國內外主要灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征、修復理論與技術模式

修 晨,肖榮波,陳三雄,張 暉

1 仲愷農業(yè)工程學院 園藝園林學院, 廣州 510225

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

隨著人類社會經濟的快速發(fā)展,不斷加劇的人類活動對地球的自然生態(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)結構失調與功能喪失,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)服務功能削弱等問題,退化的生態(tài)系統(tǒng)進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,75%的千萬人口規(guī)模的超大城市與60%的經濟總量分布在距海100 km范圍內[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、社會經濟發(fā)達、城市化程度高等特點,面臨自然生態(tài)系統(tǒng)退化的問題不斷凸顯。因此,對灣區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)開展修復,并恢復其提供的重要生態(tài)服務功能,對人類未來延續(xù)自身生存具有重要意義。

英國生態(tài)學會在2006年發(fā)表的《英國100個與咨政相關的生態(tài)學問題》中,“過去和現(xiàn)在的圍欄捕魚、鋪設水底管道、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？”“怎樣使可實施的大尺度生態(tài)恢復工程被優(yōu)先考慮？”等科學問題[2],提示和啟發(fā)了開展生態(tài)修復所依托的理論基礎和技術模式的重要性。當前,灣區(qū)生態(tài)修復大多聚焦于工程實踐評價,缺少從生態(tài)系統(tǒng)特征入手,梳理歸納灣區(qū)生態(tài)修復的理論和技術模式。本文基于Meta-Analysis及綜合分析方法,通過對國內外主要灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征、退化機制、以及開展生態(tài)修復所依托的理論和技術模式的分析,力圖為我國及廣東省開展粵港澳大灣區(qū)生態(tài)修復提供理論和技術支撐。

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。從社會經濟形態(tài)上,灣區(qū)往往是人類活動和居住的密集區(qū)和經濟物流發(fā)達區(qū),一個圍繞沿?？诎队山酉噙B的城市群、經濟增長極,因此城鎮(zhèn)和農田生態(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、防風固沙、洪水調蓄、土壤保持、固碳釋氧、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護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。

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])

國內外三大主要灣區(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)、農田等人工生態(tài)系統(tǒng)的擴張區(qū)、森林、草地、濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復區(qū)。

圖2 國內外三大灣區(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 國內外三大灣區(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國內外三大灣區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)格局現(xiàn)狀數(shù)據(jù)基準年分別為2015年、2011和2017年;其中,粵港澳大灣區(qū)的格局結果為自有數(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[5]

2 灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)面臨的問題及退化機制

2.1 灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)面臨的問題

社會經濟的長期快速發(fā)展對灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)透支較為嚴重,各類自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了不同程度的退化,城鎮(zhèn)面積的擴張蠶食了農田和濱海濕地,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)構成趨于單一、穩(wěn)定性下降,生態(tài)系統(tǒng)服務功能削弱,生物多樣性銳減和自然災害頻發(fā),并面臨著快速城市化導致人居環(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重的生態(tài)問題。

快速城市化導致人居環(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)調節(jié)服務功能不斷降低,導致人居環(huán)境惡化,流域水環(huán)境問題和大氣污染問題仍然突出。2018年珠江口海域水質處于劣四類海水水質,灣區(qū)城市內河和深圳、東莞、揭陽等部分跨市區(qū)交界水體仍然受到嚴重污染[11]；大氣區(qū)域污染仍處于高位,2018年PM2.5平均濃度為28 μg/m3,高于東京灣和舊金山灣區(qū),且尚未達到世界衛(wèi)生組織第二階段指導值(25 μg/m3)(圖4)。

圖4 國內外三大灣區(qū)社會經濟和環(huán)境壓力指標Fig.4 Indicators of social-economic and environmental stress of three major bay areas in the world國內外三大灣區(qū)的社會經濟指標的數(shù)據(jù)基準年為2018年,數(shù)據(jù)引自[6]；環(huán)境壓力指標中,城市化率、單位GDP二氧化碳排放量數(shù)據(jù)基準年為2015年,數(shù)據(jù)引自[7], 人口密度、PM2.5數(shù)據(jù)基準年為2018年,人口密度由社會經濟指標計算得出,PM2.5數(shù)據(jù)分別引自粵港澳珠三角區(qū)域空氣監(jiān)測網絡、東京都環(huán)境局和舊金山灣區(qū)空氣質量管理局[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90年代以來,灣區(qū)沿岸城市為了緩解建設用地緊缺的問題而持續(xù)進行大規(guī)模的填海造地工程,沿海岸線格局發(fā)生了劇烈變化。粵港澳大灣區(qū)人工岸線加速增長成為主導岸線,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%,逼近國家設定的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,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)退化機制

在一定時空背景下,由于自然、人為或者二者共同的干擾下,健康生態(tài)系統(tǒng)的結構破壞功能喪失,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和恢復力削弱,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,一方面通過對個體生理、種群結構、群落豐富度穩(wěn)定性的影響,最終引起生態(tài)系統(tǒng)結構的改變；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)管理進行修復；退化中期,生態(tài)系統(tǒng)已經受到較大破壞,生態(tài)功能削弱,開展生態(tài)修復需要實施植被調節(jié)；退化后期,生態(tài)系統(tǒng)受到嚴重破壞,生態(tài)功能喪失,開展生態(tài)修復需要改造生境條件(圖7)。景觀尺度上,退化同樣大致分為三個階段,開展修復分別需要提高殘留生境的管理、需要生境調控和替換、以及需要改造景觀尺度的外部環(huán)境等措施(圖7)。

針對灣區(qū)陸海一體的生態(tài)景觀特點,對灣區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)(森林、草原、山體、農田、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)生退化的主要驅動力(圖5)。引發(fā)退化的自然干擾驅動力包括全球氣候變化(氣候變暖導致的森林火災、干旱、海平面上升等)、病蟲害、臺風風暴、地震、泥石流滑坡、洪水、外來物種入侵等[17- 19]。而人為干擾是當前生態(tài)系統(tǒng)退化的主要驅動因素,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)、城市化擴張[22](自然空間銳減、港口建設、建設用地擴張)和污染排放[23](使用農藥化肥、生活和工業(yè)污染)等。

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

3 灣區(qū)生態(tài)修復的理論與思路

3.1 灣區(qū)生態(tài)修復的概念解析

3.1.1生態(tài)修復的概念

生態(tài)修復是指為協(xié)助已退化、損害或徹底破壞的生態(tài)系統(tǒng)而進行的恢復、重建和改善的過程[24]。在更廣闊的視角下,生態(tài)修復的范圍可延伸至景觀尺度,協(xié)助受損的景觀恢復其結構和功能的過程。生態(tài)修復使退化的生態(tài)系統(tǒng)處于恢復的軌道上,圍繞物種組成、群落結構、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[25]。灣區(qū)生態(tài)修復關注的是在灣區(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)而進行的恢復、重建和改善的過程。

3.1.2生態(tài)修復的類別

生態(tài)修復是眾多修復性活動的統(tǒng)稱,其最終目的都是遵循生態(tài)學原理和規(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)展狀態(tài)。按照自然演替的生態(tài)學規(guī)律,將從受損或退化生態(tài)系統(tǒng)被停止干擾,到最終修復到原初的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的過程,視為一個“理想修復過程”。按照理想修復的不同階段和特征,生態(tài)修復主要包括補救修復、改善修復、生態(tài)恢復以及復墾等幾個類別(圖6)。

圖6 生態(tài)修復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])

補救修復是指在受損或退化生態(tài)系統(tǒng)開展修復的初期,實施的糾正錯誤、補救修復的行動。這一階段主要以人的主動治理作用為主,重點關注修復的具體技術領域。例如采用物理、化學和生物等方法去除土壤或水體中的化學污染物、改變或調控環(huán)境的水文條件等[26]。

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

生態(tài)恢復是指在理想修復階段的后期,以使受損生態(tài)系統(tǒng)完全恢復到原初狀態(tài)的行動。這一階段強調恢復過程中充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的自組織和自調節(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)恢復為未受損時的原初狀態(tài),恢復其生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性[28]。

復墾一般是指的是由于退化生態(tài)系統(tǒng)受損極為嚴重,需要以人工干預為主導力量,重建和替代原有生態(tài)平衡的新的生態(tài)系統(tǒng)的行動。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、栽種植被等土地復墾工程。

3.2 灣區(qū)生態(tài)修復理論

生態(tài)修復是建立在恢復生態(tài)學的理論基礎上所進行的實踐,其核心理論觀點來源于恢復生態(tài)學[25]。隨著灣區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復研究和實踐的深入,針對灣區(qū)地理景觀特點,景觀生態(tài)學、復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學也成為灣區(qū)生態(tài)修復重要的理論基礎來源。

3.2.1以恢復生態(tài)學為基礎的修復理論

(1)演替理論

演替是指在群落發(fā)展變化過程中,隨著時間的推移,由低級到高級,由簡單到復雜,一個階段接著一個階段,一個群落代替另一個群落的自然演變現(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控,協(xié)助其沿著正向演替方向進入生態(tài)恢復的軌道,并縮短恢復時間[31](圖7)。演替理論為人類對退化生態(tài)系統(tǒng)開展生態(tài)修復提供了有力指導,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)修復過程。

圖7 生態(tài)系統(tǒng)退化和修復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代表嚴重退化、功能喪失的生態(tài)系統(tǒng)；景觀尺度的退化和修復過程：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)通過對外界干擾脅迫產生負反饋,使自身保持或恢復結構和功能相對穩(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)的自我調節(jié)能力是有一定范圍的,這與生態(tài)系統(tǒng)的恢復力密切相關?；謴土τ址Q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)恢復力的機制[32]：茶杯寬度和深度代表生態(tài)系統(tǒng)恢復力的范圍,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,最終恢復到原初位置(圖7)。此外,提高群落生物多樣性和復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)修復過程不同階段的特征和開展針對性措施等方面提供指導。

(3)生態(tài)閾值理論

干擾的強度和頻度決定了生態(tài)系統(tǒng)退化的方向和進程,當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)就會發(fā)生躍遷,進入了下一個退化程度階段,這種閾值范圍即生態(tài)閾值[34- 35]。根據(jù)發(fā)生躍遷強度的不同,生態(tài)閾值可分為生態(tài)閾值點和生態(tài)閾值帶。生態(tài)閾值點是指生態(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)修復過程中設定生態(tài)修復目標、界定修復階段等方面。

(4)生態(tài)位理論

生態(tài)位是指一個種群在生態(tài)系統(tǒng)中,在時間、空間上所占據(jù)的位置及其與相關種群之間的功能關系與作用。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,則會形成激烈競爭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)的恢復與重建,特別是構建高物種多樣性的復合生態(tài)系統(tǒng)(如復合農林生態(tài)系統(tǒng)、濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)),應考慮構建群落中各物種的生態(tài)位,避免引進生態(tài)位相同的物種,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。

3.2.2以景觀生態(tài)學為基礎的修復理論

(1)“基質-斑塊-廊道”與景觀連接度理論

景觀生態(tài)學理論和方法在生態(tài)修復實踐過程中可以提供有效的指導,其中的核心概念如“基質-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)的恢復有著密切的關系[37](圖7)。景觀是一個由不同生態(tài)系統(tǒng)組成的異質性陸地區(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。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性格局,使得不同斑塊生境之間的物種產生交流、生態(tài)系統(tǒng)之間的功能交互,成為退化生態(tài)系統(tǒng)修復的重要景觀驅動機制。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,進一步豐富生態(tài)修復方案和實踐[38]。

(2)“格局-過程-服務”理論

“景觀格局、生態(tài)過程、生態(tài)系統(tǒng)服務”之間的耦合關系,是當前地理學和生態(tài)學研究的前沿,強調生態(tài)系統(tǒng)空間格局、生態(tài)系統(tǒng)內物質、能量、信息的流動和生態(tài)過程之間的相互作用關系[39- 40](圖7)。近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務逐漸成為生態(tài)修復的焦點[41],生態(tài)修復的過程改變了生態(tài)系統(tǒng)格局與過程, 對生態(tài)系統(tǒng)服務的供給和發(fā)揮具有重要影響。灣區(qū)作為社會經濟發(fā)展核心區(qū)和人口聚集區(qū),更加關注生態(tài)修復后生態(tài)系統(tǒng)服務的提升以及人類福祉的裨益?！案窬?過程-服務”理論在退化生態(tài)系統(tǒng)的修復和生態(tài)系統(tǒng)管理領域日趨成熟,通過與流域生態(tài)過程的緊密結合,逐漸應用于河岸帶、濱海濕地等灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復與生態(tài)系統(tǒng)管理等應用實踐活動中[40,42- 43]。

3.2.3以復合生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學為基礎的修復理論

當前的生態(tài)系統(tǒng)退化過程很大程度上源于人類活動的負面干擾,導致生態(tài)系統(tǒng)可提供的各類生態(tài)系統(tǒng)服務削弱或喪失,人類福祉受損。生態(tài)系統(tǒng)功能是維持生態(tài)系統(tǒng)服務的基礎,因此生態(tài)修復應始終聚焦提升生態(tài)系統(tǒng)服務這一現(xiàn)實目標展開。大型生態(tài)修復工程通常屬于一個復雜的社會-生態(tài)系統(tǒng)中的一部分,對受損生態(tài)系統(tǒng)進行修復,不僅要基于生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的恢復,同時也與利益相關者、周圍社會經濟和政策制度等密切相關[44]。因此,如果要實現(xiàn)生態(tài)修復成效的可持續(xù)性,恢復改善生態(tài)系統(tǒng)的各項服務功能,需要在“社會-經濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)”的框架下[45],參與設計和指導生態(tài)修復工程,最終實現(xiàn)人與生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調共生,社會目標和生物目標的協(xié)同(圖7)。因此,以人地關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注。

3.3 灣區(qū)生態(tài)修復基本思路

灣區(qū)生態(tài)修復基本思路包括修復規(guī)劃與設計、修復工程實施、生態(tài)監(jiān)測與評估和修復實施后管理維護等四個階段。(1)在修復規(guī)劃與設計階段,重點工作包括利益相關者各方合作、對受損生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀的評估、識別參考生態(tài)系統(tǒng)、設定生態(tài)修復目標和方案、開展安全性評估等；(2)在修復工程實施階段,應正確運用修復方法,并做好應對預期外情況的預案響應；(3)在生態(tài)監(jiān)測與評估階段,做好觀測監(jiān)測和記錄,定期評估分析進展,針對出現(xiàn)的新狀況并適時調整方案；(4)在修復實施后管理維護階段,做好持續(xù)的管理和維護,對關鍵指標進行必要監(jiān)控,對數(shù)據(jù)進行參考分析和比較。

4 灣區(qū)生態(tài)修復的技術模式

4.1 生態(tài)修復技術

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)修復過程中,由于在退化階段、退化程度和生態(tài)修復目標等方面存在差異,因此采用的修復技術也各有不同。按照生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的角度,主要包括非生物或環(huán)境因素的修復技術和生物因素的修復技術。

4.1.1環(huán)境因素的修復技術

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

4.1.2生物因素的修復技術

生物系統(tǒng)的恢復技術包括物種[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](就地保護技術、易地保護技術、自然保護區(qū)技術、種群規(guī)模、年齡結構、密度、性比例等調控技術、種群行為控制技術)、群落[51](林灌草搭配技術、群落組建技術、生態(tài)位優(yōu)化配置技術、林分改造技術、原生與次生快速演替技術、水生與旱生演替技術等)、生態(tài)系統(tǒng)[52](國土資源評價與規(guī)劃技術、生態(tài)評價與規(guī)劃技術、RS-GIS-GPS輔助技術、生態(tài)工程技術、景觀制圖技術、生態(tài)系統(tǒng)構建技術等)。

4.2 灣區(qū)生態(tài)修復技術模式

生態(tài)修復技術方案是多種修復技術的有機組合,在開展實際生態(tài)修復實踐時,應在生態(tài)學原理的支持下,綜合運用生物、物理、化學修復等手段,結合生態(tài)工程等適當?shù)娜斯ぜ夹g措施輔助,形成因地制宜、達到最佳效果的修復技術模式。

以世界主要灣區(qū)名稱和生態(tài)修復(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,按照相關度從高到低,選取了國內外主要灣區(qū)開展生態(tài)修復研究和實踐的42篇文獻[43,53- 93],并基于Meta-Analysis方法,分析和總結了國內外灣區(qū)開展生態(tài)修復的主要生態(tài)系統(tǒng)類型以及三類修復技術模式。其中,國內外灣區(qū)在開展生態(tài)修復的生態(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)修復活動多集中于濱海濕地、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,同時森林和礦山的修復也有較多的分布；日本的東京灣區(qū)、美國的佛羅里達灣區(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。在修復技術模式上,國內外主要灣區(qū)采用的修復技術模式大多以主動修復模式為主,被動修復和重建模式為輔(圖8)。

圖8 國內外主要灣區(qū)生態(tài)修復的生態(tài)系統(tǒng)類型與技術模式分布圖Fig.8 Ecosystem types and technology modes of ecological restoration in main bay areas in the world修復生態(tài)系統(tǒng)類型中,白色色塊-紅色色塊代表了文獻數(shù)量從0—5,文獻數(shù)量越多色塊約趨近紅色,越少趨近白色；修復技術模式中,白色色塊-藍色色塊代表了文獻數(shù)量從0—10,文獻數(shù)量越多色塊約趨近藍色,越少趨近白色

4.2.1被動修復

被動恢復是指不依靠人工干預或者最小化的人工干預,主要通過消除導致生態(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)恢復到健康狀態(tài),一般適用于退化或受損程度相對較低的生態(tài)修復[94]。受損生態(tài)系統(tǒng)具備較強的自然恢復能力,現(xiàn)有的生物群落在停止引起生態(tài)退貨的人類活動(如過度捕撈、放牧,破壞本土植被等)后逐步恢復；通過加強與周邊生境斑塊的景觀連接后,動物種群會恢復,植物群落可通過種子自然散播逐步恢復。當前國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理念,均屬于廣義的被動修復模式。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)修復模式,最終實現(xiàn)經濟、社會和生態(tài)效益的共贏,在國內外灣區(qū)的生態(tài)修復實踐中越來越受到關注[95]。與主動修復相比,被動修復雖然耗時較長,但是在特定退化階段的生態(tài)系統(tǒng)修復中具有更好的效果。捷克生態(tài)恢復學者通過比較采用主動修復和被動修復的礦山生態(tài)系統(tǒng)修復研究, 發(fā)現(xiàn)近期人工恢復(主動修復)比自然恢復(被動修復)恢復快,但遠期自然恢復區(qū)生物多樣性和植被蓋度更高, 自然演替的效果也強于人工恢復區(qū)[96]。

4.2.2主動修復

主動修復是指以人為工程技術措施占據(jù)主導,通過人類的控制和干預,以恢復或改善受損生態(tài)系統(tǒng)結構和過程或使其加速進入群落演替軌道上的技術模式。一般適用于退化程度較高的生態(tài)系統(tǒng)修復,如礦山復墾、受損嚴重的河岸帶、濱海濕地等。受損生態(tài)系統(tǒng)具備一定的自然恢復能力,不僅要消除引起退化的人為干擾,還需進一步積極生物干預(控制外來入侵物種和重新引入本土物種)或非生物干預(污染修復、恢復動物生境廊道、棲息地環(huán)境營造)措施以修復生物或非生物損傷。此外,由于很多受損生態(tài)系統(tǒng)類型的自然恢復通常需要數(shù)年或更長的時間,社會公眾壓力因素會干預或加速修復過程,這也是城市的受損或退化區(qū)域通常采用主動修復技術模式的原因[97]。例如在開展河岸帶生態(tài)修復的過程中,管理人員采取主動修復策略,使用多種技術來干預以促進修復,包括恢復洪水侵襲之前的地形地貌或者河道、重新種植河岸帶植物、調控河流水文以控制洪水頻次等[28,98]。主動修復模式通過人為干預使得退化過程得到有效遏制,在較短的時間內恢復生態(tài)系統(tǒng)結構和功能,但后期維持修復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,流經神奈川縣、東京都等城市,全長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,水量調控、采挖河床礫石等持續(xù)的人類活動干擾,河流生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴重影響,導致河床裸露、外來植物形成優(yōu)勢群落[99- 100]。開展生態(tài)修復的是多摩川河中游河段,修復工程目標是恢復河流生態(tài)健康,恢復鄉(xiāng)土植物群落。由于河床沉積物的缺失,如果采用自然恢復的話可能需要上百年的時間,因此該工程采用主動修復模式,通過人工增寬和增加沉積物以恢復礫石河床。此外,為了對瀕危鄉(xiāng)土植物Asterkantoensis的進行有效保護和恢復,人工地方式去除了細顆粒泥沙及外來入侵物種Robiniapseudoacacia已有群落。通過生態(tài)修復,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)量在較短的時間內恢復了。

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)的修復模式。受損生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復能力已基本喪失,開展生態(tài)修復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)修復過程。濕地的重建需要選取生態(tài)重建的地點、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)修復工程采用重建修復模式,通過篩選適宜的濕地物種,建成以濕生喬木和水生植物復合生態(tài)結構的湖濱濕地,實現(xiàn)了植被蓋度60%以上、生物多樣性較高等多個修復目標[103]。

5 展望

世界正在進入一個生態(tài)修復時代,灣區(qū)是開展退化生態(tài)系統(tǒng)和景觀生態(tài)修復的重要區(qū)域。開展灣區(qū)生態(tài)修復應建立在多學科知識的理論基礎上,使用可衡量的指標對明確的修復目標進行評估,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)學原理指導下,參考本地生態(tài)系統(tǒng)并考慮環(huán)境變化因素,科學制定生態(tài)修復方案。因地制宜,采用適合的技術手段支持和優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)修復過程,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)從結構到功能的修復,從而改善個人、社區(qū)和國家層面的人類福祉,實現(xiàn)不同層次的生態(tài)服務效益。

回顧國內外灣區(qū)生態(tài)修復的理論與技術模式,對照全國及廣東省開展的生態(tài)修復項目,今后應圍繞“理論、思維和管理”關注以下三個方面：

(1)灣區(qū)生態(tài)修復應重視生態(tài)學理論指導,改變重工程、輕生態(tài),重短期工程技術措施、忽略長期自然演變規(guī)律的弊端；應依托自然科學知識,利用自然科學規(guī)律,科學開展不同類型、不同階段的生態(tài)修復實踐活動。

(2)灣區(qū)生態(tài)修復應樹立系統(tǒng)思維,以區(qū)域生態(tài)功能恢復為目標。大規(guī)模的生態(tài)修復會產生累積價值,應多維度看待生態(tài)修復的生態(tài)、社會和經濟價值。在修復受損自然生態(tài)系統(tǒng)的同時,也修復了因生態(tài)系統(tǒng)損壞而導致的人與自然、人與人之間關系的損害。

(3)灣區(qū)生態(tài)修復應構建“規(guī)劃設計-過程實施-監(jiān)測評估-修復維護”全生命周期的管理機制。重視對生態(tài)修復過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取、生態(tài)修復效果的定量評價和修復的可持續(xù)性管理等方面。