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河流生态修复研究进展综述

发布时间:2022-02-09 10:02所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

  摘要:当前,针对河流生态修复的研究日趋增长,国外率先在该领域展开研究并取得丰富成果,主要集中于整个流域的修复、河流动力学以及实施机制共3个方面。近年来,我国也逐渐意识到河流生态修复的重要性,但仍存在后期管理评价滞后、缺乏专门机构等问

  摘要:当前,针对河流生态修复的研究日趋增长,国外率先在该领域展开研究并取得丰富成果,主要集中于整个流域的修复、河流动力学以及实施机制共3个方面。近年来,我国也逐渐意识到河流生态修复的重要性,但仍存在后期管理评价滞后、缺乏“专门机构”等问题,制约了项目的实施与推广。通过文献的梳理与分析,结果表明,以流域为视角的绿色基础设施建设、以水生态空间管控为核心的土地利用规划、以水陆生动植物为权重的生物多样性保护已成为重要方向。基于此,从研究历程、重点方向和实施机制等3个方面来总结河流修复的研究进展,以期为中国的河流修复工作的规划、实施和管理提供参考借鉴。

  关键词:河流修复;研究进展;研究方向;生态系统服务;机制

河流生态

  从古至今,水源对于人类的生存发展是至关重要的,人们逐水择居,傍水生活。河流作为城市空间最为重要的非建设空间,不仅具有生产供水、交通运输、文化教育、防洪排涝的社会功能,还兼具水文调节、营养物循环、栖息地供应、动植物保护等生态功能,对城市发展的可持续性和维持生态环境的稳定性极具重大意义。随着城市化快速发展,筑堤、筑坝、渠化、截弯取直使得城市河流过度工程化,水面面积不断减少,这些非理性工程活动通过分解与简化河流的整体性,影响到自然的演进过程,并导致黑臭水体、河网破碎、洪水泛滥等河流“病症”频发,减弱了河流系统提供生态系统服务的能力,从而无法满足人类社会的发展需求。

  从20世纪60年代起,世界各地展开有关于河流生态修复的研究,以应对退化的河流生态系统,试图通过修复河流形态、功能、过程等人工手段,使得河流恢复到具有自我维持能力的健康状态。在一些发达国家,得益于研究方向的转变和实施机制的完善,河流生态修复已有大量的成果实践。虽然我国在该领域具有明显的后发优势,但在实践成果上却收效甚微,河流修复工程效能低下,难以满足人类社会日益增大的生态系统服务需求,缺失后期的管理评价和“负责机构”的监管是导致这一结果的主要原因。

  1河流生态修复的定义

  被称作河流生态系统的复合生态系统是由水体、陆地环境两部分构成的,包含动植物点状要素、水体河床等线状要素以及湖泊、支流、湿地等面状要素,是生态网络的重要组成部分。随着研究的深入,河流生态修复概念的界定也逐渐从简要的概括逐渐转向完备、系统的阐述,最早由TheNationalResearchCouncil(NRC)将它定义为“通过调整河流生态系统的形态、结构、功能以及潜在的生态过程,以达到恢复至接近原有的水生态条件”[1]。

  所以,为了揭示河流的本质特征,必须了解关键的组成结构和功能,以达到指导河流生态修复相关工作开展目的。彭静等[2]认为河流生态系统的主导变量为天然水流,修复工作应使水流尽可能接近天然流态,实现河流生态系统的自我维持。为了追求人类社会需求和河流生态系统之间的动态平衡,河流生态修复需要同时满足河流自我维持需求和与建成空间相互支撑的需求。当下,多数研究从定性或半定量角度来判断河流修复是否达到平衡状态,较强的主观性难以为河流修复工作提供借鉴参考。

  因此,为了对修复的成果进行有效监测与评估,河流生态修复的概念得到进一步扩展,其中“美国河流修复委员会”提出的相关概念定义:河流修复是通过调整生态环境要素,修复受损河流的结构、功能或生态系统的过程,并以近自然化、可持续为导向,提升河流系统的生态价值和生物多样性,以使生态修复后的河流更加趋近健康和稳定的状态[3]。这样定义明确了河流生态修复的方向,较强的可操作性得到了该领域研究人员的广泛认可。

  一言以蔽之,河流生态修复即以促使河流生态系统修复到近自然状态为导向,通过科学合理的人为干预、多目标的系统优化,即修复受损河流的结构、功能和生态过程,提升河流的生态环境承载力,使其具有系统韧性和动态可持续性,与此同时,提升河流系统的多种生态服务效能以及生物多样性水平,最终形成健康的水生态系统。

  2国内外研究进展

  国外河流生态修复的研究经历了从河岸形态、功能、生态过程到水流动力学的转变。20世纪下半叶,河流修复逐渐出现2个分支,分别为以鱼类为主体的形态修复和以改善水质为主的河流修复。首次河流生态修复实践,由德国ErnstBittmann完成,利用柳树、芦苇建立的生态护岸修复了莱茵河河流形态结构,随后,通过实施对排污量的有效控制,欧洲各国河流污染负荷均保持在承载力之内,水环境状态改善显著,但河流的生境条件、生物多样性水平依然处于较低水平[1]。

  所以,早期针对某一河流或河段的形态修复、水质污染治理、连通性等单方面的修复,并不能有效再造生物栖息环境、恢复生物多样性,使河流形成自我维持的状态,需要研究者从更加系统综合的角度来审视河流修复工作。随着大量研究的开展,河流生态修复从应用工程手段修复河流结构,以实现防洪、航运、净化、景观等单一功能转变到整个河流结构、功能与过程的系统修复[5],追求河流系统的整体健康。

  修复的尺度范围也打破了单一河流或河段的束缚,从河道本身延伸到河漫滩、滨岸带上,更加注重河流廊道和整个流域的系统性修复。近些年,水生态学成果更多地运用到河流修复中,自然流态对河流的重要性也得到了更多关注,MargaretPalmer等[6]通过对流态-生物群落-生态系统过程三者的相互联系和作用方式,阐述了河流恢复从中得到的生态效益,以及针对河流流态的研究将如何指导河流修复工作。

  我国对于河流生态修复相关的实践与研究进行了仅仅20余年,解决流域生态系统退化和水质污染问题是我国初期河流生态修复的紧要任务。相关理论成果如刘树坤[7-9]提出的“大水利”理论体系和董哲仁[10]提出的“生态水工学”概念框架,分别强调在修复中应用流域视角和生态学原理的重要性,为我国后期的河流生态修复奠定了理论基础。

  当下,我国河流生态修复工作中以水利以及环境专业为主导,体现在河流管理的工作主要由水利部负责,即政府的水行政主管部门,其主要职能是水利工程建设、水资源管理、水污染防治、防洪抗旱等。由于工作内容存在偏差,在一些情况下河湖治理保护工作极易被忽视。同时,城市规划蓝线范围不包括滨水景观空间,水利部门和环保部门无法对其进行统筹管理,致使河岸带生态化改造的空间有限[11]。

  多 数国家最早的河流修复主要由水利工程师负责,过度工程化的举措在某种程度上解决了防洪、排水等问题,但使得河流空间碎片化,割裂了城市与自然接触面。随着生态主义的兴起,人们寻求建立更加生态化治河的方法,甚至不考虑地方性的差异,走向了另一个极端“唯自然论”。人们偏好的游憩娱乐、观赏体验等需求得不到满足,最终导致河流生态系统和人类社会系统的二元对立。事实证明,过度工程化和过度自然化都是不可取的,人们在争论“人类需求”和“自然需求”孰轻孰重的过程中,不断求取两者的平衡共生的状态。所以,河流修复工作应该重视多专业、多部门合作和多规范统筹,通过“生态筑底,水岸共治”的理念,使得河流系统维持生态稳定的同时,也能够满足社会发展的偏好。

  3研究重要方向

  生态系统服务概念指人类从生态系统中所获得不同形式的物质产品及服务,通过分析其与空间的匹配关系,为前期规划、设计以及后期评估、管理提供了依据[12]。

  河流各项生态功能的实现状况可以反映河流系统的健康程度,所以河流生态修复的最终目的,实际是修复退化的生态系统功能,以使各类生态系统服务形成协调统一的关系。随着生态系统服务的研究扩展到景观生态学和空间规划领域,相关理论的结合更多地运用到河流生态修复中,主要有3个研究方向:①以流域尺度为视角的绿色基础设施建设;②以水生态空间管控为核心的土地利用规划;③以水陆动植物为关键的生物多样性保护。

  3.1绿色基础设施

  在城市绿色基础设施网络建设中,城市河道是重要的组成部分。近几年来,海内外学者将河流生态修复与城市绿色基础设施建设进行整体思考,俞孔坚等[13]以“生态治水”的理念构建河道绿色廊道、滨水绿地、运河公园等,恢复河道的自然过程并构建应对变化的韧性,为河流治理提供了新的修复理念和参照范例。

  李雅[14]认为城市河流生态修复有助于实现河道生态环境、社会环境及建成环境形成三位一体的共生关系,并且应该从“建立流域观念”“实施策略型修复和创新设计”“协同河道修复与社区复兴、城市更新和开发”及“将绿色基础设施的方法作为‘城市双修’的重要策略”4个视角实现城市河流修复,强调了城市河流修复是城市绿色基础设施建设的重要组成部分。

  2006年,由新加坡政府和德国戴水道设计公司共同参与制定的《ABC水设计导则》,更加注重城市规划设计方面的考虑。作为一个赤道型气候的国家,降雨密度高、持续时间短、分布面积小,但新加坡的集水区域却占总国土面积的2/3。导则中创造性地提出了具有净、滞、排和渗等不同功能的“ABC水设计元素”(ABCWatersdesignfeatures)。这些元素模块与屋顶、停车场、人行道等“流域元素”结合,与河道一起形成城市绿色基础设施的网络[11]。

  综上,河流修复要将河道作为城市重要的水体线性空间,并连接多种类型的生态节点,形成服务于城市水管理的绿色基础设施网络,具体的实施路径包括河流线性空间修复、生态节点构建、点线要素联动。首先,通过曝气复氧、底泥疏浚、生物强化、内源消解、鱼道重建等手段修复城市河网空间,然后建立生态塘、小微人工湿地系统等生态节点,促进城市水生态系统整体协调,最后整合水岸空间,明确水线、岸线、水边自然系统的过渡关系,通过各类绿色基础设施的建设,形成高效的河流生态修复的耦合系统。

  3.2土地利用规划

  城市自然水文循环过程极易受到建成环境、土地利用方式的干扰,造成水质恶化的面源污染就与土地利用情况关系密切,还包括不断增加的不透水铺装比例和工程化排水系统,以及改造地形形态,都会改变流域水流方向和养分循环,从而影响河流生态系统健康[12,15-17]。此外,城市用地布局的阶段固定性也成为水环境治理的一大障碍[18-21]。目前,为了佐证城市土地利用对水环境影响已经有较多实证研究。Brun和Band[22]认为20%的不透水面积比例,是导致地表径流快速增加的阈值。颜文涛等[23]认为城市水环境治理后反复恶化,生态成果难以维持的主要原因是土地利用和空间规划的框架缺乏针对水环境的绩效评估。

  为了使土地利用规划成为水环境管理的有效工具,应将水环境保护、监管、评估的目标整合进城市土地利用规划中,为城市河流、湿地等水环境管理创建空间政策框架。还有研究以城市小流域为研究尺度,通过形态布局、规模控制和类型引导3种途径确定土地利用格局,在此基础上,提出了优化水生态系统服务绩效的土地利用空间规划策略,可为改善城市河流生态修复提供空间框架,有助于采用规划手段有效应对城市河流问题[17]。河流修复是一个循序渐进的长期过程,不可急于求成,需要结合土地利用现状,合理规划、利用土地资源,在符合土地总体规划和发展要求的基础下,严守生态红线并预留充足的生态保护空间,让河流生态系统在修复过程中做功。

  3.3生物多样性保护

  随着景观生态学在河流修复中的应用,产生了河流廊道概念,即统筹水体、陆地及生物群落各生态要素,同时涵盖滨岸带和洪泛区等空间要素至河流网络中,共同构成河流廊道[24]。作为一种生态廊道,河流廊道同样具有多种生态功能,包括水质净化、营养循环、生物迁移和栖息地营造等[25],不仅可以保护生物多样性,而且能保持充足的鱼类产量[26-27]。

  河流廊道修复的具体形式分为2种,其一为基于形式的方法,即河道形态及结构修复,主要通过河道形态及结构的重建与设计,来减缓流速、固堤,同时提升河道内生境多样性[28];其二是基于过程的方法,通过修复河流连接度,实现河道系统的内部之间、系统与外部之间相互联通[13],主要有以下措施:①修复流域连接,即通过雨洪调蓄、源头截污、林地修复,降低河道洪峰流量和河岸冲刷,并减少水体污染物含量;②修复河道上、下游连接,即通过水道的疏通从而缝合破碎的水网结构,恢复鱼类洄游通道;③修复水体与陆地连接,即通过河岸自然化增加滨水空间,恢复河道的雨洪调蓄、生物廊道、水质净化等功能,并增加栖息地多样性[29]。

  此外,因水生生物对水环境变化较为敏感,有些学者在防止生物入侵的基础上,通过河流修复前后物种丰富度来进行修复评价,包括研究水生生物数量、种类及生物多样性指数。河流作为复合的生态系统,其修复结果与演替路径具有不确定性,在河流修复中遵循生物多样性原则来分析群落结构变化,可以从生态学角度分析修复工作的成功与否。如莱茵河的行动计划(RAP)和针对荷兰段的修复计划,都是通过改变鱼类的迁移路径,并以迁移鲑鱼的洄游作为标准来确定修复成效[30-31]。

  4研究热点

  4.1负反馈机制

  2012年国务院颁发的《关于实施最严格的水资源管理制度的意见》中强调了修复后评价对河流长效久治的重要性,但目前长期监测和评价修复效果的研究却较为缺乏。河流生态修复是一项长期过程,需要循序渐进的操作方案和实践性强的具体方法加以落实,包括前期的土地空间分析、影响因子识别以及河流健康评价,中期的修复地点与总体目标的确定、规划方案制定以及工作方法落实,后期的修复后生态监管与修复评价[32]。

  伴随着大量的河流生态恢复项目的实施,如何保证这些项目能够达到生态标准,成为了项目实施的关键点。因此,多数修复导则都增加了监测评价的内容,例如英、美等国的评估方式突出定量原则,首先确定监测目标作为构建指标体系的依据,接着通过相关数据进行采集和处理,最终计算修复成效。

  相比之下,新加坡的ABC水认证计划提高了修复监测评价的可操作性,其指标体系包含4种准则层——活力度、美丽度、清洁度以及创新度,每个准则层对应不同的指标层,并选择不同赋分标准,对每一指标层进行赋值[33]。后期监测评价的结果可作为判断修复工作是否有效的依据,同时也可促进生成负反馈机制,进一步完善前中期修复目标。林俊强等[32]认为“河流生态修复适宜性监管与技术推广”能够反馈河流修复的绩效,有助于在复杂且漫长的过程中形成有效的反馈机制,根据反馈信息进行合理调整,并逐步强化已完成的相关工作,可以最大化避免或降低负面影响。

  4.2整合机制

  河流生态修复的有效运作依赖于一套完整且系统的实施机制,机制以其复杂性和动态性的特点推动着河流修复的研究发展,主要表现在以下2个方面:其一,目前河流修复研究主要集中于单一要素,如河流健康评估、河流修复技术、法律法规的制定以及河流修复评价等,缺乏对于复杂的实施机制的全面探讨;其二,相关研究仅停留在静态层面,未对机制的各个组成部分之间相互协调的关系作出阐述,河流修复是动态的。

  所以修复机制相互作用的动态性也应受到重视。目前,领域内普遍认为健全的河流生态修复机制由5个部分构成,包括相关法律规范、负责机构、技术标准、资金来源和实施者,其中以负责机构为桥梁联结各部分进行运作。时至今日,我国越来越重视“河流修复的重要性,相关法律法规范更加注重生态环境建设,也积极学习国外先进的修复技术和工程手段,然而在项目实践上却收效甚微,究其原因其实正是缺乏一套完整系统的、多方面协调的实施机制。

  多数国家为研究和推动河流修复设立了负责机构,如美国的联合联邦机构河流修复工作组(TheFederalInteragencyStreamRestorationWorkingGroup,简称FISRWG)、英国的河流修复中心(TheRiverRestorationCentre,简称RRC)以及新加坡的公用事业局(PublicUtilitiesBoard,简称PUB)等,他们的性质不同,政府部门和非政府部门共存,同时一些跨国性的河流修复项目,还存在多政府部门合作的联合体,具体推动河流修复工作的方式包括:依靠行政力量、提供技术支持、发展合作关系、开展大型计划和开展教育培训5种形式[11]。

  另外,除了上述负责部门以外,还可能在不同实施项目中针对单一河流或河段而临时成立负责机构。相比之下,水利部主要承担了我国的河流管理工作,因其工作重心并非河流生态修复,所以容易导致被忽视的情况,无法满足社会、经济、生态三者共同需求,在河流修复中,水利部难以担任多种利益相关者沟通的桥梁,无法胜任“负责机构”的角色。因此,我国迫切需要推动“负责机构”的建设,来协调河流修复项目的实施。

  5结语

  国内外河流生态修复研究研究发展迅速,其共同点如下:

  ①从研究单一河流或河段转变到河流廊道和流域的综合研究;②在生态系统服务和空间规划方面取得大量研究成果;③研究完善的河流修复实施机制成为热点,即负反馈机制和整合机制。国内河流生态修复研究的差别主要存在于:①重视水利和环境工程,轻景观生态专业;②缺乏负责机构来统筹河流修复的实施,水利部门难以胜任这个角色;③修复后的河流没有建立监测评价体系,难以对河流修复后的成效作出综合评价。中国对于河流生态修复的研究起步较晚,具有后发优势,面对当今快速城市化带来的挑战,应努力完善自身的实施机制,使得生态修复工作能够促进河流系统综合效能的提升,而非只强调单一的生态系统服务类型,应着力交叉生态系统服务和空间规划领域的研究成果,促进河流内部生态环境稳态和城市建成区域发展的协同递进,最终形成“以水兴城、城水共荣”的可持续开发营建模式。

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  作者:胡光亮

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