董哲仁：论水生态系统的五大生态要素特征

水生态完整性是指水生态要素的完整性。各生态要素交互作用，形成了完整的结构和功能。生态要素各具特征，对整个水生态系统产生重要影响。水生态要素特征概括起来共有五项，即水文情势时空变异性; 河湖地貌形态空间异质性; 河湖水系三维连通性; 适宜生物生存的水体物理化学特性 范围以及食物网结构和生物多样性。河湖生态修复的任务是修复水文、地貌、水体化学物理性质和生物这些生态要素，部分恢复水生态要素的特征。         

引  言

水生态完整性是指水生态要素的完整性，从本质上讲是水生态系统结构与功能的完整性。水生态要素包括水文情势、河湖地貌形态、水体物理化学特征和生物组成及交互作用。各生态要素交互作用，形成了完整的结构和功能。这些生态要素各具特征，对整个水生态系统产生重要影响。水生态要素特征概括起来共有五项，即水文情势时空变异性; 河湖地貌形态空间异质性; 河湖水系三维连通性; 适宜生物生存的 水体物理化学特性范围以及食物网结构和生物多样性。

一、水文情势时空变异性

1.水文情势时空变异性是生物多样性的基础要素

在时间尺度上，受到大气环流和季风的影响，水文循环具有明显的年内变化规律，形成雨季和旱季径流交错变化，洪水期与枯水期有序轮替，造就了有规律变化的径流条件，形成了随时间变化的动态生境多样性条件。

2.水文情势五种要素

根据自然水文情势理论，水文过程可以分为低流量过程，高流量过程和洪水脉冲过程三种生态流组分。每一种水文组分可用流量、频率、持续时间、出现时机和变化率等五种水文要素来描述。自20世纪90年代，国外学者提出了多种自然水文情势的量化指标体系，其中以美国Ｒichter (1996—2007)和 Mathews 等(2007) 提出的5类33个水文变化指标(Indicators of Hydrological Alteration IHA); Fernandez(2008) 依据《欧盟水框架指令》定义的 21 个河流改变指标; Gao( 2003) 提出的 8 项广义指标 ( Generalized Indicators) 具有代表性。其中 IHA 指标简明实用，应用较为广泛。Ｒichter( 2007) 把 IHA 修正为五类流量水文组分、34 个指标体系和相关计算软件。

3.水文情势的生态响应

在流量要素方面，低流量是常年可以维持的河流基流。河流基流是大部分水生生物和常年淹没的河滨植物生存所必不可少的基本条件，基流也为陆生动物提供了饮用水。高流量维持水生生物适宜的水温、溶解氧和水化学成分; 增加水生生物适宜栖息地的数量和多样性; 刺激鱼类产卵; 抑制河口咸水入侵。脉冲流量的生态影响包括: 促进河湖连通和水系连通，为河湖营养物质交换以及为鱼类洄游提供条件; 洪水脉冲还为漂流性鱼卵漂流、仔鱼生长以及植物种子扩散提供合适的水流条件，洪水脉冲还抑制河口咸潮入侵，为河口和近海岸带输送营养物质、维持河口湿地和近海生物生存。其他水文要素包括发生频率、持续时间、出现时机和变化率等，都有相应的生态响应。

二、河湖地貌形态空间异质性

空间异质性( Spatial Heterogeneity)是指某种生态学变量在空间分布上的不均匀性及其复杂程度。河湖形态空间异质性是指河湖地貌形态的差异性和复杂程度。河湖地貌形态空间异质性决定了生物栖息地的多样性、有效性和总量。大量观测资料表明，生物多样性与河湖地貌空间异质性成正相关关系。

1.河流形态空间异质性

在河流廊道尺度内，水流常年对地面物质产生的侵蚀和淤积作用，引起地貌结构持续变化，使河流形态在纵、横、深三维方向都显现出高度空间异质性特征，从而创造了多样的栖息地条件。

河型多样性和形态蜿蜒性：河流平面形态多样性，表现为河流具有多种河型，包括蜿蜒型、微弯顺直型、辫状型、网状型和游荡型。不同河型的河流生物多样性特征不同。辫状型河段和游荡型河段的生物多样性相对较低，而蜿蜒型河段较高。

河流横断面的地貌单元多样性：河流横断面主要组成为干流河槽、河滨带和河漫滩。河槽断面多为几何非对称形状，具有异质性特征。除了干流河槽、河滨带和河漫滩以外，地貌单元还包括季节性行洪通道、江心 洲、洼地、沼泽、湿地、沙洲、台地，以及古河道和牛轭湖。多种地貌单元随水文情势季节性变化，创造了多样栖息地环境。

河流纵坡比降变化规律：一般情况下，纵坡比降的基本规律是: 从河源到河口，河流纵坡比降由陡变缓，水动力由强变弱，泥沙颗粒由粗变细，据此确定了相应的河型，创造了多样的生境。

2.湖泊形态空间异质性

湖盆地貌形态是重要的生境要素。地貌形态特征 包括形状、面积、水下地貌形态和水深，这些因素均 对湖泊生态系统结构与功能产生重要影响。

水平方向地貌变化影响生态功能：湖泊在水平方向划分为湖滨带和敞水区。湖滨带位于水陆交错带，有来源于陆地的营养物输入，而且水深较浅，辐照度较强，能够支持茂密的生物群落。敞水区是湖泊的开放水面，水深高于湖滨带，阳光辐照度低，只能生长浮游的小型藻类。

垂直方向水深变化影响光合作用：湖泊水体中植物光合作用率取决于适宜辐射。在透光带，如果有营养物投入，那里的光合作用率就会很高。随水深增加，辐照度逐渐衰减，光合作用率也随之衰减。在辐照度为湖面辐照度1%的位置，光合作用接近零。在超过这个深度的无光带，浮游植物不能生存。一些湖泊在夏季出现温度分层现象。水温的垂直变化直接影响湖泊的化学反应、溶解氧和水生生物生长等一系列过程。

岸线不规则程度影响栖息地面积和风力扰动程度：岸线不规则程度高的湖泊，具有较大的湖滨带面积，拥有更多适于鱼类、水禽生长的栖息地和湿地，也拥有较多的湖湾免受风力扰动。另外，不规则的岸线具有较长的水—陆边界线，能够接受更多的源于陆地的氮、磷等物质。

三、河湖三维连通性

河湖三维连通性是指河流纵向、垂向和侧向连通性以及河湖连通性。水是传递物质、信息和生物的介质，因此河湖水系的连通性也是物质流、能量流、信息流和物种流的连通性。三维连通性使物质流(水体、泥沙和营养物质) 、物种流( 洄游鱼类、鱼卵和树种漂流) 和信息流(洪水脉冲等)在空间流动通畅，为生物多样性创造了基本条件。河湖连通性与水文连通性是交互作用的。河湖地貌连通性是物理基础，水文连通性是河湖生态过程的驱动力。河湖连通性是一个动态过程，而不是静态的地貌状 态。由于气候变化、水文情势变化和地貌演变，河湖连通性也处于变化之中，所以要重视河湖连通性的易变性。连通性的相反概念是生境破碎化( Habitat Fragmentation) 。人类活动包括工程构筑物(大坝、堤防、道路等)和水库径流调节等活动，破坏了三维连通性条件，引起景观破碎化，导致水生态系统受损。

1.河流纵向连通性: 上下游连通性

河流纵向连通性是许多物种生存的基本条件。纵向连通性保证了营养物质的输移，鱼类洄游和水生物的迁徙以及鱼卵和树种漂流传播。在一些河流上建设的大坝，阻断了河流纵向连通性，造成了景观破碎化; 阻塞了泥沙、营养物质的输移; 洄游鱼类受到阻碍。

2.河流垂向连通性: 地表水与地下水连通性

河流垂向连通性是指地表水与地下水之间的连通性。垂向连通性的功能是维持地表水与地下水的交换条件，维系无脊椎动物生存。地表水与地下水之间的水体交换，也促进了溶解物质和有机物的交换。城市地面硬化铺设以及河岸不透水护坡影响了垂向连通性，引起一系列生态问题。

3.河流侧向连通性: 河道与河漫滩连通性

河流侧向连通性是维持河流与河岸间横向联系的基本条件。侧向连通性促进岸边植被生长，形成了水陆交错的多样性栖息地，也保证了营养物质输入通道。侧向连通性还是洪水侧向漫溢的基本条件。河流与河漫滩之间的构筑物(堤防、道路) 阻隔，妨碍陆生动物靠近河滨带饮水、觅食、避难和迁徙。缩窄河滩建设的堤防以及道路设施，对河流侧向连通性都会产生负面影响。

4.河流湖泊连通性

河流与湖泊间的连通性，保证了河湖间注水、泄水的畅通，同时维持湖泊最低蓄水量和河湖间营养物质交换，河湖连通还为江河洄游型鱼类提供迁徙通道。年内水文周期变化和脉冲模式，为湖泊湿地提供动态的水位条件，促进水生植物与湿生植物交替生长。

四、水体物理化学特性范围

1.水 温

各种水生生物都有其独特的生存水温承受范围。大部分水生动物都是冷血动物，无法调节自身体温，它们的新陈代谢必须依靠外界热量。

2.溶解氧

溶解氧是鱼类等水生生物生存的必要条件。溶解氧(DO) 反映水生生态系统中新陈代谢状况。溶解氧浓度可以说明大气溶解、植物光合作用放氧过程和生物呼吸耗氧过程三者之间的暂时平衡。水中的氧气主要通过水生植物、动物和微生物的呼吸而流失。

3.营养物

除了二氧化碳和水以外，水生植物( 包括藻类和高等植物) 还需要营养物质支持其组织生长和新陈代谢，氮和磷是水生植物和微生物需要量最大的元素。

4.pH 值，碱度，酸度

水的酸性或碱性一般通过 pH 值来量化。pH 值为 7，代表中性条件; pH 值小于5表明中等酸性条件，pH 值大于9表明中等碱性条件。许多生物过程如繁殖过程，不能在酸性或碱性水中进行。

5.重金属和有毒有机化学品

在环境污染方面所说的重金属主要是指汞、镉、 铅、锌等生物毒性显著的元素。酸性矿山废水、废弃煤矿排水、老工业区土壤污染以及废水处理厂出水等都是重金属污染源。

五、食物网和生物多样性

水生态系统的核心是生命系统。非生命部分的生态要素直接或间接对生命系统产生影响，特别是影响河流湖泊的食物网和生物多样性。

1.食物网结构: 二链并一网

河流生态系统实际存在两条食物链，这两条食物链联合起来又形成一个完整的食物网。作为河流食物网基础的初级生产有两种，一种称为“自生生产”，即河流通过光合作用，用氮、磷、碳、氧、氢等物质 生产有机物。另一种初级生产称为“外来生产”，是指由陆地环境进入河流的 外来物质如落叶、残枝、枯草和其他有机物碎屑。

2.河湖生物多样性

河流动态水文情势是河流生态系统的驱动力，河流地貌的空间异质性提供了栖息地多样性条件，成为河流生物多样性的基础。河流是动水系统，经过长期演变过程，在河流系统生活的生物，从形态和行为上都已经适应了动水环境。

3.湖泊生物多样性

湖泊是相对孤立的生境，生物群落和生态系统 类型具有很强的区域性。湖泊与河流不同，属静水区域。在湖泊生活的物种通过长期演化已经在形态和行为上适应了湖泊的静水环境特点。

六、结语

生态完整性是生态系统生态学的基本概念。维护和修复生态完整性是生态管理和生态工程的基本目标。由于人类大规模活动引起各生态要素特性的改变，损坏了生态完整性，使整个水生态系统受损。河湖生态修复的目的是修复水文、地貌、水体化学物理性质和生物这些生态要素，最大限度恢复水生态要素的特征。河湖生态修复的目标，不能定位在某种单一要素上，比如仅仅修复水文条件以保障生态需水; 或者仅仅改善水质等。这种单一目标的河流生态修复，不能满足生态完整性的要求。再者，各生态要素的修复目标，不能靠主观确定，而应该以自然状况下的生态要素特征为理想标尺，根据生态现状、经济合理性和技术可行性论证确定。

文章来源：水利水电技术