1、现 代 生 态 学课 程 论 文题 目 生态系统恢复与重建的一般方法研究姓 名 胡节 学 号 2016303110112专 业 水土保持与荒漠化防治中国武汉2016 年 12 月生态系统恢复与重建的一般方法研究以休斯顿植物园与自然中心修复规划为例胡节摘要：随着经济的飞速发展，伴随而来越来越严重的生态问题，环境污染、景观破坏、土地退化、生物多样性丧失等问题增加了对生态系统的胁迫。人类面临着合理恢复、保护和开发自然资源的挑战，因此对破坏的生态系统的恢复和重建成为现代研究中最引人注目的趋势之一。本文从生态恢复性的概念及其发展历程着手，探讨出了生态恢复性设计的一般方法，并以休斯顿植物园与自然中心规划为
2、例详细分析了其从诊断分析生态破坏的原因，到制定方案、评估检测，再到实施实践后期的管理与监测整个恢复过程。以此推广到更多的恢复性设计中。关键词：破坏；恢复；生态；恢复性设计The Study of Common Approach for The Restoration of Ecosystems -Taking The Rehabilitation Plan of Houston Plantation Restoration; ecological；restoration design1.绪论近年来,因经济全球化的快速发展，科学与技术的不断进步,人类对环境大规模的开发利用，使得植被受大规模的破坏
3、,甚至全球生态系统在逐渐退化,生物多样性在不断丧失,人类生存和发展的环境遭受到极大威胁。环境污染、植被破坏、土地退化、水资源短缺、气候变化、生物多样性丧失等增加了对自然生态系统的胁迫。合理恢复、保护和开发自然资源已变成人类亟待解决的重要问题,破坏了的生态系统的恢复和重建以成为现代研究中最引人注目的趋势之一。1.1 相关概念辨析1.1.1 恢复恢复有狭义和广义之分，狭义指受损状态恢复到未被损害前的完美状态的行为，既包括回到起始状态，又包括完美和健康的含义；广义则包含将一个目标或对象带回到相似于先前（并非原有）的状态；但目前所说的恢复是仅作为一个概括性词语存在，它包含改造（reclamation）
4、、修复（rehabilitation）、挽救（redemption）、更新（renewal）以及再植（replantation）等术语 1。1.1.2 景观生态学理论自六十年代以来,西方国家兴起了对景观生态学的研究,景观生态学是地理学与生态学交叉形成的学科 2。景观生态学中景观是由景观元素组成的,其定义是一个空间异质性的区域,由相互作用的拼块或生态系统组成,以相似形式重复出现 3。景观生态学把新兴的生态学引进环境设计的领域,它以生态学理论框架为依托,吸收现代系统科学和地理学之所长,研究某一地段上生物群落与环境间主要的综合的因果关系,这些研究可以通过明确的分布组合景观镶嵌、景观组合和各种大小不同
5、等级的自然区划表示出来,研究景观和区域尺度的资源、环境的经营与管理问题,具有综合整体性和宏观区域性特色,更擅长中尺度的景观结构和生态过程关系研究4,使城市规划和环境景观设计更具生态意识。景观生态学主要的原理有：一是景观系统整体性原理；二是景观研究尺度性原理；三是景观生态流与空间再分配原理；四是景观结构镶嵌性原理；五是景观的文化性原理；六是景观演化的人类主导性原理；七是景观多重价值原理 5。1.1.3 恢复生态学理论生态恢复与景观重建一般应遵守自然规律,因为只有遵循自然规律的恢复重建才是真正有意义的恢复重建同时应考虑社会经济技术的支持,作为生态恢复与重建的后盾和支柱,在一定程度上对恢复重建的可能
6、性、水平与深度产生制约另外应遵守文化和传统法则,因为考虑人们经营习惯和精神上的某些要求,才能真正带给人们以美的享受。生态恢复以恢复退化生态系统的结构、功能、动态和服务功能为基本目标,其长期目标包括通过恢复与保护相结合,来实现生态系统的可持续发展 6。恢复生态学的目标：第一是保护自然的生态系统；第二个目标是恢复现有的退化生态系统,尤其是与人类关系密切的生态系统；三是对现有的生态系统进行合理管理,避免其退化；四是保持区域文化的可持续发展。其他的目标包括实现景观层次的整合性,保持生物多样性及保持良好的生态环境 7。1.1.4 恢复性设计恢复性设计最初被称为生态设计，后来指通过人工设计和恢复措施，在受
7、干扰的生态系统的基础上，恢复或者重新建立一个具有自我维持能力的健康的生态系统，在合理的人为调控下实现资源的可持续利用 8。综合来说恢复性设计是综合生态恢复设计和园林景观设计的一种设计方法，在从生态角度出发的恢复过程中，兼顾园林景观的美学和植物配置角度的长远植物景观效果，本着生态性、效益型和可持续性的原则，使得最终景观在生态功能恢复的前提下，园林景观和植物配置也达到好的效果，并且可持续观赏 9。1.2 国内外相关理论研究发展概况20 世纪 80 年代,恢复生态学应运而生。恢复生态学从理论与实践两方面研究生态系统退化、恢复、开发和保护机理,从而为解决人类生态问题和实现可持续发展提供了机遇 10。恢
8、复生态学研究起源于山地、草原、森林和野生生物等自然资源管理研究,之后生态学的应用逐渐包括土地在内的广泛领域,如与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等 11：1975 年,在美国召开了“受损生态系统的恢复”国际研讨会,会议就受损生态系统的恢复和重建及其他一些重要生态学问题进行了深入探讨,并在讨论生态恢复过程原理、概念和特征的基础上,提出了加速生态恢复和重建的初步设想、规划与展望。恢复生态学作为一门学科创立于 20 世纪 80 年代,1980 年 Cairns 主编了受损生态系统的恢复过程一书,阐述受损生态恢复过程中的主要生态学理论和应用问题,之后美国、意大利等国有陆续开相关
9、的国际研讨会年的恢复生态学会国际大会上,将创新理论深入推进恢复生态学的自然与社会实践作为主题,次年国际恢复生态学大会的主题是“跨越边界的生态恢复”12。20 从 50 年代末,我国一些学者在华南地区退化坡地上开展恢复生态学研究和长期的定位观测试验 13,对发展我国热带亚热带地区的植被恢复生态学起了重要的推动作用。自 80 年代末,我国在农牧交错区、风蚀水蚀交错带、干旱荒漠地区、丘陵山地、干热河谷、湿地、城市等退化或脆弱生态环境及其恢复重建方面进行了大量的工作 14,将该方面的研究推向了一个新阶段。1990 年召开了“全国土地退化防止学术讨论会”,这次会议系统总结了中国在土地退化方面的研究动态与
10、进展,提出了许多切实可行的生态恢复与重建的技术与模式15。16 。目前,我国在退化生态系统的恢复与重建理论、应用技术和研究手段方面已取得了初步的成果。1.3 小结在全球化的今天，随着环境的破坏，人们迫切的寻求生态性景观，生态恢复与重建变得愈来愈重要。对于生态恢复的理论与技术探索是我们首要的研究内容之一。2.生态恢复与重建的一般操作程序生态系统的恢复与重建一般分为下列几个步骤:(1)首先要明确被恢复对象,并确定系统边界；（2)退化生态系统的诊断分析,包括生态系统的物质与能量流动与转化分析,退化主导因子、退化过程、退化类型、退化阶段与强度的诊断与辨识；(3)生态退化的综合评判,确定恢复目标；(4)
11、退化生态系统的恢复与重建的自然-经济-社会-技术可行性分析；(5)恢复与重建的生态规划与风险评价,建立优化模型,提出决策与具体的实施方案；(6)进行实地恢复与重建的优化模式试验与模拟研究,通过长期定位观测试验,获取在理论和实践中具可操作性的恢复重建模式；（7)对一些成功的恢复与重建模式进行示范与推广,同时要加强后续的动态监测与评价（如图） 17。生态系统恢复与重建的一般操作程序与内容3.以休斯顿植物园与自然中心规划为例 18规划充分运用各种技术与理论知识相结合，将该林区固有的生态与文化历史与相应的现代需求相融合，进而营造出一处灵活有效且能够迎合社会需求的恢复性林区环境。有力地促进了植物园生态环
12、境的未来健康发展，同时也为其它地区的同类环境恢复项目提供相应参照。3.1 相关理论3.1.1 植被恢复与保护植被是陆地生态系统的重要组成部分，物质循环与能量流动的中枢。植被破坏对环境产生的负面影响是巨大的，植被破坏规模的大小与环境恶化成正相关。生态系统的各种退化原因，如侵烛化退化、荒漠化退化、石质化退化、土壤贫瘠化退化和污染退化等，均直接或间接地与植被的破坏与减少有关，自然植被的减少与破坏是陆地生态系统退化的主因 19。查阅相关文献发现，运用植被恢复相关技术对退化生态系统进行恢复与重建的实例很多，但对其概念作出明确定义的却很少。温继文，李道亮认为植被恢复是基于恢复生态学，植物生态学以及景观生态
13、学的理论，运用一系列物理，化学，生物的方法，使得受损的植被系统重新回归到一个有着合理内容，结构，格局，功能的自然状态下 20。彭少麟认为植被恢复是重建任何生态系统的第一步，它是以人工手段促进植被在短时期内得以延续 21。尽管没有明确定义，多数学者普遍倾向于将其定义为基于恢复生态学的原理，通过保护现有植被、采取如封山育林，营造人工林、灌、草多层结构等措施，修复或重建被干扰甚至破坏的自然生态系统，恢复其生物多样性及其生态系统功能，使其得到可持续发展 22-24。3.1.2 基于恢复性的生态景观规划生态景观的恢复性规划主要包括生态功能上的恢复与景观环境的重建与改良两个方面：生态上的恢复主要是针对生态
14、功能退化而言，其目标是建立一种结构合理、功能高效、关系协调的模式生态系统，以实现生态系统健康，生态格局安全和景观服务功能的持续 24。景观环境的建设则是以现代景观规划设计的相关理论方法为指导，依据美学规律，研宄如何创建适宜人居，赏心悦目，产生精神情怀的环境形象 25。3.2 研究背景明确破坏的生态系统的恢复对象并对恢复的区位范围进行限定。了解场地功能结构关系，对地域环境的与规模尺度的控制更有利于设计师因地制宜，制定相应的高效节能的恢复性方案。休斯顿植物园与自然中心位于布法罗河口，占地 155 英亩（约 63 公顷），是当地重要的林地资源，也是本土动植物的天然生境，同时还是休斯顿的重点环境教育基
15、地。植物园所在的当地大型纪念公园林区，占地 1500 英亩（约 607 公顷）。20 世纪 50 年代，该林区初具规模，各类天然植物长势良好，形成系统化的理想林区自然生境。然而，近年来，受到干旱、飓风等恶劣气候的影响，林区内 48%的树种面临死亡威胁，加之大量外来物种的入侵，生态环境遭受严重破坏。对于这一系列自然林区进行合理的生态修复性规划已经势在必行。图 3-1 区位图休斯顿城市框架休斯顿植物园与自然中心休斯顿纪念公园墨西哥海湾3.3 项目现状分析利用各种科学技术对生态系统的破坏原因进行诊断分析，找出其根本原因，并对系统范围内的生态格局进行详细的分析，明确每块场地的潜在性景观类型的生态适应性
16、。有利于生态系统的自然性恢复与人工修复过程的确立。利用论证法，对项目场地的土壤类型、排水方式、树冠长势、植物多样性等诸多方面进行了广泛而深入的分析，并研究其特殊的地质条件及相应的基本情况，试图寻找出导致大量树种死亡的根本原因。通过地理信息系统（GIS）进行相应的场地分析与研究。 分析结果表明，树种死亡高发区（死亡率高达 70%以上）往往都是富含粉质粘土壤并存在大量凹凸地形的草原景观区，这样的地形条件易于导致微生态环境的滋生。凹陷地形中的树种，根系生长层较浅，易于造成水土流失，不利于树种吸收土壤水分和养分，树木生长其中，长期缺乏水分和养分的供给，因此，旱季就成了树木死亡的高发期。相反，在凸现地形
17、中的树种，根系生长层反而较深，旱季中这些树种的存活率就相对高些。这种生态格局是由近年的气候变化形成的，同时也是多样化生态全新景观镶嵌体产生的具体体现。环境叠置的形成过程有助于确定不同景观类型的最佳生存条件,利于保证生态多样性。例如，目前林区内的草原地形仅占 2%，然而却有 49%的场地，其地形特征适合草原开发。这一研究成果有利于整个项目规划方向性调整，为林区适当增加草原地块面积，以使修复后的林区景观整体更能灵活应对未来的环境变化。各特色景观区的全新组合，形成了项目场地生态交错带上极其丰富的生态多样性。草原、热带牧区、沼泽区、阔叶林区以及滨水林区都不再是静态、孤立的生态空间环境，而是形成林区生态
18、互联系统中的灵活分枝。通过不同类别林地具体而有效的灵活迁徙，营造出更为合理、科学的林区生态，而新增植物也都根据特定的土壤和水文条件进行合理种植，使它们能够生长到最好。确定每个潜在景观类型的生态适应性，从而形成活力十足的多样化景观格局，真正反映出植物园的区域生态环境。图 3-2 取证分析图 图 3-3 基线清单数据3.4 总体规划原则与目标根据生态恢复与重建的基本目标与原则，确定总体规划的整体方向性，建立破坏的生态系统的恢复方向，并进行可行性分析与评估。3.4.1 生态恢复与重建的基本目标根据不同的社会、经济、文化与生活需要,人们往往会对不同受损生态系统制定不同水平的恢复目标。但是无论对什么类型
19、的退化生态系统,应该存在一些基本的恢复目标或要求,主要包括:(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 26。3.4.2 生态系统恢复与重建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。生态恢复与重建的原则一般包括自然法则、社会经济技术原则、美学原
20、则 3 个方面。自然法则是生态恢复与重建的基本原则,也就是说,只有遵循自然规律的恢复重建才是真正意义上的恢复与重建,否则只能是背道而驰,事倍功半。社会经济技术条件是生态恢复重建的后盾和支柱,在一定尺度上制约着恢复重建的可能性、水平与深度。美学原则是指退化生态系统的恢复重建应给人以美的享受 17。下面就几个主要原则加以探讨：（1）地域性原则将该林区固有的生态与文化历史与相应的现代需求相融合，进而营造出一处灵活有效且能够迎合社会需求的修复性林区环境。（2）以人为本原则以适合游客的生活、健康、审美等需求出发, 将自然环境与人工环境有机融合, 真正做到服务于民。重新设立的服务设施及植物种植，应首先满足
21、人的需求与便捷， 其次应考虑景观效果。（3)生态性原则以生态效应为核心, 生态优先, 体现人与自然相和谐的生态环境。需根据生态系统自身的演替规律分步骤分阶段进行,循序渐进,不能急于求成、“拔苗助长”。在生态恢复与重建时,要从生态系统的层次上展开。根据生物间及其与环境间的共生、互惠、竞争和颉颃关系,以及生态位和生物多样性原理,构建生态系统结构和生物群落,使物质循环和能量转化处于最大利用和最优循环状态,力求达到土壤、植被、生物同步和谐演进,只有这样,恢复后的生态系统才能稳步、持续地维持与发展。3.5 规划布局确定恢复性方向之后，结合当地相关环境与特色具体完善生态系统的恢复性设计，平衡各方面功能需求
22、与精神文化的体验。需制定相关评估检测机制，以随时监测生态恢复程度与避免潜在的威胁。3.5.1 整体平衡林区内 85%的区域依然作为自然生态保护区得以保留，而游客观光区的核心区域内将铺筑一系列风格各异的步道系统。还对相应的林区基础设施进行了合理改进，以为人们提供更为便捷的林区观光条件。迎合当地具体地形需求，综合规划建造了全新的建筑、步道及其他内置性功能设施，以有效减缓林区侵蚀，确保林区水质。湿地池塘的建造和大量植栽的种植，有效过滤并清洁了林区水源，增加植物园的生境多样性。图 3-4 平面图3.5.2 主动恢复利用一个复杂的管理矩阵和一组专门的志愿者，总体设计确定了一些战略措施来启动新的有原动力的
23、生态环境。树木的残枝碎屑被搅碎之后从新利用来帮助新发芽的植物保持湿润，并且为因为干旱而退化的土壤重新提供重要的有机物质。入侵物种的灌木丛将被移除，强化了树冠树木的据点和其他的本土植物。志愿者将在矩形阵中种植漂浮的新芽植物。将会种植大片的草原和热带草地，并且每年会进行切割或者控制性焚烧来进行再生。管理战略朝着一个有复原能力的，不断动态进化的系统发展，满足了植物园的使命，也就是把土地理解为自然栖息地和相关系统的集合，而不是树木的简单集合。使物质循环和能量转化处于最大利用和最优循环状态,力求达到土壤、植被、生物同步和谐演进,使恢复后的生态系统能稳步、持续地维持与发展。3.5.3 人工恢复（1) 根据
24、微地形、水文及土壤的具体要求营建苗圃；利用植物群落的多样性扩大野生动植物生境规模；在群落交错带边缘对入侵物种进行有效管理。在尽量不破坏现有的长势良好的乔灌木及地被植物即在保护原有植被现状的基础上，做到适地适树，适地适景。选择合理的树种，按照生态学中营养结构越复杂生态系统越稳定的法则，以多种树种混交为好。注重常绿树与落叶树的比例与搭配，注意速生树种与慢生树种的搭配，注重各种植物之间的立体结构（乔木、灌木、草本与地被植物）及其轮廓线变化等在景观设计中的应用，不但从功能和艺术效果上考虑色彩、季相、形体、姿态等方面的变化和和要求，而且从生态学出发，根据地理纬度与海拔高度所决定的植物地理分布以及生境和小
25、生境的具体情况，适地适树。（2）利用挑高的木板桥保护脆弱的栖息地及排水格局，解决凹凸地形带来的水土流失，以此避免干旱时期树木的高发死亡率；保留枯立木，增加植栽量，以便野生动植物生境的良好发展；增强林下植被层培植，多层次的生态系统有利于植物的自然更替与长势。根据植被所需环境需要，如光照，温度，湿度及土壤需求等合理进行植被层的培养。（3）恢复和稳定河岸走廊；沿步道提供了强化的本土种植空间，充分利用各种本土植物，使得每个步道的观景体验各不相同，注意经济性的同时提高观赏性；沿着布法罗河改善水质。图 3-5 效果图3.7 小结整个规划通过大量的调查研究进行了分析总结，综合运用景观生态学，生态恢复学，景观
26、美学等相关理论知识明确了规划目标与内容，并对恢复性过程进行详细的分析规划，良好的管理体制与评估系统也对规划区域进行着持续性的生态评估，有利于生态系统恢复性的可持续发展以及方法的推广与普及。4.结语恢复生态学的研究到目前为止毕竟不够完善,在理论和方法上还不够成熟。今后应加强对不同类型遭受破坏的生态系统的定位观测试验,对其破坏机理、过程进行研究,获取有关的生态学参数,并建立相应的基础数据库,系统地总结和完善恢复生态学有关的理论、原则、方法、生态工程设计、恢复与重建的操作程序、风险效益评价等内容,同时要特别加强对破坏生态系统的恢复与重建技术的研究，以此推广到更多的恢复性设计之中，使得人类赖以生存的环
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