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復育水域的核心理論（二）—河川連續概念整治生態工程是基於對生態的瞭解，使工程的進行與建造，結合對生態系統的認識，使大自然的法則，揉合在工程中，使環境的改善，發揮最佳的效益。這樣的看法不是一種烏托邦式的理想，或是對古代河川風貌的懷思，而是建立在科學性的探究與試驗分析上。因此河川生態工程有其嚴謹的理論作基石，其中最重要的理論就是「河川連續概念」（rivercontinuumconcept）。水中生物在河流自淨作用的功能這個理論是美國國家「司多爾水研究中心」（StroudWaterResearchCenter）的研究員費諾第（R.L.Vannote）等五位學者(1)提出的論點，認為河川長期處於變動的情況：水深、流速、斷面、形狀，甚至懸浮顆粒的濃度，經常改變，但是大自然有奇妙的因應，使河川上游流入的有機質與營養份，經由水中的無脊椎動物，如水生昆蟲、貝類，與脊椎動物－如魚類等的攝食，能夠達到最大的分解效率，使河川水質長期保持清潔的狀態。這觀點並不是一朝一夕，突然迸出在科學報告上，而是自二十世紀初期，六、七十年來河川生態學者，諸多研究成果的累積，凝聚成一個重要的理論。原來，河川的流動不是無意義的行為，也不祇是水資源循環的管道，而是與水中的生物相呼應，水中生物不祇會選擇最適合自己生存的水流區段，而且因為水流的持續改變，使生物在空間上的分佈有漸進式的區隔，進而因不同水生物的攝食方式，讓水中有機物能達到徹底分解的機會(2)。河川水流連續性變動的重要反之，如果河川失去這種空間上連續性的變化，水流變成近似性的一成不變，水生物就無法徹底分解有機物，造成營養份在水域的累積，就減少河川水流的淨化機制。這個理論引人注意的是，任何河川污染的發生不祇是化學物質輸入超過河川自然淨化的負荷，而且物理性的改變水流，水深、河道形狀，都可能改變水生物群落分佈，進而致使物質累積在河川，對河川生態系統造成不利的影響。大部份的環境工程師，認為河川自淨作用的機制是在營養份最後的分解者─細菌或微生物，但是河川生態的研究者卻提不同的觀點，河川自淨作用的機制是對流進水域有機質，進行攝食的初級消費者與次級消費者，先將較大的有機顆粒（coarseparticulateorganicmaterial,CPOM），顆粒徑長度大於1mm，藉由撕裂型（shredders）攝食型的水生昆蟲，分解為顆粒在小於0.5mm的細小有機顆粒（fineparticulateorganicmatter,FPOM）。水生昆蟲分解有機物這些細小有機顆粒再經由蒐集攝食型（collector）的水生生物吸收，排出粒徑介於0.0005-0.5mm的超小型有機顆粒（ultrafineparticulateorganicmatter,UPOM）。超小型有機顆粒由於表面積較大，較易為微生物分解。這些微生物（大部份是藻類）若吸附在水中顆粒與底部，還會有表面刮食型（grazer）的水生昆蟲來攝食，使得微生物群落不易達到最大量。撕裂型、蒐集型、刮食型的水生昆蟲，都有魚類或其他較大型的水生昆蟲來攝食，使牠們的群落不致成為最大量。末了魚類又被更高的消費者，如人類或鳥類攝食。不同河川區段的水生昆蟲分解特徵因此在河川上游，落葉較多，陽光較小，水溫較低，流速較強。體型扁平，緊貼在石頭上的撕裂型水生昆蟲，種類與數目較多，這些水生昆蟲進行異營常分解，河川的呼吸作用（respiration，以R表示）速率會大於藻類光合作用的速率（photosynthesis，以P表示），或簡示為P/R1。河川中游，河面較寬，承受陽光較足，藻類較多，大多附在水流較淺的石頭表面上，這稱為附生型藻類（periphyton）。石頭表面刮食性的水生昆蟲或其他無脊椎動物呈現優勢，撕裂型的顯著減少，這時藻類光合作用較水生昆蟲呼吸作用旺盛，P/R1。魚類對於河川自然淨化的功能河川愈到下游，水深較深，陽光不易照到水底，附生型藻類消失，大都被漂浮性藻類（phytoplankton）取而代之，這時刮食性水生昆蟲遽減，大都以能在水底攝食的蒐集型水生昆蟲，與在水中攝食漂浮性藻類的浮游性動物（zooplankton）為主，於光合作用較小，異營性生物分解作用旺盛，P/R1。由於在河川不同區段，水生昆蟲與藻類有不同的分佈，相對應的是上游的魚類大都是攝食水生昆蟲的魚種，中游為攝食水生昆蟲與藻類的魚種，下游為攝食浮游性藻類與動物的魚種。因為上游、下游的魚類都可以游到中游覓食，所以河川中游最具魚類的多樣性。顛覆傳統水利工程的論點這是大自然非常巧妙的機制，魚類種類愈多，攝食的水生昆蟲種類愈多，相對地也愈能減少水中有機質與藻類，因此保持河川處於大自然的動態變化與開放，反而是重要關鍵。這樣的論點幾乎顛覆了傳統河川水利工程的思考，水利工程是儘量在維持水流的穩定，而非動態變化。因此水利工程建造水庫，使上游蓄水充足，在中、下游建堤防穩定河道，沒有想到人為的穩定，反而劣化河川生態劣統、降低水的自淨作用。整治河川上游、保護水庫的生態工法例如水庫集水區進入河川上游的CPOM，由於水庫水深，粗質礫石減少，水流較緩，撕裂型水生昆蟲無法生長，以致CPOM少有機會轉變為FPOM或UPOM，且不易被微生物分解，有機質在水庫將淤積，久了造成水庫底層水域缺氧化，與營養淤積。因此以生態學水流連續概念進行水庫水質營養過多或優養化的整治，最主要的方式在恢護水庫周邊水域撕裂型水生昆蟲，有更多棲息的機會，因此在工程上可進行的途徑：在水庫周邊的砂灘地上放置礫石，增加水生昆蟲棲息的空間；在集水區的支流浚深部份溪底，營造水流較快的「澗」與水流較緩的「淵」，製造水流的動態變化；或是在高山溪流邊種植水生植物，一方面可以藉由遮蔭減少藻類滋生，另一方面可以供給溪流撕裂型水生昆蟲有棲息空間，並且可以吸收水中一部份的營養源。整治河川中游的生態工法在河川的中游，應該增廣河流水面，即使在河床邊有堤防，仍可以在堤防內兩側的高低灘地，引水而入，形成較淺的人工濕地，以增加刮食性水生昆蟲，與螺貝類棲息的空間，使河川上游流的FPOM到此可轉成CPOM或UPOM，以利分解。這種河邊灘地與行水流道保持水流出入，就不用在河濱灘地，植草養魚，因為河流自然會攜來植物與魚類、螺類，進入河灘人工濕地，使濕地內與流道的水生物同一系統，減少日後維護的問題。整治河川下游的生態工法河口又寬又深，使蒐集性水生昆蟲，與螺貝類能在底床生長，是下游河口的自然生態特色，這時，不適合用大顆粒的礫石，作生態工程整治，也不適合在河濱灘地作地下礫間處理型的人工濕地，因為顆粒多是下游河川的特色，這將對礫間孔隙產生阻塞。因此，愈是河川下游愈多採表面流入工濕地，以增寬水面；愈是河川上游，採礫間接觸或地下水流，以符合河川連續概念或自然河川結構。每當人類對河川造成負面影響，無論是廢水排放，盜採砂石、傾倒垃圾、廢土、改變河道、河川、取水過多等，都是在改變河川水流連續性，使之不連續，因此河川生態工程，減少阻礙、重新啟動河川連續性，讓起初祝福大自然的法則繼續運轉。表（一）河川有機顆粒大小來源與分解者有機顆粒種類粒徑(mm)顆粒來源動物攝食者粗有機顆粒64木頭、枝幹、樹皮撕裂型16~64落葉堆撕裂型4~16落葉、樹皮碎片、果實、花、種子蒐集型1~4落葉碎片蒐集型與過濾型細有機顆粒0.25~1植物、動物碎片、大型水生昆蟲糞便蒐集型與過濾型0.075~0.25大、小型水生昆蟲糞便蒐集型與過濾型0.0005~0.075超小有機碎屑與微生物過濾型溶解性有機物0.0005有機碎屑溶解物無或稀有資料來源：Cummins,K.W.1974.StructureandFunctionofstreamecosystems.Bioscience.vol.24,No.11.p.631-641.表（二）河川有機顆粒生物攝食型態粒徑分類攝食型態活動區域種類粗有機顆粒撕裂攝食型底床大蚊科（Tipulidae）石蠶科（Limnephilidae）磷石蛾科（Lepidostomatidae）短尾石蠅科（Nemouridae）扁石蠅科（Peltoperlidae）水生植物上石蛾科（Phryganeidae）蒐集攝食型底床小突搖蚊亞科（Orthocladinae）蜉蝣目（Ephemeroptera）水中網石蠶科（Hydropsychidae）細有機顆粒蒐集攝食型底床蜉蝣目（Ephemeroptera）水中蚋科（Simuliidae）表面刮食型底床舌石蠶蛾科（Glossosomatidae）螺石蛾科（Helicopsychidae）盤蜷科貝類（Ancylidae）資料來源：Cummins,K.W.1974.StructureandFunctionofstreamecosystems.BioScience.vol.24,No.11.p.631-641.參考文獻1.Vannote,R.L.,G.W.Minshall,K.W.Cummins,J.R.Sedell,andC.E.Cushing.1980.Therivercontinueconcept.Can.J.Fish.Aquat.Sci.Vol.37,p.130-137.2.Cummins,K.W.1974.Structureandfunctionofstreamecosystems.Bioscience.vol.24,p.631-641.3.Hynes,H.B.N.1970.TheEcologyofRunningWater.UniversityofTorontoPress.U.S.A.