河流生態研究熱點與進展

柴 朝 暉，姚 仕 明

(長江科學院 河流研究所，湖北 武漢 430010)

河流是陸地和海洋聯系的紐帶，相比湖泊而言，具有縱向成帶、急緩流并存，深潭淺灘交錯等特殊的形態結構，在生物圈的物質循環中起著重要作用。在人類和社會發展過程中，過度開發河流的防洪、航運、灌溉等社會功能，破壞了河流生態系統，造成水環境惡化、多種水生物滅絕，河道生態系統退化[1]。隨著人類對生存環境要求的提高，加強水資源保護，改善河流生態環境，研究河流生態越來越引起各界的關注。

河流生態研究源于水生昆蟲和漁業生物學，是湖沼學的重要研究內容之一。20世紀50年代以前，其研究主要集中在河流生物的形態、行為、生活史特征及生物間的營養關系上，落后于同時期湖泊生態學研究[2-3]。20世紀中后期，河流生態學研究中不斷提出一系列新的概念和理論，包括地帶性概念[4]、河流連續性概念[5]、溪流水力學概念[6]、流域概念[7]、洪水脈沖理論[8]、河流生產力模型[9]、自然水流范式[10]、近岸保持力概念[11]、河流生態系統結構功能整體模型[12]等。它們從不同角度構建了河流生態水文學的理論框架，并研究了自然力和人類活動作用下河流生態系統正負反饋調節關系、主要生境要素的變化、河流生態系統健康評價、河流生態流量(需水量)、河流生態修復等[13-15]，促使河流生態研究逐漸發展成一個集水文學、河流動力學、生物學、景觀學、地貌學等高度交叉型學科。

在廣泛查閱國內外相關文獻的基礎上，本文對河流生境、河流生態流量、河流生態系統評價、河流生態修復等當前河流生態研究中的幾個熱點問題進行簡要論述，并結合當前研究中的不足，提出了未來研究應加強的方面，以期能為該領域未來研究工作提供支撐。

1 河流生境

河流生境作為河流生物生存、繁衍、發育的環境，是河流生態系統的重要組成部分，對河流水環境、生物群落的組成和結構、生物多樣性等有著重要的影響作用[16-17]。Bisson等[18]在Montgomery和Buffington[19]河流分類方法的基礎上，從流域、河區尺度、河段尺度、河道生境單元尺度對河流生境進行了分類(見表1)。但就實際應用而言，董哲仁[12]在考慮我國工業、農業和生活造成的水污染已對河流生態系統造成較大影響的基礎上，提出河流生態系統的主要生境有水文情勢、河流地貌、流態和水質。在以上分類方法的基礎上，結合其他相關研究成果，筆者進一步明確了河流生境主要因子，如圖1所示。

表1 河流生境分類方法[18]Tab.1 Classification of river habitats

圖1 河流生境組成及主要因子Fig.1 River habitat composition and main factors

水文情勢因子主要包括流量、洪水頻率、變化時機、變化率等，其主要是在流域尺度影響河流生態系統。不同周期變化的水文情勢將會引發不同的動物行為。天然情況下年周期變化的水文情勢影響著鳥類遷徙、魚類洄游，驟然漲落的洪水脈沖溝通了河槽和灘區，促進了水生生物和陸生生物之間的交流，對生物多樣性具有積極的作用。而大量水利工程的建設改變了河道原有徑流時空分配過程、增加了枯季的水量、影響了通江湖泊進入枯水的時機、消減了大洪水的脈沖作用等，造成下游魚類洄游受阻、物種減少、生態環境惡化等問題[20-21]。隨著人類對生態環境的逐漸重視和相關戰略規劃的提出，通過水庫生態調度改變水文情勢進而影響河流生態系統成為該領域研究熱點[22]。如，張代青等[23]基于峰群算法建立了新豐江水庫生態價值優化調度模型；長江水利委員會自2011年起組織相關部門每年在三峽水庫開展促進漂流性魚類繁殖的生態調度試驗；金興平[24]在總結長江流域水庫群聯合調度工作的基礎上，提出了建立集水生態調度、泥沙調度、應急調度等多目標為一體的綜合調度支持系統。

河流地貌是水流作用下形成的各類侵蝕、堆積形態的總稱，主要包括河型、河床侵蝕地貌和河床堆積地貌[25]。河流地貌的復雜性和空間異質性是生物多樣性的基礎，已成為河流健康評價和河流生態修復中的重要因素。其主要因子包括：深潭、淺灘、槽寬、彎曲度、游蕩程度、河床組成等。其中，深潭和淺灘是河流地貌中最常見的地貌類型，其在不同的河流中會孕育出不一樣的生態系統。如，在石質河床的山地河流中，淺灘上底棲物的密度和多樣性一般高于深潭；而對魚類而言，山地河流淺灘中急行魚類較多，深潭中鯉科魚類和幼魚等較多，槽寬則主要是對魚類運動模式有一定的影響作用[26-28]。對于不同的河型，彎曲河道由于沿程水面線及糙率的變化率相對順直河型更低，相對更穩定，并且具有更為豐富的階梯-深潭系統、河床斷面形態、動水和靜水環境(牛軛湖、漫灘沼澤)、植被等，可提供多樣化的生境空間，促進各類生物的生長和繁衍，同時，其彎曲度和邊灘的橫向發展對無脊椎動物和植被具有重要影響[29-31]。對河床底質組成而言，粗糙河床底質一般具有極好的地貌條件和生物多樣性，砂質為主的多組成河床次之，砂質河床最差[32]。

河流流態包括流速、水深、水溫、水力坡度因子等。時間尺度上，這些因子隨水文和氣候條件的變化而變化；空間尺度上，這些因子隨河流地貌的改變而變化，表現出明顯的空間異質性。流速和水深作為魚類繁殖、生長發育的關鍵因子，是流態因子研究中的熱點。由于絕大多數魚類具有趨流性，且趨流性的魚類要靠流速的存在和大小來判斷游泳路線甚至洄游的路線[33]，因此，魚類適宜流速和水深是此類研究的重點。如，劉穩等[34]得到鯽魚的喜好流速上限為0.60 m/s；杜浩等[35]根據實測資料發現體積較小的魚喜好較低的流速和較寬的流速范圍，體積較大的魚喜好較高的流速和較窄的流速范圍，規格小的魚喜歡的水深明顯大于規格大的魚，喜好的水深范圍也寬于規格大的魚；楊慶等[36]的研究結果表明草魚洄游的適宜流速范圍是0.40～1.00 m/s；鮭魚和鱒魚幼魚期的喜好流速和水深情況如圖2所示[37]。但是，大型底棲動物的流速偏好與其攝食方式、生活型和形體結構相關，對水深的偏好性差異較小，另外其漂流密度隨流速的增加呈減小趨勢[38-40]。水溫因子對水生生物的生存、新陳代謝、繁殖行為以及種群的結構和分布都有不同程度的影響，目前研究主要集中在控制性水庫群建設及氣候變化引起的水溫變化而導致的生態效應方面[41-43]。

圖2 鮭魚和鱒魚幼魚期喜好流速和水深變化曲線Fig.2 Change curve of preferred velocity and water depth of salmon and trout in their juveniles

雖然有關河流生境對河流生態系統影響的研究很多，但研究集中在中小尺度上，且生物指標相對單一，今后應對流域尺度的生境因子變化規律及其累積影響、河流生境與多種河流生物適配性關系、多尺度河流生境質量評價等研究予以重視。

2 河流生態流量

與生態流量類似的概念有很多，如生態環境需水量、生態基流、最小可接受流量、生態需水量等。由于研究者的視角及重點不同，其內涵未得到統一，但仍提出了很多的計算方法，主要包括：水文學法(Tennant法、7Q10法、流量歷時曲線等)，水力學法(濕周法、R2CROSS法)，棲息地評價法(IFIM模型、CASIMIR模型)，整體分析法(BBM法)[44-47]。這些計算方法主要是考慮河道物理形態、所關心的魚類、無脊椎動物等(整體法考慮整個生態系統)對流量的需求來確定最小或最佳的流量。

國內外研究者在應用或改進這些計算方法上做了大量的研究。如，Meier等[48]在瑞士布瑞諾河水電站生態流量確定中采用了棲息地評價法；Angela等[49]基于生態學家和水文學家的經驗，在深入調研了魚類生活習性的基礎上，提出了DRIFT法，并應用在萊索托河上；King等[50]基于澳大利亞穆雷河實際情況建立了適用于多物種的非生物手段刺激魚類產卵的生態流量計算方法；倪晉仁等[51]提出了生態環境用水量及其閾值確定的各項原則；郭文獻等[52]采用改進的河道濕周法計算了長江中下游各河段的最小生態流量；洪思楊等[53]采用棲息地評價法計算了大渡河流域的最小生態流量；尚文繡等[54]結合棲息地模擬與水文參照系統特征值，建立了一種面向河流生態完整性的生態需水過程評估方法，并將其應用在黃河下游生態流量計算中。對于水電工程下泄生態流量而言，以2006年頒布的《水利水電建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南(試行)》為節點，其計算方法從簡單的水力學和水文學方法逐漸向生態水力學方法和生境模擬法轉變[55]。

雖然關于生態流量的計算方法及應用已有了很大的發展，但存在生態指標(魚類為主)選取單一，對不同地區、不同流域、不同類型河流、同一河流不同河段的生態需求考慮不足，計算結果以最小生態流量為主等問題。2020年4月17日，水利部印發了 《關于做好河湖生態流量確定和保障工作的指導意見》，其中河湖生態流量內涵明確為：為了維系河流、湖泊等水生態系統的結構和功能，需要保留在河湖內符合水量要求的流量(水量、水位)及其過程。今后的研究應在多目標河湖生態流量計算方法、分區分時生態流量確定、生態流量動態過程、生態流量管理機制等方面予以重視。

3 河流生態系統健康評價

水量的減少和水質的惡化造成河流生態系統結構和功能破壞，進而影響河流供水、納污、防洪、航運、景觀等自然和社會功能的發揮，不利于河流及周邊地區的可持續發展。河流生態系統健康評價是河流生態環境質量評估和河流綜合治理考核中的重要環節，是河流生態研究中的熱點之一。

國外河流生態系統健康評價最初采用河流水質理化指標作為評價工具，而后考慮到水質理化指標不能全面反映河流生態系統的狀況，提出了生物指標才是河流生態系統狀況評價的主要指標[56]。隨后，國外研究者提出了一系列河流生態系統健康評價方法，可概括為指示物種評價法和多指標評價法2種。指示物種評價法(如IBI法)是采用代表性生物來反映河流生態系統的狀況，應用較多的主要有藻類、底棲動物和魚類。如，Virtanen等[57]發現硅藻可作為指示物種表征河流生態健康狀況；Cheng等[58]采用魚類物種豐富度為指標分析了流域健康。多指標評價法是采用一系列水文、生物、物理化學等多種類型指標從不同角度和深度評價河流生態系統健康狀況，如，White等[59]提出的澳大利亞溪流狀況指數法(ISC)；Robert等[60]提出的瑞典農業景觀區域河岸帶與河道環境評估法(RCE)；Pinto等[61]基于因子分析提出的河流健康評價方法。

國內河流生態系統健康評價研究工作相對較晚，實質性的研究從2004年開始。評價方法基本借鑒國外的指示物種評價法和多指標評價法。但由于我國對河流的人工干擾相對較多，指示物種評價法無法充分全面地反映河流生態系統健康的變化，而且無法考慮河流生態系統的社會和經濟功能，因此，國內學者采用多指標評價法針對長江、黃河、遼河、珠江等河流建立了不同的評價指標體系。如，2005年蔡其華[62]初步提出的健康長江評價體系開創了國內系統化河流健康評價體系的先河；劉曉燕等[63]提出了黃河健康指標體系。而后，學者們利用建立的評價體系，采用層次分析法、模糊綜合評判法、灰色關聯度法、TOPSIS法、主成分分析法等對國內眾多河流進行了健康評價(見表2)。但由于不同學者的研究方向及領域不同，所關注的河流生態系統功能不同，選取的指標、計算方法、指標標準的制定等均有所不同，評價體系的應用仍存在一定的局限，今后應開展長期的河道生態因子監測、河流生態健康評價標準的制定、大尺度河流健康評價等研究。

表2 中國典型河流生態系統健康評價體系及評價結果(改自文獻[64])Tab.2 Ecosystem health assessment system and results of typical rivers in China

4 河流生態修復

4.1 理論研究

1938年Seifert 提出的“近自然河溪治理概念”開啟了河流生態修復的先河，但實際研究是從20世紀60年代開始。歐美、日本等發達國家提出了諸如親近自然河流、生態工程、生態河堤、多自然型河流、自然型護岸、自然河道設計等理念[65]，并將其應用在密西西比河、斯凱恩河、萊茵河、坂川河等河流整體生態修復中，實現了流域尺度下河流生態修復的成功。整體而言，國外關于河流形態修復的研究較多，對修復過程和機理的研究相對較小。

國內對河流生態修復的研究起步較晚，始于1999年“大水利”理論的提出。而后，國內學者基于國外相關研究成果，提出了一系列適合我國國情的河流生態修復概念和理論，如，高甲榮等[66]提出了河溪近自然治理的基本模式；董哲仁[67]提出了生態水工學概念；王超等[68]提出了五位一體的城市水生態系統建設模式；達良俊等[69]提出了近自然型人工水景觀建設理念。2005年后，國內河流生態保護與修復工作進入應用實踐階段，各地采用河湖水系連通、生態護岸、調水補水、河流整治等措施改善河流生態，相關理論研究則以河流生態修復模式和方法研究為主，如，張瑋等[70]提出了順直河道水生態修復方法；葉春等[71]在對太湖湖濱帶進行劃分的基礎上，提出了不同類型湖濱帶生態修復模式；陳小剛等[72]研究了黑臭河道的生態修復方法。

4.2 河流生態修復技術

河流生態修復并不是簡單將河流恢復到原始狀態，而是通過一定的手段和方法將其受損功能恢復到既能滿足河流自身發展規律又能適應人類社會發展需要的狀態。因此，不同階段河流生態修復的目的和任務是不同的。對于自然階段的河流，應當盡量保護和維持現狀；對于工程控制階段的河流，應盡量減少工程對水量、水質、水生生物的影響，使工程與生態系統和諧相處；對于嚴重污染階段的河流，首先應完成污染治理，然后根據河流特點、河流定位、區域發展要求等確定河流主功能，進而進行針對性的修復。

根據修復對象可將生態修復技術分為：水質生態修復技術、水量生態修復技術、河道形態修復技術、水生生物修復技術、流域生態修復技術。水質修復主要是針對受污染水體采用生態島(浮床)、人工濕地、機械除藻、穩定塘、底泥疏浚等手段和方法，使水質有所改善，目前研究集中在各種技術的研發和效果分析上，如童偉軍等[73]分析了不同生物促生劑對垂直流人工濕地作用的影響。水量生態修復是采用生態輸(調)水、生態調度、河湖連通等方式補充河流水量，在短時間內降低水體污染指標濃度，改善水生生物的生存環境，研究重點為輸水、調度及連通方式優化及其影響評價。如，Xu等[74]利用三維生態模型提出了一種生態友好型的調度方案。河道形態修復主要是對河道的平面、橫斷面形態等進行改造以恢復河道的多樣性，相關研究主要關注河道平面、橫斷面、濱水帶的形態設計，護岸形式及材料的優化等，得到了一些很有價值的成果，如復式斷面是比較理想的橫斷面形式[68]；植物、自然材料和土木工程相結合生態護岸技術等[75]。水生生物修復主要是對河流中的植物、動物進行修復，其中，植物修復是根據景觀要求、河流地貌特征、水環境狀況等在濱水帶和水體中布置合理的植物群落；水生動物的恢復是根據食物鏈原理營造生物群落多樣性，通過投放魚類、蝦類、河蚌等底棲動物，構建“水生植物-微生物-藻類-水生動物”食物鏈，實現水生態系統的完整性，這類技術一般與其他技術聯合使用[76]。流域生態修復是指對河流從源頭到河口有徑流注入的所有水文單元進行修復，是一個集工程和非工程措施的綜合技術。如，王思凱等[77]借鑒萊茵河綜合治理方案提出了長江流域生態治理的方案，翟文娟等[78]制定了岷江上、中、下游生態修復措施。

4.3 河流生態修復后評估

河流生態修復后評價是對河流生態修復工程的有效性進行跟蹤監測和評價，據此提出補救方案或改進措施。國外主要是采用指示物種法和指標體系法進行后評估，如，Rita 等[79]以魚類為指示物質評估了Kamisaigo河生態修復工程的效果；Alexander等[80]選擇河道內棲息地、水質、河道形狀重塑、岸邊帶4個指標建立了河流生態修復后評價體系。借鑒國外研究成果，近年來我國也開展了一系列河流生態修復后評估研究，如，董曉軍等[81]從河流生態效應、經濟可行性和綜合利用3方面構建了河流生態修復后評價指標體系模型；顧毓蓉等[82]結合浮游生物完整性和因子分析從生物完整性角度對松雅湖生態修復工程進行了評估。

河流生態修復研究已由起初的理論探討、整治框架階段向具體的修復方法手段和技術轉變，且河流生態修復后評估工作也逐漸得到重視，但大多研究是模仿國內外已有案例的嘗試和探索，今后應在多種修復技術的優化組合、流域整體生態修復、河流生態修復后評估指標和標準的確定、修復后的生態系統動態演變過程等方面加強研究。

5 結 語

目前，國內外關于河流生態的研究較多，除了上述4個方面，近期方紅衛等[83]提出的生態河流動力學也是河流生態研究中的一個重要內容。相比河流生態學而言，生態河流動力學更注重泥沙輸移及表面特性對水生態環境的影響，側重中觀和尺度理論體系的建立。但由于研究對象本身的復雜性、人類干擾的不確定性等，給河流生態的研究帶來了一定的困難。今后應在全面考慮河流自身和社會屬性的前提下，結合多學科理論和方法，加強以下幾個方面的研究：

(1) 河流生境方面，加強流域尺度的生境因子變化規律及其累積影響、河流生境與多種河流生物適配性關系、多尺度河流生境質量評價等的研究。

(2) 河流生態流量方面，應在多目標河湖生態流量計算方法、分區分時生態流量的確定、生態流量動態過程、生態流量管理機制上加強研究。

(3) 河流生態系統健康評價方面，應進一步開展長期的河道生態因子監測、河流生態健康評價標準的制定、大尺度河流健康評價等研究。

(4) 河流生態修復方面，應在多種修復技術的優化組合、流域大尺度整體生態修復、河流生態修復后評估指標和標準的確定、修復后的生態系統動態演變過程等方面加強研究。