生態(tài)保護與修復(fù)理論和技術(shù)國外研究進展

付戰(zhàn)勇，馬一丁，羅 明，陸兆華,5,*

1 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究所，北京 100083 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 3 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 4 自然資源部國土整治中心，北京 100035 5 濱州學(xué)院 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室，濱州 256603

工業(yè)革命以來,經(jīng)濟發(fā)展極大地加快了社會前進的步伐,改善了人民的物質(zhì)生活水平,但經(jīng)濟發(fā)展所導(dǎo)致的全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)、環(huán)境污染、棲息地喪失等生態(tài)環(huán)境問題卻日益突出[1-2],全球范圍內(nèi),森林、草原、濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)大面積消失[3-6],結(jié)構(gòu)和功能嚴重破壞,人造系統(tǒng)和受人類支配的半自然生態(tài)系統(tǒng)大幅度增加[7],生態(tài)系統(tǒng)所能提供給人類的食物供給和服務(wù)功能大幅度減少[8],人類的生存發(fā)展遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。

當前,人類對社會經(jīng)濟發(fā)展所引發(fā)的生態(tài)與環(huán)境問題的認識尚存在理論上和科學(xué)上的不足,如何破解人類發(fā)展與生態(tài)保護這對矛盾,進而實現(xiàn)2030年全球可持續(xù)發(fā)展目標已成當今世界的最大難題。面對日益失衡的地球、日益破碎的生物圈以及日益擴大的人類足跡,我們已無法用傳統(tǒng)的環(huán)境線性思維協(xié)調(diào)指數(shù)增長與幾何增長的關(guān)系、整體與邊際的關(guān)系、現(xiàn)實與未來的關(guān)系。生態(tài)學(xué)特有的非線性思維范式及其系統(tǒng)觀、整體性、動態(tài)觀及多學(xué)科交叉的特點為探索解決這些危機提供了理論基礎(chǔ)和科學(xué)框架[9]。正如Palmer等20位生態(tài)學(xué)家2005年在Frontiers in ecology and the environment雜志上發(fā)表的《21世紀的生態(tài)學(xué)與可持續(xù)發(fā)展》一文中所說：“生態(tài)學(xué)研究已為了解自然和人類對自然的影響做出了巨大貢獻,在實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展中將起到愈來愈重要的作用”。本文通過對國外生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)理論、技術(shù)與實踐案例分析,力圖為我國脆弱生態(tài)系統(tǒng)保護與退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供理論和技術(shù)支撐。

1 概念辨析

1.1 生態(tài)與環(huán)境

“生態(tài)”最早見于德國生物學(xué)家Haeckel 1866提出的生態(tài)學(xué)概念一詞,其源于古希臘文oikos,意指住所/房子(house)或者棲息地(habitat),即生態(tài)為生物的生存空間特征,生態(tài)學(xué)即研究生物與其周邊生存環(huán)境的關(guān)系?！吧鷳B(tài)”作為生態(tài)學(xué)研究的對象,應(yīng)為名詞,但在國內(nèi)生態(tài)一詞長期作為環(huán)境一詞的附屬物,更多表現(xiàn)為形容詞,其內(nèi)涵與外延經(jīng)常模糊不清。《中國大百科全書》甚至未列入“生態(tài)”一詞,《辭?！分薪忉尅吧鷳B(tài)”為生物圈內(nèi)的生物,不論是同種或異種,彼此間都會相互影響。生物和它所生活的環(huán)境間,也會發(fā)生相互作用,這些現(xiàn)象稱為“生態(tài)”。特別是在當下我國高度重視生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù),倡導(dǎo)生態(tài)文明的大背景下,急需厘清“生態(tài)”一詞的科學(xué)內(nèi)涵。

“生態(tài)”應(yīng)指生物與環(huán)境的有機組合體,即自然界中生物與生物、生物與環(huán)境所構(gòu)成的具有一定結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)特征的綜合體,具有整體性、穩(wěn)定性、動態(tài)性及服務(wù)功能等特征。生態(tài)是生態(tài)學(xué)的研究對象,生態(tài)不是研究“關(guān)系”的,它是具有明顯地域特征的“生物+環(huán)境”結(jié)構(gòu)功能單元。可見“生態(tài)”應(yīng)更接近“生態(tài)系統(tǒng)”。

《中國大百科全書》對“環(huán)境”的定義是：“圍繞著人群的空間及其中可以直接、間接影響人類生活和發(fā)展的各種自然因素和社會因素的總體?！辈⒅赋觯骸鞍喘h(huán)境主體可分為以人作為主體的人類生存環(huán)境和以生物為主體的生物界生存環(huán)境。”環(huán)境科學(xué)語境下,多數(shù)人采用前者,而在生態(tài)學(xué)中,往往采用后者?？梢姟碍h(huán)境”常因研究“主體”不同而不同。環(huán)境概念從環(huán)境學(xué)科中產(chǎn)生即打上了以“人”為中心的烙印。從而也決定了現(xiàn)有環(huán)境問題中對環(huán)境污染控制、環(huán)境保護與治理中的線性思維,因為人只是自然界中具有“社會”屬性的生物而已。

“生態(tài)”與“環(huán)境”概念在科學(xué)層面及不同話語體系下理解也有不同,比如“環(huán)境”在西語體系下常被理解為“環(huán)境就是我們周圍的一切事物”?！吧鷳B(tài)”內(nèi)涵和外延均大于“環(huán)境”,可以理解為“環(huán)境”是“生態(tài)”的重要組成部分,“生態(tài)”學(xué)研究可為人類開展“環(huán)境”問題的研究提供新視野與全新視角。

1.2 生態(tài)環(huán)境

“生態(tài)環(huán)境”一詞最早由已故中科院院士黃秉維(五屆全國人大常委) 1982年在全國人大討論憲法草案時,針對草案中“保護生態(tài)平衡”這一說法提出來的。他當時認為“保護生態(tài)平衡”不夠確切,建議改為“保護生態(tài)環(huán)境”。他的建議在政府報告和憲法中都被采用,“生態(tài)環(huán)境”從此成為法定名詞。但后來黃先生發(fā)現(xiàn)這個提法不當,在自己的文章中明確地說：“顧名思義,生態(tài)環(huán)境就是環(huán)境、污染和其他的環(huán)境問題都應(yīng)包括在內(nèi),不應(yīng)該分開,所以我這個提法是錯誤的”。

“生態(tài)環(huán)境”在《中國大百科全書》的定義是：“環(huán)繞著人群的空間中可以影響到人類生活、生產(chǎn)的一切自然形成的物質(zhì)、能量的總體”?？梢娖淙员帧叭吮局行摹钡睦砟?與“環(huán)境”無大差異。嚴格講“生態(tài)環(huán)境”并不是一個科學(xué)的概念,把環(huán)境與生態(tài)疊加使用也是不妥的?！吧鷳B(tài)環(huán)境”的準確表達應(yīng)當是“自然環(huán)境”,外文沒有“生態(tài)環(huán)境”或“生態(tài)的環(huán)境”的說法,《中國大百科全書》中即將“生態(tài)環(huán)境”譯為“ecological environment”。生態(tài)與環(huán)境既有區(qū)別又有聯(lián)系。生態(tài)偏重于生物與其周邊影響因子相互作用及其綜合特征,更多地體現(xiàn)出系統(tǒng)性、整體性、關(guān)聯(lián)性,而環(huán)境更強調(diào)以人類生存發(fā)展為中心的外部因素,更多地體現(xiàn)為人類社會的生產(chǎn)和生活提供的廣泛空間、充裕資源和必要條件。

1.3 生態(tài)保護

“生態(tài)保護”(ecological protection)指人類對生態(tài)系統(tǒng)有意識的保護。生態(tài)保護是以生態(tài)科學(xué)為指導(dǎo),遵循生態(tài)規(guī)律對生態(tài)及其環(huán)境的保護對策和措施。生態(tài)保護的關(guān)鍵在于應(yīng)用生態(tài)學(xué)的理論和方法,研究并解決人與生態(tài)環(huán)境之間相互影響的問題,協(xié)調(diào)人類與生物圈之間的相互關(guān)系。生態(tài)保護的重點是通過保護生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性來維持其功能的可持續(xù)性。通常生態(tài)保護的對象主要為自然、近自然生態(tài)系統(tǒng)及自然資源、生物多樣性等。

1.4 生態(tài)修復(fù)

“Ecological restoration”在學(xué)術(shù)上比較常用的中文釋義是“生態(tài)恢復(fù)”和“生態(tài)修復(fù)”,不同國家叫法不同,我國與日本叫做“生態(tài)修復(fù)”,歐美國家稱之為“生態(tài)恢復(fù)”?！吧鷳B(tài)修復(fù)”(ecological restoration)是指輔助退化、受損或被破壞的生態(tài)系統(tǒng)而進行的恢復(fù)過程。在生態(tài)學(xué)原理指導(dǎo)下,以生物修復(fù)為基礎(chǔ),結(jié)合物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和工程技術(shù)措施,通過優(yōu)化組合,使之達到最佳效果的修復(fù)技術(shù)。生態(tài)修復(fù)的施行需要生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、微生物學(xué)、栽培學(xué)和環(huán)境工程等多學(xué)科的結(jié)合。當前,生態(tài)修復(fù)理論和實踐走在世界前列的是歐洲、北美、新西蘭和澳洲,其中,歐洲偏重礦區(qū)修復(fù),北美偏重森林和水體修復(fù),而新西蘭和澳洲則偏重于草原的生態(tài)修復(fù)。

1.5 環(huán)境保護與生態(tài)保護

“環(huán)境保護”(environmental protection)簡稱“環(huán)?！?指人類為解決現(xiàn)實的或潛在的環(huán)境問題,協(xié)調(diào)人類與環(huán)境的關(guān)系,保障經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展而采取的各種行動的總稱,環(huán)境保護是單因素和單方面的,保護重點以“人”為中心?！吧鷳B(tài)保護”(ecological protection或ecological conservation)是指對生態(tài)系統(tǒng)整體的保護,保護重點以“生物”為主,包括不同層次的生物,亦包括不同尺度的生物環(huán)境,乃至整個地球生物圈及其組成部分。

2 生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)國外研究進展

2.1 生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)研究趨勢分析

基于文獻計量學(xué),以生態(tài)保護(ecological conservation / protection)與生態(tài)修復(fù)(ecological restoration / reclamation / recovery / remediation / rehabilitation )為主題詞在Web of Science上檢索了1950年至2018年相關(guān)文獻的發(fā)表情況(圖1)。近70年來,國際上生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)研究大致呈現(xiàn)出以下特征：(1)生態(tài)研究

圖1 近70年Web of Science “生態(tài)保護”和“生態(tài)修復(fù)”為主題詞的SCI論文發(fā)表情況Fig.1 SCI papers with ‘ecological protection’, ‘ecological restoration’ and ‘ecological’ in recent 70 years

中有關(guān)生態(tài)保護與生態(tài)恢復(fù)的研究明顯可以劃分為兩個階段,即前50年平穩(wěn)發(fā)展期(1950—1999年)和近20年的快速增長期(2000—2018年)。(2)總體來看,國際上發(fā)表的生態(tài)保護研究論文多于生態(tài)恢復(fù)研究論文數(shù)量,特別是進入21世紀以來的近20年,生態(tài)保護研究呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢,明顯高于生態(tài)修復(fù)研究論文數(shù)量,表現(xiàn)出保護研究優(yōu)先的特征。(3)從國際上生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)研究論文占生態(tài)研究論文總數(shù)的比例看,自1963年以來均呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢,特別是生態(tài)保護論文比例從1963年的1.91%增長到2018年的26.24%,生態(tài)保護研究更加受到重視,發(fā)文數(shù)量也自此明顯超過生態(tài)修復(fù)研究,這與1962年美國生物學(xué)家Rachel Carson《寂靜的春天》的發(fā)表不無關(guān)系。

依據(jù)2017年—2018年兩期Nature Index收錄的國際頂級期刊(選取綜合類期刊：Nature,Science,PNAS和美國、英國等生態(tài)學(xué)頂級專業(yè)期刊：Ecology,Ecology Letters,Frontiers in Ecology and the Environment,Journal of Ecology對生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)近20年論文(1999年—2018年)在Web of Science上進行檢索(圖2)。整體來看,生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)的發(fā)文數(shù)量隨時間均呈波動增長態(tài)勢。

圖2 近20年國際頂級綜合類期刊與生態(tài)學(xué)頂級專業(yè)期刊 “生態(tài)保護”和“生態(tài)修復(fù)”發(fā)文量對比圖Fig.2 Comparison of publications of ‘ecological protection’ and ‘ecological restoration’ between international top comprehensive journals and ecological professional journals in recent 20 years

從生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)的研究對象看,以山(mountain / ridge / mine)、水(river)、林(forest)、田(cropland / farmland)、湖(lake)、草(grassland)、城(city / urban)、海(ocean / sea)、濕地(wetland / marsh / salt marsh / peatland / pool)為主題詞在Web of Science上進行檢索。結(jié)果表明,生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)的對象多集中在森林、海洋、河流、濕地和山體。

圖3 近20年來不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)發(fā)文情況對比圖Fig.3 Comparison chart of ‘ecological protection’ and ‘ecological restoration’ of different ecosystems in recent 20 years

2.2 國外生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)理論

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)退化機制

干擾(disturbances),即由外部因素引起的生態(tài)系統(tǒng)的任何可見的變化,是調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的自然驅(qū)動力[10]。以陸地生態(tài)系統(tǒng)(森林、草原、荒漠、凍原、城市、農(nóng)田、山體)和水生生態(tài)系統(tǒng)(河流、湖泊、沼澤、海洋、濱海濕地)為研究對象,比較分析不同生態(tài)系統(tǒng)退化的主要驅(qū)動力(表1)。

當前,許多管理行動旨在緩解當?shù)氐母蓴_與壓力,以增強生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的適應(yīng)能力。通過管理可預(yù)測的人為干擾,以維持足夠高的生物多樣性水平,確保生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力,確定生態(tài)閾值,為應(yīng)對全球氣候變化中的不確定性和生態(tài)恢復(fù)提供切實可行的解決方案。

2.2.2生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)原則

干擾是生態(tài)系統(tǒng)退化的驅(qū)動力和退化發(fā)生的必要前提,一旦干擾超過了生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力閾值后,生態(tài)系統(tǒng)就會發(fā)生退化,退化程度決定于干擾強度、干擾頻率、干擾時間和干擾規(guī)模[10,29]。一般而言,針對一個受到干擾而正在退化或者已經(jīng)退化的生態(tài)系統(tǒng),該如何保護與修復(fù),應(yīng)依據(jù)退化生態(tài)系統(tǒng)所受的干擾程度和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能破壞程度而定,一般可分為三種情況：

表1 生態(tài)系統(tǒng)退化與驅(qū)動因子

(1)生態(tài)系統(tǒng)受外界干擾程度較小,對原有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能影響較小,這種情況下,可以充分依靠生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)與自恢復(fù)能力,遵循“保護為主”原則；

(2)生態(tài)系統(tǒng)受外界干擾程度較大,對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能造成較大影響,在開展生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)時應(yīng)視生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受損程度梯度、格局,實行修復(fù)中的保護,遵循“保護+修復(fù)”并重原則；

(3)生態(tài)系統(tǒng)受外界干擾程度很大,造成原有生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能遭受嚴重破壞,生物多樣性顯著降低,遠遠超出了生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)的能力,這種情況下,必須借助生態(tài)修復(fù)來促進生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能修復(fù)甚而重建,遵循“修復(fù)為主”原則。

2.2.3生態(tài)保護理論

(1)大地共同體理論

《大地倫理》在生態(tài)學(xué)“群落(community)”概念的基礎(chǔ)上擴充為“大地共同體(land community)”概念。1949 年,Leopold在“大地倫理”中對大地倫理學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵作了進一步闡述：“當一切事情趨向于保持生命共同體的完整、穩(wěn)定和美麗時,方為正”[30]。這里的“完整”指生態(tài)系統(tǒng)的完整性與物種的多樣性及其協(xié)調(diào)的關(guān)系；“穩(wěn)定”指維持生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)和自我更新的功能；“美麗”則是指一種超越了經(jīng)濟利益的更高的審美意識。完整、穩(wěn)定和美麗是三位一體的有機整體,是大地共同體不可分割的三個要素。隨著人們生態(tài)意識的提高,大地倫理主張擴大共同體的界限和研究對象,使之包括土壤、水、植物和動物,也就是由它們組成的整體“大地”。同時,人類再也不能再像以前那樣把大地視為自己的附屬品,只從經(jīng)濟角度去濫用和破壞大地,人類應(yīng)該把自己看作“大地共同體”的一員,有責(zé)任維護生命共同體的完整、穩(wěn)定和美麗。

(2)島嶼生物地理學(xué)理論

1967 年,MacArthur 和 Wilson 提出了島嶼生物地理學(xué)理論,首次闡述了物種多樣性和“島嶼”面積、隔離程度的關(guān)系,即“島嶼”的面積及其隔離程度決定了物種豐富度[31]。島嶼生物地理學(xué)理論作為研究破碎化生境和物種保護問題的基礎(chǔ),是應(yīng)用科學(xué)方法解決由人類干擾或其它因素引起的物種、群落和生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)的各種問題的學(xué)科,其應(yīng)用與發(fā)展也有了更加廣闊的空間,成為物種及其棲息地保護和自然保護區(qū)設(shè)計的理論基礎(chǔ)[32-34]。

(3)生物多樣性保護理論

蕉城區(qū)水利系統(tǒng)的旅游解說系統(tǒng)不僅要普及游客關(guān)于水生態(tài)，水文化以及水保護的知識，讓游客在了解水利資源的同時，也能夠自覺保護水利資源。

生物多樣性(biological diversity或biodiversity)指生物(植物、動物、微生物)與環(huán)境形成的生態(tài)復(fù)合體以及與此相關(guān)的各種生態(tài)過程的總和。生物多樣性作為最重要的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能特征,是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域最為重要的研究內(nèi)容。2010年,國際生物多樣性公約締約方大會第十屆會議制定了20個包括“愛知生物多樣性目標”在內(nèi)的戰(zhàn)略計劃,采取有效行動來制止生物多樣性的喪失。只有保護了地球上的種質(zhì)資源,才能可持續(xù)的保持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和服務(wù)功能。鑒于越來越多的人認識到生物多樣性在生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)中所發(fā)揮的重要作用,當今時代的生態(tài)保護已經(jīng)從單純的物種保護轉(zhuǎn)變到物種、群落和生態(tài)系統(tǒng)多層次的保護[10,12,35-36]。

(4)涌現(xiàn)性理論

在生態(tài)保護中,系統(tǒng)性原理強調(diào)的整體性與功能性是內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部系統(tǒng)環(huán)境綜合作用的結(jié)果,也就是我們所說的涌現(xiàn)(emergence)。涌現(xiàn)過程是新功能和新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的過程,是一種從低層次到高層次的過渡,但這個性質(zhì)并不存在于任何單個要素中,而是系統(tǒng)在由低層次構(gòu)成更高層次時才表現(xiàn)出來。系統(tǒng)功能之所以表現(xiàn)為“整體大于部分之和”,就是因為系統(tǒng)涌現(xiàn)了新質(zhì)的緣故,其中“大于部分”就是涌現(xiàn)的新質(zhì)。系統(tǒng)的這種涌現(xiàn)性是系統(tǒng)的適應(yīng)性主體之間非線性相互作用的結(jié)果,這有助于認識生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能特征。

(5)立法保護

法律法規(guī)為更高層次的生態(tài)保護提供了一定的依據(jù),歐美國家在立法保護方面一直走在世界前列。1891 年,美國《森林保護法案》頒布,國有森林系統(tǒng)形成,從法律意義上來約束人們保護森林；1964 年,美國的《荒野法》(Wilderness Act)提出了對聯(lián)邦土地的荒野價值進行特別保護的立法理念,成功保護了3.7萬平方千米的聯(lián)邦土地,并且創(chuàng)設(shè)了國家荒野地保護系統(tǒng),開啟了美國荒野保護歷史的新篇章,這對荒野地后續(xù)的生態(tài)保護提供了一定的新思路。1970年,美國瀕危物種保護法(Endangered Species Act)指出,政府要劃出保護地并資助瀕危物種的保護；2008年,David的《荒野：美國價值觀的歷史,意義和前途》一文認為荒野保護是美國環(huán)境傳統(tǒng)發(fā)展的中心價值,并且已經(jīng)建立在法律和機構(gòu)當中,通過荒野法案得以更加廣泛的保護。

2.2.4生態(tài)修復(fù)理論

生態(tài)修復(fù)的對象是生態(tài)系統(tǒng),它作為改善退化生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和緩解生態(tài)系統(tǒng)損失的一種方法,為生物多樣性保護和自然資源管理提供了新的思路和機遇。生態(tài)修復(fù)是建立在恢復(fù)生態(tài)學(xué)的理論基礎(chǔ)上所進行的實踐,生態(tài)修復(fù)的理論基礎(chǔ)來源于恢復(fù)生態(tài)學(xué)。Jordan等提倡采用“綜合方法”進行修復(fù),以促進科學(xué)方法和生態(tài)修復(fù)實踐的融合[37]。目前,國外生態(tài)修復(fù)依據(jù)的理論主要包括以下四個方面：

群落演替(community succession)一般指植物群落在受到干擾后的恢復(fù)過程或在裸地上植物群落的形成和發(fā)展過程。群落演替的定義有廣義和狹義之分,廣義上是指植物群落隨時間變化的生態(tài)過程,狹義上是指在一定地段上群落由一種類型變?yōu)榱硪环N類型的質(zhì)變、且有順序的演變過程。無論原生演替還是次生演替,都可以通過一定的人為操作進行調(diào)控,從而改變演替方向和演替速度,即只要克服或消除外界的干擾壓力,將有助于對自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)進行有效地控制和管理,并且可指導(dǎo)退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建[38]。群落演替過程中,演替方向易受到干預(yù),其中,營養(yǎng)級聯(lián)效應(yīng)在一定程度上顯得尤為重要。營養(yǎng)級聯(lián)(trophic cascade)是在多營養(yǎng)級中的自上而下的鏈式反應(yīng),生態(tài)系統(tǒng)中某營養(yǎng)級生物數(shù)量明顯改變后,其他營養(yǎng)級生物數(shù)量會發(fā)生相應(yīng)變化。在生態(tài)恢復(fù)實踐中,應(yīng)當注意生態(tài)演替過程中的營養(yǎng)級聯(lián)效應(yīng),使演替朝著合適的方向進行。目前群落演替理論被廣泛用于退化森林、草原、濕地植被的恢復(fù)中[39]。

(2)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論

生態(tài)系統(tǒng)具有趨于平衡點的穩(wěn)定特性,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性(ecosystem stability)通常被定義為生態(tài)系統(tǒng)在應(yīng)對干擾發(fā)生狀態(tài)變化的同時并進行重組以維持生態(tài)系統(tǒng)功能的能力[10,40-41]。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性由生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力和恢復(fù)力兩個獨立的過程共同決定,抵抗力指引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的干擾的大小,而恢復(fù)力是指返回到生態(tài)系統(tǒng)最初結(jié)構(gòu)的速度。這兩個過程從根本上是不同的,但很少被區(qū)分開來。目前,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論已經(jīng)成為自然生態(tài)系統(tǒng)管理和生態(tài)修復(fù)的核心概念[42-43]。

(3)群落構(gòu)建理論

在一個特定的時間和空間中,群落構(gòu)建(community assembly)是一個群落中物種在空間和時間尺度上組合的決定因素,物種多樣性越高,組合越復(fù)雜,生態(tài)系統(tǒng)就越穩(wěn)定[44]。群落構(gòu)建研究對于解釋物種共存和物種多樣性的維持是至關(guān)重要的,生態(tài)修復(fù)工作越來越側(cè)重于受干擾地區(qū)生物群落的物種組成多樣性和功能多樣性,通過物種結(jié)構(gòu)、時空結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的組合來指導(dǎo)修復(fù)工作。在過去20年中,生態(tài)修復(fù)研究主要集中于如何提升生態(tài)系統(tǒng)功能和促進生物多樣性的恢復(fù),群落構(gòu)建在生態(tài)修復(fù)工作中得以被應(yīng)用[3,45-46]。

(4)生態(tài)位理論

生態(tài)位(niche)是指在自然生態(tài)系統(tǒng)中一個種群在時間和空間上的位置關(guān)系及其與相關(guān)種群之間的功能關(guān)系。1917年,Grinell最早提出了生態(tài)位的概念,用來劃分環(huán)境的空間單位和一個物種在環(huán)境中的地位。1957年,英國生態(tài)學(xué)家Hutchinson進一步完善了生態(tài)位的概念和內(nèi)涵,并提出了n維生態(tài)位(n-dimensional niche),該種定義被廣泛接受,沿用至今。Young等[38]和Wainwright等[44]在探究生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)學(xué)理論的關(guān)系時,提及生態(tài)位所發(fā)揮的重要作用。根據(jù)生態(tài)位理論,在生態(tài)修復(fù)過程中,首先要調(diào)查修復(fù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境條件,根據(jù)生態(tài)環(huán)境因子選擇適當?shù)纳锓N類,同時避免只引進生態(tài)位相同或者相似的物種,使得各種群在群落中擁有自己的生態(tài)位,避免或者減少種群間的競爭,實現(xiàn)物種間共存,維持生態(tài)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定。

2.3 國外生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)技術(shù)

2.3.1生態(tài)保護技術(shù)

生態(tài)保護直接作用于山體、河流、森林、農(nóng)田、湖泊、草原、濕地等生態(tài)系統(tǒng),從而提高了山、水、林、田、湖、草的保持水土、涵養(yǎng)水源和孕育生物多樣性的能力,使各系統(tǒng)的生態(tài)功能得到進一步提升,發(fā)揮未來更大的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。生態(tài)保護的根本就是保護生物多樣性,這是基礎(chǔ),也是保護的核心。目前,相關(guān)生態(tài)保護技術(shù)主要包括以下三個方面：

(1)自然保護地技術(shù)

全球氣候變化背景下,人類越來越重視生物多樣性的保護工作,在全球范圍內(nèi)分別成立了世界自然保護聯(lián)盟(IUCN)、IUCN世界保護地委員會(WCPA)、生物多樣性公約(CBD)和西班牙生物多樣性基金會(The Fundación Biodiversidad)等機構(gòu),旨在保護自然資源和維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。自然保護地是一個明確界定的地理空間,通過法律或其他有效方式獲得認可、得到承諾和進行管理,以實現(xiàn)對自然及其擁有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和文化價值的長期保護。國外設(shè)立自然保護地的時間較早,1872年,經(jīng)美國政府批準建立了世界上公認的第一個國家公園——黃石國家公園,這一舉動為全球國家公園的建立開辟了一條全新的道路。目前,自然保護地和國家公園的實踐從美國一個國家發(fā)展到全球近200個國家,從“國家公園”單一概念發(fā)展成為“自然保護地體系”,并產(chǎn)生了“世界自然和文化遺產(chǎn)地”、“國際重要濕地”、“ 世界地質(zhì)公園”等一系列概念,國家公園的概念本身也從單一的生物保護擴展到生態(tài)系統(tǒng)水平的保護。

(2)生態(tài)功能群重建技術(shù)

功能性狀(functional traits)決定了生物體的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性,即在特定的生物和非生物條件下生物體生長、生存和繁殖的能力,個體間功能特征值的分布決定了群落的功能結(jié)構(gòu)[47],可以更直觀的表明物種的生態(tài)策略和對環(huán)境變化的響應(yīng)機制。近年來,基于功能性狀的方法越來越多地被用于研究演替過程中的生態(tài)變遷[39]和應(yīng)對棲息地退化[48-49]、氣候變化[50]或外來物種入侵等的干擾[51]。Lechêne等基于功能特征方法,研究了灘涂濕地生態(tài)恢復(fù)過程中魚類的功能群,這有助于識別潮汐沼澤修復(fù)過程中驅(qū)動群落變化的因素,在未來的生態(tài)保護實踐中,基于功能性狀的方法將有很大潛力來用于潮汐濕地和水生動物棲息地的保護[52]。此外,基于植物功能性狀的方法也被用于物種多樣性維持和群落穩(wěn)定性研究。

(3)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,人類對土地的不合理利用所造成的景觀破碎化和片段化嚴重威脅到生物多樣性,導(dǎo)致物種組成發(fā)生改變、種群數(shù)量降低、滅絕速率加快[53]。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(ecological network)是應(yīng)對棲息地破碎化的重要手段,通過提升破碎棲息地間的景觀連接度來緩解生境破碎化所帶來的負面影響。目前,國外對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究較多,在不同區(qū)域、從不同空間尺度上均開展了豐富的研究和實踐工作,通過使用核心區(qū)、緩沖區(qū)、生態(tài)廊道或者淺河中的踏腳石,創(chuàng)造自然生境來連通以森林、湖泊、荒野為主的自然區(qū),從而誕生了歐洲生態(tài)網(wǎng)、歐洲Nature2000自然保護基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、荷蘭國家生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、泛歐生態(tài)網(wǎng)絡(luò)等,這為生物多樣性保護和生態(tài)保護提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

2.3.2生態(tài)修復(fù)技術(shù)

退化生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)方案是多種技術(shù)的有機組合,生態(tài)修復(fù)效果很大程度上取決于修復(fù)方案的科學(xué)性,主要包括功能性修復(fù)和目的性修復(fù)。近年來,新的生態(tài)修復(fù)技術(shù)相對完善開來,從傳統(tǒng)單一的植樹造林到水、土、氣、生四相結(jié)合進行綜合治理,開展生態(tài)修復(fù)工作,同時也兼顧地上地下,山上山下,上游下游等各方面的影響因素,應(yīng)用技術(shù)主要包括以下四個方面：

(1)土壤修復(fù)技術(shù)

工業(yè)革命以來,隨著工業(yè)化、農(nóng)業(yè)化和城市化的推進,土壤重金屬污染已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的一大難題[54-55]。原位處理和異位處理是重金屬污染土壤修復(fù)的常用修復(fù)技術(shù),植物的原位修復(fù)技術(shù)是一種經(jīng)濟有效、友好的修復(fù)方法,主要取決于重金屬的生物有效性[56-57]。目前國外常用的修復(fù)技術(shù)主要包括物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)——土壤淋洗技術(shù)、玻璃化技術(shù)、固化和穩(wěn)定化技術(shù)[19,57],生物修復(fù)技術(shù)——植物穩(wěn)定技術(shù)、植物刺激技術(shù)、植物轉(zhuǎn)化技術(shù)、植物過濾技術(shù)、植物萃取技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù)[58-59]。

(2)植物修復(fù)技術(shù)

原生植被的喪失是當今世界面臨的最嚴重的土地退化問題之一。播種作為一種傳統(tǒng)的植被恢復(fù)方法,在土地修復(fù)和管理中得以使用[60]。然而,在干旱和半干旱區(qū)的退化生態(tài)系統(tǒng)中,播種恢復(fù)效果并不理想,土壤結(jié)皮減少了水分的滲透和氣體交換,嚴重影響種子的萌發(fā)率,導(dǎo)致植物建成率非常低[61]。美國西部大盆地地區(qū)的牧場種苗研究表明,幼苗的出現(xiàn)是從種子到成熟植株過程中的一個主要發(fā)育瓶頸[61,62]。種子群技術(shù)和種子包衣技術(shù)等新技術(shù)提出了克服這些限制的潛在方法,可以提高結(jié)皮土壤中的出苗率,為幼苗生長提供了有利條件[63]。此外,在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中,Fernández等提出了干旱礦區(qū)植被重建關(guān)鍵技術(shù),包括植物物種選擇、幼苗種植、群落構(gòu)建以及植被維護等[64]；Merino-Martín等考慮到植被生命周期的重要性,提出了全局植被重建技術(shù)(植物物種優(yōu)選、表土覆蓋、播種和維護管理)[65]。

(3)景觀修復(fù)技術(shù)

Nassauer和Opdam將景觀定義為一個不斷被人類改造以增加其視覺價值的生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性鑲嵌斑塊,由不同植被類型和土地利用類型在空間上搭配組合而成[11,66]。目前,景觀方法在緩解生境破碎化和調(diào)整群落結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮了一定作用,國外常用的景觀修復(fù)技術(shù)主要包括加強斑塊的生態(tài)連通性、地貌重塑,加強修復(fù)場地和周邊生態(tài)系統(tǒng)功能的協(xié)調(diào)等。Aronson等強調(diào)了在景觀尺度上進行生態(tài)修復(fù)的重要性,包括景觀結(jié)構(gòu)、生物組成和景觀內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)之間的功能交互[67]；Datar在露天礦山修復(fù)過程中利用擬自然理念來重塑景觀,注重增加地形的異質(zhì)性[68]。此外,還可以控制景觀的連通性和滲透性,從而實現(xiàn)特定的恢復(fù)目標。例如,城市保護區(qū)的鳥類棲息地可以通過修復(fù)鄰近的林地和在住宅花園中使用本地植物物種來增強[69]。

(4)再野生化技術(shù)

再野生化(rewilding)是使某一區(qū)域回歸到野性、自主的狀態(tài),它強調(diào)對種類繁多的本地物種和關(guān)鍵物種的大規(guī)模、大空間的生態(tài)保護與恢復(fù),使這些物種在自然條件下達到豐足的數(shù)量,以重新獲得健康、可持續(xù)、適應(yīng)力強的生態(tài)系統(tǒng)[70]。Lorimer等則認為再野生化是一種維持或提高生物多樣性的方法和技術(shù)[71]。目前,再野生化已經(jīng)從單純的強調(diào)大型動物保護擴展為生態(tài)系統(tǒng)的保護與修復(fù),即生態(tài)系統(tǒng)再野生化。當前,再野生化技術(shù)在德國萊比錫城市森林內(nèi)自然洪水的恢復(fù)、瑞士國家公園的管理、巴西里約熱內(nèi)盧奇久卡國家公園的生物多樣性的保護和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)以及白俄羅斯切爾諾貝利禁區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)和野生動物保護與生態(tài)修復(fù)等實踐中發(fā)揮了重要作用。在此背景下,了解其他國家在荒野概念和再野生化方面的應(yīng)用,這將有助于我國開展荒野相關(guān)的研究,為我國生態(tài)修復(fù)提供一定的參考。

3 結(jié)論與展望

生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)必須建立在生態(tài)科學(xué)認知的基礎(chǔ)上,首先要明確保護的對象與修復(fù)的目標,建立一套適合特定生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)的技術(shù)方法,做到“一塊區(qū)域、一個問題、一種技術(shù)、一項工程”,全面考慮生態(tài)修復(fù)工作的目標與任務(wù),堅持“保護優(yōu)先、自然恢復(fù)為主”,實行“宜水則水、宜林則林、宜草則草”原則,綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)的完整性、穩(wěn)定性、連續(xù)性和可持續(xù)性,以及生態(tài)原理的適用性、修復(fù)技術(shù)水平、科研人員的參與、資金投入與群眾訴求等因素,科學(xué)制定退化生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)方案,逐步實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)的修復(fù)到功能的修復(fù)?；仡檱馍鷳B(tài)保護與生態(tài)修復(fù)的理論與實踐,可以對照我國在山水林田湖草的生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)項目,還應(yīng)關(guān)注以下四個方面：

(1)生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)尚缺乏系統(tǒng)全面的生態(tài)理論指導(dǎo)。人類發(fā)展依托自然,依托對生態(tài)的真正認知。目前,人類生態(tài)知識的欠缺和認識的偏頗尚不足以支撐對自然的保護,生態(tài)保護普遍缺乏對保護對象的系統(tǒng)、全面與綜合的認識。

(2)學(xué)習(xí)和對照國際上對生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)研究的“生態(tài)保護為主,生態(tài)修復(fù)為輔”態(tài)勢及“生態(tài)修復(fù)服務(wù)于生態(tài)保護總目標”的原則,逐漸調(diào)整我國“生態(tài)保護”與“生態(tài)修復(fù)”割裂與分離的局面,兼顧生態(tài)系統(tǒng)的完整性、穩(wěn)定性、連續(xù)性和可持續(xù)性,實現(xiàn)“宜保則保、宜修則修”,“保修結(jié)合、相輔相成”。

(3)對生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)工程缺乏“前期科學(xué)規(guī)劃-過程監(jiān)測-修復(fù)效果后評估”全過程管理機制。修復(fù)項目普遍缺乏科學(xué)數(shù)據(jù),無法開展生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)工程科學(xué)定量評價。

(4)生態(tài)保護與生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用與工程應(yīng)充分鼓勵政府、企業(yè)、研究單位及其他利益攸關(guān)方的廣泛參與,以保證生態(tài)保護與修復(fù)工程的經(jīng)濟社會性和生態(tài)可持續(xù)性。