地位 水生態
hydroecology
環境水因子對生物的影響和生物對各種水分條件的適應。生命起源於水中,水又是一切生物的重要組分。生物體內必須保持足夠的水分:在細胞水平要保證
生化過程 的順利進行,在整體水平要保證體內
物質循環 的正常運轉。生物體不斷地與環境進行水分交換,環境中水的質(
鹽度 )和量是決定生物分布、種的組成和數量以及生活方式的重要因素。
水生態 生物的出現使地球
水循環 發生重大變化。土壤及其中的
腐殖質 大量持水,而
蒸騰作用 將根系所及範圍內的水分直接送回空中,這就大大減少了返回湖海的徑流。這使大部水分局限在小範圍地區內循環,從而改變了氣候和減少水土流失。因此,不僅農業、林業、漁業等領域重視水生態的研究,由
人類環境 的角度出發,水生態也日益受到更普遍的重視。
意義 ①
水分子 具有極性,所以能吸引其他極性分子,有時甚至能使後者離子化。因此,水是
電解質 的良好溶劑,是攜帶
營養物質 進出機體的主要介質,各種生化變化也大都在體液中進行。
② 因
水分子 具有極性,彼此互相吸引,所以要將水的
溫度 (水分子不規則動能的外部表現)提高一定數值,所要加入的熱量多於其他物質在溫度升高同樣數值時所需的熱量。這點對生物的生存是有意義的。正因水的比熱大,生物體內
化學變化 放出的熱便不致使體溫驟升超過上限,而外界
溫度 下降時也不會使體溫驟降以至低於下限。水分蒸發所需的熱量更大,因此
植物 的
蒸騰作用 和
恆溫動物 的發汗或喘氣,就成為高溫環境中機體散熱的主要措施。
③
水分子 的
內聚力 大,因此水也表現出很高的表面張力:
地下水 能借毛細管作用沿土壤顆粒間隙上升;經根吸入的水分在
蒸騰作用 的帶動下能沿樹幹導管升至頂端,可高達幾十米;一些小昆蟲甚至能在水面上行走。
④ 水還能傳導機械力:
植物 借膨壓變化開合氣孔或舒縮花器和葉片;
水母 和
烏賊 靠噴水前進;
蠕蟲 的體液實際是一種液壓骨骼,軀幹肌肉施力其上而向前蠕行。
⑥ 凍的比重小於
液態水 ,因此在水面結成冰層時
水生生物 仍可在下面生活。否則氣溫低於 0℃時,結成的冰沉積底部,便影響
水生生物 的生存。
分布 地球表面約有15億立方公里的水,其中97%為
海水 。
海洋 面積接近
陸地 面積的兩倍半。
水資源分布圖 水在
陸地 上的分布很不均勻,許多地區降雨量相差懸殊,而且局部氣溫也影響水分的利用。氣溫過高則水分的蒸發和蒸騰量可能大於降雨量,造成
乾旱 ;氣溫過低則土壤水分凍結,
植物 不能吸收,也形成生理性
乾旱 。如果水中所含礦質濃度過高(
高滲溶液 ),
植物 也不能吸收,甚至會將植物體液反吸出來,同樣形成生理性
乾旱 。
海水 中
氧氣 、光照和一般
營養物質 都較
陸地 貧乏,這些是決定
海洋 生物分布的主要因子,但
生物進化 到陸地上,水卻又變成影響生物分布的主要
生態因子 。降雨量由森林經草原到荒漠逐漸減少,生物也越來越稀少。
植物水生態 降水量的多少,對固著生長的
植物 影響更大,地區的降水量及灌溉條件常是決定作物產量的關鍵因素。長期處於比較穩定的水分條件下的
植物 ,如
湖泊 中的沉水植物或荒漠中的旱生植物,表現出高度特化的適應性結構。
沉水植物 植物 的抗旱性包含兩個層次:①避旱性:
植物 在整體水平上靠增加吸水、加強輸水或貯水以及減少失水等措施來避免原生質受到威脅。②
耐旱性 :
植物細胞 原生質本身能耐受失水。一般說來,高等
植物 主要依靠避旱性,而很多
低等植物 卻表現出高度
耐旱性 。依據細胞水平的抗旱性,可將
原核生物 及植物分為兩類:一類包括細菌、藍菌、地衣、低等綠藻和真菌,它們均具有缺乏中央液泡的小型細胞。外界乾燥時,細胞脫水皺縮、生命過程也遲緩下來,但細胞
微結構 不被破壞,一旦吸水,細胞又可恢復其代謝活性。它們比較能耐受
乾旱 。另一類包括其他
植物 ,它們的細胞均有一個中央大液泡,藉以保證較穩定的原生質含水量,不過細胞本身卻不耐
乾旱 ,因此初進化到
陸地 的恆水植物只能生存在潮濕的土壤上。及至
植物 發展出龐大的根系、隔水的角質層以及可開合的
氣孔 後,
植物 體內的細胞才能藉助這些整體水平的機制來保持穩定的含水量而不受外界
濕度 突然變化的影響。
乾旱 地區植物的葉面積小,角質發達,有的植物氣孔少而深陷,因此失水大為減少,仙人掌的葉甚至變為刺,
光合作用 轉而由綠色的肉質莖來完成。另一些旱生
植物 根系異常發達,氣孔多,蒸騰快,高速蒸騰在烈日下有助於降低
葉溫 ,加強深根吸水的力量。根據
植物 對水分的適應變化,一般將植物分為水生植物、濕生植物、中生植物和旱生植物4個類型。
旱生植物 動物水生態 水生動物的呼吸器官經常暴露在高滲或低滲水體中,會丟失或吸收水分;
陸地 動物排泄含氮廢物時也總要伴隨一定的水分丟失;而
恆溫動物 在
高溫環境 中主要靠蒸發散熱來保持恆溫,這些都要通過
水代謝 來調節。
水生動物 水生動物 大多數無脊椎動物的體液
滲透勢 隨環境
水體 而變,只是具體離子的濃度有所差異。其他水生動物特別是魚類,其體液
滲透勢 不隨環境變化。海生軟骨魚血液中的鹽分並無特殊,但卻保留較高濃度的尿素,因而維持著略高於
海水 的
滲透勢 。它們既要通過腎保留尿素,又要通過腎和
直腸腺 排出多餘的鹽分。但因為
滲透勢 較
海水 略高,所以不存在失水的問題。海生硬骨魚體內鹽分及
滲透勢 均低於
海水 。其體表特別是鰓,透水也透離子,一方面是滲透失水,一方面離子也會進入。海生硬骨魚大量飲
海水 ,然後借鰓膜上的氯細胞將氯及鈉離子排出。淡水軟骨魚的體液
滲透勢 高於環境,其體表透水性極小,但不斷有水經鰓流入。它靠腎臟排出大量低濃度尿液,並經鰓主動攝入鹽分,來維持體液的相對高滲。某些溯河魚和逆河魚出入於
海水 和淡水之間,其鰓部能隨環境的變動由主動地攝入變為主動地排出離子,或反之。
陸生動物 具有濕潤皮膚的動物(如蚯蚓、蛞蝓和蛙類)經常生活於潮濕環境,當暴露於乾燥空氣時會經皮膚迅速失水。在
陸地 上最興旺的動物應屬節肢動物中的昆蟲、蜘蛛、多足綱和脊椎動物中的爬行類、鳥類、哺乳類。昆蟲、蜘蛛的幾丁質外皮上覆有蠟質,可防蒸發失水,含有尿酸的尿液排至直腸後水分又被吸回體內,尿酸以結晶狀態排出體外。它們在乾燥環境中可能無水可飲,食物內含水及食物氧化水便是主要水源。某些陸生昆蟲甚至能直接自空氣中吸取水分。很多爬行動物棲居
乾旱 地區,它們的外皮雖然乾燥並覆有鱗片,但經皮蒸發失水的數量仍遠多於呼吸道的失水。它們主要靠行為來攝水和節水,例如棲居於潮濕地區,包括荒漠地區的地下洞穴。爬行類和鳥類均以尿酸形式排出含氮廢物,尿酸難溶,排出時需尿液極少,從而減少失水。鳥和哺乳類因恆溫調節需要更多的
水分供應 。除某些哺乳動物為降溫而排汗外,鳥和哺乳類的失水主要通過呼吸道。某些動物的鼻腔長,呼氣時水分再度凝結在
溫度 較低的外端的鼻腔壁上。它們也主要靠行為來節水,這包括躲避炎熱環境。
陸生動物
影響 生物體內必須保持足夠的水分:在細胞水平要保證生化過程的順利進行,在整體水平要保證體內
物質循環 的正常運轉。而且,水分與溶質質點數目間必須維持恰當比值(
滲透勢 ),因為滲透勢決定細胞內外的水分分布。在多細胞動物中,細胞內缺水將影響
細胞代謝 ,細胞外缺水則影響整體循環功能。
生物體內的
水分平衡 取決於攝入量和排出量之比。生物受
水分收支 波動的影響還與體內水存儲量有關;同樣的收支差額對存儲量不同的生物影響不同:存儲量較大的受影響較小,反之則較大。對
水生生物 來說,水介質的鹽度與體液濃度之比,決定水分進出體表的自然趨向。如果生物主動地逆
濃度梯度 攝入或排出水分,就要消耗
能量 ,而且需要特殊的吸收或排泌機制。對
陸地 生物來說,空氣的相對濕度決定蒸發的趨勢,但液體排泌大都是主動過程。大多數生物的體表不全透水,特別是高等生物,大部分體表透水程度很差,只保留幾個特殊部分作通道。在
植物 ,地下根吸水,葉面
氣孔 則是蒸騰失水的主要部位,它的開合可調節植物體內的水量。在較高等動物,飲水是受神經系統控制的意識行為,水與食物同經消化道進入體內,水和廢物主要經
泌尿系統 排出。生物體的某些
水通道 也是其他
營養物質 出入的途徑,例如
光合作用 所需 CO2也經葉面氣孔攝入。因此
光合作用 常伴有失水。相比之下,
陸地 動物呼吸道較長,進出氣往復運動,這使一部分水汽重複凝集於管道內。不過水生動物的鰓卻經常暴露在水中,在高滲
海水 中傾向失水,在淡水中則攝入大量水分。
生物進化 生物進化與水
生物發源於水。志留紀以後,
植物 和動物先後進化到
陸地 上來。它們上陸後面臨的首要問題是水分相對短缺。
低等植物 的受精過程一部分要在水中進行,因此它們只能生長在潮濕多水的地區。高等
植物 有複雜的根系可從土壤中吸水,有連續的
輸導組織 向枝幹供水,傳粉機制出現後受精過程可以不用水為媒介。但與動物相比,
植物 仍有不利處,因為大氣中僅含0.03%的 CO2(0.23毫米汞柱)它經氣孔向內擴散的勢差極小,而水分向外擴散的勢差卻比它大百多倍(24毫米汞柱),所以植物行
光合作用 吸收 CO2時經常伴有大量的水分丟失。動物呼吸時,外界空氣含21%的氧(159毫米汞柱),
氧氣 經氣孔向內擴散的勢差比水分向外的勢差大6倍多,因此動物呼吸時的失水問題較小。很多昆蟲的幼蟲仍棲息水中,兩棲類的幼體也僅生活於水體內。不過,陸生動物的
體內受精 解決了精卵結合需要液體環境的問題。動物還可借行為來適應環境,這包括尋找水源、躲避日曬以減少失水等等。總之,
植物 水分生態和動物水分生態除有共性外,還各有特點。
修復 水生態修復是一項理論複雜、因素眾多、操作困難的工作,既要因地制宜,又要符合科學,更要講究實效。按照
水生態系統 的理論,結合河道、
湖泊 過去情況的分析,根據現在的實際狀況和上海地區的實踐經驗,對修復水生態系統,創造水邊和水中
生物多樣性 環境,提出12條操作性措施。
1 兩岸造樹林河岸上應儘可能留出空間,種植樹冠較大的樹木,逐步形成林帶,地面則栽上草坪,貼岸的樹冠還可以伸向河道上空。其作用之一,可以增強生態功能,大樹扎在土壤時深而密的根須與草坪形成一個
土壤生物 體系。其作用之二,可以發揮
景觀 作用,岸邊的林帶草坪,與河道組合,可以有效地改善這一地區的
溫度 、濕度與舒適度,形成一道獨特的風景線。
2 河坡植草坪(或
灌木 )傳統的做法往往忽視生態,把河坡搞成直立式,或用塊石和水泥板覆蓋河坡並勾縫,其實,在不知不覺中已經破壞了生物的生長環境。從修復
水生態系統 出發,有條件的河坡都應植上草坪或灌木。護坡上的草坪和灌木所起的作用很大:一是草坪和灌木與
土壤形成 的
土壤生物 體系,同樣可以像兩岸的樹林與草坪一樣,起到減少有機物對河道、
湖泊 的衝擊和營養化程度的作用,有些灌木的根須還能夠直接伸到
水體 中吸收水中的營養成分;二是河坡是水域向陸域的自然過渡帶,草坪和灌木與土壤的結合,改善了
溫度 、濕度,提供了食物;三是在穩定邊坡,防止
水土流失 的同時,改變了護坡硬、直、光的形象,給人們以綠色、柔和、多彩的享受。
3 牆上攀綠藤城市化地區的部分河道,由於整個地區水面積的嚴重不足,為了確保水安全,提高河道汛期的蓄水量,不得已加高加固了
防汛牆 。彌補的辦法是,在牆的陸域一側種植綠色的爬藤植物,從下爬到上,到了頂以後從上爬到下,一直到水面;有條件的地區,在防汛牆的兩面牆上,可依牆分層而建一些條式和點式的
花壇 ,種上灌木或花草;硬質結構的直立或斜坡式護坡,宜種植一些垂枝灌木。
4 水邊栽
植物 。水邊是
水生態系統 里一個非常重要的組成部分,要儘可能構建挺水
植物 多樣性的環境。在種植方法上,一般可以直接栽在河邊的灘地上、斜坡上,也可栽在盆、缸及竹木框之類的容器做成的定床上;直立式防汛牆的下面,在不影響河道斷面的基礎上,利用河底淤泥在牆邊構築一定寬度,並有斜坡的濕地帶,創造挺水
植物 生長的條件。
5 水流多樣化新的河道治理理念,要求在基本滿足行洪需求的基礎上,宜寬則寬、宜彎則彎、宜深則深、宜淺則淺,形成河道的多形態,水流的多樣性。其作用有兩條:一是水流的多樣性,能夠滿足不同生物在不同階段對水流的需要;二是河道的多形態、水流的多樣性本身是水系景觀的一個重要組成部分。
6 水中建濕地河流、
湖泊 中的
濕地 ,是修復
水生態系統 的一項重要手段,也可以稱土壤生物工程,國內外有些中、小城市甚至用來處理城市的生活污水。河道與
湖泊 的治理中,在基本不影響行洪和槽蓄功能的前提下,應儘可能保留和建設一些濕地,一切都要因地制宜。另外,濕地也是水景觀中不可多得的重要一筆,它充滿了野趣、野味和自然氣息,是人們回歸自然的一種象徵。
7 水面養萍草水面上的
植物 有兩種,一種是根在水裡的浮水植物,它們是
水葫蘆 、水葫狸等;另一種是根在河、湖底泥里的浮葉植物,它們是
荷花 、水鱉等。
8 水下種水草實踐證明,
水草 茂盛的水體,往往水質很好,而且與眾不同的是清澈見底。人工種植水草,也是修復河道、
湖泊 水生態系統 的重要一環。
9 水裡養魚蝦在放養魚蝦時,要注意食草性、食雜性、食肉性之間的搭配。魚蝦在的水裡自由洄游,在水面泛起陣陣漣漪,使河道、
湖泊 顯得生機蓬勃。
10 水底爬螺蚌螺蚌等貝殼類動物和大量的
底棲動物 ,在水底形成了另一個世界,它們是名副其實的水底清道夫,其作用不可小看。
11 曝氧放細菌人們肉眼看不到的細菌、真菌、放線菌、土壤原生動物等生物種群的生存和繁衍,無時不刻地將水中的有機物質分解成無機物質和水,它們需要充足的
氧氣 ,所以,應儘量用各種方法和手段進行曝氧,通過增加水體中氧氣的方法來促使好氧細菌的生長繁殖,以達到增強和加快分解水中有機污染物的目的。
12 管理經常化修復
水生態系統 ,就是要通過人的努力,連線河道、
湖泊 中產生者-消費者-還原者的生物鏈,並積極地、經常不斷地進行必要的干預,促使其達到平衡。