第4章-生态恢复技术2016

第四章

生态恢复技术生态恢复的目标与生态恢复的基本原则生态恢复的临界阈值理论生态恢复的过程生态恢复的技术问题生态恢复成功的标准生态恢复的时间生态恢复的价值内

容一、改善退化生态系统的不同方案复垦（替代）生态系统结构（物种、复杂性等）生态系统功能（生物量、养分含量、循环等）原生生态系统自然过程（原生演替）退化生态系统恢复修复

Restoration（恢复）Rehabilitation（修复）Remediation（整治）Reclamation（复垦）

Hobbs和Norton（1996）认为恢复退化生态系统的目标包括：建立合理的内容组成(种类丰富度及多度)结构(植被和土壤的垂直结构)格局(生态系统成分的水平安排)异质性(各组分由多个变量组成)功能(诸如水、能量、物质流动等基本生态

过程的表现)Parker（1997）认为，恢复的长期目标应是生态系统自身可持续性的恢复。

但由于这个目标的时间尺度太大，加上生态系统是开放的，可能会导致恢复后的系统状态与原状态不同。

①实现生态系统的地表基底稳定性;②恢复植被和土壤，保证一定的植被覆盖率和

土壤肥力；③增加种类组成和生物多样性；④实现生物群落的恢复，提高生态系统的生产

力和自我维持能力；⑤减少或控制环境污染；⑥增加视觉和美学享受。生态恢复的目标地理学原则区域性原则差异性原则地带性原则自然法则生态学原则主导生态因子原则限制性与耐性定律能量流动与物质循环原则种群密度制约与物种相互作用原则生态位与生物互补原则边缘效应与干扰原则生态演替原则生物多样性原则食物链与食物网原则缀块-廊道-基底的景观格局原则空间异质性原则时空尺度与等级理论原则生态恢复与重建的原则一般包括自然法则、社会经济原则和美学原则等3个方面。生态恢复的基本原则

退化生态系统的恢复与重建要求在遵循自然规律的基础上，通过人类的作用，根据技术上适当、经济上可行、社会能够接受的原则，使受害或退化生态系统重新获得健康并有益于人类生存与生活的生态系统重构或再生过程。自然法则系统学原则整体原则协同恢复重建原则耗散结构与开放性原则可控性原则经济技术原则经济可行性与可承受性原则技术可操作性原则社会可接受性原则无害化原则最小风险原则生物、生态与工程技术相结合原则效益原则可持续发展原则美学原则景观美学原则健康原则精神文化娱悦原则生态恢复的基本原则生态恢复——通过排除干扰、加速生物组分变化和启动演替进程→退化生态系统→恢复到某种理想的状态。首先需要建立生产者亚系统（植被）→由生产者进行光合作用→固定能量→驱动水分循环→带动营养物质循环。

二、生态恢复的临界阈值理论（余作岳等，1996）退化生态系统恢复的方向Hobbs和Mooney（1993）指出——退化生态系统可能的发展方向包括：

持续退化；

保持原状；

恢复到一定状态后退化；

恢复到介于退化与人们可接受状态之间

的替代状态；

恢复到理想状态。持续退化中途退化替代状态可接受状态理想状态退化状态极度退化状态时间复杂性与功能水平也有学者认为：退化生态系统并不总是沿着一定的方向恢复→也可能在几个方向之间→进行转化→达到复合稳定状态（meta-stablestates）。Hobbs&Norton（1996）提出了临界阈值理论→假设生态系统有4种可选择的状态：

生态恢复的每一个阶段都有一个阈值→越过的阶段越多（包含的阈值越多）→恢复的投入就要越大。临界阈值理论是生态恢复的机理性问题。有关临界阈值的精确计算问题还不完善，仍需进一步研究。生态恢复的临界阈值理论“稳态转换”最初是在陆地群落中被确定，并随后由JohnD．Isaacs引入海洋生态系统，用以描述影响海洋渔业产量发生的变化及其驱动因素。然而，这一概念却并未在生态学界得到广泛接受。对生态系统稳态转换的关注首先来自研究人员对恢复力和阈值的界定。1973年，美国学者CrawfordS．Holling发表了Resilience

and

stability

of

ecological

systems一文，阐述了生态系统对胁迫的响应能力并引入恢复力一词帮助人们理解生态系统对外界胁迫的非线性特征。随后，美国学者RobertM．May在1977年的Nature上发表了Thresholds

and

breakpoints

in

ecosystems

with

a

multiplicity

of

stable

states，阐述了生态系统的多稳态变化和阈值概念，并指出：生态系统的恢复力可以衡量系统在受到外界胁迫时的承载容量，而阈值则反映生态系统可能发生状态变化的临界点。。阈值理论初步奠定了对于稳态转换的一致认知：持续的外来胁迫会降低生态系统的恢复力，从而使其超过阈值的范围并发生稳态转换［11］。在稳态转换的研究中，目前得到最广泛关注的是“多稳态”理论，分别为平滑型、突变型和不连续变化型；并由此推测生态系统可能具有多个稳定状态，而稳态转换就是生态系统从一个特征趋势或状态转变为另外一个不同的趋势或状态的转变过程。该理论得到广泛接受，此后的大量研究都是基于此而开展的。尽管目前对稳态转换有了基本的共识，但在如何界定其概念和内涵上却有不同的表述。Carpenter等定义湖泊发生稳态转换是指系统组织和结构发生迅速变化以及因此而引发的一系列后果［20］；Collie等在海洋生态系统稳态转换的研究中，将其定义为“海洋空间发生的低频率、高振幅的变动，并且该变动会在海洋的一些营养水平变动中得以传播，因而对生物量产生的影响尤为显著”；Cury等提出“稳态转换是指海洋生态系统的结构和功能发生突然性改变，这些改变影响了一些生物的生存进而导致了一个稳定状态的生成”［22］。后二者的研究系统介绍了海洋生态系统稳态转换的现象与内涵，为揭示其驱动机制提供有价值的参考。此外，还有研究人员大胆地提出将湖泊作为海洋的微观形式来进行研究，因此适用海洋的研究方法可被用于湖泊的研究中，从而为浅水湖泊稳态转换的研究另辟一条蹊径［23］。生态恢复临界阈值理论实例例如在亚热带区域——顶级植被→常绿阔叶林→干扰→逐渐发生退化：落叶阔叶林→针阔混交林→针叶林→灌草丛。退化特点：每一个阶段都有一个阈值→每越过一个阈值→恢复时的投入就要加大→特别是从灌草丛开始恢复→投入更大（彭少麟，1996）。

在生态恢复实践中，确定一些重要的程序能更好地指导生态恢复实践和生态系统管理。

生态恢复中的关键过程包括：三、生态恢复的过程（1）明确恢复对象的时空范围；（2）确定引起生态系统退化的原因和机制；

（3）找出控制或减缓生态退化的方法；（4）确定恢复与重建生态系统的结构和功能目

标→认识恢复的生态学局限性，以及实施

恢复的社会、经济和其它障碍因素；（5）制定简单易行的测量标准→观测生态系统

之演替进程；

（6）提出相应尺度上实施恢复目标的可行技术；（7）具体的恢复实践；（8）与土地规划和管理部门→交流有关理论和方

法；（9）监测生态恢复中的关键变量与过程→评价恢复

进程→必要时可对恢复方案进行适当调整。

需要根据评价问题的角度、可接受的时间期限、能够承受的经济代价以及需要解决的社会问题等诸多方面的条件和要求→进行生态恢复。技术→生态恢复所必须依赖的基础条件之一——恢复与重建技术→恢复生态学研究的重点领域。

四、生态恢复技术有关生态恢复的2种极端观点

就对技术的依赖和科技进步对生态恢复的作用而言→目前存在两种观点：一种极端的观点认为：生态恢复→工程学的一个分支。基本思路→按照固定的计划和高准确度→建立生态系统的结构→但不考虑恢复进程中生态系统的动态变化。

另一种极端的观点：出自野生生物保护者→试图只通过手工工具和一些志愿者的参与→恢复生态系统——这种方法→进展极为缓慢→只能在小范围、短时间内进行。恢复生态学——必须改善科学技术的应用→在这两种极端观点中→寻求统一。

生态恢复技术的开发特点（1）生态恢复→必须开发各种低价位的、可大规模应用的技术→并且在比较贫困的国家和地区→具有经济上的可行性和社会上的可接受性。（2）生态恢复→重视一系列技术所组成的体系→而不是某项技术的单独应用。

不同退化生态系统→存在地域差异性——外部干扰类型和强度→也存在差异→生态系统所表现的退化类型、阶段、过程及响应机理→各不相同。（3）在生态恢复过程中→应针对不同的恢复目标和侧重点→开发和选用适当的技术→进行合理的组装配套。需要根据评价问题的角度、可接受的时间期限、能够承受的经济代价以及需要解决的社会问题等诸多方面的条件和要求→进行生态恢复。技术→生态恢复所必须依赖的基础条件之一——恢复与重建技术→恢复生态学研究的重点领域。

四、生态恢复技术生态恢复的技术体系就技术体系而言，生态恢复的技术可归纳为：工程技术农业技术生物技术（一）工程技术工程技术：主要针对自然干扰和土壤恢复→在极度退化生态系统的恢复与重建方面非常重要。1、退化土地与土壤恢复方面的

工程技术2、水分利用与节水工程技术3、生态工程1、退化土地及土壤恢复方面的

主要工程技术（1）土壤风蚀及沙漠化土地的恢复技术（2）水土流失治理技术（3）采矿废弃地恢复工程技术（4）水体恢复工程技术（1）土壤风蚀及沙漠化土地

的恢复技术“输”——利用自然力→把流沙输送到人们期望的地方去。例如：水力拉沙造田等。“导”——通过人工措施→使流沙按照人们规定的方向移动→实现对某些特殊区域的保护。（2）水土流失治理技术解除土壤侵蚀干扰的一整套工程措施。目的：减轻水力侵蚀→保护生草层→为生物生存→提供稳定生长发育的基质。目前常用的工程技术包括——截流沟，鱼鳞坑，梯田，沟边防护、谷坊、淤地坝等。（3）采矿废弃地恢复工程技术a.复垦土壤侵蚀控制技术。

b.人造表土工程技术。

c.多层覆盖技术。d.特殊隔离技术。

e.垃圾填埋场气体排除技术。

2、水分利用与节水工程技术目前广泛应用的水分利用与节水工程技术主要有——覆盖技术；集流技术；防渗技术；节水灌溉技术。覆盖技术覆盖技术——在地表覆盖一层隔离层→减少土壤水分蒸发，常用方法——砾石覆盖；秸秆覆盖；塑料薄膜覆盖（地膜技术）；抗蒸腾技术——渠道加盖，管道输水，使用抗蒸腾剂（例如黄腐酸）。集流技术集流技术——把降水通过一定的措施接纳、保存到土壤中，常用方法——集流面集流；钻孔集流；柱穴集流（如黄土高原的水窖）。防渗技术防渗技术——在植物生长的土壤层下→铺垫一层防渗物质→减少土壤水分下渗流失，常用方法——薄膜防渗；粘土防渗；渠道衬砌→有效地防治土地盐碱化。节水灌溉技术在保障植物根际水分基本需求的前提下→尽可能减少土壤水分的无效蒸发和向下渗漏→提高土壤水分的利用率——喷灌技术；滴灌技术；微渗技术。3、生态工程应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理，结构与功能协调原则，结合系统分析的最优化方法，设计的促进分层多级利用物质的生产工艺系统（马世骏，1984，1987，1989）。生态工程之目标——在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防治环境污染，达到经济效益与生态效益同步协调发展——它既可以是纵向的层次结构，也可以发展为几个纵向工艺链索横向联系而成的网状工程系统。

（二）农业技术农业技术——在生态恢复工作中所需要的一系列耕作、栽培和管理技术→涉及到常规农业、生态农业、畜牧养殖业、林果业、渔业和产品加工业等多个领域。在生态恢复过程中→把这些技术集成之后→适宜的农业综合技术体系→产品增值。

（三）生物技术生物技术——转基因育种、克隆技术、细胞工程等生物工程技术。在生态恢复过程中→需要运用生物技术，提供新的生态幅更宽、抗逆性更强的生物物种——并大量、快速地提供恢复所需的植物繁殖体或幼苗。生态恢复技术体系的另一种分类1、环境要素（土壤、水体、大气）的恢复技术；2、生物要素（物种、种群、群落）的恢复技术；3、生态系统与景观（结构、功能）的总体规划、

设计与组装技术；生物系统非生物系统生态系统消费者（各级动物）生产者（主指植物）分解者（土壤动物、微生物、菌类）岩石土壤水体气体水体恢复技术（如控制污染、去除富营养化、换水、排涝、灌溉技术等）；

土壤恢复技术（如耕作制度和方式的改变、测土施肥、土壤改良、表土稳定、控制水土流失、换土及分解污染物等）；大气环境改善技术（如除尘、烟尘吸收吸附、生物和化学吸附等）。无机环境的恢复技术生物系统的恢复技术植被的恢复与重建（物种引入、品种改良、植物快速繁育、物种选择及空间配置、种植养护技术和草地、林分的改造技术等）。消费者与分解者的重建技术（捕食者的引进、病虫害的控制和微生物的引种及控制等）。景观的总体规划、设计3S技术（RS、GIS、GPS）支持→生态规划技术。

社会学、经济学、物流理论等学科原理的应用。

北方草原的主体位于内蒙古自治区，它的北面与蒙古国的草原相连接，东面是黑龙江省和吉林省西部的松嫩平原草原，南面与冀北、晋北、陕北、宁夏和甘肃东部的草原相连，西边以贺兰山为界。草原区的北部是蒙古族为主的草原牧区，东部和南部是多民族聚居的农牧交错区。北方草原的总面积约为97万km2，约占中国国土（陆地）面积的10％

北方农牧交错带各自然单元土地利用变化方向中温带半干旱地区、暖温带亚湿润地区、中温带干旱地区的土地利用变化方向以耕地转为草地为主；暖温带半干旱地区和中温带亚湿润地区的土地利用变化方向则以草地转化为耕地为主；高原亚寒带半干旱地区的土地利用变化方向为草地转为林地。

森林公园现状分析自然保护区现状分析生态承载力分析发展协调度分析珠三角城镇群协调发展规划案例从技术层面上考虑生态恢复在技术层面上→生态恢复最主要的问题→综合考虑实际情况。充分发挥多种技术的优势→通过研究与实践，尽快地恢复生态系统的结构→进而恢复其功能，实现生态、经济、社会效益和美学效果的统一。恢复生态学家、资源管理者、政策制定者及公众→都希望知道恢复成功的标准何在？生态系统的复杂性及动态特征→复杂化。SER建议——比较恢复系统与参照系统→生物多样性、群落结构、生态系统功能、干扰体系以及非生物的生态服务功能。五、生态恢复成功的标准外国学者们的生态恢复成功标准Cairns（1977）认为——恢复至少要包括被公众社会感觉到的，并被确认恢复到可用的程度，恢复到初始的结构与功能条件（尽管组成这个结构的元素→可能与初始状态明显不同）。Bradshaw（1987）提出了5个生态恢复的判断标准：（1）可持续性，能自然更新；（2）不可入侵性，像自然群落一样，能抵制入侵；（3）生产力与自然群落一样高；（4）营养保持力；（5）生物（植物、动物、微生物）之间具有一定的相互作用。著名林学家Lamd（1994）认为→生态恢复的指标体系应该包括造林产量指标、生态学指标和社会经济指标3个方面：（1）造林产量指标→幼苗成活率、幼苗生长高度、基径与蓄积增长速率、种植密度和病虫害控制情况等方面的指标；（2）生态学指标→包括期望物种的出现情况、适当的植物和动物多样性、自然更新能否发生、适当数量的固氮树种、目标种是否出现、

适当的植被覆盖、土壤表面的稳定性、土壤有机质含量、地面水与地下水的保持状况等方面的指标；（3）社会经济指标→包括当地人口稳定情况、商品价格稳定情况、食物和能源供应是否充足、农林牧各业的协调发展情况、恢复的经济效益与支出是否达到平衡、对肥料和除草剂的需求情况等方面的指标。David（1996）&Margaret（1997）认为：

恢复→使生态系统的结构和功能恢复到接近其受干扰以前的程度。包括——1、结构恢复指标→乡土物种的丰富度；2、功能恢复指标→包括初级生产力水平、次级生产力水平、食物网结构的复杂程度、在物种组成与生态系统过程中存在反馈机制→群落结构与功能间的联结→已经形成。Constanza等（1998）认为——评价生态系统健康的指标→如活力、恢复力和组织性等→完全可以用于生态恢复的评价。景观生态学中的一些方法→可以为生态恢复的评价提供参考。我国学者的生态恢复成功标准任海和彭少麟（1998）——根据热带人工林恢复的长期定位研究指出：森林恢复的标准→结构（物种的数量、密度和生物量）、功能（植物、动物和微生物之间→形成食物网、生产力和土壤肥力水平）和动态（可自然更新并自行演替）。Careher和Knapp（1995）——采用记分卡的方法评价生态恢复的程度。假设生态系统中有5个重要的参数——种类、空间层次、生产力、传粉或播种者、种子产量及种子库时空动态；定量评价生态恢复的方法案例每个参数——都有一定的波动幅度。比较退化生态系统→在生态恢复过程中每个参数的值→观察其是否已经达到正常的波动范围或者与该范围相比存在的差距→评价恢复的进展情况。恢复成功阈值退化生态系统的恢复原生生态系统种类空间层次生产力播种者种子库动态而恢复退化生态系统的最终目标→恢复并维持生态系统的服务功能。提出一个不完善的生态系统的服务功能框架：

生态系统的产品、生物多样性、为人类创造和丰富精神生活和文化生活、自然杀虫、传播种子、营养循环、保护海岸带、防止紫外线的辐射、帮助调节气候等（董全，1999；Constanza，1997；Daily，1997）。与自然生物群落的形成或演替时间相比较→退化生态系统的恢复时间→相对要短一些。恢复时间的长短（取决于什么？）→与退化生态系统的类型、退化程度、恢复方向和人为促进程度等因素密切相关。

六、生态恢复的时间生态恢复的时间规律一般，退化程度轻的生态系统→恢复时间要短些；湿热地带的恢复干冷地带的恢复农田和草地的恢复森林的恢复生物群落的恢复土壤的恢复《《《快慢Daily（1995）估测的

生态系统恢复时间火山爆发后的土壤恢复→具有生产力的土地→3000~12000年；弃耕农田的恢复→20年；弃牧草地的恢复→4~8年；改良退化土地→5~100年（依据人类的影响程度而定）。Daily（1995）估测的

生态系统恢复时间轻度退化生态系统的恢复→3~10年；中度退化生态系统的恢复→10~20年；严重退化生态系统的恢复→50~100年；极度退化生态系统的恢复→200年以上。我国学者估测的

生态系统恢复时间余作岳、彭少麟通过试验和模拟认为——热带极度退化生态系统（没有A层土壤、面积大、缺乏种源）→不能自然恢复——在一定人工启动下：40年→恢复森林生态系统的结构；100年→恢复其生物量；140年→恢复土壤肥力及大部分功能。七、生态恢复的价值问题：生态恢复合算吗？（成本和收益的问题）生态恢复不仅具有实际上的经济利益，同时它还有广泛不为大众所充分认识的利益。诸如生态系统的物质和营养循环净化环境、碳的吸收与固定生态恢复的成本变化范围很大→主要取决于恢复区的大小、退化程度、恢复目标、整治行为的范围、原材料的可利用性以及技术实施的难度等。最高的恢复成本（截止2000年）→对California污染湿地的恢复→超过5×105$/hm2。

我国的生态恢复成本低肥力农田的恢复→40~60$/hm2湿地恢复→950~1900$/hm2废弃露天矿→1900~2600$/hm2废弃井下开采矿场的恢复→7800$/hm2

说明恢复成本→往往高于恢复区土地的潜在经济价值

。年均产值150$/hm2恢复成本和土地价值（×1000$/hm2）土地类型

自然保护区/林地

农业用地

城镇建设

未指定最终用途污染的土地9~2538135湿地

4—102~7697采矿地5~25土地价值**1~22~5100~2000**上述土地价值系根据欧洲工业化国家和蒙古国，针对不同类型废弃土地或被损坏土地，按照其未来的用途而总结的恢复成本。恢复成本超过潜在土地价值

的直接后果恢复成本超过潜在的土地价值→一个严重问题。——陆地表面需要大面积、大规模的生态恢复或修复，但在纯经济领域→这样的工作又是不合理的。——意味着该生态恢复项目依赖于不正常的经济环境运行。

高收益项目与生态恢复成本恢复的如果是，具有高土地价值或高额投资回报的项目→如住宅区、公路建设、输油管线、矿物开采等→恢复成本与经济价值相吻合→成本就显得并不重要→即任何的恢复成本都是合理的——因为这些经济活动→通常都具有非常高的经济收益。

对于生态恢复价值的全面理解显然，如果恢复仅仅是在这种特殊的成本与价值关系的背景下进行→对于生态恢复工作→灾难和否定。因为，不能只以土地本身的经济价值→衡量恢复的经济价值——必须在充分了解生态经济学原理的基础上→对生态恢复的完全价值→进行全面的认识。1、生态恢复的生态经济价值首先，从生态经济学的角度——一般土地的价值主要来自于生态系统服务的利益——如果在持续的人为干扰下，生态破坏不断加深，极度退化→失去相应的生态服务功能→也就失去了相应的生态价值。

生态恢复的生态经济价值生态退化→作为一种实际发生的成本＝

（除去直接产品的价值外）耗费人类健康的损失+公众防治环境污染的投入+恢复与保护自然生态系统的投入。而生态恢复→则可以使退化生态