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关于水质目标的生态观点
摘要：在农业流域，传统的侵蚀控制方案足以保证高质量的水资源。我们概述了这一假定的不足之处，特别是它们与实现生态完整性的目标有关。过去二十年来，我们水资源的生物完整性不断下降，这并不完全是由于水质(物理/化学)退化所致。必须以比改善物质/化学条件更广泛的角度来处理我们水资源质量的许多方面的改进。讨论了非点源污染控制方案的其他不足，并提出了解决问题的新方法。
在过去的十年中，水污染管制立法的通过明显体现了社会对美国日益恶化的水资源的关注。《清洁水法》阐明了恢复和维持“hellip;hellip;”国家水域的化学、物理和生物完整性hellip;hellip;该法案设立了一个目标，即在1985年之前将污染物排放到大气中，并在任何可达到的地方实现水的质量，从而为鱼类提供保护和繁殖，并在水中和水中提供娱乐(通常称为“水”)。“钓鱼/游泳”的目标)。20世纪70年代，水污染控制项目的主要工作和资金集中在污染点污染源，因为它相对容易控制和管理。随着点源污染问题的严重程度的降低，非点源的相对贡献增加。大规模遏制非点源污染的努力才刚刚开始。然而，在作出重大支出之前，我们的一些非点状污染控制项目的经验促使我们重新开始审查美国的水资源问题，就目前的立法框架而言。
本文的目的是研究《清洁水法案》的目标，以及当前项目实现这些目标的能力。我们在美国完成了对非点源污染的研究，并在印第安纳州艾伦县的“黑溪项目”进行了一项正在进行的研究。我们讨论了生物完整性的概念，并简要概述了流生物学的基本思想，强调了水资源管理的整体方法的必要性。探讨了两种替代方法:(1)传统水土保持管理，(2)一种旨在恢复生物完整性的创新方法。
黑溪项目
1972年，印第安纳州的艾伦县(Allen County)水土保持区和伊利诺伊大学(University of Illinois)在美国土壤保护署(USDA-Soil Conservation Service)、普渡大学(Purdue University)和伊利诺伊大学(University of Illinois)的协助下，开始对美国环境保护署(U.S. Environmental Protection Agency)的一项拨款48.5公里(1.2万英亩)的莫米河流域的非点污染源进行调查。
土壤保护服务为研究流域内的传统水土保持措施提供技术支持。在五年的时间里，一笔51.9万美元的资金用于了成本分摊的做法，尽管不是100%的成功，但该项目能够实施大量的水土保持措施。来自普渡大学(Purdue University)和伊利诺伊大学(University of Illinois)的研究人员，代表农业工程、农学、农业文化经济学、农村社会学和生物科学，研究了该项目对系统各个组成部分的影响。莫里森(1977b)报道了详细的结果。下面的讨论是我们对黑溪项目和印第安纳州、伊利诺斯州和俄亥俄州类似的非点源污染减排项目经验的延伸。
生物完整性，钓鱼和游泳的目标
化学、物理和生物完整性的目标是否等同于可钓鱼/游泳的目标?虽然这些条款在《清洁水法》中没有明确规定，但显然这两个概念是不等同的。临时的目标是达到水质的水平，这与在水道中捕鱼和游泳是一致的。水的质量通常被解释为水的物理/化学性质，这一事实极大地限制了目标的范围。我们相信其他因素(下文讨论)可能会影响到现有的污染控制和水资源管理计划，而不能充分发挥鱼/游泳的实际能力。例如，物理/化学参数的水质标准已经成为可钓鱼/游泳目标的替代品。国家制定水质标准(WQS)是基于保护水生生物和人类健康所必需的标准，因此，对WQS的遵守意味着获得可捕鱼/游泳的水域。对物理/化学和生物数据的综合评价是一个更好的确定是否能达到可钓鱼/游泳的条件。
《清洁水法》中提到的完整性概念，充其量是难以捉摸的。由美国环保署的水和危险材料办公室(Ballentine and Guarraie 1975)赞助的一项全面的研讨会并没有对完整性作出明确的定义，但有几个捐助者强烈要求从整体(系统)考虑国家的水资源视角。因此，不像鱼的/游泳的目标，完整性目标包括影响生态系统的所有因素，可以被定义为“支持和维持一个平衡的、综合的、适应性的生物群落的能力，它的物种组成、多样性和功能组织可以与该地区的自然栖息地相媲美。”凯恩斯(1975)也给出了类似的生态完整性定义。化学、物理和生物完整性的总和可以等同于生态环境。一个具有完整性的系统能够承受自然环境过程所造成的大部分干扰，以及人类所造成的许多重大的破坏。对这些生态概念进行了深入的讨论，包括它们的测量和管理应用程序，由West-man(1978)提供。
请注意，这个定义并没有特别提到人类使用水的资源价值(有益的用途)。相反，人们有一种含蓄的认识，认为一个有效的生态系统是人类赖以生存的终极资源。正如Woodwell(1975)所言:“这是地球上所有人都在使用的资源。”只有在有功能的生物系统存在的情况下，其他资源(例如能源、矿物)才对人类有用。有些人会认为维持如上所述的生态系统完整性是不现实的。对这些人来说，水的有益使用是对我们社会持续运作的一种更大的、更直接的关注。当然，以牺牲有益的资源为代价来坚持完全自然生态系统的目标是不现实的，但它也是联合国。假设我们的环境可以继续吸收对生物圈完整性的入侵(Woodwell 1975)。我们需要一个中间立场，我们相信，国会在制定《清洁水法》时的意图。
由Odum(1969)开发的一种分区模型在可视化我们正在寻找的中间地带方面是有用的。它是人类所需要的基本功能类型的简单表示(图1):1)生产环境，例如，农业生产环境;2)保护环境，例如保护生态完整性的自然区域;3)1和2之间的妥协;和4)城市-工业化环境。如下面所述，舱室模型对解决创新水土保持管理战略有帮助。
河流生态系统
河流的单个流或部分不是孤立的系统。河流和河流是开放的生态系统，有活力的进口和营养、能源和水的出口(图2)。上游(水源)地区的投入最终被输送到下游地区(Meade和Trimble 1974)。但运动并不局限于从上游到下游地区的运输。许多水生生物，特别是鱼类，可能依赖于河流之间的迁徙，以适应它们的生命周期。因此，河流生态系统必须考虑广泛的地理区域和动态、开放的生态系统。这一生态现实说明了利用临时可钓鱼/游泳的目标作为终端的弱点。在这种情况下，鱼的定义通常被定义为在捕捉运动或商业鱼类时，使水流对渔民有用。然而，由于许多小溪流。它们的水太少不能用于游泳或支持一项运动或商业渔业，它们经常被认为对捕鱼和游泳的目标没有任何意义。我们认为，基于这一特定的鱼类和可游泳的细菌的组成部分来测量河流的价值是不恰当的。这一质量必须比当地的钩线更广泛地定义，因为在这一背景下，上游到下游的水的重要性(在生产可捕鱼的利益方面)是不够重视的。虽然源头水流可能永远无法捕鱼，但它是分水岭的组成部分;如果下游河段是可钓鱼和游泳的(Karr和Dudley 1978)，它的保存是必不可少的。《清洁水法》的生物完整性任务取决于流域层面的整个水资源系统的概述，而不是孤立地考虑当地的河流。
开放生态系统的概念还有另外两个含义。首先，河流受到土地利用变化(城市化，集约型农业)的快速和严重的扰动。其次，合理地管理流域内的土地利用可以有效地减少河流系统的扰动。
由Horton(1945)开发的分类系统和Keuhne(1962)修改的分类系统通常被水生生物学家用来讨论流大小的逐渐增加。根据这个系统，流域内最小的河流是一级的。当两个一级流连接时，它们形成一个二阶流;当两个二阶流连接时，它们形成一个三阶流。河流的生态讨论通常考虑三个规模的类别:源头(1至3级)、中等大小的河流(第4至第6阶)和大河(第7和更大的订单)。虽然这个分类系统通常是有用的，但请注意，流顺序效应在流域中可能有所不同。例如，上游流域或流域地形的大小差异可能会影响到河流秩序格局的性质。
人类通过疏浚排水不畅地区的新河道或改造现有的自然通道来改变河流的流向。
这些人设计的水道必须被认为是河流，尽管它们在许多方面明显不同于自然的河流(例如，排水水流特性，化学和物理条件，底部类型)。由于这些差异是重要的，一个基本的生态学原则适用于人类和自然的河流;水、营养和能源被出口到下游地区。因此，人的排水沟渠的建设与自然排水模式是不分离的;更确切地说，它只是对自然水流网络的一种补充或改造，它深刻地影响着当地和下游的水资源。
我们已经能够确定我们的感觉是四个主要的变量类型(图3)，当被人类的活动改变时，它们在决定运行水(lotic)生态系统的生态完整性(Karr和Dudley 1978)中起主要作用。这些是流动的制度、水质、生境结构和能源。
流态
波动的水位是所有河流生态系统的一个组成部分，水生生物已经进化来补偿变化的流动机制。即使是灾难性的洪水或干旱所摧毁的地区，也经常会很快被重新上色(Larimore和Smith 1963, Horwitz 1978)。但是，土地利用变化的变化通常会导致洪峰和低流量的时期，而这些时期更严重，也更频繁。夏末的低流动期可能会延长，而在径流活动结束后的水文高峰往往会持续较短的时间。
高水位是由降雨事件的频率、发生和类型、降雨事件的时间以及土壤湿度、自上次降雨以来的时间以及土壤覆盖的数量和类型决定的。自然流域的洪水往往有一个潮湿的水文图，而农业流域的洪水往往有一个尖锐和极端的高峰(鲍曼和其他1969年)。低流在自然水域往往只在特别严重干旱的年份,在低流量时间修改水域,尤其是那些有广泛的排水系统,相对更严重,尤其是在夏末和初秋时期当降雨在相对较低水平,美国中西部的部分。
当这些流动事件阻止了鱼类的季节性迁徙或干扰了鸡蛋或鱼苗的发展时，可能会导致不可逆转的灾难性变化。在极度脱水的情况下，生物群可能完全丧失。认识到这一问题的重要性，促使美国鱼类和野生动物管理局生物服务办公室成立了一个特别小组。这个小组，合作的Instream Flow服务小组，正在开发一种详细的方法来评估水生生物的流量需求。主要的目标是制定标准，评估河流变化对生境特征的影响，以及水生生物对该地区的利用(斯托纳克和阿勒特1976)。目前正在努力确定各种生物所需的水力条件，包括同一物种的不同年龄层。例如，将壁面作为流动函数的分布作为一个概率分布，在不同的年龄层和鱼的繁殖状态之间变化(图4)。在只有最慢的水里发现鱼苗，而幼鱼，特别是成年鱼，利用的速度更快。最后，产卵鱼需要更高的流速。在河流中以“产卵”速度破坏区域的变化可能对其繁殖产生显著的负面影响，即使成年鱼可能不会受到直接影响。这些旨在研究河流的流动机制和水力特性及其对生态完整性的影响的努力，将对管理水资源的管理人员作出重大贡献
水的质量
近年来，大多数旨在扭转水资源质量下降的努力都集中在水的物理和化学性质上。温度、溶解氧、可溶性和不溶性有机物和无机、重金属和各种有毒物质是特殊利益的组成部分。
它们可能直接导致死亡率或改变物种之间的平衡，例如降低生殖率或改变竞争能力，从而影响生物完整性。
这些因素对河流生物群的重要性众所周知(Warren 1971, Hynes 1974)。特殊关注的水质因素包括光、温度、溶解氧、悬浮固体、溶解的离子和其他物质。这些在确定一个区域对水生生物适宜性方面起着关键作用。除了平均条件外，极端和它们的时间模式对生物群也有重要影响。
这些都是值得关注的。在许多流域，由于几个变量的协同作用，人类活动可能会导致生态完整性的退化(见下文讨论藻华)。
栖息地结构
环境的物理结构也在决定是否能在溪流中生存的其他生物中发挥重要作用。在天然的分水岭中，沟渠的几何形状通常是曲折的，不同的流动机制所产生的底物的多样性是通过长度和通道的不同而形成的。结果是底物分选、水池和褶皱的存在、侵蚀和沉积区，最终是流动的水和它的底物之间的动态平衡。相比之下，河流的变化，如渠化，产生的渠道有小的水池和涟漪的发展和均匀的底物和深度。此外，泥沙淤积的增加是由于河道和/或陆地表面的侵蚀造成的。最后，在充足的营养、阳光和高温的环境下，笔直的、开放的通道为藻华创造了理想的条件。在晚春或初夏的降水量低于正常水平的年份，这些藻华在五月底和早期形成;在较早的夏季，随着雨水的增多，河道水流的冲刷作用抑制了藻华。这些和其他与河流的物理栖息地的复杂的相互作用影响着河流的生物群。
像软体动物(1972年的harman - 1972)这样的底栖无脊椎动物(Allan 1975)似乎特别受到了在一个地区(沙、砾石、岩石等)底部或底物类型的多样性和分类的影响。底物颗粒大小决定了内部空间的大小，进而影响底栖生物群落的类型。适当的间隙空间对许多水生无脊椎动物的运动和喂养具有重要意义。鱼类以更三维的方式使用环境，似乎对复杂的结构特征作出反应，包括基底类型、深度和curren t速度(Gorman和Karr 1978)。此外，许多鱼类也有一些无脊椎动物，它们需要隐蔽的地方(盖)作为喂食地点，或作为躲避捕食的场所。一般的覆盖类型包括:咬边的银行，木材和刷子，以及水生维管植物。如果没有必要的栖息地结构，许多形式的水生生物将从溪流中消失。如果我们将生境多样性作为一种深度、当前和底物条件的马赛克，以及鱼类物种多样性(两者都使用香农指数;有关详细信息,请参阅戈尔曼和卡尔1978),很明显,更多样的栖息地的支持更大的鱼类物种多样性(图5)。因此,非点源的控制努力生产高水质(物理/化学条件)可能无法产生一个水资源具有高生物完整性如果没有合适的物理栖息地。
最近的两项研究表明，将生境结构作为一种主要的水资源，对水资源的质量是至关重要的。在一种情况下，我们在印第安纳州东北部的一个研究分水岭(黑溪)中发现了大量的鱼在一个区域内的活动。为了研究这些运动，我们用一个叫做冷
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