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河流生态系统对人类社会发展具有重要意义。但近代以来,许多河流兴建了水利水电工程,改变了河流的自然水流体制,从而对河流的水沙输移、水体自净和生物多样性养护等功能造成严重威胁。生态需水是指维持河流生态系统健康所需水流的数量、质量和时间,能为河流综合管理提供量化的可操作的科学依据。作为河流的主要生物类群,底栖动物是生态健康和生态需水的重要指示生物。因此,开展底栖动物及生态需水研究在河流生态系统监测和修复等方面具有重要的实际应用价值。
本文首先在实地调查我国7条河流的基础上结合文献资料对我国河流底栖动物的宏观格局及其影响因素进行了研究,然后系统研究了黄河下游底栖动物以及鱼类和河岸植物生态水文需求,主要结果如下:
1.建立了我国底栖动物常见类群的干重换算体系。通过对我国21类常见底栖动物的形态参数和重量参数以及湿重与干重的关系较为系统的研究,初步建立了我国底栖动物干重的换算体系。
2.系统分析了长江中、下游干流的底栖动物群落特征及其影响因素。11个河段共采集到底栖动物62种。密度和干重生物量分别为377ind/m2和0.852g/m2。优势种以苏氏尾鳃蚓等寡毛类和方格短沟蜷等软体动物为主。功能摄食类群以直接收集者为主。下游的多样性高于中游。影响长江底栖动物的主要环境因子是水深、透明度、总氮、总磷和叶绿素α。
3.系统分析了黄河上、中、下游干流的底栖动物群落特征及其影响因素。21个河段共采集到底栖动物74种。平均密度和干重生物量分别为772ind/m2和0.172g/m2。优势种以普通仙女虫和正颤蚓等寡毛类为主。功能摄食类群以直接收集者为主。中游多样性高于上游和下游。按照底栖动物密度可以把21个采样河段分成了5个不同的组。影响黄河底栖动物分布的主要因素是污染、底质的稳定性和密实性以及泥沙含量。
4.分析了雅鲁藏布江西藏日喀则雄村附近河段的底栖动物群落特征及其影响因素。13个样点共采集到底栖动物47种。底栖动物密度和干重生物量分别为84.3ind/m2和0.033g/m2。优势种以摇蚊等水生昆虫为主。功能摄食类群以直接收集者和捕食者为主。支流多样性高于干流。影响雅鲁藏布江底栖动物的环境因子为底质类型和植物分布。
5.首次分析了我国河流底栖动物的宏观分布格局及其影响因素。我国46条河流共记录底栖动物171属。其中寡毛类占11.5％,软体动物占17％,水生昆虫占69％,其他动物占3.5％。我国不同区域(东部、西部、南部和北部)河流中底栖动物种类组成差异较大。除了污染严重的河流外大多数河流的底栖动物种类数近年来呈下降趋势。小型河流的密度要远大于大型和中型河流,而中型河流的底栖动物生物量却大于小型和大型河流。多数河流上、下游密度较大,而中、下游生物量较大。年际变化上多数河流底栖动物密度和生物量也呈下降趋势。秋冬季节和春季是底栖动物密度和生物量较大的季节。小型河流或大型河流的支流中以水生昆虫为主,大型河流中、下游底栖动物在种类上可能是以水生昆虫为优势的,但是现存量上寡毛类和软体动物一般占优势。在河口地区一般以软体动物、棘皮动物、多毛类和甲壳动物为优势类群。由于污染的因为一些河流的优势类群近年来已经或者正在发生演替。
从宏观上看,海拔、降雨量、流域面积、河流长度和植物分布等都是影响我国底栖动物群落特征的关键自然环境因素,而污染引起的水质改变和水利工程引起的底质改变都是影响我国河流底栖动物的主要人为因素。
6.通过栖息地模拟法研究了黄河花园口段底栖动物生态需水。通过实地调查,获得底栖动物在不同栖息地类型(边滩、浅濑、深潭和深流)中的分布情况,确定了边滩和浅濑为底栖动物最适栖息地类型,并通过适合度曲线获得各栖息地类型的水力学参数,之后通过二维水力模拟软件River-2D结合GIS技术,对21种流量下各栖息地类型的面积和分布状况进行了模拟,确定了非汛期维持这两种栖息地面积最大化的流量为400-600m3/s。
7.通过流量恢复法结合栖息地模拟法研究了黄河下游鱼类生态需水。以黄河鲤为指示物种,并根据黄河鲤成鱼、幼鱼和产卵期间对水力参数的不同需求,模拟了25种流量下黄河鲤成鱼、幼鱼和产卵期间的栖息地面积和分布。在流量为300-1000m3/s时,成鱼和幼鱼的栖息地面积能够满足其肥育需求。在黄河鲤产卵期间,为了使水位上升,流量要达到1500m3/s以上。通过建立黄河鲤生活史-流量组分需求概念模型对水文波动形式进行了分析。
8.通过流量恢复法研究了黄河下游河岸带植物生态需水。黄河下游5个河段共调查高等植物105种。选择朝天委陵菜、齿果酸模和砖子苗为指示物种,通过植物分布的位置与离水边线的高程和距离确定了花园口段植物的最适流量约为350m3/s。植物在不同生长阶段有不同的流量需求:3-4月种子萌发时需给予一定的高流量或流量脉冲以增加土壤湿度,5-6月需中等流量以保持植物生长所需的土壤湿度,7-9月为植物开花结果期流量不宜过大,10-11月种子成熟后短时间的流量脉冲有利于种子扩散和传播,12-2月种子休眠阶段应保持低流量过程。
9.黄河下游底栖动物、鱼类和河岸带植物生态需水综合分析表明,黄河花园口段在12月至次年2月期间需要300m3/s左右的基流；在3月下旬至7月上旬之间和9月中旬至12月需要供400-600m3/s左右的中等流量；在7月下旬至9月上旬提供2000m3/s的高流量,在此期间,提供4000m3/s短期(10-15天左右)的洪水在以维持河道形态,特别是增强行洪能力；在黄河鲤产卵期间(4月中旬,水温达到18-25℃)需要大于1500m3/s的短期流量脉冲持续10-15天左右；10月下旬也需要流量脉冲以传播种子。运用Tennant法对高村、艾山和利津段的生态需水量进行了计算,并按照花园口段栖息地模拟结果与Tennant法之间的差异进行了修正,上述三个河段的生态需水量应为346-538m3/s、326-507m3/s和246-382m3/s。