河流生态系统研究的理论框架
2009年2月
水 利 学 报
SHUILI XUEBAO 第40卷 第2期
收稿日期:2008-08-12
基金项目:水利部公益性行业科研专项(200801023)
作者简介:董哲仁(1943-),满族,北京人,博士,教授,主要从事水工结构分析和生态水工学研究。文章编号:0559-9350(2009)02-0129-09河流生态系统研究的理论框架
董哲仁
(中国水利水电科学研究院,北京 100038)
摘要:讨论了河流生态系统的时空尺度。论述了景观、流域、河流廊道和河段4种空间尺度间的关系。阐述了河流生态系统的4种背景系统,即自然系统、经济系统、社会系统和工程系统。归纳了水文情势、河流地貌、流态和水质等4个主要生境要素。在此基础上进一步讨论了科学范式和模型的概念,介绍了多种重要生态系统结构与功能模型,提出了描述非生命变量和生命变量之间关系的河流生态系统结构与功能整体模型。最后,探讨了科学研究对于制定流域管理战略的意义以及相关技术开发的方向。
关键词:河流生态系统;框架;结构;功能;尺度;河流地貌;流态;水文情势;连续体
中图分类号:X171文献标识码:A
河流生态系统是一个复杂、开放、动态、非平衡和非线性系统,人们为认识它的客观规律,需要遵循一种合理的研究思路,形成一个宏观的研究框架,这种主观设计的研究框架应尽可能接近客观存在。生态系统结构包括营养结构、空间与时间结构、层级结构、系统的整体性以及正负反馈等。生态系统功能包括在外界环境驱动下的物种流动、物质循环、能量流动和信息流动,生物群落对于各种非生命因子的适应性和自我调节,以及生物生产等。框架中首要解决的是研究尺度问题。确定合理的研究尺度才能体现生态系统的整体性原则。其次,要设定河流生态系统的研究背景,不但要考虑自然系统这个大背景,还要考虑人类活动对于河流生态系统的巨大影响,研究自然力和人类活动双重作用与河流生态系统的正负反馈调节关系。再者,在诸多生境因子中,需要识别对于河流生态系统的结构与功能产生重要影响的生境因子,建立关键生境因子与生态过程相互作用的耦合关系。在设定了尺度、背景、关键生境因子的基础上,发展河流生态系统的科学范式,形成反映系统客观规律的概念和模型。认识自然规律的一个重要目的是为正确处理人与自然的关系提供理论基础。在上述范式、概念和模型的指导下,以人与自然和谐为目标,制订符合自然规律的流域可持续管理战略,研究保护和修复河流生态系统的工程技术。本文即按此总体思路建议了河流生态系统研究的理论框架(图1)。
1 时间尺度与空间尺度
景观生态学中的所谓/尺度0(scale)是指在研究某一生态现象时所采用的空间和时间单位,同时又可以指某一生态现象或生态过程在空间和时间上所涉及的范围和发生的频率[1]。前者是从研究者的角度定义的单元,带有很强的主观性。后者是自然现象的客观存在。人们认识客观世界,并努力使主观认识与客观的自然现象相符合,尽可能使研究尺度与客观时空尺度相一致。
111 河流生态系统的时间尺度 河流生态系统的演进是一个动态过程,确定合理的时间尺度才能正确反映系统的动态性。对河流产生重要影响的地貌和气候变化,其时间尺度往往是数千年到数百万年,因)129)
此如果要追溯河流的演进历史,其时间尺度起码要跨越数千年。靠人工适度干预的河流生态修复规划的时间尺度往往需要数十年,比如湿地的恢复和重建就需要15~20年。另外,同一种过程也会有不同的时间尺度,比如对于河流变化产生重要影响的土地利用方式改变的时间尺度就有多种:农业种植结构变化的尺度要几年、城市化进程要数十年、森林植被变化要数百年,如此等等。总之,要基于不同的研究目标选择适当的时间尺度。
图1河流生态系统研究的理论框架
112河流生态系统的空间尺度设定河流生态系统空间尺度的目的是为了体现生态系统的整体性原则,不可能孤立地研究单一尺度的生态系统。生态系统的完整性包括生命支持系统的完整性和生物完整性。不同尺度的河流生态系统之间是相互作用的,生态系统的诸多功能比如物质运动(径流、泥沙、营养物质等)、能量运动(食物网)、生物迁徙等都是在不同尺度的生态系统之间进行的。这可以解释为某一尺度的生态系统的外部环境是一个尺度更大的生态系统。一方面,该系统的结构、功能是更大尺度系统的一部分(但是不可线性叠加);另一方面,该系统与较大尺度的系统存在着输入-输出关系。比如河流廊道尺度被流域尺度所环绕,在流域尺度发生的物质运动、能量运动、物种迁徙等,对于河流廊道来说是一种外部环境。同时物质、能量是在河流廊道与流域之间进行交换和相互作用,生物体也在二者间进行迁徙运动。
在景观生态学中用3种基本元素定义特定尺度下的空间结构,这3种基本元素是:基底(matrix)、斑块(patch)和廊道(corridor)。每一级尺度在其层次内都具有自身的空间格局。不同尺度对应的空间结构
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要素具有不同定义和不同的空间格局,因此需要考察尺度与空间结构元素之间的相关关系。
河流生态系统的空间尺度有多种划分,笔者认为可以划分为景观、流域、河流廊道和河段等4种。
(1)景观。生态学把生物圈划分为11个层次,依次是生物圈、生物群系、景观、生态系统、群落、种群、个体、组织、细胞、基因和分子。这里所说的/景观0(landscape)是指第3层次上的尺度,可见景观是相当大的一种尺度。在实际应用时,可以定义为自然地理区域(region),也可以定义为特大型河流流域,如长江、黄河、珠江流域等,或者定义为跨流域的空间尺度。景观可以定义为土地覆盖(land cover)的陆地格局,这种覆盖包括两类:即自然覆盖(森林、灌丛、沼泽、荒漠等)和人工构筑物(城市、道路、村镇等),反映自然地域和人类活动地域。景观的空间结构中的基底,通常是占支配地位的自然植被群落(如草原型、森林型、湿地型、沙漠型等)或者是以耕地、牧场为主的生态系统。斑块有两类:具有自然属性的斑块包括森林、湖泊、湿地等;具有社会属性的斑块包括耕地、城市带、开发区、村庄等。廊道包括河流、峡谷、道路等。
(2)流域。严格说,采用流域作为一种尺度不很确切,因为不同的流域尺度在几何意义上相距甚远。但是大小不同的流域却有类似的生态结构特征,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。
流域的自然地理、气候、地质和土地利用等要素决定着河流的径流、河道、基底类型、水沙特性等物理及水化学特征,这些因素对河流生态系统具有深远影响。在流域内进行着水文循环的动态过程,包括植被截留、积雪融化、地表产流、河道汇流、地表水与地下水交换、蒸散发等。河流生态系统的生态过程包括系统的结构、功能、景观异质性、斑块性、植被、生物量等因子与水文过程密切相关,生态过程所发生及涉及的范围,与水文过程的范围往往在流域尺度中重合。换言之,水文过程与生态过程在流域这种空间单元内实现一定程度的耦合。流域集水区的土壤水滋润着大部分陆生植被,无数溪流和支流成为陆生生物与水生生物汇集的纽带,从而形成完善的食物网。在流域尺度上,更关注水系、上中下游、河口三角洲、洪泛滩地、河床结构等这些空间基本元素。
(3)河流廊道。河流廊道(river corridor)包括河道、两岸植物群落、洪泛滩区和支流等,也可按照某一频率下洪水的淹没范围划定河流廊道宽度。河流廊道具有很高的生态功能。一方面,河流廊道是河流生态系统的物质流、能量流、信息流的重要通道,又是连接流域的上中下游以及洪泛平原的纽带。另一方面,河流本身又是大量水生动植物、鸟类、水禽和无脊椎动物的栖息地,有其自身的空间结构元素组合。两岸森林和灌丛是河流廊道的主要基底。空间格局中的斑块包括自然部分如湿地、草灌、牛轭湖、江心岛等;人工部分包括居民区、开发区、游览休闲区等。
(4)河段。可以理解河段(reach)是相对较小的栖息地与生物群落的组合,关键生境因子是河流地貌形态及其对应的水流流态。比如河流纵坡、蜿蜒性、河床断面材质和几何形状等所相应的流速、水深、脉动压力等水力学条件,由此产生不同的栖息地空间异质性。而生物群落多样性则与空间异质性条件具有正相关关系[2]。所以河段的特征往往用急流、缓流、静水区等描述。结构元素中斑块包括深潭、浅滩、池塘、河滩水生植物区等。从河流利用角度,也常按照物理、化学、生物等属性划分河段,如水功能区、自然保护区等。
2背景系统
不可能孤立地研究河流生态系统,需要考察其存在和演进的大背景。在生态学诞生后的几十年内,生态学家的兴趣一直集中于原始状态的河流,提出的许多概念和模型大多是针对/纯自然0河流。但是近百年来全球经济发展、人口增加、环境污染和城市化进程,已经极大地改变了河流的面貌。据统计,全世界大约有60%的河流经过了人工改造,包括筑坝、筑堤和河道整治等[3]。在我国,除西南和东北边远地区尚有几条未建枢纽工程的大河外,绝大多数的江河都已经不同程度被开发利用。如果继续墨守成规,拘泥于自然河流的研究,将会严重脱离客观现实。实际上,近年来生态学界已经把更多的注意力放在研究在自然力和人类活动双重作用下的河流生态系统演变,促进全球的经济社会可持续发展。研究
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河流生态系统的大背景应该是:自然系统、经济系统、社会系统和工程系统。
211自然系统自然系统为河流生态系统提供了能源(太阳能)以及在太阳能驱动下的气候变化和水文循环,提供了丰富的营养物质。在自然河流经历的数万以至数百万年的演变过程中,承受着多种自然力的作用,表现为各种干扰效应,生态学中称为胁迫(stress)。由于各种胁迫效应不同,河流演变呈现渐变和突变的两种过程。渐变过程是由于地壳变化、气候变化以及土壤侵蚀、泥沙运动与淤积、河床冲蚀所致,引起地貌与河势的渐进变化。而地震、火山爆发、山体滑坡、飓风、大洪水等剧烈运动的冲击导致河流发生突变。对于这种突变,河流系统的响应或者恢复到原有状态,或者滑移到另外一种状态寻找新的动态平衡。
212经济系统在庞大的经济系统中涉水的行业和部门繁多,诸如工农业和生活供水、防洪、农业、水电、航运、渔业、养殖、林业、牧业、旅游等。无论哪一个部门对于水资源的过度开发利用都会对河流生态系统造成胁迫,宜采用更大的空间尺度考察这种胁迫效应。在生境方面,需从水、大气和土地三方面考察,涉及到水体、土地和大气污染、超量取水、毁林、围垦、城市化、水土流失、荒漠化等诸多因素(图2)。至于因温室气体排放导致全球气候变化对于河流生态系统的影响,是一个大时间尺度科学问题。具体到对特定流域的影响还存在计算模型尺度转换问题,故尚难有定论。但仅从现象上看,极端气候对于河流生态系统的胁迫,却是一个现实问题。在生物方面,因贸易、旅游等原因导致的生物入侵以及鱼类过度捕捞是使土著物种退化的直接原因。
图2经济活动造成的直接与间接胁迫效应
213社会系统由于水资源过度开发引起的河流生态系统的退化,以市场经济主导的经济系统无法得到正确的反馈信息,也无法理智地调节自身的行为,这是由市场机制本质所决定。由此,保护生态系统的任务就责无旁贷地落到了政府决策者的肩上。人类改造自然河流的威力强大,因此一个国家的政治意愿和政策制订将成为影响河流生态系统变化的大事。所以,开展河流生态系统的研究,不能不考察国家立法、河流管理、资金走向以及流域战略规划等重大社会背景。
214工程系统严格讲,工程系统应归入经济系统。但是,人们为开发利用水资源采用工程手段对河流进行的改造已经极大地改变了河流的水文情势和河流地貌特征,成为河流生态系统的重要胁迫因素,因此有理由将工程系统单独列出以突出其影响[2](图3)。
水利水电工程对于河流生态系统的胁迫可以归纳为三大类:一是自然河流的人工渠道化,包括河流平面几何形态的直线化,河流横断面的几何规则化以及护坡材料的硬质化;二是自然河流的非连续化,包括筑坝对于顺水流方向以及筑堤对于洪水侧向漫溢这两个方向的非连续化,另外,各类闸坝工程对河流、湖泊和湿地之间连通性的破坏也属此类;三是跨流域调水工程引起调水区、受水区和运河沿线)
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图3水利工程对河流生态系统的胁迫
的生态胁迫效应。最后,在各类水利工程运行中,自然水文情势被人工径流调解所代替由此引发的生态过程变化,也是一种胁迫效应。
3生境要素
河流生态系统主要生境要素分别为:水文情势、河流地貌、流态和水质。其中,水文情势要素主要在景观和流域尺度上影响生态过程和系统的结构与功能,而河流地貌、流态和水质主要在河流廊道和河段的这样相对较小的尺度上发挥作用。
311水文情势水文情势(hydrological re gime)既包括流量、水量,也包括水文过程,其特征用流量、频率、持续时间、时机和变化率等参数表示。水文情势是河流生物群落重要的生境条件之一,特定的河流生物群落的生物构成和生物过程与特定的水文情势具有明显的相关性。年周期的水文情势变化是相关物种的生理学需求,引发不同的行为特点(behavioral trait),比如鸟类迁徙、鱼类洄游、涉禽的繁殖以及陆生无脊椎动物的繁殖和迁徙。骤然涨落的洪水脉冲把河流与滩区动态地联结起来,形成了河流-滩区系统有机物的高效利用系统,促进水生物种与陆生物种间的能量交换和物质循环,完善食物网结构,促进鱼类等生物量的提高。就我国情况而言,在实际管理工作中对于环境流量、生态基流已经有了一定认识,但是对于自然水文过程的恢复问题较少关注。
312河流地貌河流地貌是景观格局(landscape pattern)的重要组成部分之一。所谓景观格局指空间结构特征包括景观组成的多样性、结构和空间配置。空间异质性(spatial heterogeneity)是指系统特征在空间分布上的复杂性和变异性。大量观测资料表明,生物群落多样性与非生物环境的空间异质性存在着正相关关系,这种关系反映了生命系统与非生命系统之间的依存与耦合关系[4]。在河流廊道尺度的景观格局中,河流地貌的各种成份的空间配置及其复杂性具有重要意义。自然河流地貌的空间异质性在纵向表现为河流的蜿蜒性;河流横断面表现为几何形状多样性;在沿水深方向表现出水体的渗透性。另外,良好的河流地貌景观格局是河流与洪泛滩区、湖泊、水塘与湿地之间保持良好的连通性,为物质流、能量流和信息流的畅通提供了物理保障。由此可见,河流地貌特征是决定自然栖息地(physical habitat)的重要因子。
313流态河流流态可以理解为河流的水力学条件。由流速、水深、水温、脉动压力、水力坡度等因子构成了河流的流场特征,这些特征在时间尺度上随水文条件和气温条件的变化而变化,在空间尺度上随河流地貌特征变化沿程发生变化,呈现出空间异质性特征。流场特征是水生生物的重要栖息地条件之一。不同的水生生物物种都对应有适宜的水动力学条件。如果河流在纵、横、深3维方向都具有丰富的
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景观异质性,就会形成/浅滩深潭交错,急流缓流相间,植被错落有致,水流消长自如0的景观空间格局,为鱼类和其它水生生物提供了多样的栖息地、产卵场和避难所。无论是自然因素还是人为因素造成水动力学条件的改变,都会对水生生物的生物过程产生影响。
314水质从本质上讲,水质问题不属于重要自然生境要素。但是,我国工业、农业和生活造成的水污染,已经对河流生态系统形成了重大威胁,导致不少河流的生态系统退化。如果不计及环境污染的影响,那么对于河流生态系统的认识就会是不完整的。如果不首先解决治污问题,河流生态系统修复也将失去前提。
以上四类生境要素与生态过程之间的关系是十分复杂的,其作用往往是综合、非线性、耦合与反馈关系。而且,四类生境要素也是相互作用、互为因果的。首先,河流的动力学作用,包括泥沙输移、淤积以及侵蚀作用,改变着河流地貌特征。其次,河流地貌特征是水流运动的边界条件,又是河流水系连通性的物理保障。再者,水文条件的年周期丰枯变化,又使水力学条件呈现时间异质性特征,也使河流-洪泛滩区系统呈现淹没-干燥、动水-静水的空间异质性。至于污染物的迁移、扩散以及与生物体的交互作用,也是在河流流场内依据水力学条件实现的。
4范式和模型
范式(paradigm)是现代科学哲学中一个很重要的概念。范式是科学群体所共同承认并运用的,由世界观、置信系统(belief syste m)以及一系列概念、方法和原理组成的体系。也可以理解范式是一种/大理论0,它为科学家提供研究路线和学科思路。在科学发展史中,随着人们对自然界认识的深化,各种科学范式也不断发生完善和革新。仅就生态学领域来说,传统意义上的以自然均衡理论为基础的平衡范式,逐步被多平衡及非平衡范式所补充或取代[5]。
模型是人们对于客观存在的自然现象的简化或抽象,其目的在于探索规律,进行比较与评估,预测未来状况等。生态学涉及不同的尺度、格局、元素、因子,生态过程又是具有易变性、开放性、非线性等复杂特征的过程,因此生态学模型的发展往往是从概念性模型发端,逐步向可以在计算机实际运算的数学模型发展。
41110种河流生态系统结构功能概念与模型在河流生态系统研究流域,河流生态系统结构功能模型或概念始终是研究热点之一。迄今提出的较有影响的河流生态系统结构与功能的概念模型主要有10种,这些概念模型基于对若干河流的调查,旨在建立河流生态系统结构和功能与非生命变量之间的相关关系[6]。其中7种概念模型是针对未被干扰的自然河流,3种模型的设计考虑了人类活动因素。各种概念模型的尺度不同,从流域、景观、河流廊道到河段,其维数从顺河向的一维发展为侧向、垂向再加上时间变量的四维。各个模型采用的非生命变量有不同侧重点,包括水文学、水力学、河流地貌学和水质4类。生态功能主要考虑了包括鱼类在内的生物群落对各种非生命变量的适应性;在外界环境的驱动下营养物质的循环方式;生物生产量与栖息地质量的关系等。生态结构主要涉及到鱼类和底栖生物的区域特征;流域内物种分布和物种多样性;食物网构成;摄食群落转移等。尽管这10种模型各自有其局限性,但是它们提供了从不同角度理解河流生态系统的概念框架。
(1)地带性概念。Hue t Illies等[7]提出的地带性概念(Zonation concept,ZC)是河流生态系统整体性描述的首次尝试。生物地带性概念的内涵是按照鱼类种群或大型无脊椎动物种群特征把河流划分成若干区域,地带性反映了不同区域水温和流速对于水生生物的影响。
(2)河流连续体概念。Vannote等[8-9]提出的河流连续体概念(River continuum c oncept,RCC)是一个影响深远的理论。RCC描述了从源头到河口的水力梯度的连续性;分析了上中下游非生命要素的变化引起的生物生产力的变化;不同颗粒的有机物质输移、遮荫效应影响以及河床基底碎石作用对于食物网的影响等。
(3)溪流水力学概念。Statzner等[10]提出的溪流水力学概念(Stream hydraulics concept,SHC)认为,溪流物种组合的变化是与溪流水力学条件变化(包括流速、水深、基底糙率和水面坡度等参数变化)密切联)
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系的,这些参数又与地貌特征和水文条件密切相关。SHC促进了其后发展起来的生态水力学的研究。
(4)资源螺旋线概念。Wallace等[11]提出的资源螺旋线概念(Spiralling resource concept,SRC)是对RCC理论的补充。SRC定义了一个营养物质向下游完成输移循环的空间维度,这就形成一种开口循环的螺旋线。螺旋线可以用单位长度S量测,S的定义是当完成一个营养单元(例如碳)循环的河流水流的平均距离。螺旋线长度S越短,说明营养物质利用效率越高,即在给定的河段内营养单元会多次进行再循环。
(5)串连非连续体概念。串连非连续体概念(Serial discontinuity concept,SDC)是Ward等[12]为完善RCC提出的理论,意在考虑梯级布置的水坝对河流的生态影响。SDC定义了2组参数来评估水坝对于河流生态系统结构与功能的影响。一组参数称为/非连续性距离0,另一组参数为强度(intensity),反映水坝运行期内人工径流调节造成影响的强烈程度。
(6)洪水脉冲理论。Junk[13]于1989年提出了洪水脉冲概念(Flood pulse concept,FPC)。认为,洪水脉冲是河流-洪水滩区系统生物生存、生产力和交互作用的主要驱动力。洪水脉冲把河流与滩区动态地联结起来,形成了河流-滩区系统有机物的高效利用系统,促进水生物种与陆生物种间的能量交换和物质循环,完善食物网结构,促进鱼类等生物量的提高。在FPC提出后的10余年内,不少学者对于这个概念进行了实地观测验证和完善,使RCC成为河流生态学中一个具有广泛影响的理论。
(7)河流生产力模型。河流生产力模型(Riverine productivity model,RPM)是Thorp等[14]提出的一种假设。RPM针对有洪泛滩区的河流,重点考察河流侧向的物质和能量的交换过程。RP M认为不仅河流本身传输营养物质,而且岸边带的种植物以及从陆地向河流的物质输入也都做出了贡献。
(8)流域概念。流域概念(Catchment concepts,CC)是Frissel等[15]人于1986年提出的,这个概念强调了河流与整个流域时空尺度的关系,并且建议了河流栖息地从河道直到池塘、浅滩和小型栖息地的分级框架。其后一些学者发展了流域概念,Gardiner[16]认为在不同的空间和时间尺度下,综合的结构和功能特征是在不同的干扰情势下产生的。Townsend[17]提出了在流域尺度上河流和河段的动态的分级框架概念,试图预测在流域范围内生态变量的空间与时间格局。
(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)认为未被干扰状况下的自然水流对于河流生态系统整体性和支持土著物种多样性具有关键意义。自然水流用5种水文因子表示:水量、频率、时机、延续时间和过程变化率,认为这些因子的组合可以描述整个水文过程。动态的水流条件对河流的营养物质输移转化以及泥沙运动产生重要影响,这些因素造就了河床-滩区系统的地貌特征和异质性,形成了与之匹配的自然栖息地。在河流生态修复工程中,可以把自然水流作为一种参照系统。
(10)近岸保持力概念。Schiemer等[19]提出了近岸保持力概念(Inshore retentivity concept,IRC)。IRC 研究的对象是渠道化的或人工径流调节的河流。IRC认为,近岸地貌与水文因子的交互作用创造了生物区地貌栖息地条件。河流沿线的沙洲、江心岛和河湾等地貌条件以及水文条件,决定了局部地区流速和温度分布格局,而流速和温度对于岸边物种的生态过程十分重要。近岸保持力对鱼类的小型栖息地意义重大。近岸区域依靠增加浮游生物和较高温度,为幼鱼发育度过脆弱期以及降低死亡率创造了条件。
412河流生态系统结构功能整体模型(Holistic model of river ecosystem struc ture and function,HMRE)为了发展和整合业已存在的若干模型,笔者提出了河流生态系统结构功能整体模型[20],建立河流流态、水文情势和地貌景观这3大类生境因子与河流生态系统的结构功能相关关系,以期涵盖河流生态系统的主要特征。河流生态系统结构功能整体模型由以下3种子模型构成:河流流态-生态结构功能4维连续体模型;水文情势-河流生态过程耦合模型;地貌景观空间异质性-生物群落多样性耦合模型[15-16]。413交叉学科的发展河流生态系统研究方式是一种跨学科的研究。通过学科间的交叉、融合发展富有生命力的新的学科领域(图4)。
生态学与水文学的交叉形成了生态水文学,主要是研究水文过程与生态过程间的相关关系。生态学与水力学的交叉形成了生态水力学,其要义是建立水力学变量与河流生态系统结构功能间的相关关
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图4与河流生态学有关的交叉学科举例
系。生态学与地貌学的交叉形成了景观生态学,其目的是通过对于地貌的拓扑分析探索生态过程和系统的结构与功能[21-22]。生态学与水利工程学的融合形成生态水利工程学,其目标是改进传统规划设计方法,使水利工程在具备社会、经济功能的同时兼顾河流生态系统的健康需求[23]。
5管理战略及技术开发
生态保护的实施取决于决策者的政治意愿。需要在科学范式和概念的指导下,制定正确的管理战略,其目的是维持经济发展、社会公平和生态保护三者的动态平衡。主要手段是通过立法、机制与体制改革,处理好两类关系,第一类是调整人与河流的关系,约束人类自身的行为,包括流域可持续管理、河流污染控制战略、河流生态修复战略、生态功能区划、环境流量、河流健康评估等;第二类是调整因经济发展和生态保护派生出来的人与人的关系,以体现社会公平理念。这包括生态补偿机制、社会公众参与机制以及水资源一体化管理等。
保护和修复河流生态系统,需要在基础理论的指导下,研究开发相关的工程技术。近年开发的河流生态修复技术、生态方法污水处理技术、水库生态调度技术和人工湿地技术等都是十分活跃的领域。
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DONG Zhe-ren
(China Institute o f Wate r Resources and hydro powe r Researc h,Be ijing100038,China)
Abstract:The temporal and spatial scales for research on river ecosyste m are discussed and the relationships among different spatial scales such as landscape,river basin,river corridor and river section are analyzed.The background syste ms including nature system,ec onomy system,social system and engineering system are demonstrated.The key habitat factors including the hydrological regime,fluvial geomorphology,flo w pattern and water quality are summarized.On this basis the concept of fluvial paradigm and relevant model are discussed.Some existing important concepts of river ecosystem and models are revie wed.The holistic river ecosystem structure and function model describing the rela tionship between abiotic variable and biologic variable are suggested.The methodology for constituting river mana gement strategy based on study of river ec osystem is rec ommended.Finally,the development trend of river ecological technology is discussed.
Key words:fluvial ecosystem;research fra me work;scale;fluvial geomorphology;hydrological regime; river manage ment strategy;river ec ological technology
(责任编辑:韩昆)
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城市河流生态系统健康及其评价
近年来，我国在社会经济高速发展、城市化进程加快的同时，城市河流的水质遭到恶化，水生态系统受到严重破坏，从而导致城市水体功能的退化和降低。城市河流生态系统受到了来自自然和人为因素的巨大压力，在各类直接或间接、潜在或显在、独立作用与累积干扰的作用下，城市河流生态系统整体状况及生态过程受到严重影响，但是，以往的针对水质、河岸带、河道等单要素的研究无法全面的反映城市河流生态系统的状况，需要以一种综合的、生态系统层次上的方式对其进行研究。在这一背景下，研究城市河流生态系统健康的理论体系和评价方法，系统地诊断城市河流生态系统健康存在的问题和相互关联，为城市水环境质量改善提供理论依据和理论支持。 １ 城市河流生态系统及其健康的内涵 １．１ 河流生态系统 河流生态系统是指在河流内生物群落和河流环境相互作用的统一体，河流生态系统是动态的、开放的、连续的系统，具有典型的结构特征和独特的服务功能［１］，它包括陆地河岸生态系统、水生态系统、相关湿地及沼泽生态系统在内的一系列子系统，是一个复合生态系统。 河流生态系统的结构是指系统内各组成因素（生物组分与非生物环境）在时空连续及空间上的排列组合方式、相互作用形式以及相互联系规则，是生态系统构成要素的组织形式和秩序。河流生态系统同其他水域生态系统一样，具有一定的营养结构、生物多样性、时空结构等基本结构。河流生态系统服务功能是指人类直接或间接从河流生态系统中获取的利益。按照服务功能性质分类，河流生态系统服务功能主要可分为淡水供应、水能提供、物质生产、生物多样性的维持、生态支持、环境净化、灾害调节、休闲娱乐和文化孕育等。 １．２ 概念和内涵 城市河流包括自然形成和人工开挖的流经城市区域的运河、河流、渠道，是城市的资源和环境载体，关系到城市的生存、发展，是影响城市风格和美化城市环境的重要因素。 “健康”即指系统在各种不良环境影响中，结构 城市河流生态系统健康及其评价 Urban River Ecosystem Health and Its Evaluation ■ 边 博（河海大学环境科学与工程学院，南京 ２１００９８） ■ 程小娟（扬州环境资源职业学院，江苏 ２２５００９） 摘 要 介绍了城市河流生态系统健康的概念、内涵、特征以及研究尺度，阐述了河流生态系统健康评价的方法和评价指标体系，并指出了河流健康评价方法的发展方向，以及对我国河流管理的现实意义。 关键词 城市河流 生态系统健康 评价方法 指标体系
基于河流生态系统修复理念的中小河流治理应用
基于河流生态系统修复理念的中小河流治理应用 发表时间：2019-03-14T16:13:54.017Z 来源：《建筑模拟》2018年第34期作者：董琳朱晓春景文洲 [导读] 本文系统回顾了“生态治河”理念的演变历程，总结了目前生态治理中存在的一些误区，针对中小河流治理中河流生态系统恢复理念的应用提出了具体措施建议。 董琳朱晓春景文洲 海河水利委员会科技咨询中心天津 300170 摘要：中小河流是我国众多河流水系的重要组成部分，河流与其周边河岸带等环境载体一同构成了现今丰富多样、生动立体的生态系统。中小河流治理既是当前我国生态文明建设的主要任务之一，也是进一步提升防洪减灾能力的重要保障。本文系统回顾了“生态治河”理念的演变历程，总结了目前生态治理中存在的一些误区，针对中小河流治理中河流生态系统恢复理念的应用提出了具体措施建议。研究成果与结论可作为工程设计、河流管理等工作提供参考依据。 关键字：中小河道；河流生态系统；自然恢复；治理 Abstract：As an important part of China’s River System，Middle and Small Creeks，as well as surrounding reparation zone，constitute a diversified，vibrant and tridimensional Ecosystem. To efficiently harness Middle and Small Rivers is not only one of the mains tasks in current Ecological Civilization Construction，but a great improvement to China’s Flood Control and Disaster Reduction. A systematic review of evolution process is conducted in this paper to summarize and analyze the problems in present Middle and Small Creeks Harness. Some concrete measures are propounded，aiming at the application of Ecosystem Restoration Concept，to promote the Middle and Small Rivers construction. Results and conclusions can be referred by Engineering design or River Management. Key words：Middle and Small Creeks，Rover Ecosystem，Natural restoration，Harness 1 传统治理模式及变化趋势 中小河流是数量众多的河流水系的重要组成部分，是大江大河综合治理中关键的“最后一公里”，开展河道整治是恢复提高河道基本功能的根本措施，是提高水资源承载能力，改善生态环境的有效途径，支撑着人们日常生活和经济发展。 在中小河流治理之初，受传统的大江大河治理模式影响，以提高河道的防洪标准，恢复防洪功能，保障河流周边城镇、基础设施、基本农田防洪安全为目的。主要措施为清淤、复堤、新建堤防、护岸等措施。在河道治理中，采用裁弯取直、束河筑堤、清淤清障等方式增大过流断面，畅通河道、宣泄洪水，硬质护岸可以有效保护堤防不受水流冲刷的影响，防止河流溃决。经过一段时间的治理，中小河流在防洪排涝方面，取得了一定成效。 在传统的治理中，主要采用浆砌石、钢筋混凝土等硬质建筑材料，护岸基本型式为直立式和陡坡式，这种工程结构抗冲刷侵蚀和整体性较好，但堤岸过度硬化，封闭隔绝土壤与水体之间的物质交换，使得土壤、植物、生物之间失去有机联系，严重破坏岸坡周边的生态系统。经过裁弯取直的河道，较之自然蜿蜒曲折的河道，其水流流态更为均匀、汇流和下泄流速更快，不仅增加了上一级支流的防洪负担，也使得原来河流中生长的鱼类、植物失去适宜的水温、流速等生存环境。这些问题导致水生动植物数量急剧减少，河流生态功能退化。伴随人们对生态环境的认识和要求不断提高，传统治河方法的弊端已逐步为大家所认识，我国在近年来实施的中小河流治理中也突出生态治河理念，农村河道以保护农田为主兼顾恢复生态、美化环境，县城河道以县城防洪为主，兼顾亲水需求，营造水景观，尽量保持河流蜿蜒曲折的自然形态，恢复河流生态多样性。 2 河流生态系统修复 河流生态修复是指利用生态系统原理，采取各种方法修复受损伤的水体生态系统的生物群体及结构，重建健康的水生生态系统，修复和强化水体生态系统的主要功能，并能使生态系统实现整体协调、自我维持、自我演替的良性循环。 1962年，“生态工程”这一概念被首次提出，而后专家学者提出了对于生态治理的不同理解，Schlueter认为近自然治理首先要满足人类对河流的利用要求，同时维护河流的生态多样性，Bidner认为河道治理首要考虑河道的水力学特性、地貌学特点与河流的自然状况，以权衡河道整治与生态系统负面影响之间的尺度。Hohmann则强调生态多样性在生态治理中的重要作用，从维护河流生态平衡的角度出发，认为近自然河流治理要减轻人为活动对河流产生的压力，维持河流环境多样性，注重工程治理与自然景观的和谐性。 对于如何将生态系统修复理念应用于中小河流治理，有人主张河流生态治理应该更多的依靠自然界的力量，靠自然演替过程实现生态恢复目标；一些人认为，对于生态工程的把握，应在权衡满足经济社会需求与满足生态健康关系上，采取二者并重的立场。 3 中小河流的生态恢复治理理念 尽管许多发达国家在河流治理方面积累了许多经验，但其理论和方法尚处于发展阶段，由于我国自然条件和经济发展阶段的不同，不能直接套用发达国家的生态治理模式，必须结合我国国情进行河流生态治理。 董哲仁提出河流生态恢复应在充分发挥生态系统自我修复功能的基础上，采取工程和非工程措施，促进河流生态系统恢复到较为自然的状态，改善其生态完整性和可持续性的一种生态保护行动。 中小河流以县、乡河流为主，河流沿岸多为集中居住地区或基本农田，两岸滩地宽度较小，加之投资规模受限，不适宜采用大江大河与城市规划相结合的综合生态治理模式，治理应从河流水系自身的自然规律出发，在提升防洪减灾能力的基础上，立足当地自然条件和防洪需求，统筹协调流域防洪安全、生态环境保护、水资源可持续利用三者之间的关系。河流生态修复的主要任务是通过极简单的建筑材料与自然修复手段，在没有人类活动干预，或者干预较少的情况下，通过水流、植物、动物、土壤等河流生态系统中各个环节的共同作用，恢复河流自然原始状态，在一定的时间作用下，达到自然的平衡状态，恢复自我组织、自我修复能力，实现持续河流健康状态。 4 生态恢复在河道治理中的运用 从治理目标来看，河道生态恢复需要根据环境变化、经济状况及河流特征等因素确定，将河道整治目标定位于河流生态系统健康的保护和恢复，对河流水文、水质、河流生物、河流形态、河岸带状况进行综合评估、统筹考虑，从而确定科学、合理、经济可行的河道整治目标。 从治理措施来看，为了有效恢复和维持河流生态系统，中小河流治理必须转变单一追求工程安全的传统水利工程设计思想，根据治理
水利工程对河流生态系统的胁迫与补偿(1).
水利工程对河流生态系统的胁迫与补偿 (1) 本文阐述了河流生态系统的特点，指出河流形态多样性是生物群落多样性的基础。水利工程对于生态系统胁迫的主原因，是由于水利工程在不同程度上造成河流形态的均一化和非连续化，其结果导致生物群落多样性的下降。最后，文章提出了水利工程对生态系统补偿的技术对策点。 关键词：河流生态系统生态系统胁迫 1．引言 自然界或人类对于生态系统造成的不利影响，生态学中称为胁迫（stress）。人类活动对于河流生态系统的胁迫主来自以下5个方面：（1）工农业及生活污染物质对河流造成污染；（2）从河流、水库中超量引水，使得河流流量无法满足生态用水的最低需；（3）通过对湖泊、河流滩地的围垦挤占水域面积以及上游毁林造成水土流失，导致湖泊、河流的退化；（4）在湖泊、河流或水库中，不适当地引入外来物种造成生物入侵，使乡土种受到威胁或消失；（5）水利工程对于生态系统的胁迫。本文重点讨论水利工程的负面影响问题。 众所周知，兴建的大量水利工程满足了人们对于供水、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、社会进步的作用巨大。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方面，水利工程同样贡献巨大。 那么，“水利工程对生态系统造成胁迫”这个命题又从何谈起呢？ 事物无不具有两重性。从人类幼年时代开始至今在地球上进行的大规模生产和经济活动，首推大片土地的农业垦殖及城市利用，其次是森林大规模砍伐，自工业化社会以来的温室气体排放等，都是引起全球生态系统变化的重因素。而自远古至今兴建的水利工程是一种在流域和区域水平上对生态系统产生重大影响的事件。人类为自身的安全和经济利益，在疏导河流、整治河道，筑坝壅水等方面，不仅明显地改变着地地形地貌，影响着局部气候，同时也大幅度地改变着河流自身的形态，在不同程度上降低了河流形态多样性。其结果将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。 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
城市化过程对河道系统的干扰与生态修复原则和方法
生态学杂志Chinese Journal of Ecology 2010,29(4):805-811 城市化过程对河道系统的干扰与生态 修复原则和方法* 陈利顶1** 齐 鑫1,2 李 芬1,2 杨丽蓉1,2 (1中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;2中国科学院研究生院,北京100039) 摘 要 城市化快速发展在带来大量工业和生活污水的同时,对自然生态系统的干扰也打 破了原来生态系统的结构和平衡,由此带来的生态环境影响已经引起人们的高度重视三本 文系统分析了城市化过程对河道系统的干扰类型二特征,影响河道生态系统健康的关键过 程和河道系统生态修复的基本原则和发展方向三认为城市河道系统受到的干扰主要体现 在结构固结化二形态规整化和功能简单化3方面;影响河道生态系统健康的关键过程可归 纳为3方面:物质交换通道的阻隔二生物栖息环境的破坏和河道生态水文过程的失衡三指 出河道系统的生态修复应该遵循以下6个原则:1)道法自然原则;2)功能引导原则;3)时空 尺度分异原则;4)生态循环与平衡原则;5)利益相关者参与原则;6)综合效益最优原则三在 此基础上,进一步分析了河道系统生态修复的时空尺度和生态修复的方法以及发展方向三 关键词 城市化过程;河道生态系统;人为干扰;生态系统健康;环境影响 中图分类号 TV85;X171.4 文献标识码 A 文章编号 1000-4890(2010)4-0805-07 Disturbances of urbanization to river course system and related ecological restoration prin? ciples and approaches.CHEN Li?ding1,QI Xin1,2,LI Fen1,2,YANG Li?rong1,2(1State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology,Research Center for Eco?Environmental Sciences,Chi? nese Academy of Sciences,Beijing100085,China;2Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China).Chinese Journal of Ecology,2010,29(4):805-811. Abstract:The rapid development of urbanization brings large volume of waste water to the envi? ronment,and its disturbances to natural ecosystem may break the structure and the balance of original ecosystems.Much attention has been paid on the resulted environmental effects,but how to restore a healthy river course system is still lacking scientific methodology.In this paper,the disturbance types and characteristics of urbanization on river course system,the key processes affecting river course system health,and related ecological restoration principles and approaches were elaborated.In general,there are three characteristics of the disturbances on river course system,i.e.,structural fixation,shape regulation,and function simplification.The key proces? ses affecting river course system health are the stoppage of substance exchange path,the destruc? tion of wildlife habitat,and the imbalance of river eco?hydrological processes.Following six prin? ciples have to be followed when restoring river course system,i.e.,1)nature?based principle, 2)key function?steered principle,3)spatial and temporal scaling principle,4)consideration of ecological circulation and balance,5)public participation of stakeholders,and6)optimization of comprehensive benefits.The development directions,approaches,and spatiotemporal scale issues related to the ecological restoration of river course system were analyzed. Key words:urbanization;river?course ecosystem;human disturbance;ecosystem health;envi? ronmental effect. *国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07526?002?02)和国家杰出青年基金资助项目(40925003)三 **通讯作者E?mail:liding@https://www.wendangku.net/doc/7011597819.html, 收稿日期:2009?12?07 接受日期:2010?01?30
河流生态系统健康评价及展望
河流生态系统健康评价及展望 1引言 人类社会的可持续发展归根结底是生态系统的可持续发展问题，而生态系统管理是合理利用和保护资源、实现可持续发展的有效途径[1]。河流对人类的发展非常重要,不仅可提供食物、工农业及生活用水,还具商业、交通、休闲娱乐等诸多服务功能。作为重要的生态系统类型，河流生态系统还是生物圈物质循环的主要通道之一，很多营养盐及污染物在河流中得以迁移和降解[2]。但在过去的几十年中，河流生态系统不断受到人类活动的干扰和损害。随着工业文明的迅速发展，人类对水资源的需求大量增加，很多河流因用水过度而面临断流或枯竭；此外，大量污染物的排入和森林及河岸缓冲带的乱砍乱伐严重影响了河流水环境状况，其结构受到极大破坏，诸多生态功能也因人类活动的干扰而逐渐丧失。在1999年联合国环境计划署组织的“面向21世纪水资源委员会”对流域面积最大的25条世界大河进行调查后的总结报告中指出，世界的大江大河水质欠佳，多数河流水量日益减少，而污染程度则日渐加重。 在被调查的河流中，中国的黄河，流入中亚咸海的前苏联锡尔河、阿姆河，美国科罗拉多河，印度的恒河和墨西哥的莱尔马河6条河水质极差，被评为最不卫生的河流；只有南美的亚马逊河、印度支那半岛的湄公河和北美的圣劳伦斯河水质较好。由此可见，如何维持现有河流生态系统的服务功能，修复受损系统，促进河流及其流域的经济、社会和环境的可持续发展已经成为一个全球性的问题。作为可持续发展概念的一个重要目标，恢复和维持健康的生态系统迅速成为科学家的共识，用健康来描述一个环境的状况是科学发展和社会价值观进步的必然结果，维持和恢复一个健康的生态系统已成为近年来环境管理的重要目标[3-5]。生态系统健康评价在森林、河流、农田、湿地等不同类型生态系统领域迅速展开[6-8]。而如何评价河流生态状况正成为水利科学、环境科学和生态学领域研究的热点之一。研究河流健康状况的评价不仅可应用于对河流现状的客观描述和评估，而且有助于管理决策者确定河流管理活动，对于河流的可持续管理及区域生态环境建设都具有非常重要的意义。 2生态系统健康概念 生态系统的概念首先是由英国植物生态学家A.G.Tansley于1935年提出的，最初定义是包括一个定义的空间中所有的动物、植物和物理环境的相互作用，以及由生物与环境形成的自然系统。其后有Lindeman. R的能量动态理论、Odum家族提出的生态系统发展中结构和功能特征的变化规律、Kumar. H. L的超级系统理论，以及马世骏等提出的社会－经济－自然复合生态系统模型（SENCE）等。总之，生态系统是一定空间范围内，有生物群落与其环境所组成，具有一定时空格局，它自身借助于功能流而形成的稳定系统。它具有整体性、生态功能、服务功能、自我维持和调控功能，并且具有动态的、生命的特征，是一个复杂的生命有机休，具有健康、可持续发展特性。因此，对生态系统进行健康评价研究甚为重要。
河流与城市生态系统
河流与城市生态系统 摘要：河流是城市生态系统的重要组成部分。本文分析了河流具有的供应水源、提供绿地、保护环境、旅游娱乐、交通运输等各项生态功能，指出保持河流的自然地貌特征、维持自然水文过程、控制河流水污染、综合规划河流是发挥河流在城市生态系统中作用的基本方法。 关键词：河流城市生态系统城市生态建设 人类诞生伊始濒水而居，近水而种。河流与城市的发生、发展息息相关， 河流或穿城而过，城市或滨水一侧。在远古时代河流就为城市提供了稳定的水源和肥沃的土壤，后来，随着水上交通工具的发展，河流成为了城市物资运输的重要通道；在近代工业化阶段，河流对城市的作用更加重要，不仅成为水源地、动力源、交通通道，而且是污染净化的场所；在现代，城市生态化成为城 市建设的主流，在其生态建设过程中，河流显示出不可替代的意义。河流对城市的繁荣与衰落，对城市社会、经济、环境协调发展有至关重要的意义。 1 河流与城市生态 城市生态建设就是城市模拟自然生态系统，创建一个物质循环畅通、能量流动高效、系统过程稳定、结构和功能协调的生态系统，为城市人口提供一个与社会和自然发展相匹配的、持续稳定的物质环境，保证城市人口的身心健康发展。河流本身所具备的物质静态和动态特性，为城市生态提供了一定的基础。 1.1河流与城市水源 水在人类生活中是必不可少的物质之一，许多城市人均用水量(除工业用水)已达到100L/d·人以上，如此庞大的用水量从就近河流中引取，具有投资少，稳定性高等诸多优势。城市生产中所必需的大量的各类工业用水从就近的河流中解决，也具有明显低成本、高稳定的优势。地下水可以作为城市的水源，但是地下水安全性、卫生性、稳定性，经济高效性等方面都无法与地表河流相比，且城市地下水在很多情况下，大部分补给量仍来源于河流，河流水量的减少、水质的恶化均会影响到地下水量的时空分布和水质的时空分布，且大量使用地下水，将不可避免地引起地面沉降而加剧地质与洪涝灾害。尽管人类可以远距离调水，但是伴随而来的将是高的供水成本。可以预见，河流在未来仍是城市生产和生活用水的最佳水源。 1.2河流与城市热岛效应
人教版.1《生态系统的结构》教案(新人教版必修3)
第1节生态系统的结构 一．教材分析：虽然学生学过多种类型的生态系统，以及生物群落的空间结构，这些都不足以让学生明确生态系统中的生物与生物之间、生物与非生物之间的有机联系，不能真正理解“系统”的含义；后3节课的生态系统的功能和稳定性，又都是通过物质和能量沿着食物链和食物网的流动来实现的。生态系统的营养结构既具体阐述了生态系统中的生物与生物之间、生物与非生物之间通过营养而发生联系，帮助学生真正理解生态系统的含义，而且更是后面所学内容的基础。 二．教学目标： 1．知识目标：理解并掌握生态系统的营养成分及其营养结构，区别营养结构与空间结构，理解生态系统四种成分的营养功能地位及其相互关系，理解营养结构与功能的关系，掌握营养级的概念以及营养级与食物链的关系。 2．能力目标：通过指导学生分析生态系统的组成成分及其营养结构，培养学生分析综合和推理的思维能力。 3．德育目标：通过学习生态系统各组分的相互关系及食物网，渗透普遍联系的辩证观点的教育；通过了解生态系统的组成成分，渗透“人是生态系统中一员”的观点，从而对学生进行生态观点的教育；通过学习相邻营养级生物之间的关系，培养学生“一分为二”的辩证思想。 三．教学重点：生态系统的成分及其功能地位，营养结构及营养级的知识。 四．教学难点：食物链、食物网、营养级三个概念的区别和联系，以及在食物链中后一营养级生物对前一营养级生物的积极作用。 五．教学设计思路的理论依据：从个性到共性和从感性到理性的认识规律，从具体到抽象的思维规律，事物联系的普遍性原理。
六．学法指导：学生应尽量联系自已最熟知的一个具体生态系统，如一个水库或温州市景山森林生态系统，甚至在课外到学校附近的某一个生态系统进行实地考察和研究，来分析、理解并掌握生态系统的营养成分和作用，以及营养结构及其功能。 七．教师的教法：通过师生互动对话和生生合作讨论、共同探究有关生态系统的营养成分和营养结构的知识为主，以有关PPT课件为辅完成教学目标。尽量引导学生通过分析、讨论、比较和归纳出生态系统的营养成分，进而形成食物链和食物网的概念。让学生参与完成课堂练习，实现教学反馈与调整。 八．教学课时：1学时 九．教学过程： 板书教学过程 二．生态系统的营养结构(一)营养成分 (依次打开第1至4张PPT，播放森林生态系统、草原生态系统、海洋生态系统图片，最后播放课本中的池塘生态系统的图片) 讲述：我们前面学习了根据空间上生活资源分布的不均匀性和不同生物的生物学特征的差异性之间的相互作用，形成的生态系统在空间上的结构。那么，如果根据生物群落中不同生物类群在物质和能量流动过程中所起的不同营养功能时，生态系统的营养结构又会是怎样的呢？(板书：见左侧。并打开第5张PPT)而构成这一结构的营养成分又有哪些呢？(板书：见左侧。并打开第6张PPT)请同学们根据这些或你们最熟知的一个具体生态系统，回想一下什么叫生态系统。 师问：什么叫生态系统？ 生答：(略) 讲述：(根据学生对生态系统概念的描述，板书：见左侧)这就是生态系统的两大营养成分。(引导学生继续讨论，并分析在非生物成分中有哪些具体成分与生物群落有着最密切的关系) 师问：在非生物成分中有哪些具体成分与生物群落有着最密切的关系？(让学
河道生态修复基础
河道生态修复基础知识 一、概况 河道生态修复是指在生态学原理基础上，使用综合方法，改善水文条件和河道地貌学特征，修复受损伤的水生态系统的生物群体及结构，重建健康的水生生态系统，修复和强化水体生态系统的主要功能，并能使生态系统实现整体协调，自我维持、自我演替的良性循环。 城市河道生态修复是根据自然生态系统多样性的要求，恢复河道自然属性，改变因城市化和传统水利工程所造成的河道的非自然面貌，消除因此带来的生态胁迫，为河道内及滨河的生物重新构建栖息场所，使得生态系统恢复到接近自然的状态，从而恢复城市河道各种功能，保持河道健康。 二、世界河流生态修复进展
世界上许多国家都在进行河道重返自然的生态修复。从上世纪70 年代起开始，发达国家针对人类活动干扰对河道生态系统的负面影响，开发了河道生态修复的理论和技术。并在河道整治工程和堤防工程设计、施工规范中增加了河道生态建设的内容，或颁布了专门的河道生态工程设计导则。 目前，国外河道生态修复技术包括以下：根据“给河道以空间”的洪水管理理念，建设分洪道、降低河漫滩高程；恢复河道连续性和蜿蜒性；河道岸坡生态防护；重建深槽和浅滩序列；恢复洪泛区湿地；创建河道内生物栖息地结构；建设亲水设施；应用多孔和透水护岸材料和结构等。同时，利用生态学理论，采用生态技术修复受污染河水，恢复水体自净能力，如：人工湿地处理系统、河道直接净化技术、氧化塘处理系统、植物——土壤处理系统、水生植物处理系统、生物操纵技术等 1）德国的近自然河道治理工程 德国的Selferr 首先提出近自然河溪治理的概念。它是指能够在完成传统河道治理任务的基础上，接近自然、经济并保持景观美的一种治理方案1。20 世纪50 年代，德国创立了“近自然河道治理工程”，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理。70 年代中期，德国进行了称之为“重新自然化”关于自然的保护与创造的尝试，开始在全国范围内开始拆除了被砼渠道化了的河道，将河道恢复到接近自然的
河流生态系统的理论及运用
河流生态系统的理论及运用 2?研究背景 水资源利用现状 近年来我国生态环境的恶化不断加剧，人类一味的追求水资源的最大经济可利用水量，忽视生态环境自身对水资源的需求。特别是北方地区水资源供需矛盾尖锐，在水资源严重短缺的情况下，生态环境用水被经济用水所挤占，北方多数地区河流开发过度。水资源、水问题可以概括为“水多、水少、水脏、水生态恶化〃，这些问题严重影响了我国的可持续发展⑴。进入22世纪，而对严峻的水资源短缺、经济快速发展与生态协调等问题，我国学者提岀了“而向生态〃的新概念, 而向生态的水资源利用重视自然生态的需求，综合考虑自然——社会——经济复合生态系统的需求，我国进入了面向生态的水资源利用模式生态保护型阶段。 1.2河流生态环境问题 人类对水资源开采程度好破坏程度的不断增强使水文循环受到严重的扰动，水资源自然循环的途径和通量发生改变，其可再生能力也有不同程度的改变，出现一系列的问题，如河道断流、地下水位下降、水资源短缺、水污染等等。水作为生物木身的组成部分，在自然生态系统中
起着无可替代的重要的决定作用。要使生态环境朝着良性循环的方向发展，必须首先满足生态系统所必须的水量要求。 2.生态需水基本理论 2.1河流生态需水及其特点 基于自然水循环角度［2］,河流生态需水可以定义为：在特定时段内，在一定的生态保护目标下，维持河流基本结构与功能所需要的一定水质目标下的水量。其内涵可以理解为：（2）维持河流生态系统现状；（2）避免河流退化；（3）提供水来支撑自然过程，以保留关键的生态服务和社会服务功能。具体可以归结为一下几个方面：（1）维持河床沉积物的大小和移动性；（2）维持常年性河流不断流；（3）维持河道的纵向连续性；（4）维持河流特征和环境；（5）维持洪泛平原; （6）维持河滨植被；（7）维持河口的生态平衡；（8）维持娱乐和舒适性。河流生态需水特点：质与量的统一性［引；时间与空间性；尺度多样性；最优性与阙值性。这些特点涉及到方方面面的因素，必须统筹兼顾，全局把握，针对特点有目的的改造河流，造福人类。 2.2河流生态需水重要水文要素与指标 河流生态需水研究的一个重要问题就是如何选取水文指标。这些指标包括：（1）与流量状况总体趋势密切相关的指数如平均日流量、平均的
(整理)城市河流与城市的生存与发展
城市河流与城市的生存与发展 1．1 河流是城市诞生的摇篮 凡是国际上著名的城市，总有一条著名的河流与之相随相伴。在欧州，国际河流多瑙河孕育了两岸的城市群；在我国，黄浦江与东海滋润和催生了上海，使之从一个小渔村迅速崛起成为一座国际大都市。 世界著名的大都市巴黎与水有着千丝万缕、不可割舍的关系。塞纳河从巴黎城的中间流过，将巴黎分为南北两部分，它像一条美丽的项链串起了整个巴黎。塞纳河聚集了巴黎的许多人文景观，也聚集了法国古往今来的许多精华所在。巴黎倘若离开了美丽的塞纳河，将会是怎样一番情景，恐怕谁都难以想象。上海离开了黄浦江、苏州河，也就不能成为今天的上海。 世界上主要的大城市基本上都是傍水而建。一般，河流中下游地区大多是城市集中、经济相对发达的地区。在中国7大江河的下游地区，人口密集，城市集中，经济发达，集中了全国1／2的人口，1／3的耕地和70％的工农业产值；而由河流入海口泥沙沉积形成的三角洲，更是经济中心所在：如地处上海经济区核心的长江三角洲，中国南方深圳、广州、珠海经济区的珠江三角洲。据预测，在本世纪初，全国各类规模的城市总数将逾1000座，这些城市大部分分布在长江、黄河等7大水系和沿海地带，它们的诞生和发展都和河流水系息息相关。 1．2 河流是城市文明的发祥地 世界上每一个文明的发源地，都是傍依江河湖泊，并依靠必要的可供水源而发展起来的。古代早期的城市，也都选择在有河流、有水的地方。许多民族和国家都把河流比做自己的母亲，如中国的黄河，印度的恒河和俄罗斯的伏尔加河。古代的四大文明古国都发源于大河流域，黄河流域是中国古代文明的发祥地，尼罗河孕育了古埃及文化，印度文化起源于恒河和印度河流域，古代巴比伦也是在幼发拉底河和底格里斯河形成的两河流域发展繁衍的。河流以其丰富的乳汁孕育了人类早期的伟大文明，并在河流两岸崛起大批的繁华城市群。凡是河网水系发达的地区，都是城市文明最发育的地区。 河网水系对传承城市历史文化起着非常重要的作用。没有城市水系的点缀，丰富的水面与城市的其他景观相映衬，形成优美的自然景观和人文景观，城市的文化内涵和深厚的文化底蕴就不会充分展现。
浅议河流生态系统修复的理念和措施
浅议河流生态系统的修复 摘要：在经济飞速发展的今天，人类活动对河流产生了巨大的影响。人们渐渐的意识到这个严重问题，但是在河道治理工程中，传统的方法对生态破坏较大。采用生态修复的方法能恢复已受破坏的河流生态环境。通过分析受损河流生态系统在生态修复方面的研究现状及存在的问题和国内外河流生态修复的现金理念和技术。提出了河流生态修复的目标和措施。 关键词：河流生态系统传统治理生态修复目标技术措施植物措施 引言 随着社会经济的发展进步，人对河流的过度开发利用而不加以保护。传统的河流治理工程往往局限于防洪、排涝、引水和航运等基本功能而很少考虑河流的生态、景观、休闲、娱乐等其他功能。河流治理中大量的采用混凝土等硬质材料使自然水体形态渠道化或水池化，水岸混凝土化，破坏了河流生态系统，使得河流无法自净;隔断了水体与陆地之间的联系，使得水质恶化，水生生物锐减，河流生态系统退化。然而随着社会的进步、经济的发展，人们对生态环境的要求越来越趋向于天然，提倡和谐发展、简历生态型社会等并加强水资源保护，改善河流环境，修复和构建生态型河流已是势在必行了。河流石水陆交错带，在调节气候、保持水土、防洪方面具有重要的功能。健康的河流生态系统能使物质通过其界面区的速度和形式保持适当，从而使陆地加强了“水土保持”，水体防止了“富营养化”的出现。不合理的土地利用方式和高强度的开发，会导致河流生态系统受到严重破坏，在城镇化程度较高的地区表现尤为突出。 河流生态修复的目标正是为了重建受到破坏的河岸生态系统，恢复水文、地质、生物多样性等生态功能。目前国内对河流生态修复的研究大多集中在护坡上，而往往忽视了对河流功能恢复，对其河流生态治理整体上认识不足。本文研究了国内外河流生态修复的先进理念和技术，探讨河流生态功能修复的目标和措施。 一、传统河流治理存在的问题： 河流是人类生存和发展必不可少的要素，是水环境的重要载体，也是自然环境的重要组成部分。人类为了生存和发展，不断的和河流争夺空间和资源，特别是经济的发展更加重了对河流的索取，然而传统的河流治理技术中，特别是对城市河流，为了争夺有限的土地和控制河势、确保河流的防洪安全，人们着力于运用石块、混凝土等硬质材料的结构设计。片面强调防洪、排涝或兴利输水，不考虑对水生态、水环境的影响，牺牲了河流可持续发展的空间，损伤了河流的健康，破坏了生态系统，污染了水环境，缩短了河流的生命，退化了河流应有的功能。而且在各种的设计规范，未明确提出河流的生态治理的要求，致使不少地方的河流，被人为渠化及对河岸的强行硬化，产生了诸多的影响，主要有： 与河流争夺空间，导致生态系统的破坏 城市经济的发展和人口的增加，城市河流水面不断的被人为侵占或缩窄，导致城市水面积急剧减少，天然调蓄功能严重萎缩，家中了内涝发生的几率。在城市建设中，为了多争一块土地，许多城市盲目填河，将河流排水改为管道排水，将软排水改为硬排水，城市排水管网与城市河流不配套，排水系统不协调。防汛排水时，市区内河水满为患，泵站被迫停机的事时有发生，致使城市排水的矛盾十分突出。 河道两岸水渠化、硬化，导致城市景观河水环境的破坏 国内河流治理片面追求统一化、直线化、河槽渠化，河岸硬化，边界整齐，走向笔直，河流两岸被强行硬化覆盖，只考虑河流的防洪功能，而淡化了河流的资源功能和生态功能，破坏了自然河流的生态链，破坏了生态环境。河岸衬砌硬化之后，原始河岸面目全非，土体与水体的关系相割裂，隔断了河流水域中的生物、微生物与陆域的接触，并引起其自然生存环境
城市河道的生物修复
城市河道的生物修复 摘要：城市河道污染的特点一般是水体富营养化严重，氮磷含量超标；水体滞流，多处于厌氧状态，复氧能力差；淤积严重，透明度低，甚至出现黑臭现象；河道生态系统退化严重，自净能力差等。城市河道往往需要进行综合整治，如调整产业结构、提高污水处理率和废水回用率、控源截污、清淤、水系沟通、护岸整修、完善调水设施、沿河绿化、水质修复等等，以达到标本兼治的目的。 关键词：城市河道、河道治理、修复技术、生物修复 一、前言 城市河道是一个城市的标志，是城市生态系统重要的组成部分，是城市重要的生物廊道。汇集、接纳地面径流和地下径流，沟通内陆和大海，具有航道、文化、娱乐、休闲、景观、生态等多种功能，对减弱城市热岛效应、降低城市洪涝灾害、丰富城市景观多样性和生物多样性、提高城市品位具有十分重要意义]2[。 城市河道作为城市的命脉之一，与人类之间的相互作用越来越强烈，一方面人类更强烈地影响城市河流的水文特性、物理结构和生态环境；另一方面城市的社会经济系统和居民日常生活也更加依赖于城市河流所提供的各种服务功能]3[。 近年来，随着人口的增长和经济的快速发展，越来越多的污染物被排入城市河道，城市河道遭到严重污染。城市河道污染严重影响了人们的生活及健康，制约了我国社会经济的可持续发展。因此，发展经济的同时应积极研究适合我国经济发展阶段的河道污染治理技术。而生物修复因其本身具有费用低廉、高效快速、安全，且二次污染小等优点，被广大专家所推荐]3[。 二、我国城市河道面临的问题 1.河道渠化、直线化、平面化严重。人们出于行洪安全考虑，将蜿蜒曲折的天 然河流改造成直线或折现型的人工河流，河道横断面形状规则化，致使河流原有的“曲折蜿蜒”的形状和“深潭”、“浅滩”等许多生物赖以维持生存
河流健康评价：理论、方法与实践
河流健康评价：理论、方法与实践 【摘要】：河流生态系统是生物圈物质循环的重要通道,河流健康则是全面审视河流生态系统的崭新概念。随着河流管理从单一的污染防治及工程整治向综合考虑水体修复与生态保护的河流生态系统管理方式转变,旨在从水质、生物、生态等众多角度综合评估河流系统状况、改进河流管理的河流健康概念得以提出并受到更多的关注,已经成为河流或流域管理的国际趋势。长江三角洲地区为典型的平原河网区,河网水系不但是具有区域地理地貌特征的生态廊道和重要生境,而且也是体现典型江南水乡特色的自然与人文景观,但伴随着区域近年快速的城市化进程,人类对河流生态系统的干扰日趋严重。在此背景下,论文以河流健康为主线,从环境科学、生态学、水利科学等多学科交叉视角,运用理论研究与实证分析相结合的方法,系统探讨河流健康评价的理论、方法与实践,以期补充和完善正在发展过程中的河流健康理论与方法体系,并为区域河网水系的合理保护和恢复提供有效工具。论文系统梳理了国内外河流健康与河流管理的研究历程,运用内容分析法辨析了河流健康的重要概念和基本内涵,基于空间尺度和时间尺度明确了河流健康的时空维度,探讨了河流健康的基本特征与关键问题、学科基础与相关理论、评价原则与管理原则,从主要手段、基本程序、关键方法等角度尝试提出河流健康评价的方法体系。论文以上海地区为案例区域,结合历史环境质量数据、河流整治数据、遥感解译数据的收集,通过2007年野外调查及实地监测,开展河流健康
评价的实证研究;以苏州河水系为重点开展河流健康状况评估,以中心城区河流为重点进行河流健康恢复评估,并从管理框架、管理目标、管理策略、管理机制等方面提出上海地区河流健康的适应性管理对策。论文主要研究结果体现在以下几个方面:(1)重点辨析和解构河流健康内涵,识别河流健康评价的时空特征。论文运用内容分析法对中外文献近10-15a内有影响力的36个河流健康概念进行分析,将河流健康进行重新架构:河流健康是指河流系统特定的良好状况,可以作为河流基准状态以及河流管理的目标,在这一状态下,河流系统能够维持其结构完整性,充分发挥其自然生态功能,并满足人类社会合理需求,提供相应的社会服务功能;基于河流系统的时空特征,明确河流健康评价的点(断面、微生境)、线(河流、河段)、面(流域、水系)空间尺度以及短、中、长时间尺度,剖析不同时空尺度河流健康评价的维度特征和评价重点。(2)基于相关概念和基本特征识别,初步构建河流健康评价的理论框架。论文在辨析河流健康、生态完整性、生态系统健康等基本概念以及明确河流系统整体性、复杂性、动态性和连续性等特征的基础上,识别河流健康的时空差异性、动态性、阈值性、针对性以及可控性等基本特征;结合河流等级理论、河流连续体概念和四维模型、生态系统管理和适应性管理等理论基础,尝试提出促进可持续发展、多尺度综合评价、面向适应性管理、多利益方共同参与等河流健康的评价原则以及生态可持续性、尺度综合性、系统整体性、动态适应性以及多方参与性等河流健康的管理原则。(3)尝试提出包含评价手段、基本程序和关键方法的河流健康评价方法体系。论文在深入剖析和借
退化河流生态系统修复概述
退化河流生态系统修复概述 集美大学水产学院海洋渔业科学与技术0712班 左薇薇2007250036 近几十年来．随着人口的增加和工农业生产的发展，河流生态系统退化问题愈来愈严重。从一首民谣：“50年代淘米洗菜，60年代洗衣灌溉．70年代水质变坏，80年代鱼虾绝代，90年代身心受害。”我们可以了解我国大部分河流生态系统退化的大致过程。2000年，我国11．4万km河流水质评价统计结果显示．符合和优于Ⅲ类水的河长占总评价河长的58．7％，10年过去了，这一数字仍在大幅度下降。 说到这里大家就有疑问，什么是生态系统？什么是退化生态系统？我一一个大家做出解释。 在大气科学和应用气象学中生态系统是指生物群落及其地理环境相互作用的自然系统，由无机环境生物的生产者(绿色植物)、消费者(草食动物和肉食动物)以及分解者(腐生微生物)4部分组成。 在地理学和生物地理学中生态系统是指由生物群落和与之相互作用的自然环境以及其中的能量流过程构成的系统。 在昆虫和昆虫生态学中生态系统是指在一定空间范围内，所有生物因子和非生物因子，通过能量流动和物质循环过程形成彼此关联、相互作用的统一整体。 在生态学和生态系统生态学中生态系统是指在一定空间范围内，植物、动物、真菌、微生物群落与其非生命环境，通过能量流动和物质循环而形成的相互作用、相互依存的动态复合体。 我们主要采用第四个定义来解释生态系统。
退化生态系统是指在自然因素、人为因素干扰下，导致生态要素和生态系统整体发生不利于生物和人类生存的量变和质变。 退化河流生态系统的退化，导致河流廊道水生和陆生动植物物种数量減少，生态系统功能下降，湖泊和湿地面积萎缩，华北等地区地下水位元持续下降等。 河流生态系统的退化现状目前由以下几个方面组成： 一是江河、湖泊和水库的污染問題，这对生态系统的健康和可持续性造成了重大威协； 二是北方干旱或半干旱地区，水资源的供需矛盾日趋尖锐，由于超量用水造成河流干涸和断流，引起河流生态系统退化。 三是除了化学药品和生活垃圾工业垃圾随意排放到河流当中，人类为了自身的安全与发展，对于河流的进行了大量的人工改造。特别是近一百多年来利用现代工程技术手段，对河流进行了大规模开发利用，兴建了大量工程设施，改变了河流的地貌学特征。河流一百年的人工变化超过了数万年的自然演进。有学者估计，至今，全世界有大约60％的河流经过了人工改造，包括筑坝、筑堤、自然河道渠道化、裁弯取直等（Brookes,2001）。据统计，全世界坝高超过15米或库容超过300万立方米的大坝有45000座。其中大约40000座大坝是在1950年以后建设的。坝高超过150米或库容超过250亿立方米的大坝有305座。（ICOLD，2000）。建坝最多的国家依次为中国、美国、前苏联、日本和印度。 一方面，这些工程为人类带来了巨大的经济和社会利益，另一方面却极大改变了河流自然演进的方向。人们始料未及的是对于河流大规模的改造，造成了对于河流生态系统的胁迫，导致河流生态系统的不同程度的退化。这种退化也降低了河流生态系统的服务功能，本来大自然对于人类的恩赐因此而减少，这样反过来又损害了人类自身的利益。 人类也逐渐意识到河流生态系统对自身的副作用是异常巨大的，也开始寻求方法进行生态系统恢复。随着人们逐渐认识到维系河流健康生态系统的重要性，