人类活动对河道系统的干扰及其对生态系统健康的影响

人类活动对河道系统的干扰及对生态系统健康的影响随着经济的高速发展、人口的迅猛增长、城市化过程对区域生态系统的影响日益严重。在人类活动带来大量工业和生活污水的同时,人类活动对自然生态系统的干扰无疑打破了原来生态系统的结构和平衡,由此带来的生态环境影响已经引起人们的高度重视。尤其是快速城市化地区人类活动对河流和湿地生态系统的影响。湿地与河道生态系统在美化城市环境、净化工业和生活污水方面具有不可替代的作用。但河流整治工程存在着违背自然规律的现象,主要倾向是将城市河流的"渠道化"和"园林化"。凡是经历过"渠道化"和"园林化"改造的河流,不仅会造成河流生态服务功能下降,还会使城市河流陷入了难以摆脱的困境,不少生机勃勃的河流在城市中慢慢退出人们的视线(董哲仁,2022)。本文分析了人类活动对河道系统的干扰类型、特征及其对河流生态系统健康的影响,探讨了快速城市化背景下保护河流生态系统,加强区域生态系统管理的途径和措施。1．河道生态系统的类型与功能特征1．1河道生态系统的内涵河流生态系统是一个复杂、开放、动态、非平衡和非线性系统。一般认为,河流生态系统具有三项主要功能,一是生物栖息地；二是物质流、能量流、信息流的输移通道；三是具有屏障和过滤功能。这三项功能与河流的地貌特征和景观格局密切相关。91基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2022ZX07526-002-02)和国家杰出青年基金项目(40925003)。河道作为河流的主体,是汇集和接纳地表和地下径流的场所及连通内陆和大海的通道,是河流生态系统横向结构的重要组成部分。河道生态系统由河道水体和河岸带两部分组成,河道水体生态系统主要是由河床内的水生生物及其生境组成；河岸带生态系统主要由岸边的植物、迁徙的鸟群及其环境组成,是陆地生态系统和河流生态系统进行物质、能量、信息交换的过渡地带。一条健康的自然河道,沿水流方向具有通畅的连续性．沿侧向具有良好的连通性,在垂向应该具有良好的透水性,成为物质流、能量流、信息流以及生物物种迁徙流动的保障。1．2河道生态系统的结构特征河道生态系统的结构可定义为河道系统内各组成要素在时空上的配置和联系,可概括为由河道水体及河岸边高地组成的河道横向结构、由河道上游至下游组成的纵向结构,由河道内地表水至地下水进行物质交换和能量流动的垂直结构及时间尺度上的变化,河道生态系统的结构和功能呈现不同变化的时间结构组成的四维结构。河流的平面形态往往是蜿蜒型的．形成深潭一浅滩序列,造成多样的水力学条件,加之洪水脉冲过程和连续的水流条件,使得包括鱼类在内的水生生物的产卵、育肥、避难和洄游等生命活动都各得其所。1．3河道生态系统的服务功能河道生态系统服务功能指人类直接或间接的从河道生态系统中获取的各种服务或利益。河道生态系统的服务功能主要体现在水源供应、输水泄洪、交通运输、水产养殖、水生生物栖息、纳污降解、调节气候、补给地下水、观赏娱乐等多个方面。根据河道生态系统的组成特点、结构特征、生态过程和效用,可将河道生态系统服务功能归纳为调节支持功能、环境净化功能、产品生产功能及娱乐文化功能。调节支持功能一方面表现为河道及其沿岸的植被具有自动调节水文循环、输水泄洪、调节气候、补给地下水的功能)；另一方面表现为河道系统为各种动植物提供了其生存所必须的淡水和栖息环境。环境净化功能主要是指河道内及两岸的植被及水生生物通过自然稀释、扩散、氧化等一系列的物理和生物化学反应来截留和净化由径流带入河道的污染物,从而使各种物质良好的循环利用,达到净化水体的作用。2．人类活动对河道系统的干扰类型与特征随着人类活动加强,河道的形态结构发生了巨大的变化,主要表现为：①河道纵向的蜿蜒性降低,河道渠道化和裁弯取直工程改变了天然河流的基本形态,出现了直线或折线形的河流；②河道断面形状多样性降低,呈现几何规则化、单一化的断面形式；③河床材料由透水性能的材料变为硬质化的不透水性材料；④水利工程的建设(如：筑坝、水库、堤岸)造成了河流形态表现出不连续性。河道形态结构的变化,河道生态系统形态多样性的降低,使得河道生态系统生境异质性降低,生物多样性降低,引起水体自净化能力的下降，导致河道生态系统服务功能降低。概括起来可以归纳为三个方面：2．1结构固结化随着城市地区人类活动的不断加强,河道整治已经成为目前必不可少的手段。为了城市地区人类免受洪涝灾害的影响,往往把一个自然的河道进行人为的固化。一般表现为两种形式：(1)堤岸加固。堤岸加固往往是为了美化和加固堤岸,防止堤岸崩塌和岸边松散物质进入河道；(2)河道底部防滲处理与固化。城市往往是人类集中活动的地区,水资源短缺是十分普遍的现象,为了防止不必要的水分流失,河道底部防滲处理已经是目前默认的方式。因此对河道底部的固化处理也成为改变河道生态系统的主要方式。2．2形态规整化城市的发展是一个从不规整的自然景观逐渐演变为规则的人为景观的过程。在这个过程中,河道生态系统也经过了一个从自然到河道规整化的演变过程。在形态上河道的规整化主要表现在以下几个方面：(1)岸边植被带园林化。为了美观和城市规划,在河流的堤岸边,经常会把一些自然的岸边植被缓冲带进行人为改造,在岸边园林化的过程中伴随着一些堤岸的固化作用；(2)河道截弯取直。自然河流经过多年的水流作用,往往是一个弯曲有度、深潭浅湾交错出现的自然曲流或者辨状河道,但是在城市化过程中,往往为了城市用地的发展,河道截弯取直,其目的是方便土地利用。(3)河道形态梯形化。在城市和修正过程中,河道往往从一个自然的不规则河道变成一种人为的梯形河道,这种变化在很大程度上改变了河道水流的方向和水文过程。2．3功能简单化城市化的发展在很大程度上会导致城市河道的功能简单化。作为一个自然河道,除了具有水源供应、交通运输和水产养殖功能外,还具有输水、泄洪、水生生物栖息、纳污降解、调节气候、补给地下水、观赏娱乐等多方面的功能。但随着城市发展,河道的功能主要局限在四个方面：(1)观赏娱乐功能。城市的发展往往把河道系统作为城市的一个风景线,提高城市生态服务价值的主要功能；(2)纳污排泄通道。随着城市人口大量集中,生活和工业污水的排泄成为城市河道的主要功能之一；(3)气候调节功能。城市河道生态系统的气候调节功能,随着流量和水面的急剧减少,日趋微弱。除上述功能外,城市河道的水产养殖、水源供应、交通运输、水生物栖息、补给地下水等功能已经受到巨大破坏。3．河道人为干扰对生态系统健康的影响健康的城市河流意味着不仅要保持生态学意义上的结构合理、功能高效与完整、生态过程延续,还要强调河流生态系统的水源供应、防洪降污、水土流失控制、生物栖息、观赏娱乐等人类服务功能的有效发挥。随着经济发展和人口增加,人类活动对水资源的服务功能需求越来越高,在河流上大规模的筑坝拦截水流,部分河流由于缺乏有效管理已经引起了河道水量的大幅度减少甚至断流,不仅降低了河道水体的自然净化能力,同时也降低了河道生态系统的恢复力及抵抗力,严重影响了河道生态系统的结构和功能。3．1河道生态系统健康维持的机制河道生态系统健康的维持与河道水体的自然净化能力密切相关。只有维持了一个干净健康的水体,河道系统才会具有各多方面的生态服务功能。因此水体的自然净化能力对于维持生态系统的健康至关重要。河道自净能力是在水体受到污染后,由于物理、化学、生物等因素作用,使污染物的浓度和毒性逐渐降低,经过一段时间,恢复到受污染以前状态的自然过程。水体自净过程复杂,受到多种因素影响,根据净化机理,可分为物理自净过程、化学自净过程和生物化学自净过程。(1)物理自净过程是指通过污染物在水体中进行混合、稀释、扩散、挥发、沉淀等作用,使水体得到一定程度的净化。物理自净能力的强弱取决于污染物自身的物理性质,如密度、形态、粒度等；水体的水文条件,如温度、流速、流量、河道的深度、河床的形式等。(2)化学自净过程是指水体中的污染物质通过氧化、还原、中和、吸附、凝聚等化学反应,使其污染物浓度降低的过程。影响其自净能力的因素有污染物质的形态和化学性质、水体温度、氧化还原电位、酸碱度等。(3)生物化学自净过程是指进入水体的污染物,经过水生生物吸收、消化作用,使其浓度降低或转变为无害物质的过程。影响生物化学净化过程快慢和程度主要是与污染物的性质和数量、微生物种类、水体温度及供氧等条件有关。在水体自然净化中,物理自净过程、化学自净过程和生物化学自净过程相互交织相互影响,但任何一个生态系统的自净能力都是有限的,当排入的污染物超过了环境容量,生态系统就会被破坏。3．2影响河道生态系统健康的关键过程河道生态系统所有生态服务功能的发挥,主要取决于三个方面的过程：河道系统与周边地区之间的物质循环与交换过程、生物消化降解过程、生态水文的调节过程。但是随着城市化的快速发展,河道生态系统的改变对区域生态系统健康产生了严重的影响。3．物质交换通道的阻隔城市河道的固结化、规整化过程在表面上美化了城市景观,但是在功能上破坏了河道系统与周边地区物质的循环通道。维持河道生态系统的健康,就是要保持河道系统水体与陆地生态系统之间的物质循环,不断从陆地生态系统吸收物质营养,同时也向河岸两边、河床底部输送污染物质,从而将河道生态系统与周边地区形成一个开放的循环系统。只有这个循环过程不断发生,保证河道与周边地区之间的正常通道,河道生态系统才能保持健康。但是目前的河道系统往往经过人为加固,阻隔了河道系统与周边地区之间的物质交换,对河道生态系统的健康产生了严重影响。3．生物栖息环境的破坏生物栖息环境的改变直接受制于河道水质净化能力的削弱。河道的人为干扰,不仅使得水量减少、物质循环过程削弱,同时使得生物栖息的环境发生改变。而生物栖息环境的变化反过来也会影响到水体中生物的消化降解能力,从而影响到整个河道生态系统的健康。3．河道生态水文过程的失衡随着河道形态结构的改变，河道生态系统遭到严重破坏,由此导致水量和生态水文过程的改变。其结果有两种：其一是水体自身的消亡；其二是生态链和生态水文过程的破坏。大量研究表明大流量对河流生态系统的整体健康意义重大(丰华丽等,2022)。丰华丽等(2022)将河道径流量减少及其后果归为三个方面：(1)随着水文连接度下降,水流连通性减弱,水生物种的迁移、繁殖、养分循环受到影响,河流生物降解能力将会下降；(2)当径流低于适宜生态流量时,河流生境改变，大部分生物的生长和繁殖都受到抑制,河流生物完整性受到破坏,河流生态系统服务功能衰退。(3)当径流量继续减小至低于最小生态流量时,水文连接度基本丧失．河槽淤积、河道形态改变,河流系统物理结构将随之改变；最为严重的是河流断流、湖泊干涸、湿地大面积消亡,生物基本灭绝,河流生态系统服务功能完全消失。4．结语目前国内外关于河道生态系统健康方面的研究较多，但由于研究对象的复杂性和人类活动带来的干扰的不确定性，在河道形态结构对生态水文过程、系统净化能力和河道健康评价方面研究不足。河道生态系统健康研究应该加强以下三个方面：(1)加强河道形态结构及其空间布局对河道水质自净化能力的影响研究。目前在河道横向剖面结构、纵向剖面结构方面，开展了大量研究，但是对于河道空间布局对河道水质净化能力的影响研究相对比较薄弱。(2)加强河道水体和河