供了一种新思路(唐涛等，2002)。,河流生态系统的服务价值和健康状况受多种因素制约。其中，流域作为河流生态系统的外源影响因素，其气候、地质特征和土地