王夏暉, 王金南, 王 波, 車璐璐, 戴 超, 鄭利杰
(1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,北京 100012; 2.生態(tài)產(chǎn)品與自然資本聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 100012)
當(dāng)前,全球面臨生物多樣性喪失、氣候變化和污染加劇三重生態(tài)威脅,生態(tài)系統(tǒng)退化正在破壞人類賴以生存的食物和自然資源,已危及全球40%人口的生存。同時(shí),新冠疫情仍在全球大流行,人與自然的關(guān)系尚不和諧,只有更好平衡人與自然的關(guān)系,維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定,才能確保人類社會(huì)健康可持續(xù)發(fā)展。為此,聯(lián)合國(guó)先后啟動(dòng)了可持續(xù)發(fā)展十年、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)十年和海洋科學(xué)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展十年等系列行動(dòng),推動(dòng)重構(gòu)2020年后全球生物多樣性框架,促進(jìn)全球生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。中國(guó)一貫重視生態(tài)保護(hù)修復(fù),實(shí)施“三北”防護(hù)林建設(shè)、京津風(fēng)沙源治理、水土流失和荒漠化防治等重大生態(tài)工程,統(tǒng)籌推進(jìn)山水林田湖草沙冰一體化保護(hù)和修復(fù),著力提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。在全球共同努力開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)背景下,世界各國(guó)普遍認(rèn)為未來(lái)一段時(shí)期是通過(guò)生態(tài)恢復(fù)改善人類福祉、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵期。
生態(tài)工程是既古老又年輕的一門學(xué)科,被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。中國(guó)始于先秦的“天人合一”“道法自然”等哲學(xué)思想蘊(yùn)含著豐富的生態(tài)工程理念,?;~(yú)塘、多水塘系統(tǒng)、梯田耕作等諸多樸素自發(fā)的生態(tài)實(shí)踐活動(dòng)距今已有悠久歷史,是中國(guó)生態(tài)工程誕生和發(fā)展的典型實(shí)踐。20世紀(jì)60年代,基于全球生態(tài)危機(jī)和工業(yè)化“末端治理”困境的深刻反思,逐步形成了一門生態(tài)學(xué)的分支學(xué)科——生態(tài)工程。自生態(tài)工程概念提出的60多年來(lái),其理論和方法體系得到不斷完善;研究對(duì)象從自然要素轉(zhuǎn)向自然—社會(huì)要素,研究尺度從小尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升轉(zhuǎn)向大尺度生態(tài)安全格局重塑,研究目標(biāo)從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能優(yōu)化轉(zhuǎn)向人類生態(tài)福祉提升,研究方法從野外臺(tái)站樣地觀測(cè)轉(zhuǎn)向基于多源大數(shù)據(jù)信息的高精度模擬和預(yù)測(cè)。這些研究新動(dòng)向,一定程度上標(biāo)志著生態(tài)工程進(jìn)入了新的發(fā)展階段。
在國(guó)際上,國(guó)外學(xué)者聚焦“基于自然”理念、生態(tài)恢復(fù)原則、“擬自然”技術(shù)等,深入開(kāi)展了生態(tài)工程研究。如2016年國(guó)際恢復(fù)生態(tài)學(xué)會(huì)(SER)發(fā)布《生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐國(guó)際原則和標(biāo)準(zhǔn)》(第一版),并于2019年修訂后發(fā)布第二版;2020年世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)發(fā)布了基于自然的解決方案(NbS)全球標(biāo)準(zhǔn),為設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和推廣NbS提供指導(dǎo)及全球框架。盡管這些國(guó)際原則或標(biāo)準(zhǔn)對(duì)具體工程而言仍較為寬泛,但客觀上也促進(jìn)了生態(tài)工程學(xué)科發(fā)展。在國(guó)內(nèi),生態(tài)工程近年來(lái)多以“山水林田湖草沙生態(tài)保護(hù)修復(fù)”或“國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)”等為主題開(kāi)展研究,側(cè)重于生態(tài)工程內(nèi)涵特征、實(shí)踐路徑、區(qū)劃格局、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、理論認(rèn)知等領(lǐng)域研究。但由于生態(tài)工程具有明顯的尺度空間嵌套和屬性層次遞進(jìn)等特性,山水林田湖草沙要素間生態(tài)耦合機(jī)制尚不清晰,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空演變與穩(wěn)定維持機(jī)制有待揭示,使生態(tài)工程在具體實(shí)踐中存在系統(tǒng)性、整體性和協(xié)同性設(shè)計(jì)不足的問(wèn)題。本文在回顧生態(tài)工程發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,辨析了生態(tài)工程概念的新內(nèi)涵,闡述了生態(tài)工程理論演進(jìn)過(guò)程和最新動(dòng)態(tài),并結(jié)合最新實(shí)踐進(jìn)展,提出了生態(tài)工程的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
Ecological
Engineering
(1991年)的刊發(fā)和國(guó)際生態(tài)工程學(xué)會(huì)(International Ecological Engineering Society, IEES)(1993年)的成立均推動(dòng)了生態(tài)工程學(xué)科快速發(fā)展。2012年,Mitsch在多年研究基礎(chǔ)上提出,“生態(tài)工程是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)人類和自然的雙贏,把人類社會(huì)與自然環(huán)境的需求結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)的學(xué)科。”近年來(lái),在國(guó)際生態(tài)工程學(xué)會(huì)的組織下,生態(tài)工程概念匯集全球生態(tài)學(xué)家智慧,也逐漸得到學(xué)界廣泛認(rèn)可,即“為了提高人類福祉,利用生態(tài)學(xué)的基本原理和整體思維方式作為解決問(wèn)題方法的一門工程學(xué)?!?p>由于經(jīng)典生態(tài)學(xué)研究多以小尺度、單一現(xiàn)象或過(guò)程為主體,存在系統(tǒng)性不足、分散孤立的局限,難以滿足大尺度生態(tài)工程管理的科技需求,人們也期望生態(tài)工程能夠提供一種科學(xué)理論和系統(tǒng)解決方案。近年來(lái),在“人與自然和諧共生”“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”等理念引領(lǐng)下,以多要素、多尺度、多類型的過(guò)程耦合和空間集成為研究視角,開(kāi)展的一系列國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的系統(tǒng)性、整體性、綜合性研究,彌補(bǔ)了基于單一生態(tài)要素或過(guò)程的研究缺陷,推動(dòng)了生態(tài)工程內(nèi)涵得到豐富和拓展。綜上,新時(shí)期生態(tài)工程可定義為:以“山水林田湖草生命共同體”理念為指導(dǎo),以構(gòu)建人與自然和諧共生關(guān)系、提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性為目標(biāo),在具有某一種或多種生態(tài)服務(wù)功能的空間單元內(nèi),遵循自然演替規(guī)律和利用整體思維方式,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)、修復(fù)、重建等的過(guò)程和活動(dòng)。而面對(duì)全球性、區(qū)域性的生態(tài)危機(jī)和社會(huì)挑戰(zhàn),大尺度、多要素生態(tài)工程的顯著特征之一就是對(duì)山水林田湖草沙生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程進(jìn)行一體化調(diào)控,具體特征如下:(1)系統(tǒng)調(diào)控、整體實(shí)施。大尺度生態(tài)系統(tǒng)往往由山水林田湖草沙多種生態(tài)要素構(gòu)成,要素間相互影響關(guān)聯(lián),構(gòu)成一個(gè)生命有機(jī)體。生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)過(guò)程和結(jié)構(gòu)的完整性,只有結(jié)構(gòu)和過(guò)程完整的系統(tǒng),才能發(fā)揮系統(tǒng)正常功能。因此,生態(tài)工程遵循整體系統(tǒng)觀,統(tǒng)籌要素與要素、結(jié)構(gòu)與功能、人與自然的多元關(guān)系,實(shí)施全要素、全過(guò)程、全鏈條優(yōu)化調(diào)控,不斷提升生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。
(2)尺度關(guān)聯(lián)、格局優(yōu)化。生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的尺度效應(yīng)和時(shí)空動(dòng)態(tài)特征,不同尺度下的生態(tài)工程,在空間上相互關(guān)聯(lián),在時(shí)間上有序推進(jìn);在某一尺度上的問(wèn)題,往往需要在更小尺度上解釋其成因機(jī)制,在更大尺度上尋求解決問(wèn)題的綜合路徑。基于此,生態(tài)安全格局的構(gòu)建不拘泥于特定空間或時(shí)間尺度,需構(gòu)建多尺度協(xié)同的生態(tài)安全格局。因此,生態(tài)工程應(yīng)考慮多尺度空間關(guān)聯(lián),利用生態(tài)安全格局構(gòu)建范式,準(zhǔn)確識(shí)別工程實(shí)施關(guān)鍵區(qū)域,優(yōu)化生態(tài)安全格局。
(3)過(guò)程耦合、自我演替。依據(jù)人類活動(dòng)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的干擾度,可將生態(tài)保護(hù)修復(fù)路徑分為保育恢復(fù)、輔助再生、生態(tài)重建3個(gè)類型。面向多元目標(biāo)、多種脅迫的生態(tài)工程,需發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)、自我恢復(fù)的強(qiáng)大自然能力,科學(xué)配置保護(hù)恢復(fù)、輔助再生、生態(tài)重建等措施,最大程度降低人類對(duì)自然恢復(fù)過(guò)程干擾,培育生態(tài)系統(tǒng)自我演替機(jī)能。因此,生態(tài)工程應(yīng)耦合多類型生態(tài)保護(hù)修復(fù)路徑,加強(qiáng)適應(yīng)性管理,將人類活動(dòng)控制在可承載范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)正向演替。
(4)目標(biāo)權(quán)衡、協(xié)同增益。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是鏈接自然過(guò)程和社會(huì)過(guò)程的橋梁,不同服務(wù)間具有此消彼長(zhǎng)的權(quán)衡或相互增益的協(xié)同關(guān)系??紤]到生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性、空間異質(zhì)性、過(guò)程復(fù)雜性等特征,生態(tài)工程往往要在多目標(biāo)、多功能情境下進(jìn)行利弊權(quán)衡或協(xié)同增益。因此,生態(tài)工程應(yīng)利用“格局—過(guò)程—服務(wù)—福祉”的級(jí)聯(lián)框架,有效識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的關(guān)系,在時(shí)空尺度上耦合保護(hù)、修復(fù)、重建等生態(tài)和人類活動(dòng)過(guò)程,推動(dòng)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的格局優(yōu)化、服務(wù)增益、福祉提升。
2.2.1 工程原則
2012年,Mitsch在總結(jié)生態(tài)工程發(fā)展歷程時(shí)認(rèn)為,自我設(shè)計(jì)、整體思維、清潔能源利用和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)等是生態(tài)工程的核心原則。2019年,SER發(fā)布的《生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐的國(guó)際原則和標(biāo)準(zhǔn)》第二版,提出生態(tài)恢復(fù)的8項(xiàng)原則和4項(xiàng)實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)。2020年,IUCN發(fā)布了NbS的全球標(biāo)準(zhǔn),包括8項(xiàng)準(zhǔn)則和28項(xiàng)指標(biāo)。在國(guó)內(nèi),馬世駿先生較早地提出了生態(tài)工程“整體、協(xié)調(diào)、再生、循環(huán)”的4項(xiàng)基本原則;隨后,王如松院士又將其拓展為開(kāi)拓適應(yīng)、競(jìng)爭(zhēng)共生等8項(xiàng)設(shè)計(jì)原則;任海等認(rèn)為自我設(shè)計(jì)與人為設(shè)計(jì)理論是唯一從恢復(fù)生態(tài)學(xué)中產(chǎn)生的理論。2020年,為規(guī)范和指導(dǎo)各地山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程實(shí)施,國(guó)家發(fā)布《山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程指南(試行)》;隨后,又啟動(dòng)了相關(guān)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的方案編制、驗(yàn)收評(píng)估等規(guī)范文件研究工作。當(dāng)前,生態(tài)工程實(shí)施原則趨于規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化,以便更好指導(dǎo)具體工程實(shí)踐。同時(shí),不少學(xué)者意識(shí)到生態(tài)工程已有原則標(biāo)準(zhǔn)仍需進(jìn)一步明確,如Sowiń和Garcíab認(rèn)為NbS的概念和標(biāo)準(zhǔn)仍具有模糊性,使得許多補(bǔ)充或相關(guān)措施的行動(dòng)經(jīng)常被誤認(rèn)為是NbS。
2.2.2 工程對(duì)象
生態(tài)工程研究起源于歐美國(guó)家自然資源管理實(shí)踐與傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究,多以自然生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,如早期研究側(cè)重于污水自然凈化、河湖和濕地恢復(fù)等領(lǐng)域。21世紀(jì)初,盡管已有學(xué)者認(rèn)為工程對(duì)象由自然生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)始延伸至社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),但總體上,仍以自然生態(tài)系統(tǒng)為主。Romanelli等通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量法發(fā)現(xiàn),大多數(shù)研究對(duì)象是森林生態(tài)系統(tǒng),對(duì)草原、濕地、海洋等研究較少。在中國(guó),研究對(duì)象起初主要為農(nóng)業(yè)生態(tài)工程,后又逐漸拓展到退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、污染控制等領(lǐng)域。近年來(lái),中國(guó)深入開(kāi)展自然資源管理體制改革,推動(dòng)了生態(tài)工程對(duì)象從自然要素轉(zhuǎn)向社會(huì)—自然要素。同時(shí),研究對(duì)象由中小尺度轉(zhuǎn)向大尺度,如傅伯杰等開(kāi)展黃河流域人地系統(tǒng)耦合機(jī)理與優(yōu)化調(diào)控,鄔建國(guó)等定量研究了全球變化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展耦合關(guān)系。生態(tài)工程研究對(duì)象開(kāi)始強(qiáng)調(diào)區(qū)域自然恢復(fù)與社會(huì)人文、政策決策的耦合研究,嘗試從協(xié)調(diào)人地矛盾源頭出發(fā),提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類福祉。同時(shí),社會(huì)要素與自然要素的相互影響機(jī)理有待揭示,如生態(tài)修復(fù)制度創(chuàng)新對(duì)生態(tài)工程的影響如何、生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值路徑如何實(shí)現(xiàn)等。
2.2.3 工程目標(biāo)
生態(tài)工程目標(biāo)由單一的保護(hù)生態(tài)環(huán)境,逐步拓展到人與自然互饋受益,實(shí)現(xiàn)人與自然和諧、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,如Mitsch認(rèn)為生態(tài)工程的目標(biāo)包括恢復(fù)受到人類活動(dòng)嚴(yán)重干擾的生態(tài)系統(tǒng),以及發(fā)展人與自然和諧的可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)。任海等認(rèn)為生態(tài)恢復(fù)的近期目標(biāo)是恢復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、動(dòng)態(tài)和服務(wù)功能,長(zhǎng)期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。傅伯杰認(rèn)為國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)3個(gè)演進(jìn)階段核心治理目標(biāo)分別是協(xié)調(diào)布局、系統(tǒng)治理、人地和諧??紤]到自然生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征和恢復(fù)過(guò)程的不確定性,研究目標(biāo)也從目標(biāo)導(dǎo)向轉(zhuǎn)向過(guò)程導(dǎo)向,將生態(tài)恢復(fù)作為生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)的開(kāi)始,強(qiáng)調(diào)全過(guò)程適宜性管理。生態(tài)工程的研究目標(biāo)由單純的修復(fù)生態(tài),拓展為人與自然同時(shí)受益,由生物組分和功能優(yōu)化轉(zhuǎn)向人類福祉提升。
2.2.4 技術(shù)方法
生態(tài)保護(hù)與修復(fù)方案往往是多種技術(shù)的有機(jī)組合,而修復(fù)效果取決于修復(fù)方案的科學(xué)性。不同類型、不同尺度的生態(tài)工程,所采用的技術(shù)方法明顯不同,如表1匯總了生態(tài)工程的主要修復(fù)技術(shù)方法,并分析了不同技術(shù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。依據(jù)退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)象不同,恢復(fù)技術(shù)主要包括:(1)非生物或環(huán)境要素(包括土壤、水體、大氣)的恢復(fù)技術(shù);(2)生物因素(包括物種、種群和群落)的恢復(fù)技術(shù);(3)生態(tài)系統(tǒng)(包括結(jié)構(gòu)與功能)的總體規(guī)劃、設(shè)計(jì)與組裝技術(shù);(4)景觀恢復(fù)技術(shù)(包括生態(tài)系統(tǒng)間連接技術(shù)、生態(tài)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)等)。根據(jù)人類干擾程度的不同,主要包括生態(tài)保護(hù)技術(shù)(如自然保護(hù)地技術(shù)、生態(tài)功能群重建技術(shù)、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)等)和生態(tài)修復(fù)技術(shù)(如土壤修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)、景觀修復(fù)技術(shù)、再野生化技術(shù)等)。從研究尺度來(lái)看,小尺度上的研究側(cè)重于水體、土壤、植被、礦山等單要素技術(shù)方法研究,而大尺度的研究側(cè)重于生態(tài)安全格局構(gòu)建、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、生態(tài)修復(fù)區(qū)劃、多生態(tài)要素修復(fù)集成等技術(shù)。當(dāng)前,生態(tài)工程技術(shù)方法體系正趨于加快完善階段,既強(qiáng)調(diào)小尺度、單因素技術(shù)的擬自然、再野化等特征,也注重大尺度、多要素技術(shù)的耦合性、協(xié)調(diào)性。而面向國(guó)土空間生態(tài)修復(fù),生態(tài)修復(fù)技術(shù)發(fā)展尚不成熟、體系尚不完備,如生態(tài)調(diào)查與評(píng)估、生態(tài)規(guī)劃與布局、空間及要素統(tǒng)籌修復(fù)、修復(fù)效果評(píng)價(jià)等技術(shù)亟待聯(lián)合攻關(guān)。
表1 生態(tài)工程的主要技術(shù)方法與優(yōu)缺點(diǎn)分析
工程對(duì)象技術(shù)類型主要技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)水體物理截污分流與引水沖污、底泥疏浚、人工曝氣等技術(shù)。化學(xué)化學(xué)除藻、底泥封閉、復(fù)合混凝沉淀、電催化氧化等技術(shù)。生物-生態(tài)微生物強(qiáng)化、植物凈化、人工濕地、生物膜凈化及生物-生態(tài)組合等技術(shù)。物理化學(xué)方法見(jiàn)效快,工程造價(jià)較高,化學(xué)方法易導(dǎo)致“二次污染”;生物-生態(tài)方法具有處理效果好、工程造價(jià)相對(duì)較低、運(yùn)行成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[41,42]。土壤物理物理分離法、溶液淋洗法、固化穩(wěn)定法、凍融法和電動(dòng)力法等?;瘜W(xué)溶劑萃取法、氧化法、還原法和土壤改良劑投加技術(shù)等。生物微生物修復(fù)、植物修復(fù)和動(dòng)物修復(fù)3種, 其中以微生物與植物修復(fù)應(yīng)用最為廣泛。同物理化學(xué)方法相比, 生物修復(fù)具有可基本保持土壤的理化特性、污染物降解完全、處理成本低和應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。生物修復(fù)的局限性包括污染物種類的局限性、受環(huán)境因素的影響大、修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等[43]。礦山土壤重構(gòu)排土、換土、去表土、客土與深耕翻土方法等物理改良技術(shù),化學(xué)改良技術(shù)等。生物恢復(fù)植物修復(fù)、土壤動(dòng)物修復(fù)、土壤微生物修復(fù)以及菌根生物修復(fù)技術(shù)等。廢水控制與處理膜處理法、混凝土法、生物膜法、SBR法、生物氧化法、氧化溝法及濕地處理法等。土壤的物理改良和化學(xué)改良投資巨大,不能改變?cè)芯坝^面貌。生物修復(fù)投資小,能夠同時(shí)改變大氣、水體和土壤的環(huán)境質(zhì)量,減輕污染對(duì)人體健康的危害,并且可能同時(shí)展開(kāi)農(nóng)林開(kāi)發(fā),具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[44]。生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)評(píng)價(jià)與規(guī)劃土地資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃、環(huán)境評(píng)價(jià)與規(guī)劃、景觀生態(tài)評(píng)價(jià)與規(guī)劃等技術(shù)。生態(tài)系統(tǒng)組裝與集成生態(tài)工程設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)、系統(tǒng)構(gòu)建與集成;自然保護(hù)地構(gòu)建、生態(tài)功能群重建、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等技術(shù)。水體、土壤和礦山等單要素生態(tài)修復(fù)技術(shù)側(cè)重于場(chǎng)地小尺度應(yīng)用;生態(tài)系統(tǒng)類型含景觀、區(qū)域、流域等中大尺度生態(tài)系統(tǒng),一方面,側(cè)重于系統(tǒng)內(nèi)單技術(shù)應(yīng)用,另一方面,側(cè)重于系統(tǒng)間結(jié)構(gòu)和功能完善、生態(tài)評(píng)價(jià)、格局優(yōu)化等。
在人類文明發(fā)展進(jìn)程中,由于農(nóng)業(yè)文明時(shí)代人類改造自然的能力較小,尚未開(kāi)展較大規(guī)模的生態(tài)工程建設(shè)。進(jìn)入20世紀(jì)后,隨著各國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程加快,面對(duì)環(huán)境污染和生態(tài)破壞問(wèn)題,許多國(guó)家實(shí)施了重大生態(tài)工程,如美國(guó)“羅斯福工程”、前蘇聯(lián)“斯大林改造大自然計(jì)劃”、加拿大“綠色計(jì)劃”、法國(guó)“林業(yè)生態(tài)工程”、日本“治山計(jì)劃”、韓國(guó)“治山綠化計(jì)劃”、北非“綠色壩工程”、印度“社會(huì)林業(yè)計(jì)劃”、菲律賓“植樹(shù)造林計(jì)劃”等。以上工程實(shí)施,對(duì)改善工程區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)揮了積極作用。自20世紀(jì)60年代“生態(tài)工程”概念提出后,憑借其零(低)能耗、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì),一些地區(qū)探索利用其基本原理解決環(huán)境污染、海洋富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題,如美國(guó)20世紀(jì)70年代在佛羅里達(dá)的Garimsville種植柏樹(shù)使之成為森林濕地,處理污水中有機(jī)質(zhì)和金屬元素;在馬薩諸塞州的沿海沼澤及鹽灘上利用生態(tài)工程處理地表徑流,以防止海洋富營(yíng)養(yǎng)化;在德國(guó)建立了以蘆葦為主的濕地處理廢水的生態(tài)工程。近年來(lái),國(guó)外生態(tài)工程也側(cè)重于整體系統(tǒng)觀、“基于自然的”理念、“擬自然”技術(shù)的應(yīng)用,如歐洲萊茵河一度被稱為“歐洲下水道”,在經(jīng)歷污水治理、水質(zhì)恢復(fù)等階段后,開(kāi)始側(cè)重于從生態(tài)系統(tǒng)的角度看待萊茵河流域的可持續(xù)發(fā)展,將生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)作為最終目標(biāo),接續(xù)實(shí)施了生態(tài)修復(fù)、提高補(bǔ)充兩個(gè)階段工程,經(jīng)過(guò)50多年的修復(fù)后,使萊茵河成為生物多樣性豐富、更加貼近自然的河流生態(tài)系統(tǒng);NbS作為一種國(guó)際主流化方案,也被廣泛應(yīng)用于生物多樣性保護(hù)、氣候變化適應(yīng)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域。當(dāng)前,歐洲、北美和澳洲等國(guó)家在生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)踐方面走在前列,涉及森林、草原、河流生態(tài)恢復(fù)和廢棄礦地修復(fù)等,如歐洲的礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù),北美國(guó)家的水體和林地生態(tài)恢復(fù),新西蘭和澳洲的草原生態(tài)恢復(fù)等生態(tài)工程技術(shù)和管理處于領(lǐng)先水平。
我國(guó)實(shí)施的一系列重大生態(tài)工程具有鮮明的時(shí)代特征,由其特定的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展階段所決定,體現(xiàn)了人們對(duì)重大自然災(zāi)害的深刻反思(圖1),如1978年西北、華北、東北風(fēng)沙危害和水土流失問(wèn)題,1998年長(zhǎng)江特大洪災(zāi)和2000年北方大面積沙塵暴等?;仡櫸覈?guó)生態(tài)建設(shè)發(fā)展歷程(表2)可以發(fā)現(xiàn),1978年之前我國(guó)鮮有大型生態(tài)工程,三北防護(hù)林工程是我國(guó)最早實(shí)施的規(guī)模較大的生態(tài)工程。自1978年至今,依據(jù)生態(tài)保護(hù)理念和方法的不同,可將我國(guó)生態(tài)工程分為啟動(dòng)實(shí)施(1978~1999年)、重點(diǎn)治理(2000~2012年)、系統(tǒng)修復(fù)(2013年~至今)三個(gè)階段。(1)啟動(dòng)實(shí)施期。生態(tài)保護(hù)理念未得到足夠重視,讓步于經(jīng)濟(jì)發(fā)展,生態(tài)退化和自然災(zāi)害頻發(fā),啟動(dòng)實(shí)施了三北、沿海防護(hù)林、天保等生態(tài)工程,探索了防沙治沙、水土流失、天然林保護(hù)等技術(shù),但由于生態(tài)工程尚處于試點(diǎn)示范階段,有關(guān)技術(shù)方法有待完善。(2)重點(diǎn)治理階段。受可持續(xù)發(fā)展理念影響,堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)并重,啟動(dòng)了京津冀風(fēng)沙源、退牧還草、濕地保護(hù)等生態(tài)工程,初步建立了防沙治沙、草地修復(fù)、濕地保護(hù)、石漠化治理等技術(shù)體系,但多為單要素生態(tài)修復(fù)技術(shù),要素間系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)研究不足,空間尺度關(guān)聯(lián)、格局優(yōu)化等大尺度技術(shù)逐漸受到重視。(3)系統(tǒng)修復(fù)階段。受生態(tài)文明理念影響,堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展,實(shí)施了以山水林田湖草沙系統(tǒng)治理為代表的生態(tài)工程,在進(jìn)一步完善單要素修復(fù)技術(shù)體系的同時(shí),探索了以國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)為主的多要素耦合、空間關(guān)聯(lián)技術(shù)體系。如劉世梁等通過(guò)對(duì)貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀脆弱度分析,辨析了保護(hù)與發(fā)展沖突區(qū),有效識(shí)別了生態(tài)修復(fù)的優(yōu)先區(qū),提高了生態(tài)工程實(shí)施針對(duì)性;史芳寧等通過(guò)廣西左右江生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析,將“山水林田湖草”一體化調(diào)控理念落實(shí)到具體地區(qū);彭建等認(rèn)為現(xiàn)有國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)研究側(cè)重于系統(tǒng)性、整體性、綜合性等認(rèn)知,以市縣尺度的生態(tài)安全格局識(shí)別與優(yōu)化生態(tài)修復(fù)分區(qū)等研究為主。
表2 我國(guó)重大生態(tài)工程發(fā)展階段及特征
發(fā)展階段工程名稱開(kāi)始時(shí)間實(shí)施背景階段特征啟動(dòng)實(shí)施期(1978~1999年)三北防護(hù)林工程1978年西北、華北和東北風(fēng)沙危害和水土流失。沿海防護(hù)林體系建設(shè)工程1988年沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)、海嘯等自然災(zāi)害頻發(fā),嚴(yán)重威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。長(zhǎng)江流域防護(hù)林體系建設(shè)工程1989年過(guò)度采伐森林,導(dǎo)致流域水土保持能力持續(xù)削弱,生態(tài)環(huán)境不斷惡化。天然林資源保護(hù)工程1998年天然林資源過(guò)度采伐,導(dǎo)致林區(qū)森林資源危機(jī)。1998年長(zhǎng)江發(fā)生特大洪災(zāi)。退耕還林還草工程1999年由于盲目毀林開(kāi)墾等,造成了嚴(yán)重的水土流失和風(fēng)沙危害,自然災(zāi)害頻頻發(fā)生。改革開(kāi)放后,生態(tài)保護(hù)理念未得到足夠重視,讓步于經(jīng)濟(jì)發(fā)展,生態(tài)退化和自然災(zāi)害頻發(fā),啟動(dòng)實(shí)施了一些重大生態(tài)工程,但防沙治沙、水土流失、天然林保護(hù)等技術(shù)尚處于探索階段,有待完善。重點(diǎn)治理期(2000~2012年)京津風(fēng)沙源治理工程2000年京津乃至華北地區(qū)多次遭受風(fēng)沙危害,特別是2000年春季,北方揚(yáng)沙和沙塵暴天氣多次影響首都。退牧還草工程2003年西部地區(qū)受超載過(guò)牧等影響,天然草原加速退化。濕地保護(hù)工程2003年受圍墾和過(guò)度開(kāi)發(fā)等影響,重要自然濕地及其生物多樣性普遍遭受破壞。巖溶地區(qū)石漠化綜合治理工程2008年石漠化嚴(yán)重制約著西南熔巖地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。進(jìn)入新世紀(jì),受可持續(xù)發(fā)展理念影響,堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)并重,啟動(dòng)了一批新的重大生態(tài)工程,防沙治沙、草地修復(fù)、濕地保護(hù)、石漠化治理等單要素技術(shù)體系相對(duì)完備,但要素間系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)研究不足。系統(tǒng)修復(fù)期(2013年~至今)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點(diǎn)2016年受高強(qiáng)度的國(guó)土和礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)利用等影響,我國(guó)一些生態(tài)系統(tǒng)破損退化嚴(yán)重,生態(tài)供給能力不斷下降。重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程2020年我國(guó)自然生態(tài)系統(tǒng)總體仍較為脆弱,經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的生態(tài)保護(hù)壓力依然較大。十八大以來(lái),受生態(tài)文明理念影響,堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展,實(shí)施了山水林田湖草沙系統(tǒng)治理為代表的生態(tài)工程,在進(jìn)一步完善單要素修復(fù)技術(shù)體系的同時(shí),探索了以國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)為主的多要素耦合、空間關(guān)聯(lián)技術(shù)體系。
圖1 1978~2020年我國(guó)重大生態(tài)工程時(shí)間軸
回顧生態(tài)工程發(fā)展歷程,我國(guó)重大生態(tài)工程始終聚焦重點(diǎn)生態(tài)區(qū)突出問(wèn)題,修復(fù)內(nèi)容由治山、治水、治沙等單一內(nèi)容逐漸拓展到山水林田湖草沙一體化保護(hù)和修復(fù),工程實(shí)施區(qū)的自然生態(tài)系統(tǒng)總體穩(wěn)定向好,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能逐步增強(qiáng),取得了顯著成效。然而,在學(xué)術(shù)層面,由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)—結(jié)構(gòu)—過(guò)程之間關(guān)系是復(fù)雜的、關(guān)聯(lián)的,加之受到高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響,使得生態(tài)工程設(shè)計(jì)原理和技術(shù)方面仍存在一些問(wèn)題,如生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制是什么,對(duì)人類福祉的影響如何,以及工程管理體系不完善、工程整體設(shè)計(jì)不夠、本土化適用技術(shù)缺乏、工程實(shí)施全過(guò)程監(jiān)管不足等問(wèn)題。因此,仍需加強(qiáng)生態(tài)工程科技創(chuàng)新,開(kāi)展生態(tài)保護(hù)修復(fù)基本理論和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。
對(duì)比國(guó)內(nèi)外生態(tài)工程實(shí)踐可知,生態(tài)工程通常均遵循了生態(tài)學(xué)基本原理和方法,充分發(fā)揮了生態(tài)系統(tǒng)凈化、調(diào)節(jié)、緩沖等生態(tài)服務(wù)功能,在改善區(qū)域生態(tài)狀況、治理污染等方面發(fā)揮了重要作用。近年來(lái),國(guó)外生態(tài)工程側(cè)重于“基于自然的”理念、“擬自然”技術(shù)和“再野化”技術(shù)的應(yīng)用,強(qiáng)調(diào)工程技術(shù)研究的同時(shí),也注重工程管理的創(chuàng)新,推進(jìn)生態(tài)修復(fù)實(shí)踐趨于標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。我國(guó)在生態(tài)文明思想指導(dǎo)下,尤其是“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”理念引領(lǐng)下,通過(guò)保護(hù)地體系建設(shè)、生態(tài)格局優(yōu)化、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等技術(shù)方法,強(qiáng)化了生態(tài)系統(tǒng)的多要素關(guān)聯(lián)、多過(guò)程耦合、多目標(biāo)協(xié)同的研究,同時(shí),側(cè)重生態(tài)保護(hù)修復(fù)制度創(chuàng)新,加強(qiáng)生態(tài)工程全過(guò)程管理。借鑒國(guó)外生態(tài)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),我國(guó)生態(tài)工程在“基于自然的”理念、“擬自然”技術(shù)和“再野化”技術(shù)應(yīng)用方面仍有較大提升空間,在推進(jìn)生態(tài)工程標(biāo)準(zhǔn)化方面,仍有待進(jìn)一步規(guī)范。
針對(duì)當(dāng)前大尺度生態(tài)工程研究局限和重大科技需求,需深入研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的要素—結(jié)構(gòu)—過(guò)程—功能—服務(wù)—福祉級(jí)聯(lián)關(guān)系,揭示人類活動(dòng)高強(qiáng)度干擾下生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程—格局—服務(wù)的響應(yīng)機(jī)制,完善基于人與自然雙向互惠關(guān)系重構(gòu)的生態(tài)工程調(diào)控原理,建立區(qū)域山水林田湖草沙協(xié)同保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)方法,闡釋區(qū)域生態(tài)安全格局變化與人類福祉的協(xié)同演變進(jìn)程,以下四個(gè)方面科學(xué)問(wèn)題亟待研究:
(1)人類活動(dòng)高強(qiáng)度干擾下的生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程—格局—服務(wù)的響應(yīng)機(jī)制。生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類干擾產(chǎn)生響應(yīng)和反饋時(shí),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和產(chǎn)品也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此,隨著人類改造自然能力的不斷提高,需要研究人類活動(dòng)高強(qiáng)度干擾下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的響應(yīng)與反饋特征,探究導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與生態(tài)過(guò)程根源,分析人類需求對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程—格局—服務(wù)產(chǎn)生影響的不同驅(qū)動(dòng)作用,研究人類活動(dòng)干擾下生態(tài)系統(tǒng)格局、過(guò)程、功能、質(zhì)量的變化。
(2)基于人與自然雙向互惠關(guān)系重構(gòu)的生態(tài)工程調(diào)控原理。生態(tài)工程的終極目標(biāo)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類福祉協(xié)同提升。因此,需要通過(guò)生態(tài)工程調(diào)控,持續(xù)優(yōu)化甚至重構(gòu)人與自然雙向互惠關(guān)系,深入研究生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉及資源環(huán)境的關(guān)系,人類發(fā)展需求與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的沖突及其權(quán)衡的生態(tài)學(xué)原理,需要開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、評(píng)估、預(yù)測(cè)和監(jiān)管的理論方法,研究設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)、利用、管理和重建等應(yīng)用理論及方案。
(3)區(qū)域山水林田湖草沙協(xié)同保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)方法。山水林田湖草沙生態(tài)要素間具有復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性,在生態(tài)系統(tǒng)上具有完整性。因此,要在完善單要素生態(tài)修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)上,深入揭示生態(tài)系統(tǒng)的要素與要素、要素與系統(tǒng)、系統(tǒng)與環(huán)境的生態(tài)學(xué)關(guān)系及其關(guān)系的形成機(jī)理、維持機(jī)制及其調(diào)控原理,集成和優(yōu)化跨尺度、多要素生態(tài)修復(fù)技術(shù),以滿足國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)技術(shù)需求。
(4)區(qū)域生態(tài)安全格局變化與人類福祉的協(xié)同演變進(jìn)程。區(qū)域生態(tài)安全格局的變化,會(huì)影響到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的強(qiáng)化或削弱,進(jìn)而影響到以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為基礎(chǔ)的人類福祉。因此,需要開(kāi)展區(qū)域生態(tài)安全格局背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量評(píng)估,研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間轉(zhuǎn)移規(guī)律,定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化對(duì)人類福祉的影響,進(jìn)而建立區(qū)域生態(tài)安全格局與人類福祉提升的協(xié)同耦合模型。
面對(duì)全球性多重生態(tài)危機(jī),生態(tài)學(xué)以其非線性思維、整體系統(tǒng)觀、多學(xué)科整合等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),為探索解決全球生態(tài)危機(jī)提供了科學(xué)基礎(chǔ),生態(tài)工程是重要實(shí)現(xiàn)路徑。當(dāng)前,生態(tài)工程研究正進(jìn)入新發(fā)展階段,從理論研究、實(shí)踐探索到?jīng)Q策管理,更加注重工程實(shí)際問(wèn)題的解決,需要充分利用成熟技術(shù)和管理手段,實(shí)現(xiàn)工程綜合效益最大化。在技術(shù)方法上,大尺度、多要素生態(tài)保護(hù)修復(fù)強(qiáng)調(diào)整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理,側(cè)重于自然保護(hù)地、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、景觀連通性提升、生態(tài)修復(fù)區(qū)劃等技術(shù)研究,注重單要素生態(tài)修復(fù)技術(shù)的整合、優(yōu)化和互補(bǔ);小尺度、單要素生態(tài)修復(fù)技術(shù)則側(cè)重于“基于自然的”理念、“擬自然”技術(shù)、“再野化”技術(shù)的工程實(shí)踐和技術(shù)完善。隨著各類生態(tài)工程持續(xù)深入推進(jìn),生態(tài)工程技術(shù)、材料、裝備向多目標(biāo)、環(huán)境友好型、生態(tài)化發(fā)展,納米材料、人工復(fù)合材料、生物材料等新興環(huán)保型材料和生態(tài)設(shè)計(jì)將更多被采用,在生態(tài)修復(fù)中實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,減少溫室氣體排放。另外,生態(tài)工程實(shí)施尺度逐步由中小尺度向流域、區(qū)域等大尺度生態(tài)工程轉(zhuǎn)變,更加注重社會(huì)、人文、政策因素耦合,強(qiáng)調(diào)適應(yīng)性恢復(fù)和管理,以生態(tài)工程為橋梁,構(gòu)建人與自然和諧相處的生命共同體。
當(dāng)前,我國(guó)自然生態(tài)系統(tǒng)總體仍較為脆弱,生態(tài)承載力和環(huán)境容量不足,經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的生態(tài)保護(hù)壓力較大,資源過(guò)度開(kāi)發(fā)導(dǎo)致生態(tài)破壞問(wèn)題突出,系統(tǒng)保護(hù)難度加大,亟待加強(qiáng)生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論研究和工程實(shí)踐探索。隨著“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”理念引領(lǐng)重大生態(tài)工程實(shí)踐取得新成果,生態(tài)工程的概念、理論和方法獲得新發(fā)展,更加注重人與自然和諧共生關(guān)系構(gòu)建和經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)多元目標(biāo)的協(xié)同增益。中國(guó)近年實(shí)施的山水林田湖草沙生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程實(shí)踐,探索了一種“以自然之道,養(yǎng)萬(wàn)物之生”的系統(tǒng)性可持續(xù)解決方案,在工程區(qū)取得明顯成效,為解決全球性生態(tài)危機(jī)提供了一種生態(tài)工程新范式??紤]到全球氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類福祉的影響是全面的,人類社會(huì)需求增長(zhǎng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的脅迫是系統(tǒng)的,未來(lái)還需要進(jìn)一步融合地理學(xué)、環(huán)境學(xué)、管理學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)等理論方法和現(xiàn)代信息技術(shù),加強(qiáng)新時(shí)期生態(tài)工程科技創(chuàng)新與實(shí)踐,以滿足面向美麗中國(guó)建設(shè)的生態(tài)保護(hù)修復(fù)重大戰(zhàn)略需求。