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刘冬燕 | 生态修复的理论、方法与实践

2021.01.06  568
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2020年10月23日,上海师范大学生命与环境科学院副教授刘冬燕通过线上视频方式在上海同济城市规划设计研究院有限公司开展了主题为“生态修复的理论、方法与实践”的学术讲座。

刘冬燕老师用专业的语言深入浅出的讲解了生态修复的理论,实践及方法,针对国土空间规划中的生态修复内容,提出了重点需要考虑的思路和方向,并提供了丰富的实践经验供借鉴。

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刘冬燕

上海师范大学生命与环境科学院 副教授


一、生态修复的重要概念辨析

生态修复 (EcologicalRemediation):在生态学原理指导下,对污染的环境和受损生态系统进行修复。

 

1、生态 Eco-与环境 Environment

生态:指一切生物的生存状态,以及生物之间和生物与环境之间的关系。
环境:指人类生存的空间及可以直接或间接影响人类生活和发展的各种自然因素,即自然环境。

生态与环境的主体不同,生态的主体是生物,因此在生态修复时应以生物的需求(食物需求、繁殖需求、栖息地需求等)为考量标准来进行生态修复规划。

 

2、种群、生态位 Niche、生态系统Ecosystem

群落 community:一定时间内一定空间内分布的相互联系的各物种的种群集合,包括动物、植物、微生物等,共同组成生态系统中有生命的部分。组成群落的各种生物种群不是任意地拼凑在一起的,而需有规律地组合在一起才能形成一个稳定的群落。

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图1 群落示意图
图片来源:网络

生态位是指一个种群在生态系统中,在时间空间上所占据的位置及其与相关种群之间的功能关系与作用。生态位又称生态龛,代表了生态系统中每种生物生存所必需的生境最小阈值。

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图2 生态位示意图
图片来源:网络

生态系统指在自然界的一定的空间内,生物与环境构成的统一整体,在这个统一整体中,生物与环境之间相互影响、相互制约,并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态。生物圈是地球上最大的生态系统。

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图3 生物圈示意图
图片来源:网络

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图4 旱生演替系列 Xeroser
图片来源:网络

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图5 水生演替系列 Hydrosere
图片来源:网络


3、种群演替、协同进化与限制因子

种群演替succession:随着时间的推移一个群落被另一个群落代替的过程。

协同进化 Coevolution:两个相互作用的物种之间相互适应的共同进化过程。一个物种由于受到另一物种影响而发生遗传进化的进化类型。

限制因子 Limiting Factor:是使生物的生长发育受到限制甚至导致死亡的生态因子。在干旱地区,水是限制因子;在寒冷地区,热是限制因子;在光能到达的海洋部分,矿物养分是限制因子等。任何生物体总是同时生活在多种生态因子交织成的复杂网络之中,但在任何具体生态关系中,某个因子可能起的作用最大。

生态系统各组成要素是相互联系、相互制约的,在生态修复过程中,需要因地制宜,顺其自然。“山水林田湖生命共同体”强调“人的命脉在田,田的命脉在水,水的命脉在山,山的命脉在土,土的命脉在树。“对山水林田湖进行统一保护、统一修复是十分必要的”,如果种树的只管种树、治水的只管治水、护田的单纯护田,很容易顾此失彼,最终导致生态系统的破坏。


4、生物多样性 Biodiversity

生态系统一般将生物多样性分为三个水平:遗传多样性(genetic biodiversity)、物种多样性(speciesbiodiversity)和生态系统多样性(ecosystem biodiversity)。

保持物种多样性的重要性包括:生物资源方面,提供药材、食物、原料等;保护土壤方面,可保持土壤肥力、防止滑坡、保护海岸和河岸,防止淤积对珊瑚礁、淡水和近海渔业的破坏;调节气候方面,生态系统对大气候及局部气候,对温度、降水和气流的影响均有调节作用;稳定水土方面,在集水区内发育良好的植被具有调节迳流的作用,有植被地段的径流较为缓慢和均匀。

保持好生物多样性,是维持生态系统稳定的重要条件之一。

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图6 生物多样性水平示意图
图片来源:网络

 

 

二、关于生态环境和修复的三个实践案例

1、浙江温州地区的林地资源

温州的植被覆盖率很高,但是不是生态就好了呢?生态修复该如何进行?温州的原生植被类型属于亚热带常绿阔叶林,组成树种应该以壳斗科的栲、甜槠、水青冈、桑科的二种榕树、樟科的香樟、山胡椒、润楠以及多种冬青为主。由于历史原因,温州的原生植被破坏殆尽,现主要植被是次生林、竹林、果林茶林等,物种多样性低,绿量虽高但绿质不高,生态服务功能较原始阔叶林低(如防水土流失功能、洪水期间蓄水截留功能、涵养水源及净化功能、抵御虫害、生境多样性功能等)。尤其是处于水源涵养的区域,如果植被组成单一,很容易引起地下水补给减少,雨季水土流失增加。

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图7 亚热带常绿阔叶林外貌
来源:网络


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图8 温州地区的次生林、竹林外貌
来源:作者拍摄


2、新疆某地的景观水系工程

新疆某市下属的一个县,打造了一处白杨河公园水体,主要对白杨河下游水位进行拦截而成。由于白杨河又是下游湖泊湿地的上游,景观用水截留导致下游的湖泊极度缺水,好不容易恢复的鱼类因缺水而死亡,下游湖泊湿地萎缩并陆域化。为了一个人工景观河流而牺牲重要湿地,生态修复工程实际成了生态破坏。

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图9 新疆某地艾丁湖上游的白杨河
来源:作者拍摄

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图10 下游湖泊湿地及死去的小鱼
来源:作者拍摄



3、上海崇明和浙南的植物群落

上海崇明东滩湿地,如果湿地植物群落的主要组成物种是互花米草,会导致芦苇大幅减少,海三棱藨草分布面积锐减甚至完全消失,鸟类无法停歇,底栖生物以及鱼虾蟹贝数量减少,鸟类生物多样性大幅度下降。同时,密集的植株会阻截细小的泥沙,形成泥滩,堵塞潮沟(潮沟是鱼类以及底栖动物丰富的地方,也是鸟类觅食和休憩的场所),导致洪水期水流不畅,影响排涝。

互花米草具有典型的两面性:其植株高大,地下部分发达,在抗风防浪、促淤造陆和固碳等方面具有不可忽视的正生态效应。研究指出,互花米草绿带时的消浪能力是红树林消浪能力的10倍。1994年17号台风在温州登陆,正面袭击苍南东塘海堤,平均浪高7米,70%的块石构筑的标准海堤被毁,但有15公里长的海堤保住了,这正是由于堤外种植的200米宽的互花米草绿带发挥了有效的消浪作用。浙、闵沿海常年遭受台风袭击的地区的海岸带应保留一定面积的互花米草,发挥其抗风防浪功效,避免重大灾难,而不是一味的热衷于根除了事(用机械除草、人工除草、除草剂除草等不仅劳民伤财,收效甚微,甚至致使生态系统受损)。因此,在进行生态修复前,应充分考虑当地的气候条件(如温州冬天温度低,台风多),既要考虑生态需求,也要考虑台风等危害,以及可行性(温州作为中国红树林生长的最北带,红树林成活难,生长慢)和成本(互花米草很难根除)等因素。

 

 

三、以河流水系为例,探讨生态修复方法

1、河流生态系统

河流生态系统包括干支流、河漫滩、有水力联系的湖泊以及河岸带微生境等。

自然河流通常河流形态不規則,拥有弯弯曲曲、宽窄不一、高低起伏的河床,有深潭有浅滩、河床底质不均匀,急流与缓流相间、大面积的河漫滩湿地、近水区水生动植物多样化、河岸植被丰富、层次重叠等几大特征。

河流分为顺直微弯型、弯曲型、分汊型、游荡型四大类型,多类型的河流形态以及丰富的河流纵向形态及横断面形态形成了多样化的河流生态系统。

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图11 河流的纵向形态
图片来源:网络


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图12 河流的横断面形态
图片来源:网络


2、人类活动对河流生态系统的干扰

人类对河流生态系统的干扰活动主要体现在拦河筑坝、裁弯取直、渠道化、河滩开发、围湖造田、防洪建堤等几大方面,对河流水污染、水文情势、河流地貌、水土流失、生物多样性、景观格局等河流生态要素造成了不同程度的生态影响,破坏了自然河流生态生境。

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图13 城市化对河流的生态影响

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图14 河流工程治理的生态影响


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图15 围垦河漫滩+堤防缩窄河道示意图
图片来源:网络



3、不同尺度下河流生态修复的重点

大尺度--流域(river basin):地面分水线包围的汇集降落在其中的雨水流至出口的区域。在流域内进行着水文循环的完整动态过程,包括植被截留、积雪融化、蒸散发、地表产流、河道汇流、泥沙及其他物质输移、地表水与地下水交换等。流域尺度生态修复的重点是要统筹规划与管理,即流域一体化。

中尺度--河流廊道是流域内各斑块的生态纽带,其修复重点是提高空间异质性(空间环境越复杂,生物区系就越复杂,物种多样性越高),要强调连通性,即以河将山、田、湖、草、林等生态要素连接成为共同的生命体。

小尺度--河段范围内修复主要注重细节,差啥补啥。


(1) 流域尺度下的一体化生态修复

综合开展河湖水系连通性空间景观格局配置,包括河湖连接通道布置,干流、支流、湖泊、河滩、湿地、沼泽、牛轭湖(故道)、植被群落以及城镇、农田的空间格局合理配置。

合理规划国土功能,恢复湖泊、湿地水面面积,实施退田还湖和退渔还湖,清理河道行洪障碍物,保持河漫滩的有效宽度。

以斑块一廊道一基底模式的空间景观理论为基础,合理规划各类斑块的数量、几何特征和性质。

发挥河流廊道的功能,处理好河流一湖泊间“源”与“汇”的关系,以实现生态服务功能的最大化。

 


(2) 河流廊道尺度的的生态修复

河流廊道尺度下生态修复包括恢复河流的蜿蜒性,尽可能恢复河流原有的宽度,河漫滩舒展开阔;恢复河流断面的多样性,有深潭有浅滩;恢复河漫滩乡土植被,植被错落有致;恢复河床的渗透性,保持地表水和地下水的联通;保证河流廊道的生态需水量和水文过程;河湖水网连通,恢复河湖水系、河流—河漫滩的连通性等几方面。

通过河流廊的生态恢复,保证河湖间注水、泄水的畅通,维持湖泊最低蓄水量和河湖间营养物质交换,年内水文周期变化和脉冲模式,为湖泊湿地提供动态的水位条件,使水生植物与湿生植物交替生长,为江河洄游型鱼类提供迁徙通道,为生物群落提供丰富多样的栖息地。

 

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图16 尼塔河河道整治示意图
图片来源:网络

(3)河段范围内的生态修复技术—河床与河岸河床—硬质化河道断面设计

河道断面应设计有深潭和浅滩,断面上植物设计应注意层次,设计时应注意乔木、灌木和水生植物布置的位置和宽度;深潭和浅滩是自然河道中常见的较复杂的生境,为浮游生物鱼类等提供复杂的生活环境,躲避天敌,有利于丰富河道生物多样性。

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图17 修复前后河道断面示意图
图片来源:生态环境教材

河岸—多孔隙河岸结构的设计

在河道近水区采用多孔隙结构材料,一方面多孔结构表面积较大,较大的空间可供植物生长,其次河岸疏松的结构可以为鱼类微生物提供避难和觅食的场所,丰富河岸周边的物种群落。河道生态修复过程中,多采用植物木材和石料组合护岸、植物袋和混凝土组合护岸、石笼和植物组合护岸,这些护岸与硬质化护岸不同,给河岸周边生物留下了充足的生存空间。

综上得出,河流有着极高的生态服务价值,生态功能服务价值包括利用价值、生态价值以及附加价值。现在人类的社会需求也已经从温饱需求向生态需求转变,我们首先要做到的是对河流重要的生态空间尽量做到不破坏,保护优先,河流是一个城市的命脉,有水则灵,应充分重视河流的生态空间,最大化河流的生态价值。

 

 

四、坚持山水林田湖草生命共同体的总体思路

山、水、林、田、湖、草、海、湿地共同构成复杂的生态系统,任何一个生态系统都与其他的生态系统有机联系并相互作用着,都无法完全独立地看待。在山水林田湖草海湿地的生态修复与管理中,应尊重大自然,模拟自然修复,让自然管理自己,尽量减少人为及政策性干扰,坚持山水林田湖草是一个生命共同体,保护好现存生态系统,恢复生态格局的完整性和连续性,在时代发展的进程中找到每个城市自己的发展定位。



本文由上海同济城市规划设计研究院有限公司空间研究院杨欣根据线上报告整理,

经演讲嘉宾本人审阅,同意发表,培训办主任王颖、空间院副总工封海波审校。




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