修 晨,肖榮波,陳三雄,張 暉

1 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 園藝園林學(xué)院, 廣州 510225

2 廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 廣州 510006

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,不斷加劇的人類活動(dòng)對(duì)地球的自然生態(tài)環(huán)境造成了巨大威脅,引發(fā)了森林、濕地、河流等生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失調(diào)與功能喪失,生物棲息地的破壞與生境破碎化,物種滅絕與生物多樣性減少,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能削弱等問題,退化的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步影響到人類自身的生存與發(fā)展。全球一半以上的人口居住在距海60 km的范圍內(nèi),75%的千萬人口規(guī)模的超大城市與60%的經(jīng)濟(jì)總量分布在距海100 km范圍內(nèi)[1]。灣區(qū)作為海陸交匯形成的特殊地理單元,具有人口密集、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市化程度高等特點(diǎn),面臨自然生態(tài)系統(tǒng)退化的問題不斷凸顯。因此,對(duì)灣區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)開展修復(fù),并恢復(fù)其提供的重要生態(tài)服務(wù)功能,對(duì)人類未來延續(xù)自身生存具有重要意義。

英國(guó)生態(tài)學(xué)會(huì)在2006年發(fā)表的《英國(guó)100個(gè)與咨政相關(guān)的生態(tài)學(xué)問題》中,“過去和現(xiàn)在的圍欄捕魚、鋪設(shè)水底管道、移除砂粒層、片斷化棲息地、筑壩等等河岸帶工程將給河岸和河流內(nèi)部的生物多樣性帶來什么后果?”“海岸、河口和河流等棲息地對(duì)于瀕臨滅絕的洄游魚類種群有怎樣重要的意義？”“怎樣使可實(shí)施的大尺度生態(tài)恢復(fù)工程被優(yōu)先考慮？”等科學(xué)問題[2],提示和啟發(fā)了開展生態(tài)修復(fù)所依托的理論基礎(chǔ)和技術(shù)模式的重要性。當(dāng)前,灣區(qū)生態(tài)修復(fù)大多聚焦于工程實(shí)踐評(píng)價(jià),缺少?gòu)纳鷳B(tài)系統(tǒng)特征入手,梳理歸納灣區(qū)生態(tài)修復(fù)的理論和技術(shù)模式。本文基于Meta-Analysis及綜合分析方法,通過對(duì)國(guó)內(nèi)外主要灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征、退化機(jī)制、以及開展生態(tài)修復(fù)所依托的理論和技術(shù)模式的分析,力圖為我國(guó)及廣東省開展粵港澳大灣區(qū)生態(tài)修復(fù)提供理論和技術(shù)支撐。

1 灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征

灣區(qū)具有特殊的生態(tài)格局特征,其中海灣是灣區(qū)的核心組成要素,河流連接了陸地和海洋,森林、山體、河湖、濱海濕地、海洋、海島等相互依存,形成海陸一體的景觀生態(tài)格局。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)形態(tài)上,灣區(qū)往往是人類活動(dòng)和居住的密集區(qū)和經(jīng)濟(jì)物流發(fā)達(dá)區(qū),一個(gè)圍繞沿海口岸由江河相連的城市群、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極,因此城鎮(zhèn)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)也占據(jù)重要的比例(圖1)。全球各地的灣區(qū)地理分布多樣,空間差異大,但森林、草原、濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)和城鎮(zhèn)、農(nóng)田等人工生態(tài)系統(tǒng)是灣區(qū)主要的生態(tài)系統(tǒng)類型。灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在原材料供給、防風(fēng)固沙、洪水調(diào)蓄、土壤保持、固碳釋氧、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)和休閑游憩等方面為人類的生存和發(fā)展提供了多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

圖1 灣區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)類型立體剖面示意圖(改編自[3])Fig.1 The three-dimensional profile of main ecosystem types in bay area (adapted from[3])

國(guó)內(nèi)外三大主要灣區(qū)粵港澳大灣區(qū)、東京灣區(qū)和舊金山灣區(qū)呈現(xiàn)出不同的生態(tài)系統(tǒng)格局特征(圖2,圖3),粵港澳大灣區(qū)是指Guangdong-Hongkong-Macao Greater Bay Area,包括珠三角9市、香港和澳門；東京灣區(qū)是指Tokyo Metropolitan Area,包括東京都、琦玉縣、千葉縣、神奈川縣等一都三縣；舊金山灣區(qū)是指San Francisco Bay Area,包括舊金山市和周邊9個(gè)縣。在三大灣區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)類型中,森林是面積比例最高的生態(tài)系統(tǒng)類型,占比分別達(dá)到56.8%,32.2%和41.1%。其中,粵港澳大灣區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)比例最高,超過總面積的一半以上,東京灣和舊金山灣區(qū)占比分別約為總面積的三成和四成。農(nóng)田是粵港澳大灣區(qū)和東京灣區(qū)占比第二的生態(tài)系統(tǒng)類型,分別達(dá)到16.9%和29.3%；而舊金山灣區(qū)占比第二的是草地生態(tài)系統(tǒng),占總面積的23.6%,其農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)占比較小,僅為8.6%。城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)在三大灣區(qū)的生態(tài)格局中占有重要的比例,占比分別達(dá)到了15.2%,23.3%和20.2%；相比之下,濕地生態(tài)系統(tǒng)在三大灣區(qū)生態(tài)格局中占比較小,分別為8.8%,2.6%和1.0%(圖3)。森林一般分布在灣區(qū)外圍,城鎮(zhèn)分布在灣區(qū)內(nèi)核河口三角洲附近。灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局變化劇烈的區(qū)域通常集中在城鎮(zhèn)、農(nóng)田等人工生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)張區(qū)、森林、草地、濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)區(qū)。

圖2 國(guó)內(nèi)外三大灣區(qū)地理位置和行政區(qū)劃圖Fig.2 Locations and administrative divisions of three major bay areas in the world

圖3 國(guó)內(nèi)外三大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局特征Fig.3 Characteristics of ecosystem pattern of three major bay areas in the world國(guó)內(nèi)外三大灣區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)格局現(xiàn)狀數(shù)據(jù)基準(zhǔn)年分別為2015年、2011和2017年;其中,粵港澳大灣區(qū)的格局結(jié)果為自有數(shù)據(jù)分析得出；東京灣區(qū)的數(shù)據(jù)引自日本地球環(huán)境所[4],舊金山灣區(qū)的數(shù)據(jù)引自灣區(qū)開放空間委員會(huì)[5]

2 灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)面臨的問題及退化機(jī)制

2.1 灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)面臨的問題

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期快速發(fā)展對(duì)灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)透支較為嚴(yán)重,各類自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了不同程度的退化,城鎮(zhèn)面積的擴(kuò)張蠶食了農(nóng)田和濱海濕地,生態(tài)資源和環(huán)境約束趨緊,生態(tài)環(huán)境壓力日益增大,區(qū)域生態(tài)安全受到威脅。灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化主要表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成趨于單一、穩(wěn)定性下降,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能削弱,生物多樣性銳減和自然災(zāi)害頻發(fā),并面臨著快速城市化導(dǎo)致人居環(huán)境惡化、流域水環(huán)境問題突出、自然岸線減少與濱海濕地退化、全球氣候變化威脅等一系列嚴(yán)重的生態(tài)問題。

快速城市化導(dǎo)致人居環(huán)境惡化、流域水環(huán)境問題突出。城市的大規(guī)模開發(fā)和擴(kuò)張集中在灣區(qū)近岸地區(qū),三大灣區(qū)都具備很高的城市化程度,城市化率均超過85%,東京灣區(qū)和舊金山灣區(qū)甚至達(dá)到了94%和96%,出現(xiàn)了千萬人口規(guī)模的城鎮(zhèn)區(qū)域(圖4)?？焖俪鞘谢率钩擎?zhèn)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)功能不斷降低,導(dǎo)致人居環(huán)境惡化,流域水環(huán)境問題和大氣污染問題仍然突出。2018年珠江口海域水質(zhì)處于劣四類海水水質(zhì),灣區(qū)城市內(nèi)河和深圳、東莞、揭陽等部分跨市區(qū)交界水體仍然受到嚴(yán)重污染[11]；大氣區(qū)域污染仍處于高位,2018年P(guān)M2.5平均濃度為28 μg/m3,高于東京灣和舊金山灣區(qū),且尚未達(dá)到世界衛(wèi)生組織第二階段指導(dǎo)值(25 μg/m3)(圖4)。

圖4 國(guó)內(nèi)外三大灣區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境壓力指標(biāo)Fig.4 Indicators of social-economic and environmental stress of three major bay areas in the world國(guó)內(nèi)外三大灣區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)年為2018年,數(shù)據(jù)引自[6]；環(huán)境壓力指標(biāo)中,城市化率、單位GDP二氧化碳排放量數(shù)據(jù)基準(zhǔn)年為2015年,數(shù)據(jù)引自[7], 人口密度、PM2.5數(shù)據(jù)基準(zhǔn)年為2018年,人口密度由社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算得出,PM2.5數(shù)據(jù)分別引自粵港澳珠三角區(qū)域空氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、東京都環(huán)境局和舊金山灣區(qū)空氣質(zhì)量管理局[8- 10]

灣區(qū)自然海岸線大幅較少,濱海濕地面積銳減。以粵港澳大灣區(qū)為例,自上世紀(jì)90年代以來,灣區(qū)沿岸城市為了緩解建設(shè)用地緊缺的問題而持續(xù)進(jìn)行大規(guī)模的填海造地工程,沿海岸線格局發(fā)生了劇烈變化?；浉郯拇鬄硡^(qū)人工岸線加速增長(zhǎng)成為主導(dǎo)岸線,自然岸線不斷萎縮,所占比例由1990年的46.14%銳減到2017年的36.12%,逼近國(guó)家設(shè)定的35%的自然岸線保有率底線[12- 13]。大灣區(qū)紅樹林、灘涂和鹽沼等濱海濕地面積呈明顯下降趨勢(shì),其中紅樹林面積已從1986年17.58 km2減少到2005年9.19 km2,減少了近50%,至2015年,粵港澳大灣區(qū)累計(jì)填海圍海405.95 km2,自然濱海濕地日漸萎縮、消失[14- 15]。

2.2 灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化機(jī)制

在一定時(shí)空背景下,由于自然、人為或者二者共同的干擾下,健康生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)破壞功能喪失,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和恢復(fù)力削弱,生物多樣性下降,這一過程被稱為生態(tài)系統(tǒng)退化。外界干擾是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化的主要觸發(fā)因子,一方面通過對(duì)個(gè)體生理、種群結(jié)構(gòu)、群落豐富度穩(wěn)定性的影響,最終引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變；另一方面干擾影響了生境條件,可直接或間接破壞環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的組分,造成生態(tài)過程和生態(tài)鏈的斷裂,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的崩潰[16]。

生態(tài)系統(tǒng)退化根據(jù)干擾影響程度的不同,主要分為三個(gè)階段。退化前期,生態(tài)系統(tǒng)受損狀態(tài)較輕,可通過提高生態(tài)系統(tǒng)管理進(jìn)行修復(fù)；退化中期,生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)受到較大破壞,生態(tài)功能削弱,開展生態(tài)修復(fù)需要實(shí)施植被調(diào)節(jié)；退化后期,生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞,生態(tài)功能喪失,開展生態(tài)修復(fù)需要改造生境條件(圖7)。景觀尺度上,退化同樣大致分為三個(gè)階段,開展修復(fù)分別需要提高殘留生境的管理、需要生境調(diào)控和替換、以及需要改造景觀尺度的外部環(huán)境等措施(圖7)。

針對(duì)灣區(qū)陸海一體的生態(tài)景觀特點(diǎn),對(duì)灣區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)(森林、草原、山體、農(nóng)田、城市)和水生生態(tài)系統(tǒng)(河流、湖泊、沼澤、海岸帶、海洋)為對(duì)象,比較分析灣區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化的主要驅(qū)動(dòng)力(圖5)。引發(fā)退化的自然干擾驅(qū)動(dòng)力包括全球氣候變化(氣候變暖導(dǎo)致的森林火災(zāi)、干旱、海平面上升等)、病蟲害、臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴、地震、泥石流滑坡、洪水、外來物種入侵等[17- 19]。而人為干擾是當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)退化的主要驅(qū)動(dòng)因素,包括自然資源過度獲取[20](砍伐森林采挖植物、過度放牧捕撈、采礦、開采油氣資源)、土地利用改變[21](毀林開荒、圍湖造田、填海造地)、城市化擴(kuò)張[22](自然空間銳減、港口建設(shè)、建設(shè)用地?cái)U(kuò)張)和污染排放[23](使用農(nóng)藥化肥、生活和工業(yè)污染)等。

圖5 灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型及其退化驅(qū)動(dòng)因子Fig.5 Different ecosystem types in bay area and the driving factors of their degradation

3 灣區(qū)生態(tài)修復(fù)的理論與思路

3.1 灣區(qū)生態(tài)修復(fù)的概念解析

3.1.1生態(tài)修復(fù)的概念

生態(tài)修復(fù)是指為協(xié)助已退化、損害或徹底破壞的生態(tài)系統(tǒng)而進(jìn)行的恢復(fù)、重建和改善的過程[24]。在更廣闊的視角下,生態(tài)修復(fù)的范圍可延伸至景觀尺度,協(xié)助受損的景觀恢復(fù)其結(jié)構(gòu)和功能的過程。生態(tài)修復(fù)使退化的生態(tài)系統(tǒng)處于恢復(fù)的軌道上,圍繞物種組成、群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能、生境適宜性、與周邊景觀的連通性等方面,使退化生態(tài)系統(tǒng)回歸其適應(yīng)外界變化和物種持續(xù)演化的軌跡,并以提升生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)性為目標(biāo)[25]。灣區(qū)生態(tài)修復(fù)關(guān)注的是在灣區(qū)海陸一體的景觀格局中,協(xié)助受損或退化的森林、濕地、河湖、城市、海岸帶、海洋等生態(tài)系統(tǒng)而進(jìn)行的恢復(fù)、重建和改善的過程。

3.1.2生態(tài)修復(fù)的類別

生態(tài)修復(fù)是眾多修復(fù)性活動(dòng)的統(tǒng)稱,其最終目的都是遵循生態(tài)學(xué)原理和規(guī)律,使退化或受損的生態(tài)系統(tǒng)回歸到一種穩(wěn)定、健康、可持續(xù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。按照自然演替的生態(tài)學(xué)規(guī)律,將從受損或退化生態(tài)系統(tǒng)被停止干擾,到最終修復(fù)到原初的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的過程,視為一個(gè)“理想修復(fù)過程”。按照理想修復(fù)的不同階段和特征,生態(tài)修復(fù)主要包括補(bǔ)救修復(fù)、改善修復(fù)、生態(tài)恢復(fù)以及復(fù)墾等幾個(gè)類別(圖6)。

圖6 生態(tài)修復(fù)的過程階段和不同類別(改編自[24,28])Fig.6 Process stages and different types of ecological restoration (Adapted from[24,28])

補(bǔ)救修復(fù)是指在受損或退化生態(tài)系統(tǒng)開展修復(fù)的初期,實(shí)施的糾正錯(cuò)誤、補(bǔ)救修復(fù)的行動(dòng)。這一階段主要以人的主動(dòng)治理作用為主,重點(diǎn)關(guān)注修復(fù)的具體技術(shù)領(lǐng)域。例如采用物理、化學(xué)和生物等方法去除土壤或水體中的化學(xué)污染物、改變或調(diào)控環(huán)境的水文條件等[26]。

改善修復(fù)是指在理想修復(fù)階段的中期,以恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的功能為主要目的行動(dòng)。這一階段側(cè)重將人的主動(dòng)治理行為與自然的能動(dòng)性相結(jié)合起來,改善修復(fù)不是以修復(fù)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性為目標(biāo),而是重點(diǎn)修復(fù)與人類需求密切相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)功能和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[24,27]。

生態(tài)恢復(fù)是指在理想修復(fù)階段的后期,以使受損生態(tài)系統(tǒng)完全恢復(fù)到原初狀態(tài)的行動(dòng)。這一階段強(qiáng)調(diào)恢復(fù)過程中充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的自組織和自調(diào)節(jié)能力,即依靠生態(tài)系統(tǒng)自身的力量,促使已受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)為未受損時(shí)的原初狀態(tài),恢復(fù)其生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性[28]。

復(fù)墾一般是指的是由于退化生態(tài)系統(tǒng)受損極為嚴(yán)重,需要以人工干預(yù)為主導(dǎo)力量,重建和替代原有生態(tài)平衡的新的生態(tài)系統(tǒng)的行動(dòng)。這是一種人為地重建生態(tài)系統(tǒng)的過程,新的生態(tài)系統(tǒng)往往與受損前的生態(tài)系統(tǒng)完全不同[24]。如礦山生態(tài)修復(fù)過程中的填充礦坑、覆蓋露天礦土、平整土地、栽種植被等土地復(fù)墾工程。

3.2 灣區(qū)生態(tài)修復(fù)理論

生態(tài)修復(fù)是建立在恢復(fù)生態(tài)學(xué)的理論基礎(chǔ)上所進(jìn)行的實(shí)踐,其核心理論觀點(diǎn)來源于恢復(fù)生態(tài)學(xué)[25]。隨著灣區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究和實(shí)踐的深入,針對(duì)灣區(qū)地理景觀特點(diǎn),景觀生態(tài)學(xué)、復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)也成為灣區(qū)生態(tài)修復(fù)重要的理論基礎(chǔ)來源。

3.2.1以恢復(fù)生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)的修復(fù)理論

(1)演替理論

演替是指在群落發(fā)展變化過程中,隨著時(shí)間的推移,由低級(jí)到高級(jí),由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,一個(gè)階段接著一個(gè)階段,一個(gè)群落代替另一個(gè)群落的自然演變現(xiàn)象。演替反映了生物群落與環(huán)境相互作用而引發(fā)生境變化的過程,在更高尺度上則反映了生態(tài)系統(tǒng)類型(階段)的動(dòng)態(tài)演變。自然演替的方向是有一定規(guī)律的,生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化后,通過合理判斷當(dāng)前退化狀態(tài)在該生態(tài)系統(tǒng)演替中的階段,減少外界干擾壓力并采取一定的人為操作調(diào)控,協(xié)助其沿著正向演替方向進(jìn)入生態(tài)恢復(fù)的軌道,并縮短恢復(fù)時(shí)間[31](圖7)。演替理論為人類對(duì)退化生態(tài)系統(tǒng)開展生態(tài)修復(fù)提供了有力指導(dǎo),被廣泛用于灣區(qū)的退化或受損森林、草原、濕地、海岸帶的生態(tài)修復(fù)過程。

圖7 生態(tài)系統(tǒng)退化和修復(fù)的過程的概念模型圖(改編自[28- 30])Fig.7 Simplified conceptual model for ecosystem degradation and ecological restoration (Adapted from[28- 30])生態(tài)系統(tǒng)尺度的退化和修復(fù)過程：數(shù)字圓球代表在不同階段的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài),1代表未受損的、功能完整的生態(tài)系統(tǒng),6代表嚴(yán)重退化、功能喪失的生態(tài)系統(tǒng)；景觀尺度的退化和修復(fù)過程：數(shù)字圓球代表在不同階段的景觀狀態(tài),1代表生境未受破壞或改造的、功能完整的的景觀,6代表代表生境被嚴(yán)重破壞或被改造程度很高、功能喪失的景觀

(2)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論

生態(tài)系統(tǒng)通過對(duì)外界干擾脅迫產(chǎn)生負(fù)反饋,使自身保持或恢復(fù)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)穩(wěn)定,這一保持自身平衡狀態(tài)的特性稱為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力是有一定范圍的,這與生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力密切相關(guān)。恢復(fù)力又稱生態(tài)系統(tǒng)彈性,是指生態(tài)系統(tǒng)遭受干擾破壞后恢復(fù)到原初狀態(tài)的能力。Holling用茶杯和小球形象地解釋生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的機(jī)制[32]：茶杯寬度和深度代表生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的范圍,小球的位置代表了生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)；干擾壓力下小球左右滑動(dòng),最終恢復(fù)到原初位置(圖7)。此外,提高群落生物多樣性和復(fù)雜性也有助于提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[33]。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論為了解灣區(qū)生態(tài)修復(fù)過程不同階段的特征和開展針對(duì)性措施等方面提供指導(dǎo)。

(3)生態(tài)閾值理論

干擾的強(qiáng)度和頻度決定了生態(tài)系統(tǒng)退化的方向和進(jìn)程,當(dāng)脅迫壓力所引起的生物或非生物因素變化超過了一定的閾值范圍,生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生躍遷,進(jìn)入了下一個(gè)退化程度階段,這種閾值范圍即生態(tài)閾值[34- 35]。根據(jù)發(fā)生躍遷強(qiáng)度的不同,生態(tài)閾值可分為生態(tài)閾值點(diǎn)和生態(tài)閾值帶。生態(tài)閾值點(diǎn)是指生態(tài)系統(tǒng)受到環(huán)境變化后所引發(fā)的迅速而劇烈的轉(zhuǎn)變,而生態(tài)閾值帶指的是生態(tài)系統(tǒng)從一種狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)的過程。生態(tài)系統(tǒng)尺度上的退化過程中,往往存在兩個(gè)生態(tài)躍遷閾值,退化初期由生物因子控制的和退化后期由環(huán)境因子控制的生態(tài)躍遷(圖7)。在景觀尺度上,退化過程同樣存在躍遷閾值,包括由于景觀連通性喪失導(dǎo)致的生態(tài)躍遷,以及因景觀功能喪失引發(fā)的生態(tài)躍遷[29](圖7)。生態(tài)閾值理論廣泛用于生態(tài)修復(fù)過程中設(shè)定生態(tài)修復(fù)目標(biāo)、界定修復(fù)階段等方面。

(4)生態(tài)位理論

生態(tài)位是指一個(gè)種群在生態(tài)系統(tǒng)中,在時(shí)間、空間上所占據(jù)的位置及其與相關(guān)種群之間的功能關(guān)系與作用。不同的物種如果在同一生態(tài)系統(tǒng)中且具有相同的生態(tài)位,則會(huì)形成激烈競(jìng)爭(zhēng)而不利于各自種群的發(fā)展,甚至造成其中一方的衰亡(圖7)。生態(tài)修復(fù)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是創(chuàng)建或重組能夠抵抗外來物種入侵的植物群落。群落中如果具有相似生物性狀的物種占據(jù)了生態(tài)位,則外來入侵物種很難建立穩(wěn)定種群[36]。因此,灣區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建,特別是構(gòu)建高物種多樣性的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)(如復(fù)合農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)、濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)),應(yīng)考慮構(gòu)建群落中各物種的生態(tài)位,避免引進(jìn)生態(tài)位相同的物種,避免或者減少種群間的競(jìng)爭(zhēng),實(shí)現(xiàn)物種間共存,維持生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3.2.2以景觀生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)的修復(fù)理論

(1)“基質(zhì)-斑塊-廊道”與景觀連接度理論

景觀生態(tài)學(xué)理論和方法在生態(tài)修復(fù)實(shí)踐過程中可以提供有效的指導(dǎo),其中的核心概念如“基質(zhì)-斑塊-廊道”、生態(tài)系統(tǒng)間相互作用、斑塊鑲嵌與連通性等都同退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)有著密切的關(guān)系[37](圖7)。景觀是一個(gè)由不同生態(tài)系統(tǒng)組成的異質(zhì)性陸地區(qū)域(包含湖泊、河道、濕地等),景觀要素分成三種類型：斑塊、廊道與基質(zhì)。其中斑塊的鑲嵌分布和廊道的滲透功能所形成的的空間異質(zhì)性格局,使得不同斑塊生境之間的物種產(chǎn)生交流、生態(tài)系統(tǒng)之間的功能交互,成為退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的重要景觀驅(qū)動(dòng)機(jī)制。這一規(guī)律通過考慮生境破碎化、整體土地利用方式和斑塊的景觀連接度等方面,進(jìn)一步豐富生態(tài)修復(fù)方案和實(shí)踐[38]。

(2)“格局-過程-服務(wù)”理論

“景觀格局、生態(tài)過程、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”之間的耦合關(guān)系,是當(dāng)前地理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的前沿,強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)空間格局、生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)、能量、信息的流動(dòng)和生態(tài)過程之間的相互作用關(guān)系[39- 40](圖7)。近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)逐漸成為生態(tài)修復(fù)的焦點(diǎn)[41],生態(tài)修復(fù)的過程改變了生態(tài)系統(tǒng)格局與過程, 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給和發(fā)揮具有重要影響。灣區(qū)作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心區(qū)和人口聚集區(qū),更加關(guān)注生態(tài)修復(fù)后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升以及人類福祉的裨益?！案窬?過程-服務(wù)”理論在退化生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)管理領(lǐng)域日趨成熟,通過與流域生態(tài)過程的緊密結(jié)合,逐漸應(yīng)用于河岸帶、濱海濕地等灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)管理等應(yīng)用實(shí)踐活動(dòng)中[40,42- 43]。

3.2.3以復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)的修復(fù)理論

當(dāng)前的生態(tài)系統(tǒng)退化過程很大程度上源于人類活動(dòng)的負(fù)面干擾,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)可提供的各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)削弱或喪失,人類福祉受損。生態(tài)系統(tǒng)功能是維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ),因此生態(tài)修復(fù)應(yīng)始終聚焦提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)這一現(xiàn)實(shí)目標(biāo)展開。大型生態(tài)修復(fù)工程通常屬于一個(gè)復(fù)雜的社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)中的一部分,對(duì)受損生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù),不僅要基于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù),同時(shí)也與利益相關(guān)者、周圍社會(huì)經(jīng)濟(jì)和政策制度等密切相關(guān)[44]。因此,如果要實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)成效的可持續(xù)性,恢復(fù)改善生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)服務(wù)功能,需要在“社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”的框架下[45],參與設(shè)計(jì)和指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)工程,最終實(shí)現(xiàn)人與生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生,社會(huì)目標(biāo)和生物目標(biāo)的協(xié)同(圖7)。因此,以人地關(guān)系理論為代表的系統(tǒng)理論,在灣區(qū)的大型生態(tài)工程中得到越來越多的關(guān)注。

3.3 灣區(qū)生態(tài)修復(fù)基本思路

灣區(qū)生態(tài)修復(fù)基本思路包括修復(fù)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、修復(fù)工程實(shí)施、生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估和修復(fù)實(shí)施后管理維護(hù)等四個(gè)階段。(1)在修復(fù)規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段,重點(diǎn)工作包括利益相關(guān)者各方合作、對(duì)受損生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀的評(píng)估、識(shí)別參考生態(tài)系統(tǒng)、設(shè)定生態(tài)修復(fù)目標(biāo)和方案、開展安全性評(píng)估等；(2)在修復(fù)工程實(shí)施階段,應(yīng)正確運(yùn)用修復(fù)方法,并做好應(yīng)對(duì)預(yù)期外情況的預(yù)案響應(yīng)；(3)在生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估階段,做好觀測(cè)監(jiān)測(cè)和記錄,定期評(píng)估分析進(jìn)展,針對(duì)出現(xiàn)的新狀況并適時(shí)調(diào)整方案；(4)在修復(fù)實(shí)施后管理維護(hù)階段,做好持續(xù)的管理和維護(hù),對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行必要監(jiān)控,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參考分析和比較。

4 灣區(qū)生態(tài)修復(fù)的技術(shù)模式

4.1 生態(tài)修復(fù)技術(shù)

在不同退化生態(tài)系統(tǒng)類型(如森林、礦山、濕地、湖泊、河流、濱海濕地、海洋)的生態(tài)修復(fù)過程中,由于在退化階段、退化程度和生態(tài)修復(fù)目標(biāo)等方面存在差異,因此采用的修復(fù)技術(shù)也各有不同。按照生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的角度,主要包括非生物或環(huán)境因素的修復(fù)技術(shù)和生物因素的修復(fù)技術(shù)。

4.1.1環(huán)境因素的修復(fù)技術(shù)

環(huán)境因子恢復(fù)技術(shù)主要包括水體修復(fù)技術(shù)[46](如控制污染、去除富營(yíng)養(yǎng)化、換水、積水、排澇和灌溉技術(shù)、無公害產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)、土地優(yōu)化利用與覆蓋技術(shù)、物理處理技術(shù)、化學(xué)處理技術(shù)、生物處理技術(shù)、氧化塘技術(shù)等)、土壤修復(fù)技術(shù)[47](如農(nóng)耕制度和方式的改變、綠肥與有機(jī)肥施用技術(shù)、改良土壤、固土、水土侵蝕控制、污染物土壤生物自凈技術(shù)、施加抑制劑技術(shù)、移土客土技術(shù)、廢棄物的資源化利用技術(shù)等)和大氣污染修復(fù)技術(shù)[48](如吸附污染物微小顆粒、生物吸附和化學(xué)吸附等)。

4.1.2生物因素的修復(fù)技術(shù)

生物系統(tǒng)的恢復(fù)技術(shù)包括物種[49](物種的引入、品種改良、植物快速繁殖、植物的搭配、植物的種植、林分改造等)、種群[50](就地保護(hù)技術(shù)、易地保護(hù)技術(shù)、自然保護(hù)區(qū)技術(shù)、種群規(guī)模、年齡結(jié)構(gòu)、密度、性比例等調(diào)控技術(shù)、種群行為控制技術(shù))、群落[51](林灌草搭配技術(shù)、群落組建技術(shù)、生態(tài)位優(yōu)化配置技術(shù)、林分改造技術(shù)、原生與次生快速演替技術(shù)、水生與旱生演替技術(shù)等)、生態(tài)系統(tǒng)[52](國(guó)土資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃技術(shù)、生態(tài)評(píng)價(jià)與規(guī)劃技術(shù)、RS-GIS-GPS輔助技術(shù)、生態(tài)工程技術(shù)、景觀制圖技術(shù)、生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)等)。

4.2 灣區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)模式

生態(tài)修復(fù)技術(shù)方案是多種修復(fù)技術(shù)的有機(jī)組合,在開展實(shí)際生態(tài)修復(fù)實(shí)踐時(shí),應(yīng)在生態(tài)學(xué)原理的支持下,綜合運(yùn)用生物、物理、化學(xué)修復(fù)等手段,結(jié)合生態(tài)工程等適當(dāng)?shù)娜斯ぜ夹g(shù)措施輔助,形成因地制宜、達(dá)到最佳效果的修復(fù)技術(shù)模式。

以世界主要灣區(qū)名稱和生態(tài)修復(fù)(ecological restoration / remediation / rehabilitation / reclamation)為主題詞在Web of Science上檢索2010—2020年的發(fā)表文獻(xiàn),按照相關(guān)度從高到低,選取了國(guó)內(nèi)外主要灣區(qū)開展生態(tài)修復(fù)研究和實(shí)踐的42篇文獻(xiàn)[43,53- 93],并基于Meta-Analysis方法,分析和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外灣區(qū)開展生態(tài)修復(fù)的主要生態(tài)系統(tǒng)類型以及三類修復(fù)技術(shù)模式。其中,國(guó)內(nèi)外灣區(qū)在開展生態(tài)修復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)類型分布既有共性也有差異性。主要灣區(qū)生態(tài)修復(fù)活動(dòng)多集中于濱海濕地、城市和河流,其次是森林、湖泊和礦山等類型。中國(guó)的粵港澳大灣區(qū)除了城市和濱海濕地為最多的生態(tài)系統(tǒng)類型之外,同時(shí)森林和礦山的修復(fù)也有較多的分布；日本的東京灣區(qū)、美國(guó)的佛羅里達(dá)灣區(qū)、切薩皮克灣區(qū)比較重視河流和濱海濕地的生態(tài)修復(fù)。在修復(fù)技術(shù)模式上,國(guó)內(nèi)外主要灣區(qū)采用的修復(fù)技術(shù)模式大多以主動(dòng)修復(fù)模式為主,被動(dòng)修復(fù)和重建模式為輔(圖8)。

圖8 國(guó)內(nèi)外主要灣區(qū)生態(tài)修復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)類型與技術(shù)模式分布圖Fig.8 Ecosystem types and technology modes of ecological restoration in main bay areas in the world修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)類型中,白色色塊-紅色色塊代表了文獻(xiàn)數(shù)量從0—5,文獻(xiàn)數(shù)量越多色塊約趨近紅色,越少趨近白色；修復(fù)技術(shù)模式中,白色色塊-藍(lán)色色塊代表了文獻(xiàn)數(shù)量從0—10,文獻(xiàn)數(shù)量越多色塊約趨近藍(lán)色,越少趨近白色

4.2.1被動(dòng)修復(fù)

被動(dòng)恢復(fù)是指不依靠人工干預(yù)或者最小化的人工干預(yù),主要通過消除導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化或破壞的影響因素,并在自然條件下將退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到健康狀態(tài),一般適用于退化或受損程度相對(duì)較低的生態(tài)修復(fù)[94]。受損生態(tài)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的自然恢復(fù)能力,現(xiàn)有的生物群落在停止引起生態(tài)退貨的人類活動(dòng)(如過度捕撈、放牧,破壞本土植被等)后逐步恢復(fù)；通過加強(qiáng)與周邊生境斑塊的景觀連接后,動(dòng)物種群會(huì)恢復(fù),植物群落可通過種子自然散播逐步恢復(fù)。當(dāng)前國(guó)際上熱門的基于自然的解決方案,再野化,河流重新自然化等修復(fù)理念,均屬于廣義的被動(dòng)修復(fù)模式。其中,基于自然的解決方案是一種受自然啟發(fā)、支撐并利用自然力量與規(guī)律的生態(tài)修復(fù)模式,最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益的共贏,在國(guó)內(nèi)外灣區(qū)的生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中越來越受到關(guān)注[95]。與主動(dòng)修復(fù)相比,被動(dòng)修復(fù)雖然耗時(shí)較長(zhǎng),但是在特定退化階段的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)中具有更好的效果。捷克生態(tài)恢復(fù)學(xué)者通過比較采用主動(dòng)修復(fù)和被動(dòng)修復(fù)的礦山生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究, 發(fā)現(xiàn)近期人工恢復(fù)(主動(dòng)修復(fù))比自然恢復(fù)(被動(dòng)修復(fù))恢復(fù)快,但遠(yuǎn)期自然恢復(fù)區(qū)生物多樣性和植被蓋度更高, 自然演替的效果也強(qiáng)于人工恢復(fù)區(qū)[96]。

4.2.2主動(dòng)修復(fù)

主動(dòng)修復(fù)是指以人為工程技術(shù)措施占據(jù)主導(dǎo),通過人類的控制和干預(yù),以恢復(fù)或改善受損生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程或使其加速進(jìn)入群落演替軌道上的技術(shù)模式。一般適用于退化程度較高的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù),如礦山復(fù)墾、受損嚴(yán)重的河岸帶、濱海濕地等。受損生態(tài)系統(tǒng)具備一定的自然恢復(fù)能力,不僅要消除引起退化的人為干擾,還需進(jìn)一步積極生物干預(yù)(控制外來入侵物種和重新引入本土物種)或非生物干預(yù)(污染修復(fù)、恢復(fù)動(dòng)物生境廊道、棲息地環(huán)境營(yíng)造)措施以修復(fù)生物或非生物損傷。此外,由于很多受損生態(tài)系統(tǒng)類型的自然恢復(fù)通常需要數(shù)年或更長(zhǎng)的時(shí)間,社會(huì)公眾壓力因素會(huì)干預(yù)或加速修復(fù)過程,這也是城市的受損或退化區(qū)域通常采用主動(dòng)修復(fù)技術(shù)模式的原因[97]。例如在開展河岸帶生態(tài)修復(fù)的過程中,管理人員采取主動(dòng)修復(fù)策略,使用多種技術(shù)來干預(yù)以促進(jìn)修復(fù),包括恢復(fù)洪水侵襲之前的地形地貌或者河道、重新種植河岸帶植物、調(diào)控河流水文以控制洪水頻次等[28,98]。主動(dòng)修復(fù)模式通過人為干預(yù)使得退化過程得到有效遏制,在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能,但后期維持修復(fù)效果需要較多的管理和投入。

多摩川河是日本東京灣區(qū)的一條主要河流,流經(jīng)神奈川縣、東京都等城市,全長(zhǎng)136 km,流域面積約1249 km2。作為一條典型的城市群區(qū)域河流,在20世紀(jì)50年代以來的快速城市化過程中,由于河流上游建造水壩,水量調(diào)控、采挖河床礫石等持續(xù)的人類活動(dòng)干擾,河流生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴(yán)重影響,導(dǎo)致河床裸露、外來植物形成優(yōu)勢(shì)群落[99- 100]。開展生態(tài)修復(fù)的是多摩川河中游河段,修復(fù)工程目標(biāo)是恢復(fù)河流生態(tài)健康,恢復(fù)鄉(xiāng)土植物群落。由于河床沉積物的缺失,如果采用自然恢復(fù)的話可能需要上百年的時(shí)間,因此該工程采用主動(dòng)修復(fù)模式,通過人工增寬和增加沉積物以恢復(fù)礫石河床。此外,為了對(duì)瀕危鄉(xiāng)土植物Asterkantoensis的進(jìn)行有效保護(hù)和恢復(fù),人工地方式去除了細(xì)顆粒泥沙及外來入侵物種Robiniapseudoacacia已有群落。通過生態(tài)修復(fù),瀕危鄉(xiāng)土草本植物Asterkantoensis和礫石洪泛平原特有昆蟲Eusphingonotusjaponicusd的種群數(shù)量在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)了。

4.2.3重建

重建是指人為地在受損生境中重建生態(tài)系統(tǒng),替代原有生態(tài)平衡的新的生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)模式。受損生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復(fù)能力已基本喪失,開展生態(tài)修復(fù)不僅需要消除所有可能引發(fā)退化的生物與非生物因素,還需要重新引入其所有或大部分本地生物群落以重建適應(yīng)本地特征的生態(tài)系統(tǒng)。新的生態(tài)系統(tǒng)往往區(qū)別于受損前的生態(tài)系統(tǒng),這一模式通常在灣區(qū)常見于濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)過程。濕地的重建需要選取生態(tài)重建的地點(diǎn)、提供合適的外部環(huán)境條件(包括水文、土壤、氣候等條件)、重建生物群落和后期管理等[101- 102]。云南異龍湖的濕地生態(tài)修復(fù)工程采用重建修復(fù)模式,通過篩選適宜的濕地物種,建成以濕生喬木和水生植物復(fù)合生態(tài)結(jié)構(gòu)的湖濱濕地,實(shí)現(xiàn)了植被蓋度60%以上、生物多樣性較高等多個(gè)修復(fù)目標(biāo)[103]。

5 展望

世界正在進(jìn)入一個(gè)生態(tài)修復(fù)時(shí)代,灣區(qū)是開展退化生態(tài)系統(tǒng)和景觀生態(tài)修復(fù)的重要區(qū)域。開展灣區(qū)生態(tài)修復(fù)應(yīng)建立在多學(xué)科知識(shí)的理論基礎(chǔ)上,使用可衡量的指標(biāo)對(duì)明確的修復(fù)目標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,在生態(tài)系統(tǒng)的完整性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性等生態(tài)學(xué)原理指導(dǎo)下,參考本地生態(tài)系統(tǒng)并考慮環(huán)境變化因素,科學(xué)制定生態(tài)修復(fù)方案。因地制宜,采用適合的技術(shù)手段支持和優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)過程,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)到功能的修復(fù),從而改善個(gè)人、社區(qū)和國(guó)家層面的人類福祉,實(shí)現(xiàn)不同層次的生態(tài)服務(wù)效益。

回顧國(guó)內(nèi)外灣區(qū)生態(tài)修復(fù)的理論與技術(shù)模式,對(duì)照全國(guó)及廣東省開展的生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目,今后應(yīng)圍繞“理論、思維和管理”關(guān)注以下三個(gè)方面：

(1)灣區(qū)生態(tài)修復(fù)應(yīng)重視生態(tài)學(xué)理論指導(dǎo),改變重工程、輕生態(tài),重短期工程技術(shù)措施、忽略長(zhǎng)期自然演變規(guī)律的弊端；應(yīng)依托自然科學(xué)知識(shí),利用自然科學(xué)規(guī)律,科學(xué)開展不同類型、不同階段的生態(tài)修復(fù)實(shí)踐活動(dòng)。

(2)灣區(qū)生態(tài)修復(fù)應(yīng)樹立系統(tǒng)思維,以區(qū)域生態(tài)功能恢復(fù)為目標(biāo)。大規(guī)模的生態(tài)修復(fù)會(huì)產(chǎn)生累積價(jià)值,應(yīng)多維度看待生態(tài)修復(fù)的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在修復(fù)受損自然生態(tài)系統(tǒng)的同時(shí),也修復(fù)了因生態(tài)系統(tǒng)損壞而導(dǎo)致的人與自然、人與人之間關(guān)系的損害。

(3)灣區(qū)生態(tài)修復(fù)應(yīng)構(gòu)建“規(guī)劃設(shè)計(jì)-過程實(shí)施-監(jiān)測(cè)評(píng)估-修復(fù)維護(hù)”全生命周期的管理機(jī)制。重視對(duì)生態(tài)修復(fù)過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取、生態(tài)修復(fù)效果的定量評(píng)價(jià)和修復(fù)的可持續(xù)性管理等方面。