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水保生态修复的若干科学问题

口 刘国彬 杨勤科 许明祥 张文辉 陈云明


摘 要 根据我国水土流失情况，分析研究了水土保持生态修复的潜力、驱动因子、布局、技术措施及标准、生态系统健康评价、环境效应等一系列问题。从县南沟流域和纸房沟流域治理效果分析对比中得出，在黄土丘陵区，生态环境破坏没有从根本上破坏该区植被演替的基础，只要保护措施得力，完全有可能依靠自然力恢复当地植物群落。通过对11条小流域治理效果分析得出，要达到治理目的，植被覆盖率必须恢复到43%以上。
关键词 水土保持 生态修复 健康评价 环境效应


　　近几年对生态修复范畴、区划、机制和评价等进行了大量的研究，但目前的研究仍然缺乏系统性和定量分析。因此，需要深刻认识由于水土流失造成生态系统退化的特殊性，了解水土保持生态修复的特点，对退化生态系统修复的恢复生态学基础包括生态系统修复理论，生态修复的驱动因子及调控机制，生态修复的潜力、布局、标准和技术措施、生态系统健康评价等等进行系统研究。

　　一、生态修复的潜力及驱动因子

　　要了解生态修复的潜力，需要对生态系统退化程度进行诊断，这是生态恢复的基础与前提。目前对于退化程度的诊断研究大多处于定性阶段。一般来说，诊断的参照物将是生态恢复的基本目标。水土流失区生态系统退化的直接结果是水土流失加剧、土地资源丧失和质量下降、植被破坏、生物生产力降低。土壤侵蚀强度和生态系统功能的丧失是诊断的重要标志。

　　水土保持生态修复的核心是通过减少人为干扰、植被的自然恢复从而恢复生态系统功能，实现改善生态环境的目标。植被的正向演替是生态修复的驱动因子，植被恢复能力及条件是关键。因此，需要针对不同地区水土流失、植被破坏现状，根据生态学、植被群落学等理论深入研究生态自我修复的主要影响因子，建立生态自我修复潜力评价指标体系，通过对生态系统自我更新与修复能力、生态系统主要生活因子的代谢与供应能力、生态系统自我修复与环境生活因子的协同适应能力等进行分析，对不同地区的退化生态自我修复潜力进行评价。在此基础上，研究不同类型区植被演替动力机制及承载力。

　　在黄土丘陵区，我们对目前已经大面积治理的县南沟流域和已经进行了20年水土流失综合治理的纸房沟流域的植物多样性进行了比较研究，结果发现，两流域的物种丰富度、植被类型几乎没有变化，但两流域在同一类型的群落方面差别很大。经过自然恢复后群落的物种多样性、优势群落的盖度、高度和植被总体盖度均大于未治理的。纸房沟流域十年封禁使植被类型和种类由封育前的4科8种增加到12科26种，地带性物种数量明显增加。这说明在黄土丘陵区，生态环境破坏没有从根本上破坏该区植被演替的基础，只要保护措施得力，完全有可能依靠自然力恢复当地植物群落。由此可见，在该区实施生态修复是可行的。

　　二、生态修复的布局

　　生态修复的布局是规划的基础。生态修复布局包括了全国生态修复分区，区域布局、中小流域的空间布局。根据影响生态修复和植物生长的水分条件把全国水土保持工作分区为二级分区，依区内相似性、区间差异性和社会经济条件确定生态修复的措施布局。布局的关键是土地利用格局。从区域角度，需与该区的生态建设和经济社会发展战略相和谐。尤其是水土流失严重地区，从建立该区的生态安全体系、食物安全体系和生态经济出发，以生态环境改善和社会经济可持续发展为目标，布局生态修复的重点地区。以黄土高原为例，土地资源类型可以分为生产用地、生态保护地两大类型。生态保护地的特点是：①生产力低，难治理，现有技术条件不能生产，开发将导致本地和相邻地段土地退化。②以生态保护为主要功能，包括封禁生态保护和防护林。生态保护地将是生态修复，尤其是自我修复的重点区域。

　　我国在不同尺度流域水土流失综合治理模式布局方面积累了大量的经验，建立了多种示范样板。尤其是以小流域为单元的综合治理是我国一条成功的经验。在新的水土流失治理思路下，不同尺度流域治理模式及尺度转换是急需解决的关键问题。例如在黄土高原，小流域的面积一般是l0km2左右，县域尺度1000km2以上。在特定的流域中，实施生态修复的面积比例应该是多少，在流域中如何布局，需要考虑的因素不仅是水土保持措施，而且需要与该区的经济发展需求和目标相结合。黄土高原11个小流域统计资料表明，从减少流域土壤侵蚀到容许侵蚀量(1000t／km2·a)的植被覆盖率，流域内有效植被应该占流域面积的43％以上。

　　三、生态修复技术措施及标准

　　尽管恢复生态学在近10年间取得了令人瞩目的进展，但仍有不少问题有待解决，也是当前研究的热点问题。其中之一就是生态系统恢复的不可确定性。生态修复要求综合考虑生态经济和社会因素，但对于时间、空间上异质性的生态系统而言往往非常困难，尤其是在持续干扰的情况下，很难恢复到理想状态。由于生态系统的复杂性，生态系统退化程度和干扰因子很难简单概括为一些易测定的指标，生态系统恢复的时间问题，仍然需要可重复的和长期的试验和观测。

　　尽管水土保持生态修复的关键是植被的恢复，但在我国水土流失类型多样、社会经济条件千差万别的条件下，它仍然是一项复杂的系统工程。修复措施包括了退耕还林还草、封山禁牧、舍饲养殖及综合治理等。对水土流失轻度区通过封育保护，尽快遏制水土流失，大面积地进行生态修复，加快治理进度。对地广人稀土地利用率不高的区域(指轻度、或部分中度但人口较少的区域)进行灌草补植、封育保护。在强度水土流失的部分区域，可先进行简单的治理，控制大的水土流失，在此基础上再进行生态修复。但这些措施实施中尚有许多问题没有解决。如在植被恢复方面，以生态自我修复为主的恢复途径的研究较少，且主要集中在封禁的效果上，在生态自我修复的途径、方法、关键技术、区域差异、动态监测与评价等方面研究极少，缺乏操作性；从研究尺度上，对封育措施的研究，由不同研究单位分散进行，缺乏区域系统的比较研究，不能对大范围的生态自我修复工程的实施提供可靠依据。因此在生态修复工程的实施中，制定生态自然修复的技术措施、标准、目标等，对于充分发挥生态自我修复能力、加快植被恢复与生态重建，具有重要意义。

　　四、生态系统健康评价

　　Rapport认为生态系统健康是指一个生态系统所具有的稳定性和可持续性，即在时间上具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力，并认为生态系统健康可以通过活力、组织结构和恢复力3个特征来定义。生态系统健康是保证生态系统功能正常发挥的前提。结构和功能的完整性、具有抵抗干扰、恢复能力、稳定性和可持续性是生态系统健康的特征。由此可见，建立健康的流域生态系统是水土保持生态修复的最终目标。

　　生态系统健康包括从短期到长期的时间尺度、从地方到区域空间尺度的社会系统、经济系统和自然系统的健康功能，从区域到全球胁迫下的地球环境与生命过程。其目标是保护和增强区域甚至地球环境容量及恢复力，维持其生产力并保持地球环境为人类服务的功能。以流域为单元的水土保持生态修复的健康评价需要基于生态系统的结构、功能过程来确定指标，包括生态系统的完整性、适应性和效率。它来源于水土流失治理，但又不同于综合效益评价。

　　目前对于评价生态系统健康尚无成熟的理论和方法，一般的过程是首先根据区域特征、生态系统的服务功能确定评价的目标及生态健康的标准，通过对反映系统水、土、气、生各要素特征的指标敏感性及其相关性的分析，选择健康诊断指标，然后建立生态系统健康诊断指标体系及诊断模型。就评价指标的类型而言，生态系统健康评价主要可分为指示物种法和结构功能指标法。指示物种评价生态系统健康，主要是依据生态系统的关键物种、特有物种、指示物种、濒危物种、长寿命物种和环境敏感物种等的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标及其一些生理生态指标来描述生态系统的健康状况。指示物种评价法比较适用于一些自然生态系统的健康评价。虽然采用生物类群指示生态系统健康的研究已取得很大进展，目前已成为生态系统健康研究常用的基本方法，但是仍然存在一些问题。例如，指示物种的筛选标准不明确，有些采用了不合适的类群以及标准并不一致等。

　　对水土保持生态修复的健康评价今后还需要进行深入研究，如生态健康诊断与生态安全理论，生态系统健康评价指标的识别及提取，生态经济系统健康标准与阈值，生态系统健康诊断方法及趋势预测等。

　　五、生态修复及环境效应

　　由于水土流失区生态环境的复杂性、恢复的多目标性以及目前技术的局限性，现有的恢复理论及技术措施在生态系统演替的长的时间序列中对生态环境的效应有正面的，也有不确定的甚至会是负面的。近年来生态恢复的环境效应引起了国内外科学家的高度重视。如美国自开始实施了自然生态保护项目(Conservation Reserve Program，CRP)，学者们便对其可能带来的环境效应，包括项目对于土壤性状、土壤侵蚀、地表径流、河流污染状况和野生动物栖息地等方面的影响进行了研究。有关研究表明，CRP项目实施后对环境产生的影响主要表现是土壤理化性状明显改善，土壤侵蚀明显减少，明显控制土壤退化，野生动物生境得到改善。然而在项目结束以后，随着土地再度垦殖(种植牧草和作物)，在一定程度上带来了负面影响，如保护地被耕种以后，有机碳和氮将明显减少，生物营养储存量将明显降低，预示着土壤质量的退化。

　　水土保持生态环境建设，特别是植被建设的水环境效应研究中，最有意义的成果是“土壤干层”现象的发现和研究。黄土丘陵区土地利用结构变化对土壤水分的影响研究表明，林地土壤水分含量相对较低。黄土丘陵区营造人工林，将使之向干燥化发展。一些多年生人工林草使深层土壤含水量接近凋萎湿度，形成土壤干层，甚至出现人工草地衰败或死亡的现象。土壤干燥化被认为是一种普遍存在的现象，是当前黄土高原土地利用结构调整和植被建设中被普遍关心的热点问题之一。同时要注重恢复区植被多样化、抗侵蚀性变化等方面的研究，注重对环境方面长期和大区域影响的研究。研究的方面应该包括对流域、区域生态水文过程的效应，生态修复过程中物质迁移与养分循环，对土壤质量及侵蚀产沙的影响，对植被演替及生物多样性的影响，对农村产业结构、经济和人文的影响，对全球变化的影响。　■

利用植物或微生物对水体中的污染物进行处理，从而使水体得到净化，这一用生态—生物的方法来修复水体的技术，廉价实用，适用我国江河湖库大范围的污水治理。
1.生物膜法处理技术

生物膜法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纤维）为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。其反应过程是：①基质向生物膜表面扩散，②在生物膜内部扩散，③微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应，④代谢生成物排出生物膜。

生物膜法主要工艺方法有生物廊道、生物滤池、生物接触氧化池等。生物膜法具有较高的处理效率，对于受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果。它的有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资。此外，运行管理时没有污泥膨胀和污泥回流问题，且耐冲击负荷。日本、韩国等都有对江河大水体修复的工程实例。

2.人工湿地处理技术

人工湿地的原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料（如卵石等）混合组成填料床，污染水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动，或在床体表面流动。在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物（如芦苇等），形成一个独特的动植物生态环境，对污染水进行处理。

人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力。废水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留进而被微生物利用；废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。随着处理过程的不断进行，湿地床中的微生物也繁殖生长，通过对湿地床填料的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。由于这种处理系统的出水质量好，适合于处理饮用水源，或结合景观设计，种植观赏植物改善风景区的水质状况。其造价及运行费远低于常规处理技术。这种技术已经成为提高大型水体水质的有效方法。英、美、日、韩等国都已建成一批规模不等的人工湿地。

3.土地处理技术

土地处理技术是一种古老、但行之有效的水处理技术。它是以土地为处理设施，利用土壤—植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能，达到某种程度对水的净化的目的。土地处理系统可分为快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、湿地处理等几种形式。国外的实践经验表明，土地处理系统对于有机化合物尤其是有机氯和氨氮等有较好的去除效果。德、法、荷等国均有成功的经验。

实 施 陆 地 生 态 修 复 的 科 学 观

解明曙 吴秋丽 谌利斌 于富玲

摘 要 生态修复符合陆地生态学的基本规律，有8类地区适宜实施生态修复。“生态修复”与“生态恢复”虽一字之差，但前者优于后者。生态修复的正确实施是有条件的，其成功速度是缓慢的，功能的发挥也是渐进式的。为了使生态修复的成效尽早显现，人类应施以必要的科学措施，进行科学规划和合理部署。

关键词 生态修复 生态规律 水土保持 人工措施

一、水土保持生态修复符合陆地生态学的基本规律

1．陆地生态系统是自然和人为选择的结果

20世纪30年代，生物学家坦斯莱(Tansley)正式提出生态系统的概念。生态系统是指生物系统和环境系统在特定空间和时间中的组合，这种组合在人类出现之前是纯自然选择的结果。人类活跃在地球上之后，此组合便被加入了人类社会或科学或愚昧的干扰因素。生态系统亦可理解为一个区域系统中任一组生物群落和其周边环境因素共生共容共兴衰的自由组合体。如一片树林、一块草地、一个池塘、一座城市等都是各具特色的生态系统。地球上按大环境、大系统可分为海洋生态系统、陆地生态系统和淡水水域生态系统等。

水土保持生态修复主要是在陆地生态系统范围内的荒山、荒沟和荒地内进行，当然也涉及和影响到陆地范围内的淡水水域及湿地等二级生态系统。

2．“生态修复”的提法优手“生态恢复”

“生态恢复”的内涵是以说明一个过程为主，且主要是纯自然行为，但任何一个原始的生态系统，若被过度干扰甚至被破坏，完全失去了系统内外原有的平衡之后，是无法恢复到原貌的，即使通过人工努力或长时间的再次自然选择使原系统的生态功能实现甚至超过原有水平，但系统的形式与结构是不可能完全重复的。“生态修复”就贵在将“恢”字改为“修”字，虽一字之差，却强调了当今人类的能动性。因为在现代社会与当今生产力水平条件下，在有人类生活生产的生态系统中，只有充分发挥人的科学干预手段，才能尽快地实现被破坏生态系统的优化进程，并使之最大限度地服务于人类社会。这里所强调的是“科学干预”，而不是盲目蛮干或是在不正当利益驱动下的愚昧行为。

3．生态修复符合生态学的基本规律

地球陆地表面的生物(植物、动物和微生物)在其长期的生长、繁衍过程中，通过自然选择、组合，在生物群落内部、群落之间以及整体群落与全部环境之间，其关系的和谐与持续发展都遵循着一定的规律。这些规律可以概括为以下几方面：①相互制约又相互依赖的规律，②各生态系统内和系统间的物质循环转化与再生的规律，③系统内与系统间物质、能量输入输出的动态平衡规律，④系统与系统、系统与环境间长期相互适应与补偿的协同进化规律，⑤生物、环境资源的有效极限规律。这些基本规律是不可分割的统一整体，过分强调某一规律而忽视另一规律都是不正确与不科学的，甚至是反科学的。

“水土保持生态修复”正是遵循这些基本规律，让那些被人为过度干扰和破坏了的特定范围的生态系统作一短暂的(3～5年不等)休养生息，使其生物体充分发挥自我调节与适应环境的能力。由于我国自1958年之后有相当长一段时间地、矿产和森林资源的于扰与破坏都非常剧烈，其修复也需较长时间。实践证明，人为治理的力量和程度都是有限的，故而生态修复能力的充分发挥与利用是非常必要的，是符合我国国土实际和国情民情的正确措施。

二、生态修复的成功速率是缓慢的，功能发挥是渐进式的

“水土保持生态修复”主要是以发挥绿色植物与环境间相互补偿、再生与协同发展能力为主的运作过程。绿色植物自身生命周期就是长历时的，从播种一发芽一生长一繁衍一结实一收获，直至再播种往往需一年以上，等级愈高的植物所需周期愈长，如被子植物中的乔木等往往是3～5年甚至7-8年以上才开花结实。因而，在基岩裸露的荒漠地带，总是先着生最低等植物如地衣等，而且必须具备有一定的即使是少量的水分和土壤条件才能实现。在温暖湿润地区，裸岩上着生地衣需3-5年以上的时间，在一般干旱区，需8～10年，在极度干旱区，则需要15年以上，有的地区甚至无法生长。从地衣再进化至草、灌木又需约5年甚至更长的时间，直至最后形成森林，没有50～100年以上是不可能的。在干旱和极度干旱区，100年，甚至200年以上也不会轻易成林。可见，水土保持生态修复成功的速度是缓慢的，功能的完善则更需时日。但历时长短会因修复地区水土条件及其生态系统被干扰、破坏和污染程度不同而差异很大。如在年降雨量大于800mm、裸岩面积率小于30％的条件下，2年即可达到不再发生土壤侵蚀，绿色覆被率达到50％以上，但其功能仍是低下的。在年降雨量小于300mm的非流沙地区，则需要3～5年以上的时间。

1．水土保持生态修复适宜地区的选择是有条件的

鉴于水土保持生态修复成功速率及其功能发挥的渐进性，加之我国人口众多、工业化程度还不高的国情，其适宜地区大致是：①人口稀少，土地承载力小的地区。②流域上游边远深山区，山高坡陡不适于做农作和经果林基地的地区。③土层瘠薄，水肥条件差，但耐旱耐贫的草灌木尚可生长的地区。④风蚀、水蚀程度虽严重，侵蚀物却不多，且不对下游产生迁移性二次危害的地区。⑤年均降雨量约在300mm以上，雨季中地表土层含水量在8％以上的地区。若出现土壤含水率低于5％，其连续时间不应超过10天。⑥表土丧失殆尽，但裸岩裂隙发育且以泥岩或碎屑岩类为主的地区。⑦盐碱地修复应选择含盐量小于3g/kg的地区，否则就得采取工程措施，用水洗盐或换掉表层O～50em的土。⑧没有严重滑坡、崩岗及泥石流发生的地区，或者是虽有此类灾害危险，但对人类和下游环境不产生严重威胁与危害的地区。

综合以上8类地区可以认为，凡是对土地没有高效高产要求，草木难以生长的山丘、河网或湿地等均可实施水土保持生态修复。

2．生态修复要辅以必要的人工措施

水土保持生态修复的成功与否和成功的速度要依实施地区的水土资源条件而定。地球表面的任何生物，尤以绿色植物为主体的地球陆地生态系统，其水土资源是生态系统中最基本、也是一切生物衍生繁殖的最基础的条件。在赤地千里的沙漠地区，若年降水不足100mm，即使再长时间修复也是难以奏效的。又如在南方裸石山和岩溶地区，尽管年降雨量可达800mm以上，可山坡却是90％的光石板，要想修复成功没有50年以上也是不可能的。

任何被严重干扰导致的生态系统内部物质循环与能量交换失去平衡(尽管此平衡只是暂时的、相对的动态平衡)，都表现为系统中的生物群落成分、结构和功能处于高变动失稳状态，如砍伐殆尽的林地，退化严重的草原和水土流失严重的陡坡山地，主要表征皆是水分不保，表层土壤流失，物种渐稀乃至绝迹。一旦到了这种地步，就是选用修复措施也极其困难。总之，生态修复能力和成功速度是依其水土资源量与质的优劣而定的，而我们现在选定的修复地区，多半已是破坏程度达70％～80％的劣质地区，水土资源不是极少就是被严重污染，物种或已灭绝或是已属稀有状，若不加以人为辅助措施，短时间是很难有好效果的。因此，在生态修复的过程中必须辅以人工措施，这些措施主要有：①严防继续破坏，如设围栏、筑高埂、埋沙障等等；②择水土条件较好处人工引种必要的生物母种(如草、灌木或小乔木)，成活一棵，萌生或下种带活一片；③对于侵蚀剧烈地段，如滑、崩及起沙量大的地块，实施单个强化的辅助治理，以起到治一个，促进和保护一大片的效果；④适时引进对路的好种好苗，如优良的三抗(抗寒、抗旱、抗病虫)灌木与草种，乃至蚯蚓一类动物；⑤及时捕杀有害生物，如鼠、虫等。

只要适时适当地做到了以上几点，生态修复的效果就会很好地表现出来，南方山区更是如此。总之，水土保持生态修复工作的开展不能盲目无序，必须是有规划、有计划地进行。这就要求我们必须有充分和必要的前期、后期工作，才能确保修复地块能尽快见效。

我来补充一篇：

《塔城盆地生态修复的实践与经验》


张培勇

摘　要:塔城盆地在开展水土保持生态修复工作时积极探索,通过对水土流失发生区域、产生原因进行分析的基础上,采取封育保护措施,直接主动地限制人类活动对林草资源的干扰,同时因地制宜地从根本上解决好群众关心的口粮、燃料和饲料等生产生活问题,并在水土保持生态修复的探索与实践中及时、准确地总结经验,为大面积实施生态修复创造条件。

关键词:水土保持 生态修复 实践 经验 塔城盆地