草地生态学第八章-恢复生态学

第八章

草地恢复生态学

第一节恢复生态学的涵义及溯源

（一）历史沿革

恢复生态学(Restorationecology)研究起源于100多年前的山地、草原、森林和野生生物等自然资源的管理研究，Phipps于1883年出版了森林再造的专著，Leopold(1935)和他的助手在Wisconsin大学的植物园恢复了一个24hm2的草场，这是生态恢复较早的、较成功的的一个经典实验；随后他发现了或在维持及管理草场中的重要性，他认为生态恢复只是恢复的第一步，一个生态系统应该保持其整体型、完整性和生物群体的每理性就是好的，据此，它在1943年还提出了土壤健康（Landhealth）的的概念。1935年Clements发表了“实验生物学为公共服务”的学术论文，阐明了生态学可用于包括土地恢复在内的广泛领域。

50～60年代，欧洲、北美、亚洲一些国家以及中国都注意到了各自的生态环境问题，开展了一些工程生物措施相结合的矿山、水体和水土流失等环境恢复和治理工程，并积累了一些相当丰富的经验和成效。从60年代起，联合国教科文组织“人与生物圈计划”(MAB)，其中心议题与宗旨就是运用生态学的理论和方法，研究人与环境的相互关系，特别是人类活动对生态系统的影响，以及在人类影响下资源的管理、利用与恢复。

70年代以后，欧美的一些国家由于工业的发展，水体污染带来的问题日益严重，寻求这方面的治理方法和技术便成为研究热点，在此期间，虽然有部分国家开始定位观测和研究，但始终未能深入到机理层面。Farnworth在多年对热带雨林研究的基础上，于1973年正式提出了有关该方面的9个方向及研究方法。与此同时，日本的宫肋照利用植被演替的理论在一些城市开展了建设生态保护林的研究，人工促进森林的快速恢复。1975年在美国召开了“受损生态系统的恢复”国际研讨会，与会的几百名专家学者就受损生态系统恢复的相关机理、方法、管理等进行了探讨这是一次具有里程碑式的生态恢复会议。

1980年Cairns主编了《受损生态系统的恢复过程》一书，该书从不同角度探讨了不同角度受损生态系统恢复过程中重要的生态学理论和应用问题。就在这一年，Brandshaw和Chdwick出版了《Restorationofland,theEcologyandReclamationofderelictandDegradedland》，1983年在美国召开了“干扰与生态系统”国际研讨会，探讨了干扰度生态系统各个层次的影响，1984年在美国威斯康星大学成立了恢复生态学研讨会，强调了生态恢复中的理论与实践统一问题，并提出了恢复生态学在自然资源保护与开发利用中的桥梁作用。美国于1985年成立“恢复地球组织”，并相继开展了森林、草地、海岸带、矿迹地、流域、湿地等生态系统的恢复实践。1991年在澳大利亚举行了“热带退化林地的恢复”国际研讨会，1993年在香港举行了“华南退化坡地恢复与利用”国际研讨会。1996年，在瑞士召开了第一届世界恢复生态学大会，大会强调了恢复生态学的学科地位、恢复技术、学科链接以及恢复过程中的经济与社会内容的重要性等，从此以后，每年召开一次国际恢复生态学研讨会成为惯例。

我国的恢复生态学研究始于20世纪50～60年代，代表性的的工作有广东热带沿海侵蚀台地上开展的退化生态系统的植被恢复技术与机制研究，沙漠治理与植被固沙研究，南方红壤恢复与综合利用，湖泊生态系统恢复研究，高寒地区退化草甸的恢复与重建研究，红树林恢复与重建试验，羊草草原的演替与恢复重建，海南岛热带林地的植被恢复，废弃矿地和垃圾场的恢复对策研究等，近年来，在公路、铁路护坡植被恢复重建研究，特别是青藏高原铁路沿线植被的恢复重建方面进行了大量研究。20世纪90年代以来国内先后出版了《热带亚热带退化生态系统的植被恢复生态学研究》、《中国退化生态系统研究》、《恢复生态学导论》、《恢复中国的天然植被》、《恢复生态学》、《退化草地植被的恢复与重建技术》《热带亚热带恢复生态学研究与实践》等，初步构筑了适合中国国情的恢复生态学研究的理论框架和方法体系。第二节恢复生态学研究的对象与内容

（一）研究对象

恢复生态学（restorationecology）是一门关于生态恢复的学科，是研究生态系统退化的原因、退化生态系统恢复与重建的方法、生态学过程与机理的科学。而恢复生态学的研究对象，是那些在自然灾变和人类干扰压力条件下受到破坏的自然生态系统恢复与重建问题。由于这些受损的生态系统已经或将要影响到人类的生产与生活，因而具有强烈的应用背景和发展前景。从恢复生态学的研究对象来看，生态恢复的过程更强调的是人的主观能动性。

（二）主要研究内容

生态恢复是相对于退化生态系统而言的，但涉及的研究较为广泛，主要研究内容包括退化生态系统的类型与分布，退化的过程与原因，恢复的步骤与技术方法、结构与功能机制等。通常欲恢复退化的或者受损的生态系统，最主要的是如何设计或建立合理的生态组分（种类丰富度及多度）、结构（植被和土壤的垂直结构）、格局（生态系统成分的空间安排）、异质性（各组分有多个变量组成）和功能（诸如水、能量、物质流动等基本生态过程的表现）。

恢复生态学涉及的方面较多，是一门整合性较强的学科，也是一个复杂的系统工程，许多生态学理论均可以在这一个过程中得到检验和完善，因此有人又称其为“综合生态学”。它的学科理论和研究方法大多来自于生物学、地学、经济学、数学、社会学等自然科学，以及工程学、林学、农学、草学、环境学、海洋学等应用学科。生态恢复的过程和机制研究，必须从不同的层次上来进行，包括宏观的的生物圈、景观水平到微观的分子水平。但是要有效地进行生态恢复，首先是要保护当前的自然生态系统，了解其结构、功能与演替的动态过程，因为保护并理解自然生态系统在生态恢复中具有重要的参考价值；其次是对现有的退化生态系统进行生态恢复，尤其是那些有人类关系密切的生态系统；第三是对现有的生态系统进行合理管理，避免出现新的退化；第四是保持区域文化的可持续发展，以及保持景观层次的整合性、生物多样性及良好的生态环境等。

作为生态学的一个重要分支学科，恢复生态学与生态学之间既有相同点，也存在着某些方面的差异，是整体与个体、普遍与一般的关系。他们的相同之处都是以生态系统作为基本研究单位，且有许多共同的理论和方法；二者区别在于生态学更强调自然性和理论性，而恢复生态学则强调人为干扰及其应用性。现代的恢复生态学研究内容和范围都有了新的拓展，除了传统生态系统的结构、功能以及生态系统的内在过程与机制研究以外，更加注重对生态系统的健康诊断及可持续性，生态系统的稳定性、多样性、抗逆性、生产力，干扰响应机制及先锋与顶级生态系统的发生、发展机理与演替规律的研究，生态系统退化过程的动态监测、模拟、预警、预测及评价指标体系研究。在应用方面则注重退化生态系统恢复与重建的关键技术体系研究，生态系统的结构与功能的优化配置与重构及其调控技术研究，物种与生物多样性的恢复与维持技术，生态工程设计与实施技术，环境规划与景观生态规划技术，典型退化生态系统的优化模式试验示范与推广研究等。第三节恢复生态学的基本理论

(一)退化生态系统

生态系统的结构和功能在干扰的作用下发生位移（displacement），位移的结果打破了原有生态系统的平衡状态，使系统的结构和功能发生变化或者出现障碍，形成破坏性波动或恶性循环，这样的生态系统则被称为受害生态系统（damagedecosystem）或者是退化生态系统（degradedecosystem）。实际上，生态系统时刻都在发生变化，这种变化既有正向的也有负向的，但是其动态发展在与结构的演替变化，而结构的变化最终引起功能的变化，如物种组成、各种速率过程、复杂程度和随时间推移而变化的组分变化，相应结构变化的物质循环和能量流动等功能动态平衡，正常的生态系统是生物群落与自然环境取得平衡位置作一定范围的波动，或者是围绕某一阈值振动，而当外界的干扰超过系统的这一阈值，并有一定的时空特征，就会引起整个生态系统的变化，这也正是我们经常用到的演替理论。因此从某种意义上讲，退化过程是一种逆行演替过程，尽管有时这一过程与正向演替并非相悖吻合。

退化生态系统形成的原因极为复杂，既有人为因素也有自然因素，因此，退化生态系统的类型繁多，主要有以下几种类型：（1）森林采伐迹地，这是由于人为干扰所造成的退化类型，其退化状态岁采伐强度和频度而已；（2）退化草地，由于过度放牧、盲目开垦、滥挖滥搂及其它一些不合理利用方式所导致；（3）弃耕地，是人类对自然植被的破坏性干扰类型，其退化状态随弃耕的时间而异；（4）采矿废弃地，是指为采矿活动所破坏的、非经治理而无法使用的土地；（5）沙漠化土地，也是由于人类的不合理利用或者气候变化所引起的；（6）裸地，有原生裸地和次生裸地，通常是由潮湿、干旱、盐渍化、有机质缺乏、基质强度移动等极端条件所造成的。此外，还有一些其他退化生态系统类型，如退化湿地、湖泊、江河及城市垃圾堆放场等。(二)干扰与生态系统退化

1.干扰：是生态系统退化的最原始、也是最根本的推动力，干扰作为生命系统的结构、动态和景观格局的最基本塑造力，不但影响着生命系统的本身，同时也改变了生命系统所处环境系统。干扰使生态系统发生退化的主要机制是在干扰的压力下，系统的结构与功能发生变化，干扰的压力不仅仅在群落的物种多样性的发生与维持中起重要作用，而且在生物进化中也是重要的选择压力；在功能过程中，干扰能减弱生态系统的功能过程，甚至使生态系统的功能丧失。

任何一种自然环境因子，只要是生命系统的作用强度超过正常情况下出现的强度，就可能造成生命系统的结构和功能以及相应的环境发生变化，这就是发生了干扰，这些因子就被称之为干扰因子。

2.主要干扰因子：气候性干扰、土壤性干扰、地因性干扰、动物性干扰、植物性干扰、污染性干扰和火干扰等。这些干扰因子相互组合有时就构成了干扰体系，具体见下图：3.干扰的基本特征：

（1）不连续性和规律性，由于干扰本身具有非确定性的突发或时间上的不规则特点，表现出干扰的离散性和不连续性；但对于许多自然干扰因子和干扰结果来说，却存在着统计意义上的周期规律性，我们因此可以将生态系统的演替过程分成干扰阶段或非干扰阶段；

（2）干扰效应的时空异质性，一般来说，干扰量与干扰效应并不总是呈正相关关系，这是的异质性和生态系统间的异质性所决定的；

（3）多源性和相关性，这是因为对生态系统的干扰动力来源是多种多样的，而在这些多样性中却又存在着相关性；

（4）干扰因子的协同作用与主导干扰因子，自然干扰因素并不是单独发挥作用的，当多个干扰因子同时出现时，往往会有协同作用而增加对群落的影响力，当然在这些干扰因子中，通常有一个或几个为主要干扰因子，其他干扰因子发挥的作用较弱。(三)恢复生态学的理论基础

生态恢复是一项庞杂的系统工程，这是因为生态系统本身就是由许多生态因子所决定的开放系统，它被物流、能流和信息流所穿过，通过复杂的生物网结构和多样化的生态环境相互作用，而展示一定的生态功能。因此，对一个受损生态系统进行修复，不仅要从其结构上进行修复，而且还要对受损的生态环境进行修复。恢复生态学应用了许多学科的理论，但最主要的还是生态学理论，这些理论主要有，限制性因子原理（生态系统恢复的关键因子）、热力学定律（耗散结构理论及确定生态系统能量流动特征）、种群密度制约及分布格局原理（物种组合及空间配置原理）、生态适应性理论（乡土种对群落恢复的重要性）、生态位原理、演替理论、植物入侵理论、生物多样性原理、干扰理论、景观生态学理论等。

尽管恢复生态学应用的理论较多，但迄今为止，自我设计与人为设计理论（Self-designversusdesigntheory）是唯一从恢复生态学中产生的理论。这一理论的主要观点为：只要是有足够的时间，随着时间的推移，退化生态系统将根据环境条件合理组织自己并会最终改变其组份。而人为设计理论认为，通过工程方法和植物重建可以直接恢复退化生态系统，但恢复的类型可能是多种多样的。这一理论把物种的生活史作为植被恢复的重要因子，并认为调整物种生活史的方法就可以加速植被的恢复。这两种理论的不同点在于自我设计理论把把恢复放在生态系统层次考虑，未考虑到退化生态系统中有可能出现种子库缺乏的类型，其结果只能是环境决定的群落；而人为设计理论把恢复放在个体或种群的层次加以考虑，更强调了人的主观能动性，恢复的结果具有不确定性。其实，现代的生态恢复观点是在对受损生态系统健康评价基础上，再采取相应的恢复技术措施，一般来说，中、轻度退化的生态系统，也就是说生态系统的结构或者功能尚未遭到根本性破坏，这种情况下靠自然恢复是有效的，而当生态系统受损严重时，靠自然恢复比较困难，就应该考虑采用人为设计或者完全重建的方法。当然，这两种方法应用时也不是截然分开的，比如对天然草原进行补播和天然次生林进行补种，就是对上述二种恢复理论和方法的有机结合。第四节恢复生态学的发展趋势

恢复生态学的从崛起到现在也仅仅有20几年的时间，然而，它的发展速度却是惊人的，特别是由于社会发展和实践的极大需求，该学科已成为当前科学发展的前沿领域之一。纵观学科的形成及发展历史，恢复生态学研究大致可以分成三个阶段：20世纪80年代以前是恢复生态学的奠基时期，实际上，在30年代以后，生态恢复就已为学界所注意，一些学者也曾开展了奠基性的研究工作，但是当时并未给予明确的定义；80年代～90年代中期，学科的形成与发展时期，这一阶段的最显著标志，就是在国际上成立了一些相关的学术组织（如“国际恢复生态学会”），而且每年召开一次全球性的恢复生态学大会，会议的学术动态基本上代表着学科的前沿发展动态；90年代中后期，恢复生态学进入快速发展和相对完善阶段，最主要的标志是学科的理论框架和方法体系初步形成，而且恢复生态学的理论技术得到更为广泛的应用，从局部到区域，从国家到洲际乃至全球，研究与合作的范围不断扩大。

近年来，恢复生态学的研究与应用不断出现一些新的气象，标志着学科体系的不断完善和学科理论的成熟。2000年在英国召开的国际恢复生态学大会，以“创新理论深入推进恢复生态学的自然与社会实践”为主题，会议还特别提出恢复生态学的生态哲学观，强调恢复生态学研究的自然与社会人文交叉，强调科学工作者、政府与民众的充分合作。2001年在加拿大召开的第13届国际恢复生态学大会，其科学主题是“跨域边界的生态学恢复”，强调生态系统的结构与功能只有自然边界而没有政治边界，自然地理的区域统一性决定了生态恢复行动跨域政治边界的必要性，有效的区域或流域生态恢复往往需要多个政区以至多个国家的共同参与，同时强调恢复生态学涉及众多学科，需要多学科的理论集成。2002在美国召开的14届国际恢复生态学年会，以“了解和恢复生态系统”为学科主题，强调了生态系统层次研究的重要性，因为生态系统是开展生态学以及其他分支学科研究工作的最基本而完整的单元，只有了解其结构与功能，才能了解在各种环境条件下，尤其是当今人类关心的全球气候变化条件下的发展趋势；特别是随着人类对生态产品和和生态服务的要求增加，生态系统的经营管理变得越来越重要，对生态系统的完整了解是生态恢复实践的重要前提。

第五节生态恢复的一般过程

生态恢复项目的使命是重建一个包含足够的生物多样性的功能生态系统,使其能依赖自然过程和对变化的环境条件的反映向成熟生态系统演化,其中重要的生物多样性属性是物种丰富度和群落结构。一个具体项目的实施，包括以下过程概念性规划、基本任务、实施计划、实施任务、实施后任务和效果评价。

一、概念性规划

（一）确定恢复的依据和实施规划的策略。

1.确定项目实施点和边界,特别是要明确所有权;

2.确定恢复的必要,出现的状况和带来的利益;

3.确定项目经费来源、生物资源需要、劳力资源和装备需要；

4.确定恢复的生态系统类型和恢复项目的类型;

5.确定恢复的目标,使之贴近社会和文化价值;

6.确定所需要的物理立地条件,调整和启动所需要的刺激要素;

7.生物干涉和现实、未来景观限制;

8.确定项目周期和政府的许可;

9.确定长期保护和管理的策略

（二）重视外来物种的入侵

1.正确认识外来物种；

2.清除那些对当地种有重大威胁的物种；

3.小心呵护建植的物种。

二、生态恢复的基本任务

（一）确定责任机构

1.担任恢复技术的首席专家；

2.组织一支过硬的技术团队。

（二）必要的前期准备

1.准备基本预算，并将时间和资源，同经费一起分配到相应的任务；

2.

记录项目点的历史、现状和描述生物区系，必要时进行实施前的监测；

3.收集基本生态信息，特别是关键种生理生态信息，并将参照系统概念化；

（三）基本的评价

1.

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