不同河流地貌形态的生态学作用及生态功能分析

不同河流地貌形态的生态学作用及生态功能分析蔡玉鹏1 夏自强1,2余文公1（1 河海大学水资源环境学院，2水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098）摘要：不同河流地貌、河道形态对于河流生态系统具有不同的生态学作用及生态功能。

本文阐述了不同类型的河道形态河流地貌水文水力学特征，对河流空间结构、河道形态进行了分类。

在此基础上以长江中华鲟、四大家鱼产卵场河段为例，讨论了河流地貌地形与生物多样性之间的关系及其影响。

指出河流生态系统健康与生物多样性依赖于河流地貌与河道形态在空间上的多样性和异质性。

关键词：河流地貌河道形态生态作用生态功能生物多样性河流地貌过程决定河流形态，进而决定河流生物的生态环境结构，而河流的生态环境结构是生物多样性及生态健康的基础。

近年来河流形态和河道特征被作为评估河流生态系统健康的重要因子。

例如美国环境署(U．S．E．P．A)提出的《快速生物评估草案》RBP(Rapid Bioassessment Protocol) [2]，将溪流河道特征，包括宽度，流量，基质类型及尺寸纳入主要评估内容。

另外象澳大利亚《河流状况指数》ISC(1ndex of Stream Condition) [6]、英国环境署的河流栖息地调查方法(RHS)(River Habitat Survey)[7]、南非的河流地貌指数方法ISG(Index of Stream Geomorphology)、瑞典岸边与河道环境细则RCE(Riparian, Channel and environmental Inventory)，都强调河流地貌、河流形态，包括河道横断面形态、断面宽深比等，这些因子对河流生态系统的意义和重要性。

国内董哲仁提出生态水工学理论，强调河流形态多样性是流域生态系统生境的核心，是生物群落多样性的基础［4］。

因此研究河流地貌、地形、河道形态、断面形状对于水生态系统及水生生物具有重要意义。

1 河流生态系统的地貌特征河流是水流作用形成的主要地貌类型。

在自然状况下，以水为核心生态因子的河流系统，经过洪水泛滥、水土侵蚀、自然改造等各种因素，在自然界漫长的演化下形成河道、洪泛平原、湖泊、湿地、河口等不同的水生态系统。

河流从源头到河口，气象、地貌、地质、水文、水质、水温呈明显的带状分布特征，物质结构、能量结构、空间结构异质性明显，这一特征造就了河流上、中、下游生境异质性。

1.1 纵向带状分布上游区：河流形态特点是落差大，河谷狭窄，河流比降大，横断面小，水流侵蚀力强。

河床质由各种大小岩石块和砾石或卵石组成，颗粒直径较大。

在河流上游区蕴涵着丰富的水能，沿河有机质、养分、悬浮物等的运动速度快，水流挟沙能力强，河流中泥沙随水流运动被带入下游，水体清澈，溶解氧含量高。

径流特点是流量和流速变化大，洪水暴涨暴落，洪水过程尖而瘦，洪峰持续时间短，年径流变化大。

但是生物多样性较差，如长江上游金沙江段，落差达3000多米，生物种类较少，只有少数个体较大的中华鲟、江豚等，为适应这种生境条件，在自身的形态结构上有与之相适应的特征。

身体呈流线型，以适应急速流动时把摩擦力降到最小，而有的呈扁平状，以便能在岩石缝隙中找到栖息场所。

中下游区：河流进入中游比降变缓，河道横断面变宽，河流的深度和宽度加大，虽然流量增大，但是变化幅度变小，水流趋于平稳。

水流挟沙能力变小，水体透明度变小，溶解氧含量相对较小。

上游的一些鱼类，随着河流地貌、河流形态、水文、水质、温度等生态因子基金项目：国家自然科学基金资助项目，项目编号：30490235作者简介：蔡玉鹏（1977－），男，河南洛阳人，河海大学硕士研究生，主要从事水文水资源及生态水利研究。

Email：hnhncyp@的变化，在河流中下游很少或完全消失。

但是随着生物栖息地空间的变大，生物物种多样性特征较为明显。

长江自宜昌开始进入中游，河流蜿蜒曲折，其中枝江至城陵矶荆江河段直线距离仅为185公里，而河道长度长达420公里。

长江中下游湖泊众多，生活的鱼类种目多，江湖半洄游性鱼类占有重要地位。

河口区：河口区与上游、中游区具有很大的区别。

河流比降变的更为平缓，江海之间交换频繁，河流受到海洋潮流的影响，淡水与海水混合导致水体含盐量较高，这里既是洄游性鱼类的必经之路，也是淡水生物和海洋生物的栖息地，河口的生物多样性更加明显，生产力高，生物量大，生态系统更加复杂。

1.2 横向连通性河流在横向上的延伸主要是河岸、河滩地和洪泛区等。

河岸是河流和河岸以外空间物质交换、能量流动、信息交流的介质，具有重要的作用。

河岸生态系统是联系陆地和水生生态系统的纽带。

河岸带生态系统将河流生态系统与陆地生态系统紧密地联系起来，是两者间进行物质、能量、信息交换的生态过渡带，它具有明显的边缘效应。

洪泛区是河道两侧受洪水影响，周期性淹没的区域，包括一些河滩地、浅水湖泊和湿地。

在洪水季节，河流断面加大，淹没河岸及河滩地，给河流中鱼类提供了更为广阔的生存空间和栖息场所，同时洪泛区可拦蓄洪水及上游带来的泥沙，洪水退后留下丰富的有机物，土壤条件优越，常常是鸟类、昆虫和两栖动物的栖息地。

1.3 垂向上的分层河流表层阳光充足，与大气接触面大，水汽交换频繁，曝气作用明显，有利于植物的光合作用，因此河流表层常分布有丰富的浮游植物。

中层和下层，太阳辐射作用随着水深的加大而逐渐减弱，溶解氧含量降低，浮游生物随着水深的增加而逐渐减少。

底部对于许多生物来讲，具有支持底栖动物、提供生活和产卵场所、营养物质来源等作用。

因此，河床的结构、形状、河床质组成、稳定程度都直接影响着水生生物的分布。

大部分河床由卵石、烁石、沙土、黏土等组成，都具有透水性和多孔性，这些特征给地表水与地下水之间的交换提供了连通通道。

2 河流形态生态特征2.1 河流形态分类由于气候、地质地貌因素、水流运动特性及其相应的沉积特性，河道植被的连续性，使得河流形态在小尺度范围内总体上形成四种不同类型的平面河型，分别是顺直型、弯曲型、分汊型河交织型［5］。

顺直型：河流形态顺直较为稳定的单河道，水面比降很小，一般下游比上游比降要小，横断面特征表现为较对称的U字型，在河流上中下游均有分布。

水流连续性好，在边界特征上顺直型河道两岸物质组成较为均匀连续，河床质组成沿断面变化较小。

弯曲型：弯曲度通常大于1.3的单河道系统，断面为不对称的V字型，一般在冲积河流中下游，水流特点是右岸冲刷，左岸沉积，水流在一定条件下使河道裁弯取直，形成漫滩。

横断面在弯道处表现为复式断面。

河床质沿断面变化较大，沿右岸到左岸粒径较大的卵石或砾石逐渐变为粒径较小的粗砂或细砂。

分汊型：通常为弯曲型河道和分汊河道交替分布的较稳定的多河道系统。

一般在冲积河流的中下游。

比降较大，断面分布较为复杂，一般单河道呈不对称的V字型，而在分汊处多为W字型。

水流在各分支流彼此消长，但是主流稳定。

通常在河道中有江心洲存在，河岸具有一定的抗冲性，河床质分布不均，河床质的组成也相对多样化。

交织型：弯曲度通常小于1.5且具有一系列可迁移的河道砂坝的多河道系统。

比降最大。

横断面的形态最为多样化，常常是被砂质冲积物隔开的宽深不一的复合式断面。

在这种河道中，河流水流连续性差，多形成涡流，流速大小和方向变化多端，随机性强。

河岸边界组成颗粒较粗，抗冲能力较差。

2.2 河道形态与生态之间的关系在实际情况下，天然河流从源头到入海口总是各种不同河型相互交织，不同类型的河道形态在局部河段会同时存在。

河流的地貌、河道地形、横断面形状、水流状态也呈现出多样性和异质性，从而造就了各种不同的生境，形成了丰富的生物群落和物种。

河流首先给水生生物提供了生活栖息地，自然界的生物在长期的进化演变过程中，逐渐适应了不同类型的栖息地，栖息地的类型与河流地貌、河道形态有密切的关系，河流地貌形态这些边界条件决定了水流的运动规律，复杂的河道形态水流运动复杂，流态紊乱，流向多变。

图1至图4所示为长江中下游中华鲟产卵场、四大家鱼产卵场不同的河道形状。

图1 葛洲坝下中华鲟产卵场顺直型河道 图2 监利段四大家鱼产卵场弯曲分汊型图3 长江城陵矶段四大家鱼产卵场河曲型 图4 武穴江段四大家鱼产卵场矶头型型逐渐态多样性明显，沿河道纵向断面形江心洲在顺直型河道中，河道构造和结构较为单一。

河流自上游到下游河道断面逐渐由V字转变为U字型，河势较为稳定，水流速度快，一些急流生物如大型鱼类逐渐适应这样的生存环境，在这里形成固定的栖息场所和繁殖场地。

而长江葛洲坝下中华鲟产卵场处于大坝消能区内，受工程的影响，河道断面并不表现为较对称的U字型。

从能量和物质结构的角度来看，水流运动所消耗能量主要用于水体向下游运动，而对河岸的冲刷不明显，上游所携带下来的沉积物和营养物质，在顺直型河道随水流迁移到下游。

因此在顺直型河道中，由于河流形态地貌空间异质性不很明显，生物多样性程度较低。

而在弯曲型、分汊型、河曲型河道中，如图2、3中河道形状变化多端，由在水力学条件上表现为深槽和浅滩的交替出现。

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。

而在深潭里，太阳光辐射作用随水深加大而减弱。

水温随深度变化，深水层水温变化较表层变化缓慢。

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。

同时深槽内流速较小，也为水生生物特别是鱼类提供休息场所。

从能量和物质角度来说，河道形态的多样性造就了不同水流流态，在右岸流速较快，水流携带的能量冲刷河岸，下切河床，同时在水体自身的碰撞和摩擦中消耗能量。

在河流左岸水流缓慢，与右岸的急流相互作用形成涡流，在回水区形成静止水域，河床逐渐淤积，营养物质被截留，为鸟类、两栖动物和鱼类提供饵料、育肥、栖息等。

在这种开放的生境中，生境的异质性明显，生物多样性较高，也形成了较为复杂的生态系统。

2.3 水利工程对地貌地形的变化及对生物的影响影响研究是目前水文学和生态学研究的热点力学条件变窄，河道所述，河流地貌地形在河流生态系统中具有重要的意义。

不同的河流地貌、河道形参考文献：[1] MCCULLY P. Silenced River [M]. London: Zed Books Ltd,1996.102—120ble River ：99．多样性[J]. 水利学报，2003，（11）：1-6：Review of Physical berra ，aven P J ，Holmes N T H ，Dawson F H ，et a1．River Habitat Quality —the physical ritage 水利工程特别是大型水利工程对河流生态系统的之一。

根据水利工程对河流下游生态系统的影响程度，可以划分为三个层次：第一层次是筑坝对河流下游能量、物质(悬浮物、生源要素等)输送通量的影响；第二层次是河道结构，如河道形态、河床冲刷和泥沙淤积等，以及河流生态系统结构和功能的变化，如种群数量、物种数量、栖息地等的变化。