夏繼紅,林俊強(qiáng),姚 莉,王 丹

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

1933年,野生動(dòng)物學(xué)家Leopold在研究森林片段區(qū)生物分布特點(diǎn)時(shí),注意到在生態(tài)交錯(cuò)帶內(nèi)物種種類和個(gè)體數(shù)比鄰近的系統(tǒng)要多,于是提出了邊緣效應(yīng)概念[1-2].1942年,地理植物學(xué)家Beecher發(fā)現(xiàn),不同地貌單元生物群落的界面地帶,結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜,不同生境的物種在此共生,種群密度大,生產(chǎn)力水平較高,于是他將這種現(xiàn)象稱為“邊緣效應(yīng)”[1-2].1985年,王如松和馬世駿提出的邊緣效應(yīng)指的是在2個(gè)或多個(gè)不同性質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)或(其他系統(tǒng))交互作用處,由于某些生態(tài)因子(可能是物種、能量、信息、時(shí)機(jī)或地域)或系統(tǒng)屬性的差異和協(xié)同作用而引起系統(tǒng)某些組分及行為(如種群密度、生產(chǎn)力、多樣性等)不同于系統(tǒng)內(nèi)部的較大變化[1-2].目前這一理論已被推廣應(yīng)用于地理學(xué)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)、城市規(guī)劃等領(lǐng)域.河岸帶作為水陸交界區(qū)域,是河流系統(tǒng)與陸地系統(tǒng)、地表水與地下水間相互作用的媒介,與相鄰系統(tǒng)之間發(fā)生著復(fù)雜的相互作用[3-5].可見(jiàn),河岸帶是一個(gè)典型的邊緣區(qū)域,同樣也有其獨(dú)特的邊緣效應(yīng).但是目前對(duì)河岸帶邊緣效應(yīng)的研究還比較缺乏,這在一定程度上影響了河岸帶功能的發(fā)揮和建設(shè)方式的改進(jìn).本文在分析河岸帶邊緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,討論河岸帶邊緣效應(yīng)的概念、特征和主要表現(xiàn).

1 河岸帶的邊緣結(jié)構(gòu)特征

河岸帶在地理空間結(jié)構(gòu)上是水陸交界區(qū)域,既有地表徑流與陸地之間的交界區(qū),又有地下水與陸地之間的交界區(qū);在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上是水生生態(tài)系統(tǒng)與陸生生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過(guò)渡區(qū)或生態(tài)交錯(cuò)帶,既具有水域生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn),又具有陸域生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn).特別是在生物群落的構(gòu)成上,既有陸生生物,也有水生生物,同時(shí)還有兼性生物.河岸帶是一個(gè)典型的邊緣性區(qū)域,具有縱向空間的鑲嵌性、橫向空間的過(guò)渡性、垂直空間的成層性與時(shí)間分布的動(dòng)態(tài)性等邊緣特征[6].

a.縱向空間的鑲嵌性.從縱向結(jié)構(gòu)看,河岸帶由自然保護(hù)區(qū)(濕地、人文歷史保留區(qū)、珍稀生物保護(hù)區(qū)等)、治理保護(hù)區(qū)(增殖禁漁區(qū)、禁采區(qū)、防護(hù)林帶、緩沖區(qū)等區(qū)域)、資源開發(fā)利用區(qū)(港口、景觀旅游區(qū)、休閑娛樂(lè)區(qū)、工農(nóng)商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、礦產(chǎn)資源開發(fā)利用區(qū)等)以及特定功能區(qū)(科學(xué)試驗(yàn)區(qū)、蓄洪排澇區(qū)、污水處理區(qū)、水源區(qū)等)等不同的景觀斑塊組成.各斑塊交錯(cuò)連接,相互嵌套,呈連續(xù)的帶狀(廊道)分布,具有明顯的鑲嵌特征.

b.橫向空間的過(guò)渡性.從橫向結(jié)構(gòu)看,河岸帶可分為近岸水域(大型植物生長(zhǎng)的下限)、河濱區(qū)域(濕地、淺灘、沼澤)、近岸陸域(敘坡、岸上緩沖區(qū))等3個(gè)區(qū)域.河岸帶疊加了陸地和水域兩類地域景觀的特點(diǎn),兼有相鄰兩側(cè)地域單元各有的特征.在陸域向水域走向時(shí),陸域生態(tài)特征逐漸減弱,而水域生態(tài)特征逐漸增強(qiáng),具有顯著的過(guò)渡性特征.

c.垂向空間的成層性.從垂向結(jié)構(gòu)看,由于土壤與水分的相互作用,土壤與水流分布存在一定的垂直梯度,這一垂直梯度的存在,使得河岸帶在垂向上可以分成不同層區(qū),包括非飽和土壤層、地表水層、飽和土壤層、地下水層上層.在垂向上,河岸帶有2個(gè)邊緣層,上層邊緣為土壤層與地表水層的交界邊緣,下層邊緣為土壤層與地下水層的交界邊緣.

d.時(shí)間分布的動(dòng)態(tài)性.隨著時(shí)間的變化,由于自然或人為的作用,河岸帶邊緣區(qū)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)、水文條件、主要功能等都處于不斷變化過(guò)程中,它始終是一種動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程.

2 河岸帶邊緣效應(yīng)的概念與特點(diǎn)

2.1 概念

邊緣是普遍存在的.物理學(xué)中的邊緣是指具有不同物理性質(zhì)的物質(zhì)相互接觸的部位;生物學(xué)中的邊緣是指不同大小的“活性”區(qū)域與外界進(jìn)行生命物質(zhì)交流與隔離的部位;地理學(xué)中的邊緣是指不同性質(zhì)地域(類型)單元間形成的邊緣帶;生態(tài)學(xué)中的邊緣是指不同類型生態(tài)系統(tǒng)之間或其與環(huán)境之間相互交接的部位,進(jìn)行頻繁生態(tài)流交換,產(chǎn)生各種復(fù)雜生態(tài)效應(yīng)的“空間域”[7].因此,從廣義上看,不同事物間的“界面”都是邊緣帶.河岸帶作為水域與陸域的交界區(qū),它既是地理學(xué)邊緣,也是生物學(xué)邊緣,還是生態(tài)學(xué)邊緣.該區(qū)域在陸地與水流相互作用的動(dòng)力機(jī)制驅(qū)使下,其內(nèi)部在地貌形態(tài)、動(dòng)力作用方式、物種配置及生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)、能量和信息交換傳遞的過(guò)程、狀態(tài)以及社會(huì)服務(wù)功能等眾多方面,與相鄰的地表水系統(tǒng)、地下水系統(tǒng)以及陸地系統(tǒng)相比具有明顯的差異性,這種差異性或特殊性就是河岸帶的邊緣效應(yīng).所以,河岸帶邊緣效應(yīng)是指河岸帶在水域系統(tǒng)與陸地系統(tǒng)的相互作用下,其結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、行為和功能等方面所表現(xiàn)出的異質(zhì)性和獨(dú)特性.

2.2 類型

a.按照作用對(duì)象分,河岸帶邊緣效應(yīng)可以分為地理邊緣效應(yīng)、生態(tài)邊緣效應(yīng)、環(huán)境邊緣效應(yīng)和社會(huì)邊緣效應(yīng)等.地理邊緣效應(yīng)是指河岸帶區(qū)域內(nèi)立地條件、相互作用與遠(yuǎn)離河岸帶的陸域以及水域存在著明顯的特殊性.生態(tài)邊緣效應(yīng)是指河岸帶區(qū)域內(nèi)生物棲息環(huán)境、生物種類、生物多樣性等與相鄰系統(tǒng)相比具有明顯的差異性,使河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、信息傳遞過(guò)程具有獨(dú)特性.環(huán)境邊緣效應(yīng)是指河岸帶對(duì)進(jìn)入河流水體的水流具有凈化作用,保護(hù)了河流水體環(huán)境.社會(huì)邊緣效應(yīng)是指河岸帶區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人文內(nèi)涵、人們生活等都具有自身的優(yōu)勢(shì).

b.按照空間方向分,河岸帶邊緣效應(yīng)可以分為橫向邊緣效應(yīng)、縱向邊緣效應(yīng)和垂向邊緣效應(yīng).橫向邊緣效應(yīng)包括濱水邊緣效應(yīng)、岸坡邊緣效應(yīng)、緩沖帶邊緣效應(yīng);縱向邊緣效應(yīng)包括上游邊緣效應(yīng)、中游邊緣效應(yīng)、下游邊緣效應(yīng)和河口區(qū)邊緣效應(yīng);垂向邊緣效應(yīng)包括上層邊緣效應(yīng)(地表徑流與土壤、植被間的作用)、下層邊緣效應(yīng)(地下水與土壤間的作用).

c.按照受益類別分,河岸帶邊緣效應(yīng)可以分為正向邊緣效應(yīng)和負(fù)向邊緣效應(yīng).正向邊緣效應(yīng)是指有利于河岸帶及相鄰系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、健康發(fā)展的邊緣效應(yīng),如生產(chǎn)力提高,物種多樣性增加等.負(fù)向邊緣效應(yīng)是指不利于河岸帶及相鄰系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、健康發(fā)展的邊緣效應(yīng),主要表現(xiàn)在交錯(cuò)區(qū)種類組分減少,植株生理、生態(tài)指標(biāo)下降,環(huán)境惡化,突發(fā)事件頻發(fā)和生產(chǎn)力降低等.

2.3 特點(diǎn)

a.明顯的過(guò)渡特征.河岸帶位置的特殊性決定了其邊緣效應(yīng)具有明顯的過(guò)渡性,主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)變化等方面,即系統(tǒng)之間的物質(zhì)、能量和信息交流的遞變規(guī)律.這種遞變或過(guò)渡性使河岸帶存在急變區(qū)、過(guò)渡區(qū)和緩沖區(qū).急變區(qū)是水域系統(tǒng)和陸域系統(tǒng)相向方向上異質(zhì)性達(dá)到極大值的區(qū)域.急變區(qū)向外延伸,經(jīng)過(guò)渡區(qū)、緩沖區(qū),其異質(zhì)性逐漸降低,并過(guò)渡到另一系統(tǒng)的特征狀態(tài).

b.顯著的動(dòng)態(tài)漲落.河岸帶同時(shí)與陸地及水域系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換,是一個(gè)遠(yuǎn)離系統(tǒng)中心的開放系統(tǒng),更是一個(gè)典型的耗散性系統(tǒng).河岸帶在與相鄰系統(tǒng)作用時(shí),由于系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)功能,使河岸帶系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)流、能量流、信息流的漲落現(xiàn)象明顯,表現(xiàn)為多自然災(zāi)害和突發(fā)事件發(fā)生.

c.頻繁的超承載現(xiàn)象.由于過(guò)渡特征和動(dòng)態(tài)變化漲落特征,河岸帶比較脆弱,易受外在因素的影響.當(dāng)自然波動(dòng)與人為干擾相互疊加作用于河岸帶時(shí),易使河岸帶承載力超越臨界閾值,河岸帶出現(xiàn)超負(fù)載運(yùn)行的現(xiàn)象,嚴(yán)重破壞河岸帶的生態(tài)平衡,造成生態(tài)退化、環(huán)境惡化等問(wèn)題,導(dǎo)致系統(tǒng)的紊亂乃至崩潰.

3 河岸帶邊緣效應(yīng)的主要表現(xiàn)

3.1 地理邊緣效應(yīng)

河岸帶地理邊緣效應(yīng)是在水流與陸地的作用下,引起區(qū)域分布、物質(zhì)組成或能量結(jié)構(gòu)不均勻,而造成地理流的變異、擾動(dòng)、增強(qiáng)、減弱等一系列變化.河岸帶主要受到坡面流、河道地表徑流以及地下水徑流3種徑流的作用,其中對(duì)河岸帶的地貌形態(tài)、立地條件等起主要作用的是坡面流與河道地表徑流.所以地理邊緣效應(yīng)主要包括侵蝕效應(yīng)、沖淤與淘刷效應(yīng)以及蓄滯水流效應(yīng).

a.坡面流的侵蝕效應(yīng).在一定降雨強(qiáng)度下,河岸帶坡面會(huì)形成坡面流.坡面流在流動(dòng)過(guò)程中,由于雨水的不斷補(bǔ)充,流量逐漸增大.當(dāng)流量增大到一定量后,成層的流動(dòng)便不再能夠保持,水流會(huì)自動(dòng)匯集,以相互交錯(cuò)的細(xì)小股水流呈密集網(wǎng)狀流流經(jīng)整個(gè)坡面,并剝蝕和運(yùn)移地表物質(zhì),使其順坡向下移動(dòng),將其沉積在坡腳,在坡腳處形成分選性較好的沉積物,其粒度一般隨著離開坡腳的距離變遠(yuǎn)而減小.另外,由于坡面流的沖刷,土壤上部最肥沃的一層(腐殖質(zhì)層)被破壞,危害很大.

b.河道地表徑流的沖淤與淘刷效應(yīng).河流徑流對(duì)河岸帶的作用主要表現(xiàn)為對(duì)河岸帶的沖淤和淘刷.河流徑流對(duì)河岸帶的沖淤和淘刷強(qiáng)度主要取決于水流的流速、地貌形態(tài).在順直河岸段,當(dāng)水流流速較大時(shí),在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)將地表風(fēng)化物質(zhì)和侵蝕下來(lái)的物質(zhì)帶走,水流對(duì)河岸產(chǎn)生側(cè)蝕作用,易導(dǎo)致坡腳破裂,河岸形態(tài)錯(cuò)落變化劇烈.水流在錯(cuò)落面附件活動(dòng),使摩擦阻力減小,加劇了河岸錯(cuò)落區(qū)的擴(kuò)大.當(dāng)水流流速較小時(shí),水流的運(yùn)移能力減弱,水體中較大粒徑的泥沙顆粒隨之沉積.隨著流速的減小,發(fā)生沉積的泥沙顆粒由粗到細(xì).由于淤積的發(fā)生,造成河岸帶向河道主槽發(fā)展.在彎曲河岸段,水流受慣性離心力作用,表層水流涌向凹岸,對(duì)凹岸坡腳形成淘刷作用,河岸產(chǎn)生崩岸,導(dǎo)致凹岸處彎道曲率和河谷寬度增大.當(dāng)水流由彎道進(jìn)入比較順直的河段,河流兩岸可能同時(shí)受到側(cè)向侵蝕.

c.蓄滯水流效應(yīng).蓄滯水流效應(yīng)包括坡面流的蓄滯和河道地表徑流的蓄滯.坡面流在岸坡上流動(dòng)時(shí),由于植被分蘗多,叢狀生長(zhǎng),能夠有效地分散、減弱徑流.由于徑流在草叢間迂回流動(dòng),徑流由直流變?yōu)槔@流,增大了流程,使水力坡降減小,加上徑流被分散和阻截,又減慢了流速,因而水流的歷時(shí)延長(zhǎng),增加了雨水的入滲.由于流速減緩,沖刷能量降低,土體沖蝕減弱.

河岸帶近岸水域內(nèi)由于植被的存在,在很大程度上改變了水流的內(nèi)部結(jié)構(gòu),增加了河岸的糙率,減小了水流時(shí)均流速,并且部分水流能量轉(zhuǎn)換成了在植被附近產(chǎn)生的紊流脈動(dòng)動(dòng)能,消耗了水流的動(dòng)能,這雖然減緩了洪水對(duì)岸坡的沖刷,保護(hù)了河岸的穩(wěn)定,但也降低了河道的行洪能力,不利于洪水的下泄.因此,在注重生態(tài)護(hù)岸工程的今天,采用植被護(hù)岸措施時(shí),應(yīng)尋找兩者間的平衡點(diǎn),因地制宜,合理配置,既能最大限度地發(fā)揮其固河護(hù)堤的作用,又能保證行洪安全以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境.

3.2 生態(tài)邊緣效應(yīng)

河岸帶為生物生存提供了良好的棲息環(huán)境,帶內(nèi)生物資源極其豐富,兩棲類和爬行動(dòng)物種類繁多.與相鄰生態(tài)系統(tǒng)相比,河岸帶內(nèi)食物鏈變長(zhǎng),生物多樣性增加,種群密度提高,物種與群落之間競(jìng)爭(zhēng)激烈,彼此消長(zhǎng)的頻率高,幅度大.但河岸帶抗干擾能力差,界面易發(fā)生變異,且系統(tǒng)恢復(fù)的周期長(zhǎng).可見(jiàn),河岸帶在生物組成、棲息環(huán)境等方面均與相鄰生態(tài)系統(tǒng)有著明顯的差異.

a.生物棲息地的差異.洪水的季節(jié)性變化為生物生存提供了良好的棲息環(huán)境,特別是對(duì)魚類和鳥類生存有較大的影響.在洪水季節(jié),一些魚類依靠河漫灘森林、灌木的枝條和根系的定期淹沒(méi)來(lái)產(chǎn)卵、獲取食物、躲避勁敵,河邊植被及水中的植被浮島保護(hù)了幼魚或那些專棲于植被的小魚,因此河岸帶為魚類棲息提供了豐富的生境.另外,許多鳥類的生活周期與洪水泛濫密切相關(guān),如,在澳大利亞內(nèi)陸回水湖,由于洪水泛濫與水禽繁殖同期,幼鳥撫養(yǎng)經(jīng)常出現(xiàn)在洪水退卻時(shí),所以,這些地段給許多鳥類提供了庇護(hù)區(qū)和繁殖地[7-8].

b.生物多樣性的差異.很多研究表明河岸帶維管植物多樣性較高,Nilsson[9]報(bào)導(dǎo)13%的瑞典維管植物沿單一河流廊道出現(xiàn);在亞馬遜河流域,有20%的樹種分布于受定期洪水影響的沿岸森林帶[7-8].河岸帶生物多樣性易受水文條件的影響,特別是洪水流量、洪水頻率對(duì)生物的行為和生理影響很大,使河岸帶的生物多樣性發(fā)生變化.頻繁的洪水會(huì)增強(qiáng)對(duì)河岸的沖刷,使敏感物種喪失,破壞生物生命循環(huán).河流流量過(guò)小,則外來(lái)生物容易入侵,會(huì)導(dǎo)致生物局部絕滅,威脅土著物種,改變種群組成,減少水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入河漫灘,植物幼苗干化,植物種子擴(kuò)散條件變差;流量過(guò)大,河岸帶淹沒(méi)時(shí)間延長(zhǎng),則植被功能發(fā)生變化,對(duì)樹木有致命的影響,水生生物的淺灘生境喪失[8].另外,季節(jié)性高峰流量的喪失會(huì)導(dǎo)致魚類產(chǎn)卵、孵化和遷徙激發(fā)因素中斷,魚類無(wú)法進(jìn)入濕地或回水區(qū),水生生物的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變,岸邊植被復(fù)原能力降低或消失,植被生長(zhǎng)的速度減緩,植被的多樣性消失.

3.3 緩沖邊緣效應(yīng)

河岸帶在農(nóng)田與河道之間起著一定的緩沖作用,一定寬度的河岸帶可以過(guò)濾、滲透、吸收、滯留、沉積物質(zhì)和能量,減弱進(jìn)入地表和地下水的污染物毒性,降低污染程度.1979～1980年,Lowrance等[10]在距Tifton Georgia不遠(yuǎn)的小河流域測(cè)定了1571.34hm2流域的河岸帶生態(tài)系統(tǒng)N和P的輸入輸出量.結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)河岸帶植被過(guò)濾和滯留的N是輸出到河流中的6倍,1/2的P流出量被植物滯留.Mannder等[10-11]研究認(rèn)為,河岸帶可滯留89%的N和80%的P.尹澄清等[12-13]對(duì)白洋淀周邊岸帶研究表明:290m長(zhǎng)的有植被小溝對(duì)地表徑流總氮的截留率是92%,對(duì)總磷的截留率是65%;4m蘆葦根區(qū)土壤對(duì)地表下徑流總氮的截留率是64%,對(duì)總磷的截留率是92%.由此可見(jiàn),河岸緩沖帶是控制非點(diǎn)源污染極其有效的一項(xiàng)措施.

3.4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)邊緣效應(yīng)

河岸帶在空間結(jié)構(gòu)上是水陸生態(tài)系統(tǒng)的交接處,在社會(huì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上是各類自然和人工生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)水陸交通及政治、經(jīng)濟(jì)、文化等關(guān)系連接起來(lái)的邊緣地帶,具有豐富的土地資源、生物資源,蘊(yùn)含著豐厚的人文歷史,人類活動(dòng)密集,具有較高的生產(chǎn)力,它對(duì)增加城市的靈氣和發(fā)展?jié)摿?對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有極為深遠(yuǎn)的影響,已經(jīng)成為帶動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要空間,具有極強(qiáng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)邊緣效應(yīng).

4 結(jié) 語(yǔ)

河岸帶作為水陸交界邊緣帶,具有縱向空間的鑲嵌性、橫向空間的過(guò)渡性、垂向空間的成層性以及時(shí)間分布上的動(dòng)態(tài)性等邊緣性特點(diǎn).河岸帶時(shí)空上的變化特征導(dǎo)致了河岸帶在結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、過(guò)程以及功能上都具有明顯的異質(zhì)性和獨(dú)特性,這就是河岸帶的邊緣效應(yīng).河岸帶邊緣效應(yīng)具有過(guò)渡性、動(dòng)態(tài)漲落、超承載等顯著特征,并通過(guò)地理邊緣效應(yīng)、生態(tài)邊緣效應(yīng)、緩沖邊緣效應(yīng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)邊緣效應(yīng)表現(xiàn)出來(lái).

河岸帶邊緣效應(yīng)的強(qiáng)度和發(fā)展方向?qū)影稁У慕ㄔO(shè)管理、開發(fā)利用均具有深刻的影響.本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,僅從定性角度分析了河岸帶邊緣效應(yīng)的概念、類型、特征和主要表現(xiàn).而河岸帶邊緣效應(yīng)能否科學(xué)合理的利用,完全取決于邊緣效應(yīng)的作用機(jī)理、作用強(qiáng)度、作用范圍等是否明確.因此,河岸帶邊緣效應(yīng)的作用機(jī)理、強(qiáng)度大小、作用范圍大小等定量問(wèn)題有待深入研究,為河岸帶適宜寬度的確定、合理建設(shè)措施的選擇提供理論依據(jù).

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