（森林培育专业论文）凉水和帽儿山地区不同土地利用下低级溪流生境和水质调查分析.pdf

摘要 摘要 为研究不同景观土地利用下低级溪流的生境状况和水质差异，于2 0 0 7 年春季、夏 季和秋季对凉水国家级自然保护区红松原始林内的3 条溪流和帽儿山国家森林公园境内 天然次生林植被和农田背景下各3 条溪流生境状况进行调查。同时，对溪流生物性质 ( 悬浮藻、附着藻) 及理化性质( 温度、混浊度、溶解氧( d o ) 、p h 、n h 4 + - n 、n 0 3 - - n 、p 0 4 3 - - p 、总氮( t n ) 和总磷( t p ) ) 以及细小颗粒有机物质( f p o m ) 和粗大有机 物质( c p o m ) 和水文特征( 河宽、河深和流速) 进行测定，比较3 类溪流水质以及生 境差异，分析溪流水质的季节动态。 研究结果表明，凉水地区原始林溪流的生境状况好于帽儿山地区的次生林，帽儿山 地区农田溪流生境最差。原始林溪流具有稳定的溪底生物生活基质，稳水区和急流区均 匀分布，稳水区尺度变化大，受沉降干扰小，河道较弯曲，河岸稳定，河岸植被覆盖度 高，受人类干扰弱；次生林溪流以急流区为主，稳定基质相对较差，并受到一定程度的 沉降干扰，河岸中度稳定，河岸带受到轻微人为干扰：农田溪流基质不稳定，受到强烈 沉降干扰，渠道化严重，河岸带无植被。 原始林溪流水质略优于次生林溪流，次生林溪流优于农田溪流。森林溪流c p o m 和n 地+ - n 浓度相对较高，河宽较窄、河流较浅，并且原始林溪流具有较高的。原始林 溪流除受春季低温融雪影响导致溪流t p 、t n 、d o 、p h 相对较高外，其它季节溪流的 温度、n 0 3 - n 、t d i n 、p 0 4 3 - - p 、悬浮藻、附着藻较低。夏季和秋季农田溪流n 0 3 - n t d i n 、t n 、p 0 a 孓、n p 、温度、悬浮藻、附着藻相对较高。 随着季节的变化，溪流水质呈现一定的季节变化规律。随着时间的推移，干扰积 累，溪流的n 0 3 - n ，n p 比值呈升高趋势，d o 呈降低趋势。一些指标在夏季达到较高 水平( 温度、n h 4 + n 、p 0 4 3 - p 、浊度、f p o m 、河宽、河深、流速) ，主要是受降水影 响。不同土地利用类型上溪流水质指标升降幅度不同。农田溪流n 0 3 - n ，n p 比值、附 着藻变化较大，c p o m 变化较小；原始林溪流浊度、n 0 3 - n 变化较小。 综上所述，不同土地利用类型溪流生境和溪流水质存在较大差别。除春季外，原始 林溪流部分化学指标偏高，夏季和秋季原始林溪流水质要好于次生林溪流，次生林溪流 好于农田溪流：春季、夏季、秋季，原始林溪流生境状况都好于次生林溪流，原始林和 次生林溪流远远好于农田溪流。原始林溪流水质季节变化最小，农田溪流水质季节变化 最大。土地利用以及河岸带的干扰程度对溪流水质和生境的影响尤为重要。 关键词土地利用，低级溪流，溪流生境，溪流水质 a b s t r a c t t ou n d e r s t a n dt h ed i f f e r e n c e si nh a b i t a tf e a t u r e sa n dw a t e rq u a l i t yo fl o wo r d e rs t r e a m si n l a n d s c a p e su n d e rd i f f e r e n tl a n du s e s s u r v e yw a sc o n d u c t e dw i t h i n3s t r e a m sa tl i a n g s h u i n a t i o n a lr e s e r v ef o rk o r e a np i n eo l d - g r o w t h ( w i t hl a n d s c a p eo fo l dg r o w t hf o r e s t ) ，a n d m a o e r s h a nn a t i o n a lp a r k ( 3s t r e a n l sw i t h i nl a n d s c a p eo fs e c o n dg r o w t hf o r e s t sa n dc r o p l a n d s ， r e s p e c t i v e l y ) t h eb i o l o g i c a lf e a t u r e s ( i n c l u d i n gs u s p e n d i n ga l g a e ，p e r i p h y t o na l g a e ) a n d p h y s i c a l c h e m i c a lf e a t u r e s ( t e m p e r a t u r e ，t u r b i d i t y , d i s s o l v e do x y g e n ( d 0 ) ，p h ，n h 4 + - n ，n 0 3 - n ，p 0 4 3 - p ，t o t a ln i t r o g e n ( t n ) a n dt o t a lp h o s p h o r n s ( t p ) ) a n df i n ep a r t i c u l a t eo r g a n i c m a t t e r ( f p o m ) a n dc o a r s ep a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e r ( c p o m ) ) a n dh y d r o l o g yc h a r a c t e r ( s t r e a m w i d t h ，d e p t ha n dv e l o c i t yo ff l o w ) w e r ea n a l y z e d m e a s u r e d c o m p a r i s o n so fs t r e a mw a t e r q u a l i t ya n ds 打e a mh a b i t a tu n d e rd i f f e r e n tl a n du w e r em a d e a n da n a l y z e dt h es e a s o n a l c h a n g eo f s t r e a mw a t e rq u a l i t y t h es t r e a m si nl i a n g s h u iu n d e ro l dg r o w t hf o r e s t sw e r eb e s ti nt e r mo fh a b i t a tf e a t u r e s 。w h i l e t h ew o r s th a b i t a tf e a t u r e sw e r ef o u n dw i t l ls t r e a m si nl a n d s c a p e su n d e rc r o p l a n dl a n d 哪i n m a c e r s h a n s t r e a m si no l dg r o w t hf o r e s t si nl i a n g s h u iw e r ef o u n dw i t hm o r es t a b l es t r e a m h e d s u b s t r a t ef o ri n v e r t e b r a t e s ，e v e n l yp o s i t i o n e dp o o l sa n dr i f f l e s ，g r e a t e rv a r i a t i o no fp o o ls i z e ， l e s ss t r e a mb e ds e d i m e n t a t i o n , a n dw i t hm o r es i n u o u ss t r e a mc h a n n e l s s t a b l er i p a r i a na r e a w i t hg r e a t e rp l a n tc o v e r a g e s t r e a m si ns e c o n dg r o w t hf o r e s t sw e r ed o m i n a t e db yr i f f l e s 、析m l e s ss t a b l es t r e a m b e ds u b s t r a t e ，w i t hm o r es e d i m e n t a t i o ni n f l u e n c e ，r e l a t i v e l ys t a b l er i p a r i a n a r e a sw h i c hw e r ed i s t u r b e df r e q u e n t l yb yh a m a na c t i v i t i e s s t r e a m si nc r o p l a n dw e r ef o u n d w i t hi n s t a b l es t r e a m b e ds u b s t m t e ，h e a v i l ya f f e c t e db ys e d i m e n t a t i o n , h i g h l yc h a n n e l i z e da n d d e v e g e t a t e dr i p a r i a na r e a s t h ew a t e rq u a l i t yo ft h eo l dg r o w t hf o r e s ts t r e a m sw e r eb e t t e rt h a nt h a to ft h es e c o n dg r o w t h f o r e s ts t r e a m s ，t h ew a t e rq u a l i t yo ft h es e c o n dg r o w t hf o r e s ts t r e a m sw e r eb e t t e rt h a nt h a to f t h ec r o p l a n ds t r e a m s c p o m 、n i - h + a n dd ow a sh i g h e ra n ds t r e a mw i d t ha n dd e p t hw e r e l o w e ri nt h ef o r e s ts t r e a m s g r e a t e rc o n c e n t r a t i o no ft p 、t na n dp hw e r ef o u n dw i t h s t r e a m su n d e ro l dg r o w t hf o r e s t s e x c e p ti ns p r i n g t i m e ，l o w e rt e m p e r a t u r e 、s u s p e n d e d a l g a e 、p o f i p h y t o na l g a ea n dc o n c e n t r a t i o no fn 0 3 。、t d i n 、p 0 4 j 。w e r ef o u n d i nt h eo l d g r o w t hf o r e s ts t r e a m s t h ec r o p l a n ds t r e a mh a dt h eg r e a t e rc o n c e n t r a t i o no fn 0 3 。、t d i n 、 t n 、p 0 4 、n p 、t e m p e r a t u r e 、s u s p e n d e da l g a e 、p e r i p h y t o na l g a ei ns u m m e ra n da u t u m n w i t ht h ec h a n g eo fs e a s o n s ，i nt h ew h i l e ，t h es t r e a mw a t e rq u a l i t yd i s p l a y e dc e r t a i nc h a n g e 仃e n d t h ec o n c e n t r a t i o no fa n dn 0 3 a n dt h er a t i oo fn pi n c r e a s e d 。d 0d e c r e a s e d i n s u m m e r ，s o m ei n d i c e ss u c ha st e m p e r a t u r e 、t u r b i d i t y 、n h 4 + - n 、p 0 4 p 、f p o m 、s t r e a m w i d t h 、s t r e a md e p t hw e r eh i g h e s tw h i c hi n f l u e n c e db yp r e c i p i t a t i o n t h er a n g eo fc h a n g ei n 1 1 1 w a t e rq u a l i t yi n d e x e sw a sd i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n tl a n db s e t h er a n g eo fc h a n g ei nt h e c o n c e n t r a t i o nn 0 3 。a n dp e r i p h y t o na l g a ea n dt h er a t i on pw a sg r e a t e ra n di nc p o mw a s l o w e ri nt h ec r o p l a n ds t r e a m s t h er a n g eo fc h a n g ei nt u r b i d i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o nn 0 3 。w a s l o w e ri nt h eo l dg r o w t hf o r e s ts t r e a m s a l lm e n t i o n e da b o v e ，t h es t r e a mh a b i t a ta n dw a t e rq u a l i t yv a r i e dg r e a t l yw i t hd i f f e r e n tl a n d u s i n g t h ep a r t i a lc h e m i ci n d e xo fs t r e a m su n d e rt h eo l d g r o w t hf o r e s tw e r eh i g h ，t h ew a t e r q u a l i t yo fs t r e a m sw e r eb e s ti nt h eo l d g r o w t hf o r e s ts t r e a m ，f o l l o w e db yt h es e c o n d g r o w t h f o r e s ts t r e a m s ，t h e nt h ec r o p l a n ds t r e a m si ns u m m e ra n da u t u m n ；t h eh a b i t a to fs t r e a m su n d e r o l d g r o w t hf o r e s t sw e r eb e t t e rt h a nt h a to f t h es e c o n d g r o w t hf o r e s ts t r e a m s ，a n dt h eh a b i t a to f t h eo l d - g r o w t ha n ds e c o n d g r o w t h ；f o r e s ts t r e a m sw e r eb e t t e rt h a nt h a to fc r o p l a n ds t r e a mi n s p r i n g ，s u m m e ra n da u t u m n t h ee f f e c to fl a n d - u s i n ga n dd i s t u r b a n c eo fr i v e r s i d eo nt h e s t r e a mh a b i t a ta n dw a t e rq u a l i t yw a si m p o r t a n t k e y w o r d s l a n du s e ，l o wo r d e rs t r e a m s ，s t r e a mh a b i t a t ，s t r e a mw a t e rq u a l i t y i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得壅些鲞些盘堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 龇鳄签字日期：p 。7 年舌月，护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔些盎些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借浏。本人授权盔i 垦盎些盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名西即 签字日期：护。淬月铂 电话： 邮编： 殄 泪 鹕 即 ，6 名 年 签 7 者 娜 储 巾 文 期 论 日 位 字 学 签 i 绪论 1 绪论 随着人口的急剧增长，人类的生产、生活活动造成江河湖泊等水生生态系统严重污 染f l , 2 1 ，同时，对自然生态系统的干扰，造成水生生态系统结构和功能的破坏，导致生物 多样性、生产力下降和灾害频发等一系列生态问题。 造成水体污染的途径包括点源污染和非点源污染，其中非点源污染是水体污染的最 主要的途径。目前，非点源污染，尤其是农业非点源污染1 3 】，己成为水环境首要污染 源。在美国，非点源污染已成为环境污染的第一因素，6 0 的水资源污染起源于非点源 污染【3 】o 丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷由非点源污染引起【4 l 。荷兰农业 非点源产生的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 5 0 p j 。我国河流污染 也十分严重，农田径流带入水体中的氮占水体总氮的5 l 。在全国调查的5 3 2 条河流 中，8 0 受到不同程度的氮污染1 6 j 。 不同土地利用方式对生态系统的干扰强度和频度不同。农业土地利用是干扰强度和 频度最大的一类土地利用方式。农田高强度、高频度的干扰，使大量的养分元素和泥沙 通过河岸带进入溪流，如输入量超过溪流生态系统缓冲阈值，则造成溪流养分的输出， 由此导致高级河流及湖泊的富养化【n 。次生林在一定程度上保持着原始森林的物种成分 与生境，但与原始林在组成、结构、生产力、林分环境和生态功能等诸多方面有着显著 的不同i 引。森林生态系统的组成、结构、土壤属性、土壤表层粗大有机物、凋落物的质 量和分解都会影响其向溪流生态系统的养分输入【9 】。 河岸带是陆地生态系统和水生生态系统的缓冲带，具有阻止污染物进入溪流等水 体，维持溪流的结构和功能的重要作用【1 2 0 4 1 。河岸带的不合理经营，导致其功能的削弱 或丧失，溪流中污染物输入大幅度增加；同时，溪流的形态、溪流生境多样性、溪流温 度、光照等均受到河岸带植被状况的强烈影响i l “4 j 。 河流的水量主要来自1 、2 级溪流，这些溪流占据最广泛的河流流域面积和河道长 度，是河流生态系统非点源污染的主要渠道i ”1 。p c t e r s o n 等人采用n ”同位素方法研究 发现低级溪流生态系统具有极高的养分转化及截获能力，而较大河流的这种能力极低 1 1 6 1 7 】。因此，对不同土地利用下低级溪流的水质及生境的评价可以为土地利用规划的制 订提供一定基础数据，对保持水生生态系统的健康具有重要理论意义和实践价值。 1 1 土地利用对溪流水质的影响 大约从上个世纪6 0 年代起许多国家建立了一些森林生态系统定位站，对森林与水 的关系进行了长期和系统的监测和研究。我国从上个世纪5 0 年代开始关注森林对水的 影响，绝大多数的研究着重于森林对河流悬移泥沙含量的影响【l 引。7 0 年代，美国的 c o w e e t a 森林生态和水文研究站等机构开始研究整地、除草剂以及林火对溪流水质的影 响1 1 9 】。8 0 年代中期以后，森林与水质的研究成为热点1 2 0 ”j 。 1 绪论 1 1 1 森林生态系统对溪流水质的影响 ( 1 ) 景观背景中的森林植被类型与溪流水质的关系 在有森林覆盖的地区，由于森林生态系统中的林冠层、凋落物层和土壤层对养分有 较强的截留、过滤作用，而且能有效地减少地表径流，具有较高的净化效果，故林地对 溪流水质造成的的负效应较低【2 0 i 。研究显示，随着流域内有林地面积比例的增加，氮素 输出量呈指数递减1 2 2 1 。森林采伐后，地表水的流量和n 、p 的含量、输出量显著增加 1 2 2 。2 4 l 。 不同的森林类型影响溪流的养分输入，尤其是对溪流中n 0 3 - n 的浓度影响1 2 ”。不 同的森林类型养分输出形态不同，在美国东北地区阔叶林溪流中的n 0 3 - n 浓度较高， 而针叶林内溪流具有较高浓度的溶解有机氮( d o n ) 和溶解有机磷( d o p ) 。l e w i s 和 l i k e n s 在宾西法尼亚州阿莱干尼国家林场研究溪流临岸树种组成对溪流n 0 3 - 浓度的影 响时，发现有橡树林的流域n 0 3 浓度要低于无橡树林的溪流n 0 3 浓度【2 “。 不同的森林类型和森林树种组成对生态系统养分循环具有重要影响，特别是对氮循 环【”1 。b u t t e r f i e l d 的研究发现不同树种凋落物的分解能力不同1 2 8 l 。p a r o n 等研究表明凋落 物的可溶解部分随着凋落物c n 比值的增加而降低；不同植被类型下特有的气候条件造 成凋落物水溶性物质差别较大【2 9 1 。阔叶林生态系统的凋落物分解要比在针叶林分解快很 多p0 1 。在美国c a t s k i l l 山区，l o v e r 等发现树种的特性强烈影响土壤c n 比和净氮矿化和 硝化作用1 30 l 。t e m p l e r 等人与l o v e r 在同一样地研究5 个树种，发现其中4 种对土壤的铵态 氮吸收优于n 0 3 - n 的吸收，从而影响其它植物和微生物氮的可利用形态1 3 “。同水平氮沉 降时，土壤表层凋落物c n 比值 l m m 的有机物) 是溪流生态系统主要的能量来源，而且c p o m 在落叶森 林和针叶林的小溪流中固定了大量的碳1 7 1 1 ，为溪流内养分生物过程提供充足的c 源。 森林河岸带的粗大木质残体( c w d ) 向溪流输入是森林和水生生态系统的一个重要联 接纽带，特别是大型木质残体( l w d ) 与溪流生境的数量和生产力1 7 “，溪流形态和河 道稳定性【眩7 2 1 密切相关。 河岸带，河岸带森林类型、演替阶段和生长阶段、人类活动干扰的频度和强度直接 影响l w d 在溪流中的数量、频度及存在状态，从而对溪流形态的形成，溪流中生境 ( 特别是稳水区ip 0 0 1 ) 的形成产生直接的作用【7 引。美国北卡罗来地区将上百万英亩的 老龄林( 原始林) 改为生长旺盛的次生林，大大减少了溪流粗大死树的输入，取而代之 以细小、易破碎的凋落物输入f 7 4 l 。溪流中的l w d 、c w d 频度相对较低时，不利于溪流 稳水区的形成。在溪流流量达到高峰时消耗溪流能量1 7 4 , 7 5 1 ：为溪流中的鱼类和无脊椎动 物提供生境，增加鱼类的产量1 7 6 7 7 1 。农业溪流随着河岸带的消失，其生境数量和质量也 会发生变化。l w d 对河岸带结构的作用因溪流大小而异。在小的溪流内，倒木可能横 绪论 跨河道，导致凋落物积累、部分或全部淤塞河道。这种阻碍作用可能使溪流改道，导致 局部洪水、土壤侵蚀、树木死亡以及新生境的形成l 。除了直接的结构方面作用外， c w d 还捕获向下游移动的凋落物，形成大的积聚体【7 2 】。这些积聚体促进淀积物沉淀， 在暴雨径流时，凋落物和淀积物会缓慢从积聚体中释放到下游【7 引。溪流将凋落物携带到 河道中的不同位置，因凋落物形态和障碍物周围水流格局的不同，产生冲刷或淀积悬浮 物的作用。这种冲刷和淀积物循环过程，产生一系列复杂的溪流生境，例如溪流中大量 的稳水区( p o o l s ) 和激流区( r i f f l e s ) 1 7 8 】。低级溪流可能是高级溪流凋落物的重要来 源，可能导致洪积漫滩上凋落物的累积。当水流淹没洪积漫滩时，通常在活跃的河道外 的凋落物堆为许多生物提供重要的庇护所1 7 8 】。 1 3 溪流水质和生境评价 流经不同地理地貌特征下溪流健康的评价需要用一系列指标来评价，包括溪流的物 理特性，化学特性，生物学特性，同时考察生态系统的生境状况。 1 3 1 物理指标 溪流的物理性质通常用混浊度、温度、溶解氧 浑浊度是测定水体清澈程度的尺度。水的混浊是由于水中含有泥砂、粘土、有机 物、浮游生物、微生物等悬浮物质造成的【7 9 l 。浊度是指水样对光线散射和吸收所产生的 一种光学性质。浊度高时抑制光线进入水体，间接导致水温降低1 8 4 】。浊度是评价溪流水 质的一个重要指标。 温度是影响地表水中水生生物的存在和行为的一个重要因素，是影响化学和生物 化学反应速度的个重要因素1 8 0 1 。在受到污染的河流中，温度升高导致的溶解氧水平降 低，势必对鱼类和其它水生生物产生有害的作用，甚至导致河中正常水生生物的死亡。 水温升高，使硝化细菌的繁殖速度明显加快，导致水的生物需氧量增加，不利于其它生 物的生活舯j 。温度也是评价溪流水质的一个重要指标。 溶解氧( d o ) 即单位重量水体中溶解氧的量，溶解氧浓度的高低反映水体受污染 的程度哗“。溪流中溶解氧含量取决于溪流水温、溪流中沉积物的质量、有机体的呼吸作 用和分解作用消耗的氧气以及通过水生植物的光合作用、呼吸作用对氧气释放和消耗， 同时还受溪流流速、曝气作用、微生物的分解过程的影响【8 l 】。当水体受到污染时，由于 氧化污染物质需要耗氧，水中所含的溶解氧就逐渐减少。若受到的污染较严重，氧化作 用进行得很快，而水体不能从空气中吸收足够的氧气来补充消耗时，水中的溶解氧就不 断减少，甚至接近于零。在这种情况下，厌气细菌的生长和繁殖活跃，水中有机污染物 质发生腐败作用，致使水体产生臭味【引l 。低的溶解氧与溪流生态系统污染和退化密切相 关，关系到水生生物的生存【8 ”。因此，溶解氧是衡量水体污染的一个重要指标。 1 3 2 化学指标 水质的化学指标包括水体中的养分元素n 、p 含量以及水体的p h 。 绪论 p h 值是反映溪流水质的重要指标，p h 的高低决定溪流中某些化学物质的溶解性及 生物可利用性。地表水的酸度受到多个因素的影响，主要包括强酸性物质( h 2 s 0 4 、 h n 0 3 ) 的大气沉降，陆地生态系统中产生的有机酸，湿地中微生物的氧化还原反应产 生的物质，溪流内的微生物过程，含硫矿物质的溶解，及空气中c 0 2 的溶解等【s ”。藻类 的光合作用和呼吸作用也会引起溪流p h 值的日变化【8 3 】。低级溪流相对较弱的干扰和相 对较好的河岸带以及溪流内的生态学过程对稳定溪流的p h 值可能发挥作用f s 4 1 。 n 、p 是决定溪流生态系统生产力1 9 0 1 和溪流水质的重要因素，而且是引起水体富养 化的主要元素【s 5 l ，其浓度对于溪流水质评价具有重要的意义。溪流中氮素经一系列的物 理化学和生物过程，导致其形态和含量的变化。溪流中的n 浓度受到矿化作用、硝化作 用、反硝化作用、吸收作用以及溪流的流经途径和流量的影响【8 6 1 。溪流去除n h 4 + - n 主要 的机理是藻类植物、异养有机体的同化吸收、河流底部基质的吸附；其次是硝化作用， 硝化作用的变化范围较大，在北卡地区的西部的落叶森林溪流中的研究发现只有3 的 n h 4 + - n 发生了硝化作用，但在热带雨林的溪流中发现6 0 的n i - h + - n 发生硝化作用【l “。 各个过程的贡献率的变异较大，平均来说，7 0 8 0 的n h 4 + n 是通过溪流中生物有机体 的同化吸收和溪流诃底沉积物的吸附去除的，2 0 3 0 通过硝化作用去除的。而溪流中 n o ；- n 的去除是通过生物同化作用和反硝化作用进行的i l “。因此，测定不同形态氮的相 对含量，一定程度上可以反映水源被含氮有机物污染的时间长短，探讨水体污染历史和 水体自净的状况i j “。 p 是植物生长必须的营养元素，在天然水和废水中，磷几乎都以各种磷酸盐的形式 存在，分为正磷酸盐、缩合磷酸盐( 焦磷酸盐、偏磷酸盐和多磷酸盐) 和有机结合的磷酸 盐1 8 ”。p 进入溪流的主要途径是地表径流和土壤侵蚀1 8 7 】。p 的大量存在引起藻类等植物 的大量繁殖【l 】。同时，磷也是溪流内影响微生物呼吸速率的主要因素【s ”。溪流中p 的去 向主要是藻类和生物有机体的吸收作用，发生沉淀吸附在河底的基质中，在一定的时候 从河底析出，变为生物有效态p l 黜】。正磷酸盐是植物可以直接利用的磷，正磷酸盐的含 量在一定程度上可以反映水体的富养化程度，是评价水质的重要指标! s t l 。 1 3 3 生物指标 藻类是生态系统的重要生物组分，在溪流生态系统中，藻类主要分为悬浮藻类和附着藻 类，是衡量溪流生物量、初级生产力的一个重要指标1 8 9 1 。叶绿素a 含量的高低与水体中 藻类的种类、数量等密切相关，受到水环境质量的强烈影响。近年来，叶绿素在水体富 营养化评价中也正发挥着愈来愈显著的作用。h i l l e b r 和s o m m e r 研究结果表明藻类对光 照和养分状况的生理反应，影响藻类对碳和磷摄取的相对比例，从而改变自养生物量内 的元素比例8 9 1 。研究发现水体中p 的含量与水体中的叶绿素具有一定相关关系i 删。n 负 荷的增加将引起溪流等水生生态系统藻类的大量的繁殖。例如在h u b b a r db r o o k 进行的 试验中发现养分元素的大量存在将引起岩石表面藻类的大量的繁殖i z z j ，对水体造成危 害。 绪论 微生物在水生生态系统中的物质循环和能量转换过程中起着积极的作用1 9 1 , 9 2 1 。真菌 是分解木质残骸和落叶最主要的分解者i 蚓。 1 3 4 其他指标 溪流中的有机质( o r g a n i cm a t t e r ，o m ) 与两岸的植被、溪流中无脊椎动物的丰富 度、生物数量、产量，以及捕食动物的产量息息相关1 7 l l 。细小颗粒状有机物( f i n e p a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e r , f p o m ) 指直径在lg m 和lm m 之间的颗粒，或者悬浮在水体 或者沉淀在稳水生境中，包括生命物质( 细菌、藻类、原生动物、无脊椎动物等) 和无生 命物质( 不定形的有机物质、碎石和悬浮的无机沉淀) 。f p o m 来自于许多方面，包括机 械压力造成的大型颗粒的破碎，动物的破碎作用，微生物的过程，溶解物质的絮结产物 和陆地的输入，是许多过滤取食的无脊椎动物的重要食物来源，也是大河中脊椎动物的 食物来源【7 ”。溪流中破碎者的破碎凋落物行为和微生物分解凋落物行为形成溪流中的粗 大颗粒状有机物( c p o m ，直径大于li l l l n 的有机质) ，c p o m 对细菌、真菌以及无脊 椎动物非常重要，也会提高溪流的营养水平f 7 n 。 1 3 5 溪流水质和生境评价研究中存在问题 虽然人们自上世纪7 0 年代已经开始重视溪流的生态功能的研究，并致力于通过合理 的土地利用和植被管理，维持溪流生态系统的健康，但由于影响因素复杂多样，研究对 象以及环境因子的差别，致使研究结果存在较大的差异【25 1 。 不同植被类型和土地利用条件下，溪流水质的评价一般针对溪流的物理性质和养分 状态，对溪流中其它生物学、生态学过程的评价研究尚少1 3 9 】。在国内，学者们虽然已经 认识到非点源污染对河流污染产生的重要的影响 9 4 , 9 5 j ，并且对不同土地利用对非点源污 染的影响进行了一些初步的研究工作1 9 5 , 1 4 2 1 1 ，但多是针对溪流水质某个方面的分析，并 且研究对象的地域差异较大，没有考虑到景观背景植被状况对溪流生态系统的影响多样 性和复杂性，不足以充分说明土地利用对植被的干扰对溪流生态系统的综合影响。研究 产生的信息不足以为溪流生态系统的恢复和重建提供充分的理论依据。 1 4 本研究的科学意义 我国河流生态系统退化、江河等水体污染日趋严重。据中国国家环保总局发布的 ( 2 0 0 2 年中国环境状况( 水环境) ，国内七大江河水系均受到不同程度的污染，一半以 上的监测断面属于v 类和劣v 类水质。主要湖泊氮、磷污染较重，导致富营养化问题 突出。 低级溪流由于占据最广泛的流域面积和河道长度，其水质状况决定着高级河流的水 质。河流和溪流的健康状况受到它们流经的景观背景的强烈影响1 】，流域状况在各个方 面决定着溪流水体状态。景观尺度上不适当的土地利用，破坏了周围森林生态系统的养 分维持机制，通过许多复杂的过程，对溪流的生境，水质和生物群系产生影响 9j , 5 5 1 。大 量的营养元素( 主要是n 、p ) 和污染物进入溪流中，引起水体的富营养化：河岸带植 l 绪论 被的破坏，直接导致与溪流凋落物输入、溪流形态、溪流生境状况等的一系列变化，影 响了溪流中的生态学过程。营养物质的大量输入和溪流生态学过程的破坏，导致溪流生 产力的下降、养分吸持机制减弱或丧失，养分向下游水体大量输出，造成陆地水体的严 重污染和退化。 国外在景观角度上，对土地利用造成的溪流生态系统污染和退化进行了大量的研究 1 2 5 l 。研究结果对于从景观角度上了解陆地生态系统对水生生态系统的影响，科学制定土 地利用规划起到重要的推动作用。 我国目前在对水体污染的治理工作集中于点源污染治理i l4 】。虽然学术界已经意识到 非点源污染在水体污染中的主导作用【1 4 】，但由于基础理论的缺乏和经济条件的限制，对 非点源污染的研究和治理工作极为有限。到目前为止，我国对溪流生态学的研究方面， 尚处于起步阶段，研究涉猎的内容有限，对溪流中的生态学过程知之甚少。在景观角度 上对溪流健康的研究尚未开展。基础研究工作的缺乏，致使我国解决水体污染问题的工 作举步维艰，不能从根本上提出解决这一问题的策略。这些都对水生生态系统和人类健 康构成严重威胁，并对依赖水体的国民经济各行业的发展构成限制。 本研究以我国东北部山地红松阔叶林、天然次生林和农田背景下的低级溪流为对 象，采用国际上溪流生态学研究中先进的研究方法，评价不同植被类型下溪流的水质 ( 物理、化学和生物指标) 和溪流物理生境( 河道和河岸带) 状况。通过本研究，了解 不同植被条件下低级溪流健康状况的差异，分析产生差异阿原因。一方面，可以为我国 溪流生态学的研究提供基础理论与方法，另一方面，可以为该地区景观尺度上的土地利 用、为溪流生态系统健康的维护与恢复提供基础数据。 2 研究地区概况及研究方法 2 研究地区概况及研究方法 2 1 研究地区自然概况 本研究在东北林业大学凉水国家级自然保护区和帽儿山实验林场进行( 图2 1 ) 。 东北林业大学凉水国家级自然保护区地处伊春市带岭区，小兴安岭山脉东南部一达 里带岭的东坡( n4 70 7 4 7 。1 4 ，e1 2 8 0 4 8 1 2 8 0 5 5 ) 。保护区总面积为6 3 9 4h m 2 ，森 林覆被率9 1 3 ，是我国目前保存下来的面积较大的原始红松林区域。低山丘陵地貌， 海拔高度2 8 0 7 0 7m ，平均4 0 0m ，平均坡度1 0 1 5 0 。温带大陆性季风气候特征，年均 气温一0 3 ：年均降水量6 7 6 0m m ，蒸发量8 0 5 4m m 。该区以红松为主的温带针阔叶混交 林为主，森林类型多样，既有处于演替顶极阶段的原始红松林，又有兴安落叶松林和云 冷杉林和其它处于不同演替阶段的次生林。阔叶红松林是以红松( p i n u sk o r a i e n s i s ) 为主 的复层异龄林，林分年龄在2 0 0 3 0 0a 之间，群落结构复杂，红松占大部分比例。地带 性土壤为暗棕壤，全部剖面成微酸性( p h = 6 2 9 6 4 7 ) 。河流为凉水河，发源于岭来东 山，从北向南贯流中心。永久支流有岳风沟，向阳沟，长春沟以及许多季节流水的小溪 流，均汇入凉水河，构成完整的集水区，于境内流入永翠河。 东北林业大学帽儿山实验林场位于黑龙江省尚志市境内( n 4 5 0 2 3 4 5 0 2 6 ， e 1 2 7 0 2 6 - 1 2 7 0 3 9 ) ，面积2 6 万h m 2 ，森林覆被率8 0 。低山丘陵地貌，平均海拔高 3 0 0m 。平均坡度6 1 5 。温带大陆性季风气候，年均气温2 8 ，1 月平均气温2 3 ，7 月平均气温2 0 9 1 2 。年均降水量7 0 0 8 0 0n l l n ，蒸发量1 0 9 4m m 。现在植被为原始阔叶 红松林破坏后形成的硬阔叶混交林为主的天然次生林。地带性土壤为暗棕壤，全鼢剖面 呈酸性( p h = 4 3 6 o ) 。场区范围内，森林和农田镶嵌分布，有完整的森林景观及农田景 观。河流为阿什河，起源于林场东北部，流经林场全境。 两个研究地点在地貌、土壤、植物区系组成、气候条件特征方面具有较高的相似 性，但景观特点、森林植被的完整性和土地利用方面存在较大的差异。 2 2 研究方法 2 2 1 研究河段的确定 利用航片( 1 ：5 0 0 0 ) 和水文图，确定凉水原始红松阔叶林森林为背景的3 条溪 流，记为o g i 、o g 2 、o g 3 ；帽儿山次生林和农田背景下各3 条溪流，分别记为s g i 、 s g 2 、s g 3 和c l l 、c l 2 、c l 3 。所有溪流均为2 级，由两条l 级溪流汇集而成( 图2 1 ) 。通过踏查，在选定的9 条溪流范围内选择具有代表性、长度5 0m 的河段作为研究 对象，利用随机数表，确定3 个采样点的位置，分别距起始点6m 、1 9m 和3 9m 。野 外调查于2 0 0 6 年5 月3 同至6 日，2 0 0 6 年8 月2 2 日至2 8 日，2 0 0 6 年1 0 月1 日至7 日即春季、夏季和秋季进行。 2 研究地区概况及研究方法 2 2 。2 溪流生境调查与评价 在确定的河道范围内，进行溪流生境评价。溪流生境评价采用美国环保署 ( u s e p a ) 河流生境调查的方法，包括河床评价和河岸评价【9 7 l 。河床评价包括溪底动物 生活基质的稳定程度和可利用程度，主要生境类型稳水区( p 0 0 1 ) 的基质特征及其形态 变化，稳水区中淀积物的沉积状况，河道水量状态，渠道改变程度，渠道的弯曲程度 等。河岸评价包括河岸的稳定性，植被宽度以及植被遮荫程度和受干扰程度。每一项评 价参数分为4 个等级( 好、较好、一般和差) ，并且根据实际状况，对应不同等级再细 分为五个层次转化为相应的分数，每项为2 0 分，总计2 0 0 分为满分。具体评分标准见 附表l 。 2 2 3 溪流水质样品采集及其分析 2 2 3 1 溪流水质样品的现地测定及采集 在3 个样点位置，分别用酸( 1 h c i ) 洗过的容器分别采集水样，用于溪水养分含 量分析。其中n 素分析样品采集1 0 0 0m l ，采用塑料容器；p 素分析样品采集5 0 0m l ， 采用玻璃容器( 避免塑料对p 的吸附) 。 在每个样点附近选取典型生境( 由稳水区、急流区所占比例决定何种生境中采 样) ，用洁净塑料桶取水样( 4l ) 丽份，分别用于细小颗粒有机物( f p o m ) 9 s j 和悬浮藻 类的测定即l 。悬浮藻水样容器用黑色塑料袋严密包裹，阻断光照。从典型生境中，取l 块溪水表面下的石砾，将幻灯片夹( 内框面积8 0 5c m 2 ) 固定于上表面，用钢刷刷取框 内附着藻，用蒸馏水洗入塑料瓶中，用于附着藻类测定1 9 9 】。取样瓶外用铝箔严密包裹， 阻断光照。在距采样点晟近的稳水区基质上，放置两端开口，断面积3 0 0c m 2 的圆柱形 铁皮桶，用孔径1l l l m 网筛捞取桶内的淀积物，用于粗大颗粒状有机物( c p o m ) 的测 定1 1 0 0 j 。 在每个样点，采用h 1 9 3 7 0 3 1 1 便携式高精度浊度仪、h 1 9 1 4 3 便携式微电脑溶解氧 测量仪、温度计( 均为意大利哈纳公司制造) 现场测定溪水的混浊度、溶解氧( d 0 ) 和温 度。 溪流每个样点的宽度用米尺测定；将河宽分作5 等分，在每等分的中间位置测定河 深，取平均值。根据河道的实际状况，选取一定长度( 包含稳水区和急流区) ，使用乒 乓球最为标识物，记录乒乓球在此长度内移动时所消耗的时间，重复三次，计算平均流 速。 2 2 3 2 实验室分析