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作为大自然不可分割的组成部分，河流是水、泥沙和其他物质在流域内的运输通道，它不仅是一系列互相关联的生态过程的驱动因素，也是这些生态过程作用的结果。生态过程的综合作用形成了所谓的河流和其他河流生态系统，包括河流廊道及其水体、湖泊、洪泛区，以及生活在这些区域内的动植物。
河流生态系统具有众多重要功能
，具体包括以下几点（图1.1）：
（1）廊道。河流是能量、物质和生物体的迁移廊道。河流廊道为水、沙、有机质、养分、种子和生物等迁移提供路径。河流还可以传输能量，包括重力运动产生的机械能、热能（如通过阳光吸收的热能），以及以有机物形式存在的化学能。
（2）屏障及过滤。河流可以减缓或阻止能量、物质和生物体的迁移，也可选择性地过滤能量、物质和生物。除了限制水分流动之外，河流还可限制污染物、泥沙和其他物质的迁移以及碳和养分的化学转换。
（3）作为物质能量的源和汇。河流在发挥向周边区域提供能量、物质和生物质的“源”的作用的同时，也发挥了“汇”的作用，两者相辅相成。例如，在洪水泛滥时，洪泛区及其相关植被既可以作为水和泥沙的“汇”，同时也可作为土壤有机质的“源”。
（4）栖息地。河流是物种赖以生存、繁殖、觅食和迁移的自然环境。有些物种终其一生都生活在河流中；有些物种在河流中繁殖，或者将河流作为食物和水的来源。陆生动物可能利用河流廊道进行迁徙。河流的栖息地功能存在多种尺度，河床和岸边、水塘和浅滩区、湖泊和洪泛区以及河岸带都可以成为栖息地。
图1.1 生态系统的六大关键功能
河流上述功能的发挥，取决于河流生态系统的某一组成成分或整个河流生态系统。值得注意的是，河岸带是河流不可分割的组成部分，与河道共同作用，确保了河流生态系统的生机与活力。
河流生态系统发挥上述功能的方式和范围取决于系统自身结构、内部的生态过程，以及物质能量的输入输出情况。本章将深入探讨这些要素之间的相互关系。
河流既在水循环过程中扮演重要角色，也受到水循环过程的影响，驱动河流水文过程的因素包括降水、蒸发和径流（图1.2）。这些要素提供了水量和能量，进而驱动河床演变。同时，河网提供了地表径流和地下水的通道，使得水资源从集水区流到尾闾湖泊和大海。
图1.2 河流与水循环
河网和河床形态主要是通过流域内从高海拔到低海拔流动的水和沿途地貌的相互作用塑造的。这种相互作用包括河岸带物质的输送、迁移和沉淀，其重要的驱动因素为比降产生的势能。此外，流动产生的能量还可通过植被、湍流、侵蚀以及泥沙输移等方式得以释放。
无论是河流与河流之间，还是在同一条河流内，这些过程的性质和结果都会存在显著差异。一般而言，高海拔地区河流的河床比降大，流速快，可以输送卵砾石，从而为生物提供了更加多元化的栖息地。但由于河道较窄以及河岸植被的遮蔽效应，河底植被的生长和降解有限，养分含量一般较低。
相比之下，低海拔地区的河床比降小，河道宽，流速慢，具有复杂的河床剖面形态。相应的侵蚀和沉积作用保持动态平衡，来自上游流域以及通过河岸物质侵蚀作用产生的细砂和黏土在此沉积。由于河道更宽，受河岸植被遮挡影响更小，河底植被和挺水植物沿河床和河道边缘可获得更多光照，河水中养分浓度通常更高。
潜流带是位于河流与地下水界面之间的活跃过渡区，在维持河流健康状态过程中发挥着关键作用。在此生物带内，地下水上升能够提供养分，而地表水入渗能够提供氧气和有机质，地表与地下的交互作用，能够有效保持水质的稳定，并维持生物群的健康状态。
很多物种依赖河流得以生存，河流及其滨岸带是生产率最高、种类最多、结构最复杂的生物栖息地之一。河流在丰水期和枯水期的动态性，以及水陆域的相互作用，使得生物多样性维持在较高水平。同时，河流是一个综合系统。河道内及河岸带的生物群落极大地受到众多河流过程的影响，而这些过程也是河流形态、流域水循环，以及能量、物质和生物物种迁移的决定因素。
虽然不同地区的流域特点有显著差异，但是构成流域的物理、生物等要素基本相同，并且这些要素形成的物理、化学和生物过程都比较相似。这些要素和过程共同构成了河流生态系统。本书按照以下五类要素分析河流的特征。
（1）流域过程。水循环与流域内的地形地貌、地质条件以及植被、土地利用方式等相互作用，影响了流域过程，如水的入渗和径流的产生，泥沙、碳、养分和其他化学物质的产生和迁移。流域过程决定了进入河流的水、能量和物质的构成和时序。
（2）水文情势。水文情势由汇入河流廊道的降水径流、地表水、地下水和潜流相互作用决定。水文情势可以描述流域内水流量级、时序、频率和持续时间，并且受到流域（生态）过程的显著影响。
（3）栖息地。水文情势是塑造河流结构和形态的主要驱动因素，可以使得河流廊道在不同区段形成不同的栖息地，如浅滩、水塘、洪泛区、潜流带、河岸带以及河道本身。河流的结构与水文情势的相互作用也形成了水力栖息地模式，并且对连通性，即水、泥沙、生物和其他物质沿水流方向迁移（纵向连通性）和在河道与滨岸带之间迁移（横向连通性）的范围，产生了影响。
（4）水质。河流水质的影响因素主要包括上游污染物、水文情势、河流自身结构（包括土壤性质）以及河流与潜流带的相互作用。这些因素共同决定了河流水质的物理化学特征。
（5）水生和河岸生物的多样性。水生生物多样性以及滨岸带生物多样性既取决于水流状况、水质和栖息地以及物种资源库，又对上述因素作出响应。这些因素影响了河流生态系统内的植物、动物和微生物的丰度、多样性和构成。
图1.3展示了决定河流生态系统结构和功能的关键因素。该图反映了河流生态系统主要的驱动响应关系，而一些要素既是驱动力，也是响应结果。例如，水生生物多样性和河岸生物多样性不但受到流域过程、水流状况、可用栖息地和水质的影响，同时也会对这些因素产生影响。滨岸带植被可以吸收泥沙和有机物，并阻止它们进入河道，从而影响栖息地和水质；同时，植被阻挡了阳光，从而影响了水温。
图1.3 决定河流生态系统结构和功能的关键因素
上述各要素既是河流生态系统结构的组成部分，也是河流生态系统物理和生物特征的决定因素（专栏1）。这些要素促进了河流的形成，支撑了河流生态系统各项功能的发挥，保障了人类文明的发展。
河流的各个方面都有很多专业术语进行描述，有时使用术语的方式也不尽相同。本专栏定义了本书中最常用的术语以及这些术语之间的联系。
▶河流生态系统指的是河流与滨岸带的生物组分和非生物组分以及它们之间的相互作用。
▶生态系统结构指的是生态系统的组分及其构成方式，即一个生态系统（如河流生态系统）是由哪几个部分组成以及怎样组合的。
▶生态系统功能指的是由于生态系统内植物、动物和其他生物体的相互作用，或者它们与周围环境的相互作用引起的各种物理、化学和生物过程，包括分解、生产、养分循环及养分和能量的流动。
▶生态系统结构及相关功能保障了生态系统（如河流）提供的服务，即河流给人类带来的效益。
▶河流健康即河流的总体生态条件，它综合反映了河流生态系统的结构和功能，以及河流可提供的生态服务。