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保护和恢复河流形态多样性论文
摘要：生物群落与生态环境的统一性是生态系统的基本特征。河流形态多样性是流域生态系统生态环境的核心，是生物群落多样性的基础。水利工程在不同程度上造成河流形态的重大改变，导致生物群落多样性的降低，影响河流生态系统的健康和稳定，从而使系统的服务功能下降，对人类利益造成损害。水利工程建设应该重视保护和恢复河流形态多样性问题，转变工程理念，在满足人的需求的同时，兼顾流域生态系统健康的需求。
关键词：河流形态生物群落流域生态系统
河流形态多样性是流域生物群落多样性的基础。水利工程可能引起河流形态的均一化及不连续化，从而降低生物群落多样性的水平，造成对河流生态系统的一种胁迫。水利工程建设应注意保护和恢复河流多样性，以满足生态系统健康的需求。
一、淡水生态系统的特点
一般认为，生态系统是指一定空间中的生物群落（动物、植物、微生物）与其环境组成的系统，其中各成员借助能量交换和物质循环形成一个有组织的功能复合体。从大类划分，生态系统首先是由非生物部分与生物部分组成。非生物部分是由无机物质组成的，包含有气象、地貌、地质、水文等条件，它是生物部分的环境，是生命支持系统。在生态学中，具体的生物个体和群体生活地区内的生态环境称为“生境”。
淡水生态系统可以分为两类，一类是动水生态系统，即河流生态系统，另一类是静水生态系统熤饕指湖泊、水库生态系统。两者都应包括周边的淡水湿地。其特点为：
１．生物群落与生境的统一性
有什么样的生境就造就了什么样的生物群落，两者是不可分割的。如果说生物群落是生态系统的主体，那么，生境就是生物群落的生存条件。一个地区丰富的生境能造就丰富的生物群落，生境多样性是生物群落多样性的基础。如果生境多样性受到破坏，生物群落多样性必然会受到影响，生物群落的性质、密度和比例等都会发生变化。在生境各个要素中，水又具有特殊的不可替代的重要作用。
２．生态系统结构的整体性
从生物群落内部看，整体性是生态系统结构的重要特征。一旦形成系统，生态系统的各要素不可分割而孤立存在。如果硬性分开，那么分解的要素就不具备整体性的特点和功能。在一个淡水水域中，各类生物互为依存，互相制约，互相作用，形成了食物链结构。研究表明，一个生态系统的生物群落多样性越丰富即食物链越复杂，其结构形成三维的网状结构，称为食物网，那么，这种复杂的食物网组成的生态系统比简单的直线型食物链的稳定性要高得多，其抵抗外界干扰的承载力也高得多。如果食物链（网）的某些重要环节缺省，即在生态学中称为“关键种”的缺省，对一个生态系统将产生重大影响。另外，从生物群落多样性角度看，一个健康的淡水生态系统，不但生物物种的种类多，而且数量比较均衡，没有哪一种物种占有优势，各物种间既能互为依存，也能互相制衡，使生态系统达到某种平衡态即稳态，这样的生态系统功能肯定是完善的。反之，如果一个淡水生态系统的生物群落内比例失调，会造成整个系统恶化。比如人们向江河湖库倾倒营养物质及有机质，水中氮、磷等物质增加，就会导致蓝藻加快繁殖，水中生物群落比例失调，造成水体富营养化和生态系统失衡。
３．自我调控和自我修复功能
淡水生态系统结构具有自我调控和自我修复功能。在长期的进化过程中，形成了同种生物种群间、异种生物种群间在数量上的调控，保持着一种协调关系。在生物群落与生境之间是一种物质、能量的供需关系，在长期的进化过程中也形成了相互间的适应能力。比如淡水周边的湿地生物群落，需要适应干旱与洪涝两种生境的交替变化，形成了湿地植物既耐旱又耐涝的特征。在大型湖泊和水库中，生物群落与生境的供需关系，体现为以水为载体的牧食食物链的能量流动。水体自我修复能力也是淡水生态系统自我调控能力的一种。通过自我修复，在外界干扰条件下，保持水体的洁净。由于具有这种自我调控和自我修复能力，才使淡水生态系统具有相对的稳定性。
４．淡水生态系统的服务功能
在生态学中，把由生态系统为人类提供的物质和生存环境的服务性能称为生态系统服务功能。河流生态系统为人类提供的服务是多方面的。它为人类提供食品及其他生活物资；对气温、云量和降雨进行调节，在全球、流域、地区和小生境等不同的尺度上影响着气候；对水文循环起调节作用，具有缓解旱涝灾害的功能；流域植物能涵养水分，有利水土保持；优美的水域景观具有旅游休闲功能，其本身就是一种文明财富。特别要强调的是，河流生态系统具有的净化环境的功能，对于人类的生存环境具有关键意义。湿地历来就有“地球之肾”的美称，对于水体具有很强的净化功能。水生植物可以吸收、分解和利用水域中氮、磷等营养物质以及细菌、病毒，并可富集金属及有毒物质。研究结果表明：挺水植物如慈姑、茭白、水花生以及沉水植物伊乐藻对水体中氮的去除率达７５％，茭白、伊乐藻对水体中磷的去除率达７５％，芦苇、慈姑对磷的去除率为６５％。而在水中的鱼类和浮游动物也对植物、藻类和微生物进行吸收、分解。生物净化过程，是在淡水生态系统的食物链（网）中进行的复杂的生物代谢和物理化学过程。通过这个过程，水体中的各种有机和无机溶解物和悬浮物被截留，有毒物质被转化，可以防止物质的过分积累所形成的污染，从而清洁水体。
二、河流形态多样性与生物群落多样性的关系
生物群落与生境的统一性是生态系统的基本特征。在流域生态系统的各种生境因素中，河流形态多样性是流域生态系统最重要的生态因子之一。河流形态多样性及与生物群落多样性的关系可以归纳为以下５个方面。
１．水－陆两相和水－气两相的联系紧密性
与湖泊相对照，河流是一个流动的生态系统。河流与周围的陆地有更多的联系，水－陆两相联系紧密，是相对开放的生态系统。水域与陆地间过渡带是两种生境交汇的地方，由于异质性高，使得生物群落多样性的水平高，适于多种生物生长，优于陆地或单纯水域。在水陆联结处的湿地，聚集着水禽、鱼类、两栖动物和鸟类等大量动物。而植物就有沉水植物、挺水植物和陆生植物以层状结构分布。另外，河流又是联结陆地与海洋的纽带，河口三角洲是滨海盐生沼泽湿地。
由于河流中水体流动，水深又往往比湖水浅，与大气接触面积大，所以河流水体含有较丰富的氧气，是一种联系紧密的水－气两相结构。特别在急流、跌水和瀑布河段，曝气作用更为明显。与此相应，河流生态系统中的生物一般都是需氧量相对较强的生物。
２．上中下游的生境异质性
我国的大江大河多发源于高原，流经高山峡谷和丘陵盆地，穿过冲积平原到达宽阔的河口。上中下游所流经地区的气象、水文、地貌和地质条件有很大差异。以长江为例，长江流域地势西高东低呈现三大台阶状。长江流域内的地貌类型众多，据统计，流域的山地、高原面积占全流域的７１．４％，丘陵占１３．３％，平原占１１．３％，河流、湖泊等水面占４％。形成峡谷型河段、丘陵型河段及平原型河段。与长江干流相连的湖泊众多。长江流域为典型亚热带季风气候，流域辽阔，地理环境复杂，各地气候差异很大，且高原峡谷河流两岸常有立体气候特征。流域内形成了急流、瀑布、跌水、缓流等不同的流态。需要指出，除了气象、地貌等生态因子外，河流的流态、流速、流量、水质以及水文周期等水文条件也应该作为重要的生态因子考虑。
河流上中下游由多种异质性很强的生态因子描述的生境，形成了极为丰富的流域生境多样化条件，这种条件对于生物群落的性质、优势种和种群密度以及微生物的作用都产生重大影响。在生态系统长期的发展过程中，形成了河流沿线各具特色的生物群落，形成了丰富的河流生态系统。仍以长江流域为例，流域大部分处于中亚热带植被区，介于暖温带和南亚热带之间，并有青藏高原高寒植物和垂直地带性植物，种类极为丰富。在我国植物３９８０个属、近３万种种子植物中，长江流域的植物分别占属的２／３和种的１／２。长江流域在世界大陆动物区系中，分属古北界青藏区、东洋界西南区和东洋界华中区三大区。生活着白唇鹿、藏羚羊、野牦牛、麋鹿、猕猴、华南虎、石貂以及大鲵、丹顶鹤等多种动物。珍稀动物就有大熊猫、白鳍豚、中华鲟、朱鹮等２２种。其中，中华鲟是溯源产卵洄游鱼类，每年秋季从大海逆流而上到长江上游产卵，幼鱼顺江游到大海。
３．河流纵向的蜿蜒性
自然界的河流都是蜿蜒曲折的，不存在直线或折线形态的天然河流。在自然界长期的演变过程中，河流的河势也处于演变之中，使得弯曲与自然裁弯两种作用交替发生。但是弯曲或微弯是河流的趋向形态。另外，也有一些流经丘陵、平原的河流在自然状态下处于分汊散乱状态。一些分汊散乱状态的河流归入主槽形成明显的干流，往往是由于人类治河工程的结果。需要强调指出，蜿蜒性是自然河流的重要特征。河流的蜿蜒性使得河流形成主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境。由于流速不同，在急流和缓流的不同生境条件下，形成丰富多样的生物群落，即急流生物群落和缓流生物群落。急流生物为了在高流速中生存，或具有适于游泳的流线型的体型，或具有适于钻入石缝以防被冲走的扁平体型。有的生物可以持久附着在固体上（如淡水海绵），有的具有吸盘和钩作为吸附器（如网蚊），有的下表面具有黏着性（如涡虫）等。
４．河流断面形状的多样性
自然河流的横断面也多有变化。河流的横断面形状多样性，表现为非规则断面，也常有深潭与浅滩交错的布局出现。自然界的河流处于浅滩的生境，光热条件优越，适于形成湿地，供鸟类、两栖动物和昆虫栖息。积水洼地中，鱼类和各类软体动物丰富，它们是肉食候鸟的食物来源，鸟粪和鱼类肥土又促进水生植物生长，水生植物又是植食鸟类的食物，形成了有利于珍禽生长的食物链。由于水文条件随年周期循环变化，河湾湿地也呈周期变化。在洪水季节水生植物种群占优势。水位下降后，水生植物让位给湿生植物种群，是一种脉冲式的生物群落变化模式。而在深潭里，太阳光辐射作用随水深加大而减弱。红外线在水体表面几厘米即被吸收，紫外线穿透能力也仅在几米范围。水温随深度变化，深水层水温变化迟缓，与表层变化相比存在滞后现象。由于水温、阳光辐射、食物和含氧量沿水深变化，在深潭中存在着生物群落的分层现象。比如浮游动物一般是趋于弱光的，它们白天多分布在较深的水层，夜晚则上升到表层。
５．河床材料的透水性
一条纵坡比降不同、蜿蜒曲折的河流中，河床的冲淤特性取决于水流流速、流态、水流的含沙率及颗粒级配以及河床的地质条件等。由悬移质和推移质的长期运动形成了河流动态的河床。需要指出的是，除了在高山峡谷段的由冲刷作用形成的河段，其河床材料是透水性较差的岩石以外，大部分河流的河床材料都是透水的，即由卵石、砾石、沙土、黏土等材料构成的河床。具有透水性能的河床材料，适于水生和湿生植物以及微生物生存。不同粒径卵石的自然组合，又为鱼类产卵提供了场所。同时，透水的河床又是联结地表水和地下水的通道，使淡水系统形成整体。
总之，水－陆两相和水－气两相的紧密关系，形成了较为开放的生境条件；上中下游的生境异质性，造就了丰富的流域生境多样化条件；河流纵向的蜿蜒性形成了急流与缓流相间；河流的横断面形状多样性，表现为深潭与浅滩交错；河床材料的透水性为生物提供了栖息所。由于河流形态多样性，以及流速、流量、水深、水温、水质、水文周期变化、河床材料构成等多种生态因子的异质性，造就了丰富的生境多样性，形成了丰富的河流生物群落多样性。所以说，河流形态多样性是维持河流生物群落多样性的基础。
三、水利工程对河流生态系统的胁迫
近代兴建水利工程的目的是为满足人们供水、防洪、灌溉、发电、航运、渔业及旅游等需求。水利工程对于经济发展、社会进步发挥了巨大推动作用。同时，水利工程在生态建设方面也同样具有积极作用。通过调节水量丰枯，抵御洪涝灾害对生态系统的冲击，改善干旱与半干旱地区生态状况以及调节生态用水等，水利工程同样作出了巨大贡献。但是，事物无不具有两重性。一些水利工程的兴建，在不同程度上降低了河流形态的多样性，生境的变化导致水域生物群落多样性的降低，使生态系统的健康和稳定性都受到不同程度的影响。人类活动对于生态系统造成的不利影响，生态学中称为胁迫。水利工程在不同程度上对河流生态系统造成某种胁迫，具体表现是一些水利工程建设造成河流形态的均一化和不连续化，其后果是生物群落多样性水平下降。
１．河流形态的均一化和不连续化改变了生境多样性
所谓河流形态的均一化主要是指自然河流的渠道化或人工河网化。具体表现为：一是在平面布置上，河流形态直线化。即将蜿蜒曲折的天然河流改造成直线或折线型的人工河流或人工河网。采用这种规划设计方法的理由是：直线型的渠道工程量小，同时节省耕地，减少移民搬迁。二是在渠道横断面几何规则化。把自然河流的复杂形状变成梯形、矩形及弧形等规则几何断面。规则的渠道断面输水能力强，也可减少占地。设计时易于计算，建设时易于施工。三是河床材料的硬质化。渠道的边坡及河床采用混凝土、砌石等硬质材料。防洪工程的河流堤防和边坡护岸的迎水面也采用这些硬质材料。原因是渠道工程中可减少渠水的渗漏，以利节水。光滑的渠坡减少表面糙率，提高输水效率。在岸坡防护方面，采用硬质材料的原因是其抗冲、抗侵蚀性及耐久性好。四是河流的裁弯取直工程。
所谓河流形态的不连续化是指在河流筑坝形成水库，造成水流的不连续性。有的河流进行梯级开发，形成多座水库串连的格局。水体在水库中形成相对静水，其流速、水深、水温及水流边界条件都发生了重大变化。
２．河流形态多样性的降低对于生物群落多样性的影响
河流的渠道化和裁弯取直工程彻底改变了河流蜿蜒型的基本形态，急流、缓流相间的格局消失，而横断面上的几何规则化，也改变了深潭、浅滩交错的形势，生境的异质性降低，水域生态系统的结构与功能随之发生变化，特别是生物群落多样性将随之降低，可能引起淡水生态系统退化。具体表现为河滨植被、河流植物的面积减少，生物多样性降低，鱼类的产卵条件发生变化，鸟类、两栖动物和昆虫的栖息地改变或避难所消失，造成物种的数量减少和某些物种的消亡。河床材料的硬质化，切断或减少了地表水与地下水的有机联系通道，本来在沙土、砾石或黏土中辛勤工作的数目巨大的微生物再也找不到生存环境，水生植物和湿生植物无法生长，使得植食两栖动物、鸟类及昆虫失去生存条件。本来复杂的食物链（网）在某些关键种和重要环节上断裂。如上所述，河流生态系统的重要特点是系统的整体性，即生态系统的各要素不能被分割而孤立存在。水是河流生态系统的重要要素，是河流生态系统的动脉。当人们开发和利用水资源时，如果硬要把水与生物群落分割开来，放到一个直线线路、规则断面并由人工材料建设的人工河道中，很显然，这种新的河流生态系统将不再具备原来河流生态系统的整体功能和特点。
自然河流的非连续化造成的影响是将动水生境改变成了静水生境，两者分别对应着动水生物群落和静水生物群落。由于水库水深远大于河流水深，太阳光辐射作用随水深加大而减弱，在深水条件下，光合作用较为微弱，所以水库生境的生态系统生产力较低，物质循环和能量流动都不如河流生态系统那样通畅。水库的淡水生态系统是一个相对封闭的系统，与河流生态系统相比较为脆弱，表现为抗逆性较弱，自我恢复能力也弱。退化的水库一般难于自我恢复，需要人类干预才有可能。水库形成以后，原来河流上中下游蜿蜒曲折的形态在库区消失了，主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境代之以较为单一的水库生境，生物群落多样性在不同程度上受到影响。另外，筑坝以后给洄游鱼类造成了不可逾越的障碍。如果没有建设适合鱼类习性的鱼道，对某些濒危的洄游鱼类将是致命的打击。
３．对生态系统服务功能的影响
人们容易看到水利工程在供水、灌溉、发电等方面给人们带来的直接经济效益，却难以看到因水利工程改变河流形态多样性，导致生态系统服务功能下降给人们带来的负面后果，以及对人们的利益造成的长远损害。众所周知，河流生态系统服务功能，为人类提供的不仅仅是淡水，也不仅仅是食品等各类产品，还有多方面重要服务功能，比如调节气候，减缓洪涝旱灾，维持生物多样性和保存基因库，有害生物控制及净化水质和大气等全方位的服务。生态系统服务功能依赖于河流生态系统健康的维持。一旦系统遭到外界因素的破坏，大自然无偿提供给我们的服务功能将下降，当破坏程度达到某临界值时，这种服务功能甚至会丧失。
河流生态系统功能降低以至破坏，往往是一个缓慢的发展过程，又是多因素作用的结果，当人们发现其恶果时，可能情况已经变成不可逆转。比如当人们实施河道整治工程后，建成了直线型渠道，砍伐了“排列不规则”的树木和“野生杂草”。同时，采用梯形断面，对侧坡及河底全面进行混凝土衬砌，种植了整齐的树木，达到了人们认为美观的“两线三面”质量要求。不长时间人们发现，在河道里找不到鱼类，在岸边看不到昆虫，树上鸟类也属罕见，随之渠道里的水质变差了。当排入河流的污染物继续增多超过某一个限度时，河流生态系统的自净能力进一步下降以至完全丧失。这个事例说明，当人们享受水利工程带来种种有形的经济效益时，河流生态系统长期为人们无偿提供的各种服务功能，却在大刀阔斧的工程建设中不知不觉地消失了。这种隐形的损失是不可估量的。
四、如何保护和恢复天然河流形态多样性
过去建设的水利工程侧重于满足人类社会对水的多种需求，相对忽视了维护一个健康生态系统的稳定性需求。由于水利工程可能引起河流形态的均一化和不连续化，降低了生境多样性，对河流生态系统形成了一种胁迫，这种胁迫可能引起河流生态系统的退化，随之也会降低河流生态系统的服务功能，最终对人们的利益造成损害。水利工程建设要正视这个问题，以积极的态度解决这个问题。我国为发展经济，作为基础设施的水利工程将会继续兴建。未来的水利工程不仅是能够满足人们供水、灌溉、防洪、航运、发电及旅游需求的工程，也应该是有利于生态建设的环境工程。从技术层面上看，水利工程建设中保护河流多样性问题，似有以下几个值得重视和研究。
①从水利工程的规划设计的指导思想看，建设水利工程的目的不仅应满足人们对水的需求，同时要满足维持河流生态系统健康的需求，其中的关键问题之一是尽可能地保护河流形态的多样性。
②保持河流的蜿蜒性是保护河流形态多样性的重点。在河道整治工程中，尊重天然河道形态，避免直线和折线型的河道设计。灌溉渠道设计也要注意模仿河流自然形态的特点。对于河流的裁弯取直工程要充分论证，持慎重态度。
③保持河流断面形状的多样性，尊重河流原有的自然断面形态。河道整治工程中应尽可能避免采用几何规则断面，疏浚工程施工中避免河道断面的均一化。
④河道防护工程的岸坡采用有利于植物生长的透水材料，特别注意采用当地天然材料，也要注意整理、发掘和发展传统治河工法和材料。开发和推广供输水渠道使用的利于植物生长同时具有一定防渗性能的衬砌材料和施工工艺。
⑤水利工程设计应为植物生长和动物栖息创造条件。提供鱼类产卵条件以及鸟类和水禽栖息地和避难所。建设符合生态学原理的过坝鱼道。开发新型丁坝、人工浮岛及生态型城市雨洪利用系统技术。
⑥新建大坝枢纽工程要充分论证由于水库建设改变河流生态系统为静水生态系统的利弊得失，采取必要的补偿工程措施和生物措施。
⑦开展已建水库的生态系统健康评估与预测。注重水库生态系统退化的恢复及富营养化控制问题。通过水库库区生态建设及水生生物的合理结构设计，提高水库水体自净能力和自我修复能力。充分利用乡土种生物，慎重引进外来种，注意防止生物入侵。
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