第二讲 河流生态学bachlor2
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第二讲 河流生态学
2013春
2013/4/7
1
Section II：河流廊道过程、特性 及其功能
• • • • • 2.A 水文水力学过程 2.B 地形地貌过程 2.C 物理化学特征 2.D 生物群落特征 2.E 功能及动态平衡
2.A 水文水力学过程
The hydrologic cycle
降水到达地面后——
如植物种类、树叶形状、质地、 密度及树枝、树干大小、植物群 落的年龄； 下雨时间、铅直及水平密度、 降雨的强度、历时和频率等。
② 蒸腾：植物根系水分——蒸腾作用——返 回大气 ；拦截：降水——拦截——返回大 气
土壤水分蒸发蒸腾损失总量 =Transpiration 蒸腾 + Evaporation 蒸发(from interception sites and open water surfaces, such as ponds and lakes, soil moisture )
陆生动物群落
• 河流廊道提供栖息地——有吃有喝有玩的地方
• 动物与其栖息地相互影响 – 爬行动物、两栖动物 – 鸟类 – 哺乳动物
水域生态系统
• 水生栖息地：河流生物多样性及物种丰富度决定于
栖息地的多样性。
• 自然功能的、稳定的河流系统可以增加栖息地的多
样性及数量。
• 河道断面形状和尺寸、河流弯曲程度及坡降、泥沙
The curves indicate the probability that the mean monthly discharge will be less than the value indicated by the curve
月平均流量小于该 流量的概率
流量的生态影响
河川径流变化是首要影响生物/非生物过程的因 素，决定了河流生态系统的结构和动力过程； 高流量影响输沙及洪泛区连通
③遮阴-滨水植被
• 影响河流光照及水温；
• 在小而窄的河流边重建灌木类滨水植被带可以提
供合适的阴凉及残枝，恢复河岸及河流水生生态
系统；
• 但对大河流即使重建大的乔木类滨水植被带也只
能影响近岸条件，对整个河流的光照及水温影响
不大。
④溶解氧
• 影响DO的因素：温度、气压、流速、水生植物量、 污染物等。 • 在高温、低流速、沉水植物及藻类疯长、水中有机 质浓度过高等情况下均可能造成DO浓度下降。
Sediment load (输沙负荷) Sediment discharge (输沙量) Bed load（推移质） Suspended sediment discharge (or suspended load （悬移质）
悬移质
推移质
Stream Power
蜿 蜒 度 增 加 ， 输 沙 能 力 下 降
陆生植被
– 影响河槽特性：岸边植物根系固土，稳定边坡， 防止冲刷；水中林及落枝改变局部流场，造成局 部冲刷和淤积；大的树枝可以影响深潭分布、有 机物质及营养循环、形成对鱼类及无脊椎水生动 物特别重要的小的栖息地。 – 影响河道水流：阻碍汇水、削减洪峰，降低基流 流量，增加河流水温。 – 影响河道鱼类及野生动物：河流廊道植被连续性 遭破坏时会对动物的迁徙等产生影响。
During a storm, the soil nearest the stream has two important attributes as compared to soil upslope—a higher moisture content and a shorter distance to the water table. These attributes cause the water table to rise more rapidly in response to rainwater infiltration and causes the water table to steepen. Thus a new, stormgenerated ground water component is added to baseflow. This new component, called subsurface flow
②Water Temperature
• 水温控制着冷血水生生物体的生物化学、物理生
物过程，对其生长、发展及行为模式有重要作用。
• 高温区或高温季节，有些生物生长、繁殖更快。
• 水温对河流鱼类等生物分布具有重要影响，同时 水温通过对DO等影响来间接影响其生物分布。
Maximum weekly average temperatures for growth and short term maximum temperatures for selected fish (º F)
The Phosphorus Cycle
•modified from Goldman and Horne. 1994. Limnology. McGraw Hill.
⑥ 有毒有机化合物
主要来源于杀虫剂、除草剂 等农、林、牧及部分工业。
在河流——土壤中发生以下过程： 溶解 吸附 挥发 降解
⑦ 重金属
自然界中的一些金属如砷、锌、铅、水银等，当
其浓度超过一定限度时，对各种水生生物产生毒害 作用。其主要作用机理是通过鳃的吸附作用形成。 其毒性随食物链而富集。
主要来源：土壤、泥沙及工业废弃物、酸矿废水
3.D 生物群落特性
• 河流廊道生物群落决定于陆地及水生生态 系统。 • 土壤储存和循环营养等物质的能力决定于 土壤及其有机体群落的特性及微环境， • 这些也决定了对有机物及无机物质的过滤、 隔离、降解、固化及解毒的效果。
氮的形态
– N2 – 氨NH3 、铵NH4 + – 亚硝酸盐NO2–、硝酸盐NO3– – 有机氮
The Nitrogen Cycle
•modified from Goldman and Horne. 1994. Limnology. McGraw Hill.
河流生态系统中氮循环过程
同化
动植物的)排泄
地表拦截后蒸散发重新回到大气 (taken 2/3 in USA)——蒸散发 入渗进入土壤或地下水——入渗 形成地表径流，进入江河湖海——地表径流 • ——这三个过程均揭示了降水如何在河流廊道中运 移传输
① 地表拦截:被植物、天然或人 工构筑物拦截，通过蒸发又 回到大气中。 截留大小决定于地表以上截留 的容量及降雨特性。
Summary of DO (mg/L) generally associated with effects on fish in salmonid and nonsalmonid waters.
尺寸及分布、甚至台地等均会影响水生栖息地。
生态系统中不同尺度下均有不同栖息地
Wetlands
• 湿地：是一个生态系统，它决定于周期性的浅水淹 没或饱和。 • 湿地功能：栖息地、供水、储存沉积物、滞纳洪水、 净化水质、补给地下水 。
Functions of 河流湿地
水生植物与动物
• 河流生物通常分为七类：
2）化学组分
当水在浅表层流动时，与有机、无机物以及 土壤中的空气发生化学反应；
在地下流动时，因流速慢，因此有更多的时 间来溶解矿物质； 在河槽流动时也存在化学反应。
① pH, 碱度, 酸度 对生态的影响：许多生物过程，如繁殖等不能在酸 碱环境中进行；pH值的快速波动会对水生生物体产 生压力；还有酸性环境会通过加快有毒化学物质的 释放速度来加剧有毒物的污染问题，碱性环境会增 加氨的毒性…… 影响pH值的因素：自然过程+人为活动
– 分解者：细菌、真菌 – 生产者：藻类 水生植物(浮游、沉水、挺水) – 消费者：
• • • • 原生生物 小型无脊椎动物，长度<0.02 大型无脊椎动物 脊椎动物 (鱼类、两栖类、爬行类及哺乳类)
食 物 网
长在石头上的
撕食者
刮食者
收集者 捕食者
水生态系统中 非生物和生物相互作用
• 河流生物的时空变化反映了生物与非生物因素的
③ 入渗 : 重力作用或毛细管作用进入土壤中
毛细管作用力 毛细管作用力
④ 径流： 当暴雨径流超过入渗能力时，形
成地表径流
2/3就地入 渗,1/3地表径流
100%就地 入渗
土壤渗透率、地表糙率、降雨雨强、雨量和持续时间
地表径流 地下径流 Runoff=overland flow+subsurface flow+saturated壤中流 flow overland
⑤ Nutrients
水生植物生长除需要水及二氧化碳外，还需要其它营养物 质如氮 、磷、钾、铁、硒、硅等。 控制营养物质的来源，包括点源和面源污染源，是保持良 好水生生态的关键。
Sources and concentrations of pollutants from common point and nonpoint sources.
Water moves downward and along this slope and into the stream channel. This portion of the flow is the baseflow.
Flow Analysis 流量历时：一段时间内超过河川径流的概率 流量频率：年内超过河川径流的概率
3.C 物理化学特性
• 1）物理特性 ① 沉积物： 影响河道形态、水温、水质、水生生态 （如细沙堵塞和磨损鱼的鳃，使底部动物 卵窒息，淤积卵石空隙、改变空隙中水流 及供氧条件使鱼的产卵地消失等）； 影响水上娱乐、运动项目；携带污染物质。
② 水温 温度越高溶解氧越低； 通过食物链作用，水温越高，水生生物体的新陈代 谢及繁殖能力增强。 有些水生物种只能在特定温度下生长，改变水温的 极端温度将影响水生物种构成。 影响非生命体的化学过程，如充氧、有机物吸附、 分解等。 影响水温的因素：流域土地利用、河流廊道结构、污 水排放、地表与地下水的比例、水工建筑物的修建等。
③饱和溶氧量
• 当溶氧量大于饱和溶氧量时向空气释放氧，反之 吸氧。 • 饱和溶氧量：受水温及水的盐度、气压等影响。
氧传输受以下因素影响
• • • • • • 水体混合 水温 风力扰动 大坝、瀑布 水表膜 水深
④ BOD生化需氧量
• biochemical oxygen demand. 来源： – 点源排放 – 面源输入 – 地下水
变化，
• 包括水质、温度、流量流速流态、河床边界物质、
食物及营养物质、捕食者与被捕食者的关系等。 • 这些因素影响水生生物的生长、生存和繁殖。
①Flow Condition
• 水流条件：包括流速、水深、流态、流量 • 流速直接影响食物及营养的迁移，能耗等； • 流速越低，物种丰富度越高； • 但高流速是有些鱼种迁徙及产卵的信号，也可 能冲刷清洗河床物质。
洪水脉冲的生态功能强大
Biblioteka Baidu
2.B 地形地貌过程
• 地形学：研究地球表面三维空间几何形态的函数，可用 地形图表示，其数学函数关系为：
• 地貌学：研究地表组成物质及其形态在内、外营力作用 下的演变及其分布规律的科学，可用地貌图表示，其函 数关系为： • 河流动力地貌学：研究全流域面及其水系的组成物质及 其形态在流水动力作用下的演变及其分布规律的科学。 • 河床演变学：研究河道水系的变化规律，即研究河流的 边界在水流作用下的变化，这种变化反映了边界物质的 侵蚀、搬运和堆积过程。
② 溶解氧
DO< 2 mg/L以下时，水生生物体窒息； 在低溶解氧下会产生厌氧细菌，有毒气体或与污 染水体相关的异味气体。 影响因素：光合作用溶氧、大气复氧、生物呼吸 消耗、耗氧污染物的输入、水生植物体死亡分解。
光合作用固碳产生有机体及氧： 6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O2 河流廊道恢复时常通过人工跌水复氧
与水流相关的三个地貌形成过程
① 侵蚀
② 沉积物输移
③ 沉积物沉降
土壤侵蚀：人类活动/自然过程.
引发土壤侵蚀的因素如下：
沉积物输移
输沙能力/挟沙能力
一定水力条件下输移最大粒径的能力—— stream competence. 牵引力/剪切力，受水深、河道坡度等因 素影响。
沉积物输移相关术语：
2013春
2013/4/7
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Section II：河流廊道过程、特性 及其功能
• • • • • 2.A 水文水力学过程 2.B 地形地貌过程 2.C 物理化学特征 2.D 生物群落特征 2.E 功能及动态平衡
2.A 水文水力学过程
The hydrologic cycle
降水到达地面后——
如植物种类、树叶形状、质地、 密度及树枝、树干大小、植物群 落的年龄； 下雨时间、铅直及水平密度、 降雨的强度、历时和频率等。
② 蒸腾：植物根系水分——蒸腾作用——返 回大气 ；拦截：降水——拦截——返回大 气
土壤水分蒸发蒸腾损失总量 =Transpiration 蒸腾 + Evaporation 蒸发(from interception sites and open water surfaces, such as ponds and lakes, soil moisture )
陆生动物群落
• 河流廊道提供栖息地——有吃有喝有玩的地方
• 动物与其栖息地相互影响 – 爬行动物、两栖动物 – 鸟类 – 哺乳动物
水域生态系统
• 水生栖息地：河流生物多样性及物种丰富度决定于
栖息地的多样性。
• 自然功能的、稳定的河流系统可以增加栖息地的多
样性及数量。
• 河道断面形状和尺寸、河流弯曲程度及坡降、泥沙
The curves indicate the probability that the mean monthly discharge will be less than the value indicated by the curve
月平均流量小于该 流量的概率
流量的生态影响
河川径流变化是首要影响生物/非生物过程的因 素，决定了河流生态系统的结构和动力过程； 高流量影响输沙及洪泛区连通
③遮阴-滨水植被
• 影响河流光照及水温；
• 在小而窄的河流边重建灌木类滨水植被带可以提
供合适的阴凉及残枝，恢复河岸及河流水生生态
系统；
• 但对大河流即使重建大的乔木类滨水植被带也只
能影响近岸条件，对整个河流的光照及水温影响
不大。
④溶解氧
• 影响DO的因素：温度、气压、流速、水生植物量、 污染物等。 • 在高温、低流速、沉水植物及藻类疯长、水中有机 质浓度过高等情况下均可能造成DO浓度下降。
Sediment load (输沙负荷) Sediment discharge (输沙量) Bed load（推移质） Suspended sediment discharge (or suspended load （悬移质）
悬移质
推移质
Stream Power
蜿 蜒 度 增 加 ， 输 沙 能 力 下 降
陆生植被
– 影响河槽特性：岸边植物根系固土，稳定边坡， 防止冲刷；水中林及落枝改变局部流场，造成局 部冲刷和淤积；大的树枝可以影响深潭分布、有 机物质及营养循环、形成对鱼类及无脊椎水生动 物特别重要的小的栖息地。 – 影响河道水流：阻碍汇水、削减洪峰，降低基流 流量，增加河流水温。 – 影响河道鱼类及野生动物：河流廊道植被连续性 遭破坏时会对动物的迁徙等产生影响。
During a storm, the soil nearest the stream has two important attributes as compared to soil upslope—a higher moisture content and a shorter distance to the water table. These attributes cause the water table to rise more rapidly in response to rainwater infiltration and causes the water table to steepen. Thus a new, stormgenerated ground water component is added to baseflow. This new component, called subsurface flow
②Water Temperature
• 水温控制着冷血水生生物体的生物化学、物理生
物过程，对其生长、发展及行为模式有重要作用。
• 高温区或高温季节，有些生物生长、繁殖更快。
• 水温对河流鱼类等生物分布具有重要影响，同时 水温通过对DO等影响来间接影响其生物分布。
Maximum weekly average temperatures for growth and short term maximum temperatures for selected fish (º F)
The Phosphorus Cycle
•modified from Goldman and Horne. 1994. Limnology. McGraw Hill.
⑥ 有毒有机化合物
主要来源于杀虫剂、除草剂 等农、林、牧及部分工业。
在河流——土壤中发生以下过程： 溶解 吸附 挥发 降解
⑦ 重金属
自然界中的一些金属如砷、锌、铅、水银等，当
其浓度超过一定限度时，对各种水生生物产生毒害 作用。其主要作用机理是通过鳃的吸附作用形成。 其毒性随食物链而富集。
主要来源：土壤、泥沙及工业废弃物、酸矿废水
3.D 生物群落特性
• 河流廊道生物群落决定于陆地及水生生态 系统。 • 土壤储存和循环营养等物质的能力决定于 土壤及其有机体群落的特性及微环境， • 这些也决定了对有机物及无机物质的过滤、 隔离、降解、固化及解毒的效果。
氮的形态
– N2 – 氨NH3 、铵NH4 + – 亚硝酸盐NO2–、硝酸盐NO3– – 有机氮
The Nitrogen Cycle
•modified from Goldman and Horne. 1994. Limnology. McGraw Hill.
河流生态系统中氮循环过程
同化
动植物的)排泄
地表拦截后蒸散发重新回到大气 (taken 2/3 in USA)——蒸散发 入渗进入土壤或地下水——入渗 形成地表径流，进入江河湖海——地表径流 • ——这三个过程均揭示了降水如何在河流廊道中运 移传输
① 地表拦截:被植物、天然或人 工构筑物拦截，通过蒸发又 回到大气中。 截留大小决定于地表以上截留 的容量及降雨特性。
Summary of DO (mg/L) generally associated with effects on fish in salmonid and nonsalmonid waters.
尺寸及分布、甚至台地等均会影响水生栖息地。
生态系统中不同尺度下均有不同栖息地
Wetlands
• 湿地：是一个生态系统，它决定于周期性的浅水淹 没或饱和。 • 湿地功能：栖息地、供水、储存沉积物、滞纳洪水、 净化水质、补给地下水 。
Functions of 河流湿地
水生植物与动物
• 河流生物通常分为七类：
2）化学组分
当水在浅表层流动时，与有机、无机物以及 土壤中的空气发生化学反应；
在地下流动时，因流速慢，因此有更多的时 间来溶解矿物质； 在河槽流动时也存在化学反应。
① pH, 碱度, 酸度 对生态的影响：许多生物过程，如繁殖等不能在酸 碱环境中进行；pH值的快速波动会对水生生物体产 生压力；还有酸性环境会通过加快有毒化学物质的 释放速度来加剧有毒物的污染问题，碱性环境会增 加氨的毒性…… 影响pH值的因素：自然过程+人为活动
– 分解者：细菌、真菌 – 生产者：藻类 水生植物(浮游、沉水、挺水) – 消费者：
• • • • 原生生物 小型无脊椎动物，长度<0.02 大型无脊椎动物 脊椎动物 (鱼类、两栖类、爬行类及哺乳类)
食 物 网
长在石头上的
撕食者
刮食者
收集者 捕食者
水生态系统中 非生物和生物相互作用
• 河流生物的时空变化反映了生物与非生物因素的
③ 入渗 : 重力作用或毛细管作用进入土壤中
毛细管作用力 毛细管作用力
④ 径流： 当暴雨径流超过入渗能力时，形
成地表径流
2/3就地入 渗,1/3地表径流
100%就地 入渗
土壤渗透率、地表糙率、降雨雨强、雨量和持续时间
地表径流 地下径流 Runoff=overland flow+subsurface flow+saturated壤中流 flow overland
⑤ Nutrients
水生植物生长除需要水及二氧化碳外，还需要其它营养物 质如氮 、磷、钾、铁、硒、硅等。 控制营养物质的来源，包括点源和面源污染源，是保持良 好水生生态的关键。
Sources and concentrations of pollutants from common point and nonpoint sources.
Water moves downward and along this slope and into the stream channel. This portion of the flow is the baseflow.
Flow Analysis 流量历时：一段时间内超过河川径流的概率 流量频率：年内超过河川径流的概率
3.C 物理化学特性
• 1）物理特性 ① 沉积物： 影响河道形态、水温、水质、水生生态 （如细沙堵塞和磨损鱼的鳃，使底部动物 卵窒息，淤积卵石空隙、改变空隙中水流 及供氧条件使鱼的产卵地消失等）； 影响水上娱乐、运动项目；携带污染物质。
② 水温 温度越高溶解氧越低； 通过食物链作用，水温越高，水生生物体的新陈代 谢及繁殖能力增强。 有些水生物种只能在特定温度下生长，改变水温的 极端温度将影响水生物种构成。 影响非生命体的化学过程，如充氧、有机物吸附、 分解等。 影响水温的因素：流域土地利用、河流廊道结构、污 水排放、地表与地下水的比例、水工建筑物的修建等。
③饱和溶氧量
• 当溶氧量大于饱和溶氧量时向空气释放氧，反之 吸氧。 • 饱和溶氧量：受水温及水的盐度、气压等影响。
氧传输受以下因素影响
• • • • • • 水体混合 水温 风力扰动 大坝、瀑布 水表膜 水深
④ BOD生化需氧量
• biochemical oxygen demand. 来源： – 点源排放 – 面源输入 – 地下水
变化，
• 包括水质、温度、流量流速流态、河床边界物质、
食物及营养物质、捕食者与被捕食者的关系等。 • 这些因素影响水生生物的生长、生存和繁殖。
①Flow Condition
• 水流条件：包括流速、水深、流态、流量 • 流速直接影响食物及营养的迁移，能耗等； • 流速越低，物种丰富度越高； • 但高流速是有些鱼种迁徙及产卵的信号，也可 能冲刷清洗河床物质。
洪水脉冲的生态功能强大
Biblioteka Baidu
2.B 地形地貌过程
• 地形学：研究地球表面三维空间几何形态的函数，可用 地形图表示，其数学函数关系为：
• 地貌学：研究地表组成物质及其形态在内、外营力作用 下的演变及其分布规律的科学，可用地貌图表示，其函 数关系为： • 河流动力地貌学：研究全流域面及其水系的组成物质及 其形态在流水动力作用下的演变及其分布规律的科学。 • 河床演变学：研究河道水系的变化规律，即研究河流的 边界在水流作用下的变化，这种变化反映了边界物质的 侵蚀、搬运和堆积过程。
② 溶解氧
DO< 2 mg/L以下时，水生生物体窒息； 在低溶解氧下会产生厌氧细菌，有毒气体或与污 染水体相关的异味气体。 影响因素：光合作用溶氧、大气复氧、生物呼吸 消耗、耗氧污染物的输入、水生植物体死亡分解。
光合作用固碳产生有机体及氧： 6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O2 河流廊道恢复时常通过人工跌水复氧
与水流相关的三个地貌形成过程
① 侵蚀
② 沉积物输移
③ 沉积物沉降
土壤侵蚀：人类活动/自然过程.
引发土壤侵蚀的因素如下：
沉积物输移
输沙能力/挟沙能力
一定水力条件下输移最大粒径的能力—— stream competence. 牵引力/剪切力，受水深、河道坡度等因 素影响。
沉积物输移相关术语：