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2023年12月11日

2023-12-11 11:17阅读:
长江流域生态修复尺度、功能及方法探讨
1.生态修复现状与问题
进入21世纪,中国大力推行生态文明建设,生态保护和修复已经成为国家、流域、地方政府绿色发展的重要工作和资源与环境领域的研究热点[1]-[2]。在河流生态修复方面,董哲仁教授从2003年就提出生态水工学概念,并开展了河流生态修复研究[3]-[4],推动了水利行业生态修复研究和实践。2016-2022年,国家财政部、自然资源部和环境保护部组织实施了544个山水林田湖草生态保护修复重大工程(以下简称“山水工程”),涉及我国27个省(自治区、直辖市),累计完成生态保护和修复面积500多万公顷[5]-[6]。在流域层面,2016年开始实施长江大保护[7]-[8]2019年黄河流域生态保护和高质量发展全面开展。针对河流生态环境突出问题,开展了两轮环境保护督察和一系列专项行动,
同期各地方开展了大量生态修复工程[9]-[11],这些工程的实施,对于生物多样性保护和生态环境质量提升起到了重要作用。2020年自然资源部、财政部和生态环境部联合印发《山水林田湖草生态保护修复工程指南( 试行 )》(以下简称《指南》)[12]-[13]。《指南》将我国生态空间分为3类,分别是自然保护地核心区、生态保护红线内其他区域和一般生态空间,同时也分别对农业空间和城镇空间生态修复提出了具体要求。《指南》在空间尺度上划分为区域 (或流域)、生态系统和场地三个尺度,但主要偏重于陆域生态系统,像长江、黄河这样的大河流域,跨越的空间尺度更大,如何兼顾流域与区域不同尺度的生态修复值得深入研究。根据已经完成的生态修复工程案例初步成果来看,目前生态修复偏重于复绿和景观的构建,考虑生物多样性及生态系统功能提升不足,主要原因是生态修复规划、设计和实施人员对生态系统长期性和复杂性认识不足,在生物栖息地修复时没有充分考虑生物生命周期及栖息地尺度关系。在生态修复方法上,虽然《指南》提出以自然恢复为主,但在大项目分解上,仍然是中小尺度场地修复项目组合而成,对于较大的生态功能区修复,一般都由几十个、甚至上百个工程项目组成,修复方法仍然以工程措施为主。本文以长江流域为例,探讨流域不同时空尺度与生态系统修复的关系,以珍稀动物和实际修复案例来分析生态系统修复与栖息地尺度关系,并对相应修复方法进行讨论,为流域生态系统修复提供参考。
2.长江流域生态系统尺度及功能
生态修复主要对象是生物群落及其栖息地,其中生物生命周期及栖息地形成涉及时间尺度,而生物及群落活动范围涉及空间尺度。对于流域生态系统来说,生物是由陆域、两栖和水域生物群落共同组成,其中水生生物栖息地的时空尺度变化幅度更大,需要研究生态系统尺度与生物和栖息地功能关系,才能实施真正的生态修复。
2.1 流域生态系统空间尺度划分
长江流域面积180km2,有大小河流7000多条,由于气候、水文、地形、地貌的多样性,造就了生物多样性[14]。综合考虑水生生物生命周期及栖息地特点,作者在研究健康长江评价时曾提出大河生态系统空间尺度可以划分为6[15]-[16]:从小到大分别是:微生境、生态斑点、工程河段、景观河道、全河长(包括主要支流)和整个流域。对照《指南》关于陆域生态空间尺度的划分,河流的生态斑点和工程河段与陆域的场地尺度相近,而景观河段与生态系统尺度接近,全河长与区域(流域)基本一致。显然,微生境不需要立项专门修复,而整个长江也不可能用一个项目进行修复,所以,作为指导陆域生态修复工程的《指南》,划分为三个尺度是合理的,但从长江流域生态系统结构及生物功能来看,在理论上划分为6个尺度也是科学的。综合考虑山水林田湖草系统治理,同时考虑生物生命周期及栖息地特点,修改后的流域生态系统空间尺度划分为6个等级,具体描述见表1所示。

1 流域生态系统空间尺度与生物生命周期关系
Table 1 Relationship between spatial scale and biological life cycle of watershed ecosystems
生态空间及尺度
栖息地特征
生物及栖息地时空变化
微生境
陆域:土壤颗粒、岩块
水域:泥沙(1μm-100mm)
包含微生物的砂、粘土颗粒及泥沙,其流失、输移、沉积时间1-1
藻类等微生物,生命周期几天到几周,陆域活动范围1m2,水域1-1km
小生境,生物斑点
陆域:一块坡地、林地、田地
水域:河段0.1m-1000m;山塘、
小型湖库
卵石、漂石等推移质,山坡、田块,边滩、浅滩及小岛、池塘,演变时间1-几年
底栖、昆虫等生命几个月-1年,两栖和爬行动物、留鸟等生命1-几年。活动陆域1m2-几百m2,水域1km-100km.

陆地场地(1-10km2
工程河段1km-几十km,涉水工程影响范围)
陆域:村、镇级,天然林;
水域:河弯、分汊河段或者急流、缓流河段。1km2级湖泊及中小水库,演变几年到100
草地、灌木、天然林,河漫滩。
大型水生植物等生命几个月-几年;小型陆生动物、两栖动物,水禽、候鸟,静态及半洄游鱼类等,生命几年-10几年
生态功能区(10-几十km2),
景观河段(几十km到几百km
县地级,10 m2级湖泊及大型水库,具有相近地质地貌特征,演变时间100年到几万年
野生动物、爬行动物,鸟类鱼类、:天然林、河岸植被演变时间几十年-几百年
区域(几十km2-上百km2),
全河长(几百km-1000km

跨地级及省域生态功能区,河流变迁及江湖关系改变几百到几万年
水生及岸边植物演替,动物进化,新物种出现,演变时间几千年到几万年
大区域10km2-100 km2
大河流域级1000-几千km

跨越多个气候及地貌区,跨越多省域,地貌演变几万年到几十万年
陆地植被演替:几千年到几十万年,动物物种演替,受地球运动、气候变化及海平面升降影响

从生物生命周期和栖息地形成及演变来看,陆域生物栖息地形成周期远长于陆地生物生命周期,也即先有稳定连片的栖息地(如林草植被和湖泊湿地),才会有稳定的陆生生物群落。而河流受频繁的洪枯过程影响,水生生物栖息地年际甚至年内变化都很大,与生物生命周期关系更为紧密,两者时间尺度甚至一致,例如鱼类栖息地主要的三场一道(产卵场、索饵场、越冬场和洄游通道),与鱼类生命周期密切相关,其生命周期在三场之间迁徙而完成。

2.2 生物功能与时空尺度关系
生物的功能与栖息地(空间和质量)关系密切。藻类等微生物虽然微小、生命周期短,但他们是一切生物的祖先,在自然界无处不在,尤其在土壤中数量最多,水藻可以附吸在河中泥沙等漂移质上。微生物通过竞争氧气和营养物质而生存,其基本的生态功能是分解死去的动植物,并将其还原为有机和无机物,促进物质和能量循环和转化。草原、森林、水草等植物是通过竞争阳光和营养物质而生存,基本的生态功能是为地球提供氧气、为生物提供栖息地和食物(食草动物)、为河湖等水域提供有机质等营养物质。在陆域,森林,特别是原始森林和天然林因具有优良的隐蔽条件和丰富食物为大型野生动物提供生存空间。在自然条件下,食草动物与草原和林地植被之间,食肉动物与食草动物之间维持着生态平衡,而且动物等级越高,需要更大的连片森林空间,如虎豹活动范围可以达到几十km2,其中栖息地空间需要达到生态功能区的尺度。由于人类活动影响,许多珍贵野生动物被迫退缩到残存而不连续的沼泽、森林、草原、山区等地区,常常被分割成互不连接的独立群体,容易造成近亲繁殖,品种日益退化[17]
2列出了几种长江流域国家一级保护动物,包括水生动物、两栖动物、陆生野生动物和候鸟,它们都需要一定范围的栖息地,其中中华鲟洄游距离曾经在长江上溯2000-3000km,寿命可以达到40年,而目前由于无法洄游到传统产卵场,所以面临严重的生存危机。许多大型候鸟迁徙距离达几千公里,栖息地空间尺度更大。从栖息地空间尺度看,候鸟>大型洄游鱼类>大型野生动物>爬行动物>两栖动物,保护野生动物,必须首先保护它们生命周期迁徙需要的全部栖息地。
2长江流域典型珍稀动物与栖息地特点
Table 2. Typical Rare Animals and Habitat Characteristics in the Yangtze River Basin
种类
活动空间(环境)
生命敏感期
说明
中华鲟,江海间洄游
底栖鱼类,春夏季5-6月间喜群集于河口,秋季上溯至长江上游,洄游长度2000-3000km
最长寿命40年,雌鱼长到1426岁,可达到初次性成熟。亲鱼7-8月间由海进入长江,在长江栖息一年性腺逐渐发育成熟
食性非常狭窄,主要以一些小型的或行动迟缓的底栖动物为食,在海洋主要以鱼类为食,甲壳类次之。个体绝对怀卵量达30.6-130.3万粒,平均为64.5万粒
江豚,半洄游性
洞庭湖、鄱阳湖、长江中下游干流
寿命25年左右,每年45月份为产仔期,初生仔豚长约70厘米,每胎1仔。
性成熟年龄雌性 4 年,主食中层、下层鱼类,也摄食软体动物和甲壳动物等
长江鲟,洄游性鱼类
分布于长江干支流,上溯可达乌江、嘉陵江、渠江、沱江、岷江及金沙江等
冬季在缓流河道中越冬,立春后在江水回温至12以上时开始溯水上游干支流摄食产卵
杂食性鱼类,经常栖息在8-10m的江河浅水区,底质为沙质或碛滩,有较多的腐殖质和底栖生物
川陕哲罗鲑,冷水鱼类
岷江、青衣江上游,汉江上游的徐水河和台北河等
多栖息在河道狭窄、水质清澈、水流湍急、水温较低的水域
凶猛肉食性鱼类,食物主要是鱼类和水生昆虫的,还包括水禽和水生兽类等
扬子鳄、爬行动物
皖南低山丘陵区与长江下游平原的结合部
7月左右,雌鳄开始用杂草、枯枝和泥土在合适的地方筑圆形巢穴产卵,每巢约产卵10—30枚之间
具有冬眠习性,喜静,白天常隐居在洞穴中,夜间外出觅食,
大熊猫
岷山、邛崃山、凉山、大相岭、小相岭及秦岭等地
寿命18-20年,生活在海拔2600-3500m的茂密竹林里
栖息地在川、陕、甘3省的45个县(市),面积达2km2,主要吃竹子
金丝猴
常年栖息于海拔15003300米的森林中
性成熟期雌性早于雄性,雌约45岁,雄猴迟到7岁左右

白鹤
大型涉水禽,在长江中下游湖泊湿地越冬
冬候鸟,越冬期达150天,主要以苦草、眼子菜、苔草、荸荠等植物的茎和块根为食
夏季常栖息于开阔的平原沼泽草地、苔原沼泽和湖泊岩边及浅水沼泽地带
青头潜鸭,迁徙性鸟类
深水鸟类,富有芦苇和蒲草等水生植物的小湖中
每年3月从南方越冬地迁往北方繁殖;秋季于10月中旬开始迁往南方
主要以水生植物和鱼虾贝壳类为食
黑颈鹤
栖息于海拔2500-5000m的高原沼泽地、湖泊及河滩地带
春季于3月中下旬迁到繁殖地,秋季于10月中旬到达越冬地
主要以植物叶、根茎、荆三棱、块茎、水藻、玉米、砂粒为食,是唯一终生生活在高原的鹤类

2.3 长江鱼类栖息地时空尺度与功能
长江水系现有鱼类 400 余种,其中纯淡水鱼类 350 种左右,特有鱼类 156 种。在特有鱼类中,124 种分布于上游;23 种分布于中下游;9 种分布于全江[18]。长江鱼类栖息地空间尺度主要由三场一道组成,三场名称阐述了栖息地的功能,鱼类在三场之间迁移范围决定了鱼类生存的空间尺度。
按洄游范围分,长江鱼类分为江湖洄游鱼类(如四大家鱼)、河海洄游鱼类(如中华鲟)、河流鱼类(如圆口铜鱼、铜鱼)和湖泊定居鱼类( 如鲤、鲫等)4 类。按产卵类型分,长江鱼类分为黏性卵(如团头鲂、鲤、鲫、鲶等)、沉性卵(如胭脂鱼、四川裂腹鱼和黄颡鱼等)、浮性卵(如鲈形目的鳜、斑鳜、大眼鳜等)和漂流性卵(如四大家鱼等)4类,产卵类型决定了鱼类需要的水文、水动力和底质条件,如产黏性卵一般需要附吸在水生植物(水草)或者软体动物(贝壳)上;产沉性卵一般沉积在石砾或沙质上;而漂流性卵需要一定水动力过程(如流速或者流速增量)才能保证在漂流过程中成鱼苗。
每种鱼在水生态系统中都有其生态功能,并通过捕食者、竞争者、饵料生物之间关系体现。以食物链为例,以浮游植物为主的鱼有鲢、华鲮、银鲴等;以着生藻类为主的鱼有软刺裸裂尻鱼、裂腹鱼、逆鱼、四川突吻鱼等;以水生高等植物为主的鱼有草鱼、长春鳊、团头鲂等;以浮游动物为主有长短颌鲚、鳙等;以底栖无脊椎动物为主的鱼有长江鲟、胭脂鱼、铜鱼、圆口铜鱼、青鱼、黄鳝等;以鱼为主食的有江豚、鳡、河鲶和鳗鲡等。中华鲟索饵场在近海,进入长江一年多时间,很少掠食,但其产卵量大,其卵曾经是许多激流鱼类的食物。
鱼类栖息地可以划分为功能栖息地和物理栖息地[19]。功能栖息地包括生物环境和非生物环境两方面,其中非生物环境包括底质、流速、水深、水温等理化性质等,如四大家鱼产卵基本环境条件是江水温度在18度以上;有涨水过程(洪水过程);流速达到0.452.26m/s;产卵后在河流漂流200km以上,鱼卵才能变成鱼苗。通江湖泊,并具有连续200km以上洪水涌进的河道才是四大家鱼基本的栖息地空间。鱼类物理栖息地包括水流和河道形态,其中水流形态又可细分为浅滩、深槽、岸边缓流、缓流、急流、跌水、水潭、洄流等。所以,即使鱼类,其生态系统就十分复杂。

3.生态修复方法
生物多样性是建立在栖息地多样性基础上,保护生物多样性,首先必须保护栖息地的多样性,并为他们留下足够的空间,生态修复主要内容是生物的保护和栖息地的修复,必须采用科学的方法。
3.1生态修复的目的
生态修复的总体目标是提升生态系统功能及其为人类服务的价值,达到人与自然和谐共生,根据生态空间类型应该有相应的具体目的:
1)自然保护地等生态红线。恢复或重建已退化或即将消失的生态系统,重现人类活动干扰前生态系统所具有的结构和功能,其中核心区,应尽可能恢复到自然状态,使珍稀、特有保护物种能够生存,生态系统稳定。
2)江湖水域空间。对于自然河湖,维持水系纵向、横向及垂直向(包括地表水与地下水之间)的连通性和近自然的水文、水动力过程。对于梯级开发河道,不仅要对关键物种开展抢救性的保护措施,而且要通过水库群联合生态调度,满足鱼类等保护物种生命敏感时段需要的水文过程。对于景观和工程河段河道及岸线,以修复生物栖息地(例如鱼类的三场一道)和河岸生态屏障或者生态走廊为目的。
3)农业空间。在打造高标准农田基础上,维护农田原有生境,保护生物多样性。构建集中连片的耕地、草地、湿地和林地相结合的复合生态系统,促进农业生态化发展,保护农耕时代的历史文化遗产,如古桥、古村、运河和灌溉遗产等。
4)城镇空间。保护城郊生态空间,打通城市水系、绿地与过境河流生态廊道。建成区实施海绵化、道路园林化,基础设施绿色和低碳化,保护历史文化和工业化遗产,打造宜居城市。
3.2生态修复方法
生态修复方法分为工程和非工程措施两大类。工程措施主要通过工程项目形式重建或者改建受损生态空间,如修建水网、河湖疏浚、矿山复绿、人工湿地等。工程措施景观改善见效快,但需要的资金较多。非工程措施主要通过法律、法规、政策和能力建设等措施,约束或者限制人类行为的管理措施,特别强调“自然是母,时间为父”的自然修复原则,如天然林保护、封山育林、退田还胡、10年禁渔、生态补偿[20]、生态移民和水工程生态调度、生态监测、保护区专业队伍建设、环保科普等都属于非工程措施。非工程措施对于各类生态空间和不同尺度生态空间都适用,特别是对国家公园、自然保护区、大区域及全河长等大时空尺度的生态修复。自然修复虽然需要的时间长,但成本低,长远效益好,是未来生态修改的主要发展方向。在大尺度生态系统修复中,应该以非工程措施为主,工程措施为辅,而场地及工程河段及以下的修复多以工程措施为主,同时实施相应的保护和管理措施,典型生态修复方法见表3所示,应该以问题为导向,因地制宜选择适宜的方法。
3 典型生态修复工程和非工程措施
Table 3 Typical Ecological Restoration Methods of Engineering and Non-Engineering Measure



生态空间
类型
场地:矿山、采石场复绿。农田:规模化、节水灌溉,土壤改造(有机化,生态化)。城镇:园林化,海绵化,水岸生态廊道及景观化,历史文化遗址保护
生态功能区:天然林保护,适应性保护管理,石漠化和荒漠化治理,水土保持(小流域治理,坡耕地改造),生态补偿
工程河段:复合河床断面及河漫滩修复等,生态护岸或者岸边湿地恢复
湖库:物理方法:水系连通,疏浚;化学方法:除藻,絮凝沉降;生物方法:生物操作,水草种植及水生态系统重建,河湖长制
景观河段:生态流量调控与管理,自然岸线保护和洲滩修复,与陆域生态工程区协同保护与修复,
全河长
鱼类三场一道修复,河道及岸线再自然化,水库生态调度,流域横向生态补偿机制

3.3典型案例分析
4列出了8个国内外典型生态修复案例,其中长江10年禁渔、国家公园(三江源)属于大尺度生态空间修复项目;Everglades 湿地三峡水库生态调度和Em河属于中尺度生态空间修复项目;杭州西溪湿地、尧治河村和武汉园博园属于场地修复属于中小尺度项目。在修复方法方面,生态空间尺度越大,非工程措施越重要,像长江10年禁渔和三江源国家公园保护主要采用非工程措施。中小尺度生态修复多以问题为导向,工程措施相对较多。从修复的时间上看,生态修复的初期多采用工程措施,后期必须采取适用性的保护措施。
4 生态修复典型案例
Table 4 Typical Cases of Ecological Restoration
生态空间
项目
方法
成果
说明
河流湿地
美国Everglades 湿地
复原弯曲河流,延长河水入海时间;退田还湖,将10万公顷农田返回湿地;恢复湿地植被,
恢复自然的湿地水文循环和水流路径,恢复通向湿地的多水流通道,美洲鳄等生物多样性恢复
生态修复工程包括68个项目,耗资78亿美元,时间长达36
独立入海
河流
瑞典Em河鲑鱼回归
5个梯级水电站重修鱼道,并开展联合生态调度,建立生态补偿机制
鲑鱼重新回到源头产卵,下游及河口生态流量得到保障
协调鱼、饮用水、工业和农业用水矛盾,水电站发电量略有减少
长江及主要支流
10年禁渔
管理措施:渔民上岸转产,政府收购渔船,公安和渔政监督执法,开展水生生物多样性评价
野生鱼类等生物量增加,其中2022年江豚达到1249头,比2017年增长20%
恢复鱼类早期资源量和江豚食鱼类物种效果显著,水生生物栖息地及水文过程修复还没有跟上
国家公园
三江源保护区
法律、政策、管理等非工程措施,如限牧禁牧、引导转业转产、提供生态管护公益岗位等
藏羚羊种群数量显著增加,雪豹等病危状态有所缓解
发布表特许经营、社会捐赠、志愿者管理、访客管理、草原生态保护补助奖励等 10 个管理办法
河流景观
三峡水库生态调度
2011-2022年连续 1217 次生态调度
四大家鱼早期资源量得到一定程度恢复
为产漂流性卵鱼类产卵制造洪水过程
湿地公园
杭州西溪湿地
经过103期不断修复,综合措施
列入国际重要湿地名录,国家5A级景区的国家湿地公园
水乡、农耕、文化与城市有效结合
场地,矿山村
湖北襄阳尧治河村
磷矿开采、生态和景观修复同步开展,矿开到哪里,生态修改就到哪里,景点就跟到哪里。
全国乡村旅游重点村名单, 国家绿水青山就是金山银山实践创新基地,中国百佳避暑康养金地标榜
以矿带电,以电促矿,以工兴农,自然资源价值得到实现
场地,城市建成区,
武汉园博园
对原金口垃圾填埋场受污染土地重整,建成公园
变成214公顷绿色园博园,C40城市气
候领袖奖
内设武汉自然博物馆既长江文明馆,现成为国家一级博物馆
对于大尺度生态空间修复,必须要有长期规划和持续的观测,像美国Everglades 湿地、英国Loch Leven 湖生态修复及观测研究长达30-40年。对于珍稀等濒危物种的保护,除需要开展抢救性保护外,生态修复的重点在于保护栖息地及环境条件,在陆域,不仅要有绿(植被)、也要见野生动物及群落。在水域,长江10年禁渔实施后,必须同步开展鱼类的三场一道的修复,如江豚等需要的河漫滩的修复,不仅要见旗舰物种数量的恢复,也要见水生生物多样性和生态系统功能的提升。
4.结论
目前我国生态修复的点多面广,但开展生态修复时间总体较短,缺乏修复后的长期科学观测和评估,从修复效果看,目前比较注重景观格局的改变(如绿化面积、水域或者湿地面积、景观等),其次是比较重视旗舰物种的保护,对生态系统保护和修复效果的评价还有待深入研究。本文根据长江流域生态系统特点,初步探讨了不同尺度生态空间功能与修复方法关系,得到以下结论:
1) 流域生态系统十分复杂,不仅与陆域生态系统有密切联合,而且河流栖息地时空尺度变化更大,生态修复规划必须基于长期的科学观测,对保护物种特点及需要的栖息地深入了解基础上开展。
2) 生物生命周期与栖息地时空尺度关系十分密切,生物等级越高,需要连续的栖息地尺度越大。洄游鱼类栖息地不仅空间尺度大,而且要求自然的水文、水动力和水体物理特性,全面修复任重道远。
3) 生态系统修复重点是生物栖息地及环境要素的修复,陆域是连片的天然林或者草地,水域修复的重点是恢复近自然的水文、水动力过程及江湖连通。
4) 生态修复方法最好是采用工程与非工程措施相结合,特别强调自然修复等非工程措施,不仅可以降低修复成本,而且可以使生态修改效果持续,达到生态系统功能和自然资源价值提升。
5) 生态系统修复及后期保护过程中,应该在坚持长期、系统的科学监测基础上,定期开展修复效果评估,生物多样性评价,并采用适应性的保护和管理措施。
本文已经发表在《长江技术经济》2023年第5期:45-52

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