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行业动态 | 生态修复与土地综合整治(03.16-03.22)

来源:??????2020/3/27 10:14:36??????点击:

一、生态导向下的乡村产业和空间营建策略

近年来,随着城镇化持续推进,乡村生态环境的高速非农化、村庄建设用地空废化、农村水土环境严重污损化等生态环境问题日益凸显。乡村的生态价值正逐步被认同,生态、生产和生活的协调发展才是实现乡村振兴及可持续发展的核心。目前乡村振兴研究多注重经济和土地利用,而如何实现乡村空间资源建设开发的生态适应性,是学界、业界追踪探讨的焦点问题之一。

1、发展维度下乡村生态环境关键问题诊断

(1)乡村产业快速发展带来严重生态污染

乡村快速发展创造硕果累累的同时也带来大量的垃圾,这些废弃物不仅对乡村生态环境带来了极大的污染,同时也随着生态系统的循环在广大乡村地区蔓延开来,对乡村的生态环境造成极大破坏,导致恶性循环,造成乡村生产、生活、生态失衡。

乡村生态环境与产业发展互动机制解析

(2)生态化视域下的产业发展趋势

近年来,乡村产业的发展模式已由传统的简单粗暴式发展逐渐向生态化的可持续发展而转变。

? 农业

农业的发展趋势由传统向现代农业转型升级,发展模式以1.5、2.5等“一二”“一三”融合的现代农业为主,适用于这种模式的乡村一般是地处于乡村农业规划区并且拥有良好的土地资源以及丰富的农业资源的区域。

? 工业

工业的发展趋势则逐渐升级为“退二进三”,向新型现代服务业转型,在发展经济的同时注重对生态环境的重视与保护,该模式适用于靠近城镇并且城乡属性变化快且其土地利用形态复杂以及建设用地资源贫乏的乡村。

? 服务业

乡村服务业的发展趋势则是体现在与新兴产业的借势互动,以“三+一”特色旅游的发展模式带动乡村第三产业的经济,对于这种模式适合的乡村则是拥有天然的山水条件以及人文历史资源或是位于景区周边等具有特殊自然区位的乡村。

生态化视域下的产业发展转型框架

2、产业发展与空间生态适应性的耦合解析

(1)空间组织

乡村产业空间是指在乡村地域上从事产业生产活动的行为在空间上的投影,是依托于地域空间而存在的一种重要的功能空间,具有复杂的建设性和地域性以及更广阔的关联性和动态性等功能特征。

乡村产业空间组织模式

(2)结构特征

乡村生态系统的构成具有“自然资源系统”“有机生命系统”“景观环境系统”“经济社会系统”四个层面,乡村产业结构特征可总结为以下几点。

? 第一个特征——以农旅文产为主的田园综合体

其以发展良好的绿色生态产业为主,联动乡村旅游景区, 从而打造现代休闲养生农业庄园,以实现旅游与农牧业的有机融合以及景村融合,进而推动全域乡村旅游发展。

? 第二个特征——以第一、第二、第三产业融合为基础,以生态理念为引导的生态乡村旅游

通过政策推动、企业带动、项目引导加快绿色循环农业发展。同时积极引导农村三产跨界融合、紧密相连、一体推进, 形成农业与其他产业深度融合的大格局,进而催生新产业、新业态、新模式,拓宽农民的就业增收渠道。

? 第三个特征——具有产业的复合化和土地集约化的农村产业综合体

农村产业综合体实质上是以龙头企业、农民合作社以及家庭农场农户等新型经营主体为主要参与者,以农产品加工业为支撑点,打造乡村旅游品牌化从而实现农业休闲化。有序激活生态的发展要素、山水田林村等生态资源,同时以学问为导向,旅游为引擎,农业增收、农民增富为目标,打造农、文、旅三位一体以此保证资源的有序开发。

3、生态适应下乡村产业发展路径

(1)打造农业生态发展,构建乡村产业体系

积极响应国家农业节水行动以及对水生生物保护行动。集成推广土配方、水肥一体化以及机械深施肥等生态施肥模式。实行电子商务进村,建设并完善农村电商公共服务体系,同时实施农商互联,积极推动农产品流通企业与新型农业经营主体对接,打造农产品全产业链条,对于乡村原有的生态自然资源搭建发布推介平台,实行乡村旅游精品发布活动。

对于具有一定产业资源基础的乡村,考虑水土资源、地理气候、发展前景、村民意愿及产业联动等多方面因素,建议选取现代化的农业种植业、养殖业、农产品加工及商贸服务作为未来发展的基础产业,以旅游观光为衍生产业,衍生产业同样也是未来发展的核心产业,构建生态适宜性乡村产业体系。

生态适宜性乡村产业体系框架图

(2)促进农业提质增效,建立产品加工基地

对于一些具有国家投资建设的较大工程的乡村,可以以农业科技创新为支撑,提升现代种业自主创新能力以及科技创新水平,通过培育一批第一、第二、第三产业产融合、适度规模经营多样以及“互联网+”紧密结合的各类新型经营主体,建立产品生态化加工基地,促进农业提质增效。

(3)重塑地域学问特色,创造旅游生态品牌

生产型乡村旅游产品的打造主要包括两类,即以乡村农园、农家乐及乡村周边景区形成产品组合的乡村营地公园和基于互联网,集电子商务、在线种地、物流、有机种植等为一体的农业生产类旅游产品。后者以“都市农业+假日经济+‘互联网+’”为旅游发展平台,围绕都市假日的体验经济模式,衍生出“农趣乐园、假日牧场”等创意项目形态。通过互联网的思维引导,将农业生产与都市生活高速有效地嫁接起来。以“互联网+”为主的旅游生态产品易形成都市人群常态化的黏性消费,以及“周末体验+日常持续”消费需求,具体的旅游产品形态如下表所示。

乡村旅游产品重塑形态分类

 通过一产提升,加快转变农业发展方式,做大做强特色产业,推进现代农业园区建设;发展多种形式适度规模经营,推动农林特结合,种养加一体。三产升级,把乡村旅游产业、现代服务业发展与增强城市功能、促进就业紧密结合起来;提高第三产业比重。

4、生态适应下乡村空间规划途径

(1)重视生态本底的承载潜力

乡村产业生态化发展模式的构建必须立足于区域发展视域,乡村所依托的区域发展空间实质上是生态化乡村构建的基本空间腹地,只有平衡区域生态环境才能促进乡村空间的生态化发展。为此,乡村生态空间结构应与社会经济协同发展,避免因生态环境恶化而导致恶性循环。反之,乡村生态结构合理的前提下,乡村生态环境优化,村庄空间布局有序,产业结构高效、环保,有利于促进社会经济的协调发展。

(2)规划乡村空间生态化设计

乡村空间生态化规划设计的核心在于整合或提升整个乡村生态系统的功能结构板块,进而构建一个稳定和谐的复杂人工生态系统单元。

乡村生态化规划设计框架图

(3)制定生态适宜的管控措施

通过制定生态适宜的管控措施来推动乡村空间生态的主动建设。

生态适宜的空间管制保障


二、李杨帆:基于韧性理念的海岸带生态修复规划方法及应用

生态修复是海岸带空间规划的重要组成部分,而韧性理念中有关规划—吸取—恢复—适应的演化规律对于海岸带生态修复具有重要的引导意义。以沙化较为典型的海南木兰湾海岸带区域为例,开展海岸带国土空间生态修复规划的方法及应用研究,基于沙化脆弱性和生态系统服务的空间耦合分析划分不同类型空间,并分区制定生态修复规划方案。研究结果表明:(1)沙化脆弱性高的区域主要是旱地和沙地,面积达21.8%,生态系统服务高的区域主要是林地、水域、湿地,面积达67.5%。(2)重建修复区主要位于鱼塘、旱地一带,占总面积的16.4%;人工辅助修复区主要位于旱地以及迎风面一带,面积达5.5%;适度开发区多为基本完全沙化区域,面积为15.8%。相关评估结果和生态修复规划方案能够揭示生态系统各关键因子之间的胁迫—响应机理,为海岸带沙化区域的生态修复及恢复提供科学支撑。


三、王志芳 高世昌等 | 国土空间生态保护修复范式研究

本文基于“山水林田湖草”生命共同体理念,分析国土空间生态保护修复“敬重自然、顺应自然、保护自然”的实现途径,为国土空间生态保护修复的“整体保护、系统修复、综合治理”提供理论与方法引导。研究表明:(1)自然途径有6种不同范式自然范式、本土范式、过程范式、学问范式、实验范式、绿色范式。(2)不同范式各有优劣,需要根据社会需求情况、自然重要性、自然破坏程度的高低进行综合选择,才能实现生态保护修复成效最优。国土空间生态保护修复要充分认识自然定位和价值认知的多元性,充分发挥自然途径6种范式的优势,探索生态保护修复的组合方案,促进国土空间生态保护修复实现高质量发展。

1、引言

国土空间生态保护修复是为构建国土空间安全格局,实现国土空间生态系统稳定,提升生态系统服务功能和景观价值等综合目标,按照“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念,对受到高强度的国土开发建设、矿产资源开发利用以及自然灾害影响等造成生态系统严重破损退化、生态产品供给能力下降的区域,采取国土空间规划、设立自然保护区、实施国土整治、修复退化土地以及运用生物技术等综合措施,对国土空间采取整体保护、系统修复、综合治理等活动的统称。

近年来,国土空间生态保护修复实践中逐步形成了“敬重自然、顺应自然、保护自然”的共识。这与国际上NBS(nature-basedsolut-ions)的探索有异曲同工之处。NBS在中国被翻译为“基于自然的解决方案”或“自然解决途径”。本研究认为应译为“自然途径”更简单明了,在实践中可以直接嫁接对应的工作,如棕地修复的自然途径、湿地修复的自然途径、城市更新的自然途径等,通俗易懂、便于应用。自然途径很大程度上是已有概念或原则的统称,涵盖了设计结合自然、绿色基础设施、生态工程、天然保水措施、生态系统服务、绿色基础设施、生态修复等。概括而言,国内外对于“自然途径”的探讨都比较泛,内容广,方法多,但无论是问题界定还是解决之道都尚未达成共识。为促进自然途径在国土空间生态保护修复过程中的有效落地,本文尝试以质性研究为基础,以范式提炼为起点构建自然途径的框架体系。

2、研究方法

本文主要采用质性研究的方法来归纳总结国内外的自然途径。研究的原始资料主要是生态保护修复相关理论以及典型案例。研究过程对于国际生态保护修复前沿动态和有关研究成果进行了梳理,对保护生态学、恢复生态学、植物生态学、群落生态学、生态系统生态学等相关理论进行了全面深入研究,并依据生态保护修复项目影响力、获奖情况和公众认可度三个因素,收集整理了英国、德国、美国、俄罗斯等10多个国家不同尺度的典型案例217个,并对生态修复典型案例的主要理念、修复路径、修复方法等进行研究,以实现对现有理论和典型案例的准确掌握。

为搭建归纳分析框架,本文主要采用了范式的归纳提炼方式。归纳划分的依据为:

一是对于自然生态系统的不同假设,亦即对于自然的定位,代表着不同范式对于自然希望或是对标生态系统的差异。这一界定主要参考了Hobbs和 Norton从自然生态系统退化程度角度对于生态修复的分类,分别针对未受到破坏的生态系统、基本良好的生态系统、受到破坏生态系统、以及严重受损的生态系统。该分类只考虑了自然系统,未考虑人地耦合以及可持续发展的系统性。

二是自然生态系统预期功能差异,即不同范式想要实现的不同生态系统服务功能。不少理论以及项目都提及生态系统服务的概念,却未进行全面对比。功能差异隐含在不同案例以及理论中,能够被系统地提炼出来。

三是自然生态系统修复途径差异,特别是人工方法和自然途径在不同范式中的不同作用。这一方法上的差异主要借鉴了Eggermont等的观点,认为自然途径可以通过人类做功的程度分为三类:不需要人类做功、需要人和自然交互做功、需要大量人工干预。该分类笼统地说明了自然做功以及人工干预,但未涉及具体途径以及功能差异。

本文综合已有的理论、案例以及分类,进一步提出生态保护修复范式划分的三大基本原则:自然定位、预期功能、修复途径之间的差异,提炼形成国土空间生态保护修复的6种范式。

 

3、自然途径的6种范式

生态保护修复存在多种范式,且不同的范式,其修复目标与效果不同。本研究将生态保护修复范式归纳为六种类型(见表1)。

3.1 自然范式

自然范式是指让自然做功,保护荒野生态系统,防止人为侵占和干扰,达到“无为而治”的目的。该范式认为自然有其自己的发展途径,可以自己生存,解决自己的问题。自然而成的“荒野”是终极目标。决定恢复什么样的生态系统,最简单的方法就是让大自然来决定。自然范式认为自然做功是生态保护修复的主要途径,保护是唯一的人工介入方式。保护就是少用,尽量减少浪费与破坏,应有效看护具有重要意义的生态区域。自然范式在生态保护修复中主要考虑了生态系统的自我恢复能力,优点是投入较少,缺点是生态保护修复的结果可能并不可控,也忽视了人居环境的建构。

3.2 本土范式

本土范式是指在不影响生态系统健康和完整性与可持续性的前提下,利用人工修复将生态系统恢复到其“史前”状态的修复方式。本土范式认为生态系统能够回到过去,且人工干预能够把一个受损的区域恢复到“史前”状态;人类干预是重建健康生态系统的必要举措,通过修复可以直接建立新的“史前”群落。本土范式符合地域特征,运用本土物种进行修复适应性强,主要考虑了自然生态功能,但很多地方的“史前”状况很难界定,且不清晰,导致在生态保护修复时很难找到对标的本土生态系,也忽视了对人居环境的建构,是一种静态的自然观。

3.3 过程范式

过程范式是指在不断变化并自我演替的生态系统中,通过人工干预促进或改善自然的过程,实现生态系统的完整性和功能的可持续性。生态修复是系统设计和动态的过程,人工干预的重点是制定修复规则和演替逻辑

过程范式强调对自然过程的理解和敬重,认为自然做功和人工干预在生态修复过程中同等重要。在对植物群落演替深刻了解的基础上,通过人为设计或技术手段对自然系统进行干预,进而促进或加快自然生态系统的演替。在人工扰动下,许多自然灾害(如干旱、洪水和风暴)消失了;生态修复应当把必要的扰动作为自然演替的重要内容,以更好地模拟真实的自然进程。过程范式借用自然做功,有效发挥了自然的作用。但该范式高度依赖对自然演替的相关研究,且实施过程时间较长,也忽视了人居环境的建构

3.4 学问范式

学问范式是指在生态保护修复中注重人的需求和生态关怀,努力通过人地关系调整,创造生态系统完整、学问价值延续的多功能景观,不仅提供生态系统服务,确保生态安全,而且要恢复人对环境的新认知以及良好的人地关系,实现人地复合的生态系统(Social-Ecol-ogicalSystem)可持续发展。该范式认为许多生态问题都是由社会问题导致的,如果人对生态系统没有正确的认知,即使受损生态局部得到修复,整体系统也会继续受到破坏。因为有些原生态自然环境并不一定受到社会大众的欢迎,人们也就不会主动去维护它,可持续发展的目标必须兼顾人的需求以及生态功能。

学问范式强调生态关怀的重要性。无论是生态修复的物质空间形式还是修复过程,都充分考虑人对自然的关怀以及深度体验。物质空间形式上的关怀一般有两种表现形式:一种是学问定式所形成的物质空间偏好。另一种是生态艺术。修复过程中彰显生态关怀的途径主要是强化仪式感以及公众参与。鼓励人们持续参与干预-恢复过程可以增强人类与自然的互动。学问范式的最终目标是创造生态完整、学问价值自然延续的多功能景观。不仅要提供生态系统服务,确保生态安全,而且要恢复人对环境行为的新认知以及良好的人地关系,最终实现可持续发展目标。学问范式强调了人地关系的重要性。

3.5 实验范式

实验范式是指在生态修复前,通过风险可控、目标多元的试验,测试最适合的修复方法,避免修复出现不可逆的风险发生。实验范式将生态系统定义为人类世生态系统,认为生态系统的发展方向是非线性和不可预测的,通常不会按照预设的路径发展,需要实验测试后,才能选取适宜的修复方法。人类世生态系统指在一个快速变化的时代,生态系统的结构和功能大多数已发生了变化,与“史前”的真实性和共同进化的生物组合相去甚远,发展轨迹不一定与历史条件和传统的自然演替有关,不确定性是人类世生态系统的关键特征

为应对不确定性,实验范式强调借用不确定的干扰和不可预测的趋势尝试“在做中学”或“摸着石头过河”。对标的理想生态系统并不存在,在充满干扰的条件下,不断进行恢复力和可持续性测试的实验,是最适合人类世生态系统的解决方案。大多数城市环境都属于人类世生态系统,修复实验需要在改善休闲机会、舒适性、安全性和生物多样性变化等多方面发挥作用。实验范式的优势在于直面不确定性,且要求试验有清晰的目标,但目标都是人为确定的,没有客观标准,实验结果可能存在良莠不齐等问题。

3.6 绿色范式

绿色范式是指通过人工方式对拟修复区域增加绿化或绿色,降低对生态系统的负面影响,但绿化或绿色不一定能形成一个稳定的生态系统。绿有“浅绿”和“深绿”之争,浅绿只是表面的绿色,深绿基本等同于生态系统保护和让自然做功。在现实中,浅绿的影响和运用较为广泛。绿色范式大多是倡导“绿色的比不绿的更生态”,自然基本等同于“绿色的环境”,其生态功能并不一定受到重视。绿色模式实施性强,难度小,见效快,但只考虑绿化,不一定生态。仅仅增加了绿化覆盖,或是降低了对生态的破坏,可能并没有达到可持续发展的系统功能。

绿色范式比较典型的例子是绿色屋顶和绿墙等绿色基础设施,虽然看起来绿了,也会产生一定的生态作用,但大多数绿色屋顶和绿墙并不会形成一个生态系统,仅仅在缓解或降低城市发展负面影响上起到了一定作用。还有我国大量单一物种的植树造林,以及退耕还林的过程中将果树当成森林的现象,并不能形成有效的生态群落,生态系统的功能较为脆弱,仅仅是形成了绿色。目前,国内很多生态修复可能都处于这一范式,其意义与价值值得深入研究,有些范式可能缺乏对自然生态功能以及人居环境需求的深入理解,而有些地方囿于各种条件只能用绿色范式来尽可能地实现一定的生态价值与绿化效果。

4、讨论与结语

4.1 六种范式适用条件

综上所述,六种生态修复范式具有不同特色、各自的优点,也存在一定的不足,因而它们的适用需要因地制宜。国土空间生态保护修复的系统性与复杂性,决定了生态保护修复实践过程不可能用一个模式、一种途径去实现。不同范式之间从理论上是独立的,但实际操作中却存在一定的转化、镶嵌甚至是协同关系。选择修复范式时,应根据修复对象实际情况,充分考虑自然生态功能与价值的重要性、自然生态破坏情况以及社会需求程度等因素,发挥范式的优势、避免不足。对于国土空间生态保护修复涉及面广、修复范围大的,可以选择几种修复范式组合实施,以实现最佳修复效果(表2)。

4.2 范式研究的价值

自然途径范式为国土空间生态保护修复提供了一个基本的理论与方法体系,揭示了人地复合系统中自然定位和价值认知的多元性,为开展国土空间生态保护修复提供了“因何地、施何策、治何宜”的选择路径。

一是有利于深化对自然生态系统和生态修复关系的认识。当前,我国各级政府、相关部们和有的基层组织正按照党中央、国务院的决策部署,积极推进国土空间生态修复工作,力度之大、范围之广、投入之多前所未有,亟需深化对自然生态系统的认识和人们对美好生活环境的认识。生态修复范式的确立,可以加深人们对自然做功、生态系统特征、修复风险管控和“浅绿”修复等内涵的理解和认识,注重在生态修复中的生态关怀,避免盲目的生态修复或造成对原有生态系统结构或功能的新损坏,有利于落实“敬重自然、顺应自然、保护自然”理念,推进生态系统各要素和各功能之间的整体保护、系统修复和综合治理,贯彻“山水林田湖草”生命共同体理念。

二是有利于为国土空间生态保护修复提供科学方法论。生态修复范式的提出,能够为国土空间生态修复提供更为具体的方法论引导,避免生态修复实践的盲目性。生态保护修复实践,可以依据修复范式的特点,既可以为特定的修复区域和环境需求的生态修复提供范式选择,又可以针对区域或流域尺度的修复对象和不同的修复目标,实施修复范式组合,充分发挥不同范式的优势、克服不足,达到投入合理、修复成效最佳的目标。

三是有利于引导修复实践和生产建设工作。修复范式涵盖了从荒野地到人居环境美好建设等不同自然生态系统保护修复,可以引导各种场景下的修复实践与生产建设工作。对于重要生态功能区的生态修复,应敬重自然的前提下,按照生态系统“安全保障、功能提升、景观美化”的要求,推进生态基础设施建设互联互通,特别是大面积的经济林种植,应尽可能避免单一物种,种植多种物种,保持生物多样性,确保生态系统服务功能得到有效提升。对于重要经济发展区域的生态修复,应充分考虑人的需求与生态功能的有机结合,避免“浅绿”现象。

生态修复范式是依据国内外有关研究成果,结合我国生态修复实践需求归纳提出的,形成的成果还是初步的,有待进一步细化和完善,创建具有中国特色的国土空间生态保护修复范式。未来应围绕修复范式的理论、方法和具体实施措施开展深入研究,为不同区域的生态保护修复与需求目标提供具体引导;结合“山水林田湖草生态保护修复试点”项目实施,深入开展修复范式的总结,进一步丰富生态保护修复范式的内涵;推进不同修复范式标准化和定量化研究,为各地开展生态保护修复实施方案编制与资金投入测算提供依据。


四、与国土空间生态修复关系最紧密的7个生态学理论

1、生态学和生态系统

早期,生态学被认为是研究生物栖息或居住环境的科学。1866年,德国的博物学家海克尔首次为生态学下了定义:生态学是研究有机体与其周围环境,包括非生物环境和生物环境相互关系的科学。之后,不同学者都对生态学的定义进行了探索,但总体上都认为:生态学是研究有机体与环境之间相互关系及其作用机理的科学这里,生物包括动物、植物、微生物及人类本身,即不同的生物系统;而环境则指生物栖息地中的无机因素,如空气、光照、水分、热量和无机盐类等。生态系统是指在一定的时间和空间内,生物组分与非生物组分环境之间通过不断的物质循环和能量流动而相互联系、相互作用、互相依存并具有一定功能的统一整体。强调生态系统结构与功能之间的相互联系和相互作用以及自我调节机制,成为普遍接受的生态系统分析理论。生态系统的范围可大可小,相互交错,最大的生态系统是生物圈,最为复杂的生态系统是热带雨林生态系统,人类主要生活在以城市和农田为主的人工生态系统中。

生态系统是一个开放系统,为了维系自身的稳定,生态系统需要不断输入能量,否则就有崩溃的危险;许多基础物质在生态系统中不断循环,其中碳循环与全球温室效应密切相关。

生态学是一个庞大的学科体系,按所研究的生物类别不同,可分为微生物生态学、植物生态学、动物生态学、人类生态学等;按生物系统的结构层次划分,可分为个体生态学、种群生态学、群落生态学、生态系统生态学等;按生物栖息的环境不同,可分为陆地生态学和水域生态学,陆地生态学又可分为森林生态学、草原生态学、荒漠生态学、农田生态学等,水域生态学又可分为海洋生态学、湖沼生态学、流域生态学、湿地生态学等。

近代生态学研究的范围,除生物个体、种群和生物群落外,已扩大到包括人类社会在内的多种类型生态系统的复合系统。人类面临的人口、资源、环境等几大问题都是生态学的研究内容。

生态学的基本原理,通常包括4个方面的内容:个体生态、种群生态、群落生态和生态系统生态。个体生态是研究生物个体与其环境因子之间关系的科学,侧重研究生物个体对某些环境因子的生态适应,包括生理调节、生长发育等适应机制;种群生态着重将一个种的地区群体作为研究对象,它是在个体、种群、群落中,以种群为研究对象的生态学分支;群落生态是研究群落与环境相互关系的科学,是生态学的一个重要分支学科,它不是以一种生物作为对象,而是把群落作为研究对象;生态系统生态指由生物群落与无机环境构成的统一整体为研究对象,属于生态学研究的最高层次。

从生态系统的角度看,任何生物的生存都不是孤立的。同种个体之间有互助、有竞争;植物、动物、微生物之间也存在复杂的相生相克关系。人类为满足自身的需要,不断改造环境,环境反过来又影响人类。例如自工业革命以来,由于人口骤增、过度开垦、过度放牧等不合理的活动,以及工业化、城镇化过程所产生的土地利用变化及各种污染物的影响,再加上全球变化的影响,使得地球生态系统大面积严重退化,它们所提供的各类产品和各种服务功能的能力都受到了很大的损害。大量研究表明,一个生态系统要能够长期保持其结构和功能的相对稳定性,物质和能量的输入和输出应当接近相等,也就是要保持所谓的生态平衡。否则,在热力学规律的作用下,系统将走向无序。由此,人类迫切需要掌握生态学理论来调整人与自然、人与资源、人与环境、人与生态系统的关系。唯有维持生态系统平衡,才能促进可持续发展。

2、生态学的基础理论

生态修复是指帮助那些功能退化、受损或毁坏生态系统的恢复过程。与生态修复关系密切的生态学的基础理论,主要包括以下7个方面:

(1)生态系统结构理论

生态系统就是在一定空间区域内,由生物群体与无机环境组成的结构有序的复合系统。或者说,任何生态系统都具有特定的结构,不同的结构决定了生态系统的不同功能。所谓生态系统结构,是生态系统中的组成成分及其在时间、空间上的分布和各组分间的能量、物质、信息流的方式和特点。通常认为,生态系统的结构包括:物种结构、时空结构和营养结构3个方面。按照生态系统结构理论,国土空间生态修复在物种结构方面,应当保障物种的多样性,由此才能有利于系统的稳定和持续发展;在时空结构方面,要有利于充分利用光、热、水、气、地资源,提高光能的利用率;在营养结构方面,要有利于实现生物物质和能量的多级利用和转化,形成一个高效的、无废物的系统。维护生态系统的结构平衡,是国土空间生态修复需要优先考虑的问题。

2)生物群落演替理论

生物群落的演替是指在生物群落发展变化过程中,由低级到高级,由简单到复杂,一个阶段接着一个阶段,一个群落代替另一个群落的自然演变现象。在通常情况下,开始是先锋植物侵入遭到破坏的地方并定居和繁殖。先锋植物改善了被破坏地段的生态系统后,随着其他更适宜物种的生存和繁衍,比如更能忍受有限的资源或具有更大的竞争优势,先锋植物逐步被取代。在遭到破坏的群落地点所发生的这一系列变化就是演替。演替有原生演替和次生演替两种基本类型,发生哪一种类型的演替由演替过程开始时的土地条件所决定。无论是原生演替还是次生演替,都可能通过人为手段加以调控,从而改变演替速度或方向。国土空间生态修复需要在生物群落演替理论的引导下,通过物理、化学、生物或工程等技术手段,调控待修复生态系统的演替过程和发展方向,恢复或重建生态系统的结构和功能。例如,在人工干预下,坡地生态修复的顺序一般应为:先锋植物(通常选择草类植物)→当地草种→灌木→乔木(土层太薄不能演替到乔木)(周连碧等,2010)。

(3)竞争和生态位理论

任何物种的生存和发展,都离不开资源的保障。在资源稀缺的情景下,出于生物的本能,物种便会开始资源竞争。资源竞争是指物种对空间、营养物质、光等资源的竞争,竞争分为种内竞争和种间竞争。从微生物、浮游植物到高等植物,及至浮游动物的实验都表明,资源供给浓度会影响或决定一个种群数量的衰退、增长或维持不变。生态位是指每个个体或种群在种群或群落中的时空位置及功能关系,它表示生态系统中每种生物生存所必需的生境最小阈值。在自然环境里,每一个特定位置都有不同种类的生物,其活动以及与其他生物的关系取决于它的特殊结构、生理和行为,因而每种生物都具有自己的独特生态位。更具体来说,每一种生物占有各自的空间,在群落中具有各自的功能和营养位置,以及在温度、湿度、酸碱度、氧化还原电位等环境变化梯度中所居的地位。一个种的生态位,是按其食物和生境来确定的,生境是指某个种的个体或群体为完成生命过程需要的、一定面积上的资源和环境条件。在国土空间生态修复工程中,要避免引进生态位相同的物种,尽可能使各个物种的生态位错开,避免种群之间的直接竞争,重视维持生态系统的生物多样性,例如采取灌木与草本搭配、冷季型草与暖季型草搭配、针叶林与阔叶林搭配等,以保证群落的稳定性。

(4)生态适宜性理论

生态适宜性,是指在一个具体的地域空间范围内,环境中的要素为生物群落所提供的生存空间的大小及对其正向演替的适合程度。温度、湿度、食料、氧气、二氧化碳和其他相关生物等生态因子都会对生物生长、发育、生殖、行为和分布产生直接或间接的影响。任何一种生态因子只要不能满足生物的需要,或者超越生物的耐受范围,它就会成为这种生物的限制因子。这种影响生物生存发展的生态因素,存在着强度“阈限”的现象,称之为“因素限制律”。例如,大约半个世纪以前,澳大利亚开始了数百万英亩的荒地,这里的自然条件较好,水分比较充分,温度也有较好的保障,但是田野里却像沙漠一样,完全是一派不毛之地的现象。即使是一些先锋植物也不在此生长。后来发现,这些开垦的土地中缺少一种微量元素钼,它是生物固氮过程中必不可少的催化剂。当施加钼盐后,红花苜蓿开始生长,随后越来越繁茂,最终成为一个重要的牧场。其实,早在1840年,德国化学家李比西就提出了“最低因素限制律”的理论。该理论认为:在各种植物生长因素中,如有一个生长因素强度低于植物的最少需求量,则将使植物减产或抑制其生长发育。国土空间生态修复,应该重视寻找生态修复的限制因子,重视生态适宜性评价,根据当地的气候、地形、土壤、水文、地质等来选择适合当地生长的生物种类,找出与当地环境相适宜的物种,使生物种类与环境因子相适宜。在干旱地区的荒漠化治理过程中,水是最重要的限制因素。如果种上杏仁桉树,一棵该树种每年能蒸发175吨的水,这不仅不能治理荒漠化,反而加剧了地下水的干涸。

(5)生物多样性理论

生物多样性通常指生命形式的多样化,通常包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性3个组成部分:①遗传多样性。也就是生物的遗传基因的多样性。一个物种所包含的基因越丰富,它对环境的适应能力就越强。它可以表现在多个层次上,如分子、细胞、个体等。在自然界中,对于绝大多数有性生殖的物种而言,种群内的个体之间往往没有完全一致的基因型,而种群就是由这些具有不同遗传结构的多个个体组成的。②物种多样性。物种是生物分类的基本单位,物种多样性是指地球上动物、植物、微生物等生物种类的丰富程度。它包括两个方面:一是指一定区域内的物种丰富程度,可称为区域物种多样性。二是指生态学方面的物种分布的均匀程度,可称为生态多样性或群落物种多样性。物种多样性是衡量一定地区生物资源丰富程度的一个客观指标(蒋志刚等,1997)。在阐述一个国家或地区生物多样性丰富程度时,最常用的指标是区域物种多样性。区域物种多样性的测量有以下3个指标:一是物种总数。即特定区域内所拥有的特定类群的物种数目。二是物种密度。指单位面积内的特定类群的物种数目。三是特有种比例。指在一定区域内某个特定类群特有种占该地区物种总数的比例。③生态系统多样性。是指地球上生态系统组成、功能的多样性以及各种生态过程的多样性,包括生境的多样性、生物群落和生态过程的多样化等多个方面。其中,生境的多样性是生态系统多样性形成的基础,生物群落的多样化可以反映生态系统类型的多样性。生物多样性的恢复,在国土空间生态修复中具有突出的作用。在遗传多样性方面,国土空间生态修复要重视选择那些适应当地气候和土壤条件以及抗干扰能力强的品种;在物种多样性方面,国土空间生态修复应当根据生态系统的退化程度,充分考虑物种与生境的复杂关系,选择阳生性、中生性或阴生性种类并合理搭配;在生态系统多样性方面,国土空间生态修复应尽可能恢复生态系统结构和功能,加快恢复与地带性生态系统相近似的生态系统。

(6)景观生态学理

景观生态学的研究起源于20世纪50年代的德国、荷兰等欧洲国家。20世纪80年代以来,景观生态学理论在全球范围内得到迅速发展。景观生态学中的景观,它既不是地理学意义上的景观,也不是人们日常生活中所说的景观,而是从生态系统组合的意义上来理解的。它强调景观是由生态系统所组成的异质性区域,是一种具有异质性或缀块性的空间单元。景观生态学主要研究景观结构、景观功能和景观动态及其相互作用的过程。从国土空间生态修复的角度看,下述景观生态学的基本原理,具有重要的引导意义。

① 景观结构。景观是由斑块、廊道和基质等景观要素组成的异质性区域,各要素的数量、大小、类型、形状及在空间上的组合形式构成了景观的空间结构。国土空间生态修复的重要目标之一,就是要对受损景观结构进行生态修复,如对景观中的栖息地进行生态修复,以保证生物的栖息、觅食、繁衍等基本生物过程的延续。

② 景观功能。它包括景观构成要素(斑块、廊道、基质)和网络结构等所形成的各种功能,如廊道的传输作用、斑块形成的源和汇、网络连接形成的景观整体结构所体现出来的景观整体性功能。具体来说,景观的功能主要有4个方面:一是植被的第一性生产力功能;二是景观生态系统的服务功能;三是自然景观的美学功能;四是景观的生态功能。修复和提升景观功能,是国土空间生态修复的重要使命和核心内容。我国公元前256年耗费4年建成的都江堰,天旱时能够放水灌溉,雨季时可堵塞闸门蓄水。洪水季节,大部分洪水泄入外江,使内江免遭水灾;到枯水季节大部分水流则流入内江,保证灌溉用水。都江堰水利工程有效地利用了景观内的廊道,科学合理地输送水流,有效提升了景观的生态功能,确保了当地的生态稳定性。

③ 景观过程。景观的结构和功能会随着时间的推移而发生变化,是一个动态的过程。景观破碎化过程就是现代景观最为重要的过程,它不仅极大地降低了生物多样性,而且还加速了荒漠化等许多其他负面影响。连通过程是景观破碎化的反过程,通过连通不仅改变了原有的斑块,还会引起景观机制的改变,有利于维护和促进生物的多样性。土地转换是另外一种重大的现代景观过程,它总体上是有害于自然群落,对生物多样性的保护不利。较大规模的土地转换,加大了景观破碎化程度,因而也影响了该地的生物多样性,并导致了湿地面积持续下降。通常情况下,狼群要避开某些特定的土地利用类型,例如耕地、园地、草地和落叶林地,它们喜欢至少有一些针叶树的森林。同时,狼群的发生很大可能需要满足公路密度在0.23千米/平方千米以下的条件,在被重要高速路分割的地区不会有任何狼群的出现。美国密歇根州北部狼种群数量远高于威斯康星州,原因就是后者的景观很破碎,且缺少高的空间连接性。

④ 渗透理论。它是专门通过研究景观连接度来研究临界阈现象的理论。所谓景观连接度是指景观空间结构单元之间的连续性程度,而临界阈现象是指某一事件或过程(因变量)在影响因素或环境条件(自变量)达到一定程度(阈值)时突然地进入另一种状态的情形,它是一个由量变到质变的过程,从一种状态过渡到另一种截然不同状态的过程。渗透理论最突出的要点就是当媒介的密度达到某一临界密度时,渗透物突然能够从媒介材料的一端到达另一端。物理学可能应用渗透理论来研究在某种不导电的媒介中加入多少金属材料才能使其导电。在大分子形成过程中,当小分子之间的化学键的数目增加到什么程度时分子聚合即可发生。国土空间生态修复则可应用渗透理论来研究某一物种处于什么样的国土环境时才能正常生长和繁殖。当某一物种的生境面积占总国土面积的比例增加到何种程度时该物种的个体可以通过彼此相互连接的生境从景观的一端运动到另一端,从而使景观破碎化对种群动态的影响大大降低。植被覆盖度达到多少时流动沙丘可以被固定。对于濒危物种来说,其生境面积占整个景观面积的多大比例时它才能幸免于生境破碎化作用的强烈影响等。

⑤ 复合种群理论。在现实的国土空间环境中,绝大多数种群都生存在充满缀块性的或破碎化的生境中。复合种群就是用来表示“由经常局部性绝灭,但由重新定居而再生的种群所组成的种群”,即复合种群是由空间上彼此隔离,而功能上又相互联系的两个或两个以上的亚种群或局部种群组成的种群缀块系统。亚种群之间的功能联系主要指生境缀块间的繁殖体(如植物种子、孢子)或生物个体的交流。亚种群出现在生境缀块中,而复合种群的生境则对应于景观缀块镶嵌体。复合种群理论就是研究这种空间复合体特征和规律的一种学说。复合种群的类型主要有5种:一是经典型或Levins复合种群,由许多大小和生态特征相似的生境缀块组成;二是大陆-岛屿型复合种群或核心-卫星复合种群,它们由少数很大的和许多很小的生境缀块所组成;三是缀块性复合种群,指由许多相互之间有频繁个体或繁殖体交流的生境缀块组成的种群系统;四是非平衡态复合种群,它在生境的空间结构上可能与经典型或缀块性复合种群相似,但它的再定居过程不明显或全然没有,使系统处于不稳定状态;五是中间型或混合型复合种群,即在不同空间范围内这些复合种群表现不同结构特征(邬建国,2000)。这5类复合种群反映了自然界中种群空间结构的多样性和复杂性,不同结构的复合种群具有不同的动态特征。1万多年前,人类已经开始有意识地开发利用国土空间,地球上完全不被扰动的土地已经很少了,因而大多数种群都是复合种群。在国土空间生态修复时,应当以复杂种群理论为引导,深入研究区域的复合种群类型,提供更好的保护用地,以利于各种复合种群的发育、成长,促进国土空间的生物多样性保护。

⑥ 岛屿生物地理学理论。1967年,Mac Arthur等提出了岛屿生物地理学理论,主要用于说明岛屿生物种类要比大陆同等地块少很多等岛屿生物地理分布的基本特征。该理论主要包括两个核心论点:①物种-面积关系理论。即岛屿面积越大物种数量越多。例如,古巴拥有比牙买加更多鸟类、爬行动物等,牙买加拥有比安提瓜更多种类。②平衡理论。物种迁入岛屿的初始速度较快,随着物种数量增加,灭绝率增加。当新物种迁入与原来占据岛屿的物种灭绝在同一速率进行时,岛屿物种数量达到平衡密度。平衡密度与岛屿面积等相关,面积较大可容纳较多物种,平衡密度较高,即岛屿的面积效应。岛屿达到平衡密度时间取决于岛屿与大陆距离等,即岛屿的距离效应:距离较近,迁入速度较快,达到平衡密度时间较短,岛屿物种数量较多;距离较远,迁入速度较慢,达到平衡密度时间较长,岛屿物种数量较少(刘小明,2012)。由于自然保护区、生态红线区、孤立雨林或高山、湖泊、戈壁、沙漠山地、孤立雨林甚至人类社会包围下的小块自然栖息地的物种数量状况等都可当作类似的岛屿,因而使得岛屿生物地理学理论得到更广泛的应用。需要指出的是,岛屿和大陆的生存环境毕竟是有实质性差别的,例如岛屿环境单一化、气候周期性变化和四周被海水包围等,与大陆的生存环境不能同日而语,简单的对比不足以深刻揭示其成因。然而,在国土空间生态修复过程中,防止出现“生物孤岛”现象,是值得引起高度关注的。例如,划定生态红线,如果没有充分考虑连通过程,就很容易破坏景观的网络格局,而影响结点的可接近性,影响物种流能迅速从源达到汇,增加了路途过程中能量的消耗,提升了捕食者袭扰的概率,从而造成“生物孤岛”,影响生物的多样性。

7、恢复生态学理论

人口剧增、全球变化、生物多样性丧失、地下水枯竭和生态环境退化使人类陷于难以摆脱的生态困境之中,并威胁到人类社会的可持续发展。如何保护现有的自然生态系统,综合整治和恢复已经退化的生态系统,以及重建可持续的人工生态系统,成为人类亟待解决的重大课题。在这种背景之下,恢复生态学在20世纪80年代应运而生。按照国际恢复生态学会的定义:生态恢复是帮助研究生态整合性恢复和管理的科学,生态整合性包括生物多样性、生态过程和结构、区域及历史情况、可持续的社会实践等广泛的范围(张雪等,2017)。恢复生态学在发展过程中充分吸取了生态学已有的理论,如竞争、生态位、耐性定律、演替、定居限制、护理效应、互利共生等,但在自身发展过程中也产生了一些特有的理论。与国土空间生态修复关系最为密切的特有理论,主要有下几方面:

① 自我设计和人为设计理论。自我设计理论认为,只要有足够的时间,随着时间的推移,退化生态系统将会根据环境条件合理地组织自己,并最终改变其组分结构。人为设计理论则认为,通过工程方法和植物重建可直接恢复退化生态系统,但恢复的类型可能是多样的。在国土空间生态修复过程中,需要因地制宜地将两种理论相结合。如果生态系统退化已经比较严重,种子库已经丧失,自我设计的结果只能是环境决定的群落。而人为设计理论把恢复放在个体或种群层次上考虑,恢复的可能是多样性的结果。是否采取自我设计手段取决于周边景观状况、历史、地区物种池中本土物种或者外来物种的共享、损失生境的快速补偿的必要性及有关的生态系统服务如侵蚀控制等。一般说来,在国土空间生态修复中应尽量采用自我设计,可以提高恢复场地生物多样性和自我维持能力。

② 适应性恢复理论。研究表明,即使有一定年限的恢复,相对于原生生态系统,也只有23%~26%的生物结构(主要由植物集合驱动)和生物地球化学功能(主要由土壤碳库驱动)恢复。可见,生态系统是很难完全恢复的,因为它有太多的组分,而且组分间存在非常复杂的相互作用。此外,在生态系统恢复过程中,由于物理、生态环境及社会经济因素发生变化,对生态系统的认识也要发生变化,在恢复过程中要考虑恢复目标与措施进行适应性生态恢复。也就是说,恢复目标的确定要根据生态、经济和社会现实;不是重建历史上的系统状态,而是帮助系统获得自我发展和维持的能力(任海等,2014)。

③ 集合规则理论。该理论认为,一个植物群落的物种组成是按照环境和生物因子对区域物种库中植物种的选择与过滤组合的,在一定条件下生物群落中的种类组成是可以说明和预测的。已有研究表明:物种库通常包括区域、地方和群落物种库3个层次,集合规则显示种与种之间的组合是受到环境过滤影响的,而某些种与种之间是不互相联系的。这主要与生态位相关的过程、物种是平等的中性过程、特化和扩散过程有关。生物间相互作用的集合规则主要基于物种和功能群等生物组分的频率;而生物间及生物与非生物环境因子间相互作用的集合规则强调基于确定性、随机性及多稳态模型的生态系统结构和动态响应(任海等,2014)。在国土空间生态修复过程中,在进行生物多样性恢复时,需要充分考虑集合规则的影响。

④ 恢复力理论。生态恢复的核心不仅是治理被破坏的植被或者退化的土壤,而且还应该建生态系统恢复力。恢复力理论并不是恢复生态学所特有的,但恢复生态学的恢复力理论进行了创新发展。该理论认为,重建有恢复力的系统需要了解这个系统的自然演替、相互作用以及动态过程。恢复力应该包括两种能力:一是在当下扰动中的恢复能力;二是在未来扰动中的恢复能力。因此,按照恢复力理论,生态恢复需要重新建立与地形、土壤相匹配的树种多样性,用表土物质来促进多样的、自然的植物群落的演替,还可以使用定植技术来提高抗压能力(张绍良等,2018)。也就是说,生态系统恢复要强调动态平衡、多样性与稳定性的关系,还要考虑冗余性和生态网络的恢复,考虑它在景观背景下与其他生态系统的边界、连接性、能量与物质流动态、物理环境等问题。重建有持久恢复力的系统,建设生态功能再生场所,是国土空间生态修复的重大任务。明确恢复力建设的目标,探索提高土壤恢复力、植被群落恢复力、景观恢复力等的机理和路径,是一个需要持续探索的重大理论和实践课题。


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