水生态系统的五大生态要素特性

发表时间:2022/5/9 0:45:04  浏览次数:1460  
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水生态完整性是指水生态系统结构与功能的完整性,或者称为水生态要素的完整性。水生态要素可概括为五项: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,食物网结构和生物多样性。

01水文情势时空变异性

自然水文情势(Nature Hydrological Regime)是指人类大规模开发利用水资源及改造河流之前,河流基本处于自然状态的水文过程。自然水文情势是维持生物多样性和生态系统完整性的基础。

水文情势时空变异性是生物多样性的基础要素,水文情势的时空变异性会导致流域或大区域的群落组成、结构、功能以及生态过程都呈现出多样性特征。同时,水文情势时空变异性也是河流物质流、能量流、信息流和物种流的驱动力。此外,不同水文情势都会有相应的生态响应。比如,河流生态激流可以刺激鱼类产卵,脉冲流量可以促进河湖水系连通,洪水脉冲为浮性鱼卵漂流、幼鱼生长、植物种子扩散提供合适的水流条件,等等。

02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。

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图1 宜昌水文站 2000 年长江流量过程与生物过程关系

河流形态的空间异质性包括河型多样性和形态蜿蜒性、河流横断面的地貌单元多样性,以及河流纵坡比降变化,等。例如,不同河型的河流中,辫状型河段和游荡型河段中生物多样性较之蜿蜒型河段要低;不同横断面的河流形成的干流河槽、河漫滩、江心洲、牛轭湖等为不同水生物栖息提供了多样的生境。

湖泊形态的空间异质性与河流不同,主要是湖盆地貌形态的差异。例如,形状、面积、水下地貌形态和水深。水平方向地貌变化影响生态功能,垂直方向水深变化影响光合作用,岸线不规则程度影响栖息地面积和风力扰动程度,等。

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图2 湖泊水平分区: 敞水区和湖滨带

03河湖水系三维连通性

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。河湖水质连通性也是物质流、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。而生境破碎化(Habitat Fragmentation)与连通性恰恰相反,是由于人类活动(大坝、堤防、道路等工程构筑物,水库径流调节等活动)造成的三维连通性条件遭到破坏,景观破碎,进而导致水生态系统受损。

04适宜生物生存的水体物理化学特性范围

水体物理化学特性包括水温、溶解氧、营养物质、pH值及酸碱度、重金属和有毒有机化学品等。这些特性是表征水环境质量的重要指标,也是直接影响水体生物生长栖息环境的重要因素。例如,溶解氧是鱼类等水生生物生存的必要条件,水体中氮、磷等营养物质过剩会导致水体富营养化,严重破坏水体生态系统结构和功能,水体重金属会在水生生物中富集,导致生物慢性中毒甚至死亡,等。

05食物网结构和生物多样性

生命系统是水生态系统的核心,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。

河流湖泊的食物网主要是由两种食物链联合而成,两条食物链的区别是初级生产者不同,一条食物链的初级生产者是“自生生产”,即初级生产者为藻类、苔藓、大型植物等,形成的营养金字塔为:初级生产→食植动物→初级食肉动物→高级食肉动物。另一条是“外来生产”,包括落入水体的落叶、残枝、枯草和及其他有机物碎屑,形成的营养金字塔为:流域有机物输入→碎食者→收集者→初级食肉动物→高级食肉动物。

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图3 水生态系统二链并一网食物网结构

河湖生物多样性受河流动态水文情势、河流地貌空间异质性、水体物理化学特性范围等多种要素综合作用。河流系统的分区不同,生物的分布格局各异。河道是河床中流动水体覆盖的动态区域,是水生生物最重要的栖息地之一。湖泊与河流不同,是静水区域,在湖泊生活的物种经过长期演化,其形态、行为均和湖泊的静水环境特点高度适应,并形成了复杂完整的营养结构,构成了湖泊生态系统。

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图4 完整的水生态系统营养级关系

各生态要素交互作用,形成了完整的结构并具备一定的生态功能。这些生态要素各具特征,对整个水生态系统产生重要影响。生态完整性强调生态系统的整体性,任何生态要素的退化都会影响整个生态系统的健康。

整理自:《论水生态系统五大生态要素特征》,董哲仁,《水利水电技术》,2015;部分图片来自网络。

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