河流形态演变系统

河流形态多样性及与生物群落多样性的关系可以归纳为以下5个方面。
　　1。水－陆两相和水－气两相的联系紧密性
　　与湖泊相对照，河流是一个流动的生态系统。河流与周围的陆地有更多的联系，水－陆两相联系紧密，是相对开放的生态系统。水域与陆地间过渡带是两种生境交汇的地方，由于异质性高，使得生物群落多样性的水平高，适于多种生物生长，优于陆地或单纯水域。在水陆联结处的湿地，聚集着水禽、鱼类、两栖动物和鸟类等大量动物。而植物就有沉水植物、挺水植物和陆生植物以层状结构分布。另外，河流又是联结陆地与海洋的纽带，河口三角洲是滨海盐生沼泽湿地。
　　由于河流中水体流动，水深又往往比湖水浅，与大气接触面积大，所以河流水体含有较丰富的氧气，是一种联系紧密的水－气两相结构。特别在急流、跌水和瀑布河段，曝气作用更为明显。与此相应，河流生态系统中的生物一般都是需氧量相对较强的生物。
　　2。上中下游的生境异质性
　　我国的大江大河多发源于高原，流经高山峡谷和丘陵盆地，穿过冲积平原到达宽阔的河口。上中下游所流经地区的气象、水文、地貌和地质条件有很大差异。以长江为例，长江流域地势西高东低呈现三大台阶状。长江流域内的地貌类型众多，据统计，流域的山地、高原面积占全流域的71。4％，丘陵占13。3％，平原占11。3％，河流、湖泊等水面占4％。形成峡谷型河段、丘陵型河段及平原型河段。与长江干流相连的湖泊众多。长江流域为典型亚热带季风气候，流域辽阔，地理环境复杂，各地气候差异很大，且高原峡谷河流两岸常有立体气候特征。流域内形成了急流、瀑布、跌水、缓流等不同的流态。需要指出，除了气象、地貌等生态因子外，河流的流态、流速、流量、水质以及水文周期等水文条件也应该作为重要的生态因子考虑。
　　河流上中下游由多种异质性很强的生态因子描述的生境，形成了极为丰富的流域生境多样化条件，这种条件对于生物群落的性质、优势种和种群密度以及微生物的作用都产生重大影响。在生态系统长期的发展过程中，形成了河流沿线各具特色的生物群落，形成了丰富的河流生态系统。仍以长江流域为例，流域大部分处于中亚热带植被区，介于暖温带和南亚热带之间，并有青藏高原高寒植物和垂直地带性植物，种类极为丰富。在我国植物3980个属、近3万种种子植物中，长江流域的植物分别占属的2／3和种的1／2。长江流域在世界大陆动物区系中，分属古北界青藏区、东洋界西南区和东洋界华中区三大区。生活着白唇鹿、藏羚羊、野牦牛、麋鹿、猕猴、华南虎、石貂以及大鲵、丹顶鹤等多种动物。珍稀动物就有大熊猫、白鳍豚、中华鲟、朱鹮等22种。其中，中华鲟是溯源产卵洄游鱼类，每年秋季从大海逆流而上到长江上游产卵，幼鱼顺江游到大海。
　　3。河流纵向的蜿蜒性
　　自然界的河流都是蜿蜒曲折的，不存在直线或折线形态的天然河流。在自然界长期的演变过程中，河流的河势也处于演变之中，使得弯曲与自然裁弯两种作用交替发生。但是弯曲或微弯是河流的趋向形态。另外，也有一些流经丘陵、平原的河流在自然状态下处于分汊散乱状态。一些分汊散乱状态的河流归入主槽形成明显的干流，往往是由于人类治河工程的结果。需要强调指出，蜿蜒性是自然河流的重要特征。河流的蜿蜒性使得河流形成主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境。由于流速不同，在急流和缓流的不同生境条件下，形成丰富多样的生物群落，即急流生物群落和缓流生物群落。急流生物为了在高流速中生存，或具有适于游泳的流线型的体型，或具有适于钻入石缝以防被冲走的扁平体型。有的生物可以持久附着在固体上（如淡水海绵），有的具有吸盘和钩作为吸附器（如网蚊），有的下表面具有黏着性（如涡虫）等。
　　4。河流断面形状的多样性
　　自然河流的横断面也多有变化。河流的横断面形状多样性，表现为非规则断面，也常有深潭与浅滩交错的布局出现。自然界的河流处于浅滩的生境，光热条件优越，适于形成湿地，供鸟类、两栖动物和昆虫栖息。积水洼地中，鱼类和各类软体动物丰富，它们是肉食候鸟的食物来源，鸟粪和鱼类肥土又促进水生植物生长，水生植物又是植食鸟类的食物，形成了有利于珍禽生长的食物链。由于水文条件随年周期循环变化，河湾湿地也呈周期变化。在洪水季节水生植物种群占优势。水位下降后，水生植物让位给湿生植物种群，是一种脉冲式的生物群落变化模式。而在深潭里，太阳光辐射作用随水深加大而减弱。红外线在水体表面几厘米即被吸收，紫外线穿透能力也仅在几米范围。水温随深度变化，深水层水温变化迟缓，与表层变化相比存在滞后现象。由于水温、阳光辐射、食物和含氧量沿水深变化，在深潭中存在着生物群落的分层现象。比如浮游动物一般是趋于弱光的，它们白天多分布在较深的水层，夜晚则上升到表层。
　　5。河床材料的透水性
　　一条纵坡比降不同、蜿蜒曲折的河流中，河床的冲淤特性取决于水流流速、流态、水流的含沙率及颗粒级配以及河床的地质条件等。由悬移质和推移质的长期运动形成了河流动态的河床。需要指出的是，除了在高山峡谷段的由冲刷作用形成的河段，其河床材料是透水性较差的岩石以外，大部分河流的河床材料都是透水的，即由卵石、砾石、沙土、黏土等材料构成的河床。具有透水性能的河床材料，适于水生和湿生植物以及微生物生存。不同粒径卵石的自然组合，又为鱼类产卵提供了场所。同时，透水的河床又是联结地表水和地下水的通道，使淡水系统形成整体。

河流演变具有一定的规律.从地质年代讲,每条河流都将经历生长、发育和衰亡的演变过程.以黄河为例：据考证,在距今6000万至240万年间,目前黄河流域所在区域发生了剧烈的地壳运动,板块下沉者成为湖、上升者成为山,之后的地壳运动又把一个个独立的湖联接成内陆河,然后进一步演变形成今天的黄河.三是河流具有进化能力.随着气候和地壳的不断变化、人类对河流干预不断增强,地球上每条河流都将继续发生不同程度的变化,包括水沙条件的变化,以及与水沙条件相适应的河床形态调整.四是河流具有对外界刺激的强烈反应能力.河流的水循环规律取决于大气环流机制和地球下垫面状态,二者的任何改变都将深刻影响河流水文循环的路径和过程.

河流的发展变化是极其复杂的，它们在演化中自发地形成某种复杂的组织结构，在与环境进行物质和能量交换时能维持某种动态平衡。如果环境的扰动使其偏离了平衡，它将自动地调整以恢复平衡。这是河流发展变化的自组织过程。

河流的发育过程是一个自组织过程。河床在演变过程中无论是从低级有序向高级有序发展，还是相反的过程，均伴随着某些突变，它们是非平衡相变。因此，河床演变过程中的临界现象必然明显地表现出来，这早已为地球科学家们所关注。从力学的观点看，这类突变的临界条件总是涉及某种形式的作用力和反作用力的对比关系。地貌临界条件是一个很有用的概念，可以用它解释河床演变中的一些疑难现象。例如，某两个相邻河段的各种自然条件并没有太大的区别，但是河床演变的某些具体特征却存在明显的差异。究其原因可能在于一个河段已达到或超过临界条件，而另一河段还远离临界条件。应用自组织临界性（SOC）概念来阐述其机制更好。以上荆江和下荆江河段为例。上下荆江的自然地理、地质、地貌条件和来水来沙条件以及河床边界物质组成都极为相似，但是上荆江是顺直微弯河段，而下荆江是著名的弯曲河段。原因可能在于下荆江处于一种SOC状态，当其受到扰动后就会发生突变，产生各种不同尺度（曲率半径、跨度、振幅）的河弯，且超过某一尺度的河弯出现的概率服从Levy分布。藕池决口可视为一种扰动，它是导致河型突变的触发力量。上荆江可能也处于一种自组织临界状态（由SOC理论，像河流这样的系统会自然演化到一种亚稳的临界状态，小扰动不至于破坏其结构），但是由于没有受到像藕池决口那类扰动的触发，因而其形态没有突变。

河床不仅满足耗散结构的形成条件（开放性、非线性、远离平衡、涨落作用），而且具有耗散结构的特征（具有时空结构且其形成和维持要靠水流或流域提供物质和能量；新结构在控制参数达到阈值时才突然出现；新结构的对称性低于阈值前的状态；新的河床结构具有相当的稳定性，不被任何的小扰动所破坏）。这就是河流系统耗散结构的物理图形，它对流域系统控制变量的分析和水流泥沙动力学模型的建立将有所裨益。

研究表明：冲积河流河湾平面形态的发展变化过程往往要经过若干中间阶段，其中伴随着周期运动等有组织的形式。无论是从微弯走向弯曲，还是相反的过程（自然裁弯、撇弯切滩等），通常都要经历一些突变。由现代统计物理学知，这些突变是非平衡相变。由于河流是开放系统，河床结构是活的耗散结构，其形成、维持、转变或破坏，都要靠外界不断地提供物质和能量。河流系统中很多正的过程都有相应的反过程，河流系统正是在大量正反过程的补偿中实现总的动态平衡。

河流是整个生态系统的有机组成部分，它积极地参与了地表的一切物理、化学和生物过程，因此河流的平衡与稳定对生态平衡影响极大。反过来，生态平衡是河流平衡的前提和自组织演化的保证。河流处于SOC状态，其相对稳定性的一面使人类能合适地利用和改造它，但是它自动调整的速度和幅度有一定限度，表现出脆弱的一面，超过容许限度就会恶性发展。人类活动改变了河流系统的输入条件，使它与环境的物质、能量和熵的交换发生了变化，与环境之间的协作受到影响。违背自然规律的开发活动，可能在流域的非线性水文响应之下产生人类始料不及的输出。因此，一方面必须抓紧治理河道；另一方面，在流域开发中必须首先研究流域的自然规律并接受自然规律的约束和指导。否则，中国的水问题将会越来越突出，严重制约与阻碍国民经济和社会的发展。