第1章重庆市自然地理、社会经济及水生态系统概述
1.1自然地理
重庆市位于28°10′～32°13′N，105°17′～110°11′E，地处较为发达的东部地区和资源丰富的西部地区的接合部，东邻湖北、湖南，南接贵州，西靠四川，北连陕西。重庆市是直辖市之一，我国重要的中心城市，国家历史文化名城和国际性综合交通枢纽城市。
重庆市是典型的山地城市，地势由南北向长江河谷逐级降低，西北部和中部以丘陵、低山为主，东南部靠大巴山和武陵山两大山脉，主要河流有长江、嘉陵江、乌江、涪江、綦江、大宁河等（李学梅，2010）。重庆年平均气温17.7℃，降水充沛，年降水量普遍在1000～1300mm，年平均水资源总量约为5000亿m3，水电资源理论储量1432.8万kW，可开发容量750万kW，每平方千米可开发水电的总装机容量是全国平均数的3倍。
重庆现有6000多种植物，包括被称为“活化石”的桫椤、水杉、秃杉、杉木、珙桐等珍稀树种，森林覆盖率达到54.5%。重庆还是中国重要的中药材产地之一，产出黄连、白术、金银花、党参、贝母、天麻、厚朴、乌桕、杜仲、延胡索、当归等中药药材。此外，还拥有800多种陆生野生脊椎动物资源，包括黑叶猴、大灵猫、小灵猫等112种国家重点保护野生陆生动物。
1.2社会经济
重庆市位于长江上游，辖区面积8.24万km2，辖38个区县（26区、8县、4自治县）。2021年末全市常住人口3212.43万人，其中城镇人口2259.13万人，占常住人口比重（常住人口城镇化率）为70.32%。人口以汉族为主，土家族、苗族等少数民族人口约194万人。
党的十八大以来，重庆始终坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，深入贯彻落实党中央各项决策部署，坚持以人民为中心的发展思想，加强改革创新，优化政府对基础公共服务资源的配置，强化基础公共服务设施建设，全市社会治理体系和治理能力极大提升，人民生活水平和质量普遍提高，人民群众的获得感、幸福感、安全感显著提升。初步核算，2021年实现地区生产总值27894.02亿元，人均地区生产总值达到86879元，同比增长7.8%。三次产业结构由2012年的7.6∶45.8∶46.6发展为2021年的6.9∶40.1∶53.0，呈现**、第二产业占比下降，第三产业占比提升的发展趋势。与此同时，三次产业内部行业结构也逐步向多元化、高质量方向发展。
1.3水生态系统概况
水生态系统是水生生物、水环境相互作用，通过物质循环、能量流动和信息传递共同构成具有一定结构和功能的动态平衡系统，可分为淡水生态系统和海水生态系统（Rui et al.，2022）。水生态系统由生产者、消费者、分解者以及非生物类物质这四类要素构成。水生态系统作为自然界生态系统的重要组成要素之一，为人们提供水产品、淡水资源等，具有改善当地环境、调节区域气候、生物多样性保育和涵养水源等间接服务功能（Flood et al.，2020）。
重庆市内流域面积50～1000km2的河流共468条，其中，跨区县河流有104条，不跨区县河流有364条，跨省市河流有80条（涉及四川省27条、贵州省25条、湖北省23条、湖南省4条、陕西省1条）。河流总长13375km，其中，干流流经重庆市内河段总长12012km。流域面积500～1000km2的河流有32条，流域面积200～500km2的河流有75条，流域面积100～200km2的河流有126条，流域面积50～100km2的河流有235条。次级河流和湖库作为河流网络基础的组成部分，与河流生态健康有密切联系。“十三五”期间，重庆市水环境质量逐步改善。《2021年重庆市生态环境状况公报》显示，长江干流重庆段总体水质为优，20个监测断面水质均为Ⅱ类；长江支流总体水质为优，122条河流218个监测断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类水质的断面比例分别为94.5%、5.0%和0.5%；水质满足水域功能的断面占98.2%。
1.4水生态系统存在问题
重庆市区域水资源短缺、工程性缺水等问题较为严重。三峡库区过境水资源丰富，但重庆本地水资源严重不足，人均水资源量约为1771.3m3，仅为全国人均水资源量的82.9%；按照国际公认的标准，重庆属于中度缺水地区，其中有11个区县人均水资源量低于900m3，属于重度缺水地区；时空间分布不均，工程性缺水等问题较为严重，制约了经济社会发展；仅2022年库区245条河流断流，近1000万人受极端高温干旱影响。
干流水质总体良好稳定，但支流水污染问题依然严峻。2018～2023年，三峡库区干流水质全部保持Ⅱ类水，但支流仍存在不达标甚至劣Ⅴ类水体，总磷污染问题突出，库区26条支流回水区水华频发。第二次全国污染源普查数据显示，重庆市农业源水污染物化学需氧量、总磷排放量分别占该污染物排放总量的42.6%、62.9%，其中，畜禽及水产养殖在农业源占比高，导致部分支流污染严重。
水源涵养能力低，生态功能脆弱。三峡库区森林覆盖率58%，其中人工林占40%以上，且集中分布在东部喀斯特地貌区，生态功能欠缺，物质循环和流通一般，整体水源涵养能力低；2022年三峡库区水土流失面积18260km2，占土地总面积的31.65%，消落区植被显著退化，植物种类由蓄水前的400多种减少到100多种，库岸稳定性明显减弱，加剧了库岸水土流失和土壤侵蚀，生态功能脆弱。
第2章国内外水生态系统研究现状及发展趋势
2.1河流和湖库水生态系统的循环过程与功能
2.1.1水文循环及生态响应
1.水文循环
水文循环是指地球上的水在太阳辐射和重力作用下，以蒸发、水汽输送、降水、下渗、径流等方式进行周而复始的运动过程。该循环过程将地球上不同的圈层有机联系起来，使其中的水处于不同周期不断更新的状态，从而维持了全球水量的动态平衡。太阳辐射和地球的重力作用是驱动水文循环的外因，水的三态转化特性是产生水文循环的内因。
从全球水文循环来看，设想其*初从海洋蒸发开始，蒸发的水汽进入大气圈后，被气流传输至各地，在适当条件下凝结为水滴，当水滴克服了空气阻力就会以降水形式降落形成雨、雪、冰雹等。其中，海面上的降水直接回归海洋，降落至陆地表面的除重新蒸发升空的水汽外，一部分会被人类、植物和动物等利用、截留，一部分成为地表径流补给江河湖泊，一部分渗入岩土层，转化为壤中流与地下径流，地表径流、壤中流和地下径流*后都汇入海洋，构成全球性的、连续有序的动态水文循环，全球水文循环过程见图2-1。
图2-1全球水文循环示意图
水文循环是自然界物质运动、能量转化和物质循环的重要方式之一，自然环境的形成、演化和人类的生存都受到水文循环的重大影响。云、雨和闪电等自然现象的主要物质基础就来自通过蒸发进入大气的水汽。气候的湿润或干燥受到大气中水汽含量的直接影响。水汽凝结成的雨（冰雹、雪），落到地面汇聚成地表径流，冲刷和侵蚀地面，形成沟溪江河；水流搬运大量泥沙，形成冲积平原；渗入地下的水，溶解岩层中的物质，富集盐分，输入大海；易溶解的岩石受到水流强烈侵蚀和溶解作用，可形成岩溶等地貌。水文循环形成大量可以重复使用的再生水资源，为一切生物提供不可缺少的水分；大气降水把天空中游离的氮素带到地面，滋养植物；陆地上的径流又把大量的有机质送入海洋，供养海洋生物；而海洋生物又是人类生产生活的重要物质来源。水文循环是众多生物地质化学循环之一，而水流在众多的生物地质化学循环中皆扮演着重要的角色，把磷和被腐蚀的沉积物从陆地输送给水中生物。此外，水文循环过程在维护河流生物多样性和生态系统完整性方面发挥着关键作用。
2.水文生态响应
1）水文情势要素及响应
自然的水文情势是维持本土生物多样性与生态系统完整性的基础。河流水文情势对河流生态系统起到支撑作用，研究人员主要从水文情势指标体系构建和水文情势评价方法两个方面进行研究。Richter等（1996）提出了水文蚀变指标体系（indicators of hydrologic alteration，IHA），该指标体系要素为流量、频率、发生时间、持续时间和变化率，表征了水流对生态的影响。
河流系统的生物过程对水文情势的变化呈现明显动态响应。流量指单位时间通过河流特定横断面的水体体积，频率指超过某一特定流量值的水文事件的概率。流量的增加或减小，会使得河流被侵蚀或淤积、敏感物种可能丧失、水生生物的生命周期发生改变。发生时间是水文事件出现时机，也是水文事件发生的规律性，如每年洪峰发生时间。当发生时间为季节性流量峰值时，其可能会扰乱鱼类活动信号，使鱼类无法进入湿地或回水区，还可能改变水生食物网结构、降低河岸带植物繁衍度、造成外来物种入侵等。持续时间是指某一特定水文事件发生所对应的时间段，如河床年内地域某一特定流量值的天数。低流量时间延长，会使得河流中有机物浓缩、植被覆盖度降低、植物生物多样性降低、河岸带物种组成荒漠化、生理胁迫引起植物生长速度下降甚至死亡；基流“峰值部分”延长会导致下游漂浮的卵消失；洪水持续时间改变会导致植被覆盖类型变化；洪水淹没时间延长会导致植被功能类型改变、树木死亡、水生生物无浅滩栖息地。变化率是指流量从一个值变为另一个值的速度，是反应时间-流量过程的斜率，水位迅速改变会使得部分水生生物搁浅或被淘汰；洪水退潮加快会使得秧苗无法生存。
2）生态-水文相互关系
生态-水文相互关系包括植物个体的水分行为（水碳耦合过程、水分利用策略）、群落尺度的水分分配与利用、生态系统尺度的水碳关系与水循环作用、景观或流域尺度的水文过程影响等。随着研究的深入，人们逐渐认识到大气、植被和土壤系统之间水分交换和传输的复杂性，以及陆地生态与水循环之间的能水交互影响。植被生态系统不仅在水分再分配和蒸散发方面起作用，还通过对地表能量物质循环的影响对气候系统产生反馈作用，并对区域水循环产生一系列连锁效应。全球变化研究的进展揭示了陆面-植被-水-大气系统中的相互关联和反馈，这些关系不仅决定了流域、区域能水平衡，还与全球气候系统密切相关，是全球气候变化的重要因素。此外，陆面-大气相互作用是通过两个错综复杂的途径（生物物理途径和生物地球化学途径）来完成的。动量、辐射能量和感热代表了生物物理传输，而CO2和多种微量气体则与在植物或土壤表面发生的生物地球化学活动有关。
3）水文过程变化的生态响应
物种结构的内部演替和外部环境的物理化共同形成了本地*特的水生态系统。非生物环境，如水文、水质和底质等因素共同构成了水生态系统生物的生命史策略的一部分。大量观测与研究表明，从区域到全球范围，植物群落的空间分布和时间动态都受到降水的显著影响。降水的丰沛度和物种丰富度及群落组成的空间变异度正相关。水分可利用性是植物物种丰富度的关键驱动因子，在热量充足的温暖地区，物种丰富度对水分的依赖更加显著，而在热量输入较低的寒冷地带，物种丰富度则由水热共同决定。在北方荒漠植被带，物种丰富度与降水量和土壤水分呈显著正相关关系，也证实了受水资源限制的生态系统，群落物种组成与多样性对降水的年际变异更为敏感。除平均形态（如年均降水量）的变化外，降水的季节和年际变率增强、极端降水事件增加等也对生态系统有较大影响（马朝，2016）。
水文生态响应关系分为直接关系和间接关系，定性分析重点为间接关系，主要是通过特殊物种来识别河流的生态流量需求并以此作为研究区域水文响应的定性依据。经过学者们近40年的研究，已经基本建立了流量与河流生态系统横向连通性和纵向连通性相关关系的定性识别体系，见图2-2（葛金金，2019）。美国得克萨斯州的研究人员*早提出
图2-2流量与河流生态系统横向连通性和纵向连通性相关关系
了根据流量的大小、频率、持续时间等确定生态流量，结合近40年水文监测和生物监测资料，将全年流量定性划分为4个类
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