河流生态修复相关研究进展

2014-04-09徐菲王永刚张楠孙长虹

生态环境学报 2014年3期

徐菲，王永刚，张楠，孙长虹

北京市环境保护科学研究院，国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037

河流具有供水、发电等多种社会经济功能以及维持全球物质与水分循环、调节气候等生态功能，是人类社会可持续发展和生态服务功能正常发挥的重要保障 (马克明等, 2001)。随着人类非理性活动强度的增加，河流受到的负面影响日益增加 (杨丽蓉等, 2009)，世界范围内河流面临严重退化的威胁。全世界未受人类影响的河流所剩无几，大部分亚洲国家、非洲、拉丁美洲及东欧国家均存在不同程度的河流污染问题，河流生态系统破碎化程度增加(Dynesius and Nilsson, 1994)，严重影响了社会经济的发展和人类文明的进步。

近几十年来，河流生态系统的退化问题引起了全世界的关注，河流生态修复逐渐发展起来，在各个国家得到了广泛深入地研究，并取得了显著的进展，但目前相关研究多集中于针对某一具体河流的修复工程实例（Matthews等, 2010; 陈兴茹, 2011），对河流生态修复的发展过程和未来重点方向尚不明确。本文从河流修复定义、修复目标、修复理念、修复影响评价和监测以及多学科交叉修复5个方面分别总结了河流生态修复的研究进展，分析了河流生态修复的发展过程和未来重点方向，以期为河流管理及日后进一步开展河流生态修复相关研究提供一定的基础。

1 河流生态修复的定义

生态修复作为一种恢复生态系统的方法，在早期的研究中，其定义多是简单的描述，如 Gore和Shields（1995）认为恢复或修复的过程是尝试使生物和地球水文过程达到或接近受干扰前的状态。The Society for Ecological Restoration（SER）认为生态修复是帮助退化或受损生态系统恢复的过程，以建立一个可以自我维持的生态系统（Ruiz-Jaen和 Aide,2005）。即使 Dobson等（1997）提出了生态修复的本质，即由较长时间尺度引起的恢复问题的确定和使用或模拟自然过程的人工干涉来解决的过程，其中也仅简单提到方法，并没有详细全面的概括。

河流生态系统是一个复杂、开放、动态、非平衡和非线性的系统，认识河流本质特征的核心便是认识河流生态系统的组成结构与功能，修复受损河流生态系统的核心便是进行河流生态修复（董哲仁等, 2010; 张振兴, 2012）。针对河流生态修复进行的定义经历了从简单的描述到全面深入阐述的过程，不同的研究者针对其研究内容的差异，从不同的角度分别对其进行了定义。其中最早对河流修复概念进行界定的是The National Research Council（NRC）在1992年的报告中将修复定义为“使生态系统回到接近受损前的状态”，并指出“修复意味着重建受干扰前水体的功能及相关的物理、化学和生物特征”（王薇和李传奇, 2003a）。而Boon（1998）认为修复作为一种可能的保护手段，目的是使河流不再处于半自然状态，其活动本身应集中在重建一种使河流自然过程能够再生的状态，从而使河流生态系统能回到自然演替的轨迹上（赵彦伟和杨志峰, 2006）。但由于对河流自然状态难以确定，因此为避免人们的判断过于主观化，“美国河流修复委员会”发展了河流生态修复的概念，提出了目前得到广泛认可的定义：从环境角度，河流修复是保护和恢复河流系统达到一种更接近自然的状态，并利用可持续的特点以增加生态系统的价值和生物多样性的活动，即修改受损河流物理、生物或生态状态的过程，以使修复工程后的河流较目前状态更加健康和稳定（ASCE River Restoration Subcommittee on Urban Stream Restoration, 2003），这样定义使抽象的自然状态具体化，明确了河流生态修复的方向。

综上所述，河流生态修复是指以在河流接近自然化的基础上满足人类生产生活要求为目标，通过人工手段改变河流的受损状态，并监测和评价效果的过程。其中修复目标、修复理念和修复影响的评价和监测是河流生态修复的3个重要方面，在以往的研究中，已经分别取得了显著的进展。

2 河流生态修复的目标

一般河流生态修复的目标主要包括河岸带稳定，水质改善，栖息地增加，生物多样性的增加，渔业发达及美学和娱乐（董哲仁, 2009），以期河流能够更加自然化，这是修复工程的一个最普遍的目标。

对于不同国家，由于经济发展水平的差异，河流受到人类干扰的程度不同，因此，生态修复的目标也不相同。Nienhuis和Leuven（2001）认为河流生态修复是一项很奢侈的行为，对于发达国家还可能实施，其河流修复目标一般包括农业、渔业、河流自然化发展和防洪4类，而对一些贫困国家是完全不可能。国外的众多河流以将水体重建、河流的水文循环恢复、使鱼类和底栖无脊椎动物回到河流以实现河流生态系统完整性作为生态修复的目标（Ward等, 2001）。倪晋仁和刘元元（2006）将河流修复目标分为2类：河流污染治理目标和生态修复目标，他认为我国河流生态修复以改善受污染河流的水质为目标，尚不能完全实现生态修复的目标，这为我国河流恢复今后的发展指明了方向。

基于不同地区的河流修复目标存在的差异性，在修复目标的制定过程中，需要考虑许多因素，包括河流本身和其所处地域的差异。就河流本身而言，由于生态系统的动态性特征，制定目标时不能只考虑河流的静止状态，而是要从整体上把握其未来发展的趋势，设定适当的修复目标（Hobbs和Harris, 2001）。Boon（1998）认为目标的制定不仅需要考虑是否能实现鱼类等栖息地修复的相关因素，而且要考虑河流系统的整体过程。Pedroli等（2002）在充分考虑水动力等因素的基础上提出了设定河流修复目标的策略方法，得出水动力在决定目标动物种群持续潜力方面起到关键作用，说明在设定目标时应重点考虑。此外，河道形态（Burge,2004）和河床的起伏（James, 2006）也是河流修复前需要考虑的因素。但由于河流所处的地域不同，在制定恢复目标时，不能单纯只考虑河流本身的状况，还需要根据其所处地域的生态信息进行分类，并根据其种类来制定目标（Schneiders等, 1999），并注意不同目标之间的协调。如针对跨界河流修复目标的设定，不同国家目标间的相互协调就变得更为重要了。荷兰和比利时对马士河的修复就是一个很好的例子，两国在满足各自目标的基础上进行了合作，虽然进展缓慢，但已经成功地由计划阶段进入到了修复实施阶段（Nienhuis和Leuven, 2001）。此外，丹麦和英国联合实施的修复 Brede, Cole和Skerne 3条河流的EU-LIFE工程也是一项典型的多国合作的例子，不仅是在目标的制定方面，而且在修复的每一个环节上都体现了国家间的相互协作（Holmes和 Nielsen, 1998）。

3 河流生态修复的理念

在河流生态修复的概念没有正式提出之前，人们就已经尝试对河流的不适宜状态进行研究，并形成了早期的恢复理念。1938年德国Seifert首先提出近自然河溪治理的概念。它是指能够在完成传统河道治理任务的基础上，可以达到接近自然、经济并保持景观美的一种治理方案（宋庆辉和杨志峰,2002）。1965年德国Ernst Bittmann在莱茵河用芦苇和柳树进行了生物护岸实验，实现了对河流结构的修复，可以看成是最早的河流生态修复实践。20世纪 70年代末瑞士 Zurich州河川保护局建设部的Christian Goldi将德国Bittmann的生物护岸法发展为“多自然型河道生态修复技术”，即拆除已建的混凝土护岸，改修成柳树和自然石护岸给鱼类等提供生存空间，把直线形河道改修为具有深潭和浅滩的蛇形弯曲的自然河道，让河流保持自然状态（李永祥和杨海军, 2006）。

随着全球范围的水生态系统正以惊人的速度遭到严重的改变和破坏，各国河流生态修复技术的研究不断发展起来。欧洲、北美、澳洲、日本等许多地区，较小河流生态修复的研究与实践较多，修复技术已比较成熟（Gore和Shields, 1995; Nienhuis和Leuven, 2001; 王薇和李传奇, 2003a），如英国的River Restoration Centre在2002年出版了修复技术导则。而较大河流生态系统的修复工作也已有不少实例（杨芸, 1999; 郭焕庭, 2001），如泰晤士河、密西西比河（Mitsch和Day, 2006）、莱茵河（Cals等,1998）、多瑙河（Chovanec等, 2002）等。欧盟WFD提出的改善水质的“修复计划”是河流管理史上河流修复的最大推动力之一（Clarke等, 2003）。但综合来看，早期的相关研究思想范围主要集中在单一河流形态和水质的修复。

随着修复实践的开展，河流修复已经从单纯的结构性修复发展到整个系统整体的结构、功能与动力学过程的综合修复（Clarke等, 2003）。Brooks和Shields（1996）从修复的范围上进行了解释，认为河流修复不光包括河道本身，还应扩展到河漫滩乃至流域。在河流修复过程中，应将河流所在的流域作为一个整体来考虑。此外，还要考虑整个流域的背景（赵彦伟和杨志峰, 2005; 董哲仁, 2006）。这不仅是由于人类对自然界的影响是大尺度的，而且导致水体退化的原因多是在与其相连的其他生态系统中形成的。因此，在流域修复思想的指导下，各国相继进行了流域范围的河流生态修复。如莱茵河的行动计划（RAP），其重点是在流域范围内向莱茵河中长距离地迁移大西洋的鲑鱼（Neumann,2002）。2001年针对荷兰段的修复计划，主要也是通过改进鱼类的迁移来实现对莱茵河的治理，并将限定数量的鲑鱼回到莱茵河作为河流生态系统修复成功的标志（Raat, 2001）。此外，为恢复美国亚利桑那州凤凰城流域原有的风貌而进行的 Tres Rios工程，其规模是史无前例的，主要内容包括：（1）恢复流域地区的生物栖息地；（2）建设湿地并扩大洪水缓冲带；（3）修建1条种植本土植物的河岸带及一系列具有宽阔水体的沼泽。Tres Rios工程对环境作了较大的改动，不只是单纯的恢复工程，同时也包含了规划的成分（Onken等, 2004）。

虽然对于河流修复战略需要将河流生态系统作为一个整体，进行结构、功能和动力学修复的观点已经受到了广泛的认可（Poudevigne等, 2002;杨俊鹏等, 2012），但对于大多数河流，这种恢复几乎是不可能的。我们对于恢复不能盲目地进行，而应该针对河流中部分生态系统的组分和过程进行修复（Schiemer等, 1999），即选择性地、有重点地修复，这便涉及到修复优先权的问题。近几年，针对确定优先权方面的研究有所发展，如Bohn和 Kershner（2002）建立了一个基于流域分析技术的确定恢复优先权的模板，从区域、盆地、流域和地点4个生态尺度确定了河流修复的优先权。Petty和Thorne（2005）提出的河流生态价值的衡量方法，能有效地确定修复优先权以及流域最佳的修复战略。

4 河流生态修复影响评价和监测

河流生态修复影响方面的研究多集中于恢复后的影响预测和评价，包括修复后造成的影响跟踪评价以及利用模型的预测评价。1996年，Bradshaw指出被修复生态系统的结构或功能也许将完全不同于与其相比的未受破坏的参照系统，如在除河流外的一些系统中，已研究得出改进栖息地的结构与保护的目标物种相比对其捕食者会更有利（Ormerod, 2004），说明生态修复有时也会造成生态破坏，因此生态修复影响的研究就越来越受到重视。由于生态修复存在一定的弊端，而河流生态修复的成功与否直接影响到人类的生产、生活和健康，所以人们已经尝试用一些指标（参数）通过监测来表征恢复工程的效果即恢复后评价，而当系统能够自我维持时就意味着恢复工程的完成（Nelson等, 2000）。这种跟踪评价大多是针对利用生物引种或改变栖息地结构等生态修复方式进行的，由于生物体中无论是稀有物种还是数量较多的矽藻类都对修复的响应较慢（Ormerod, 2004），修复效果不能在短期内表现。因此，制定河流生态修复后跟踪监测和评价是十分必要的（Schiemer等, 1999）。1994年，为修复莱茵河水体群落生境，建立了2条次级河道，同时也成立了5年的工程后监测计划，包括监测水生大型无脊椎动物、鱼类和涉水鸟类的情况（Simons等, 2001）。2001年，针对新西兰地区为修复 Waitaki流域具有碎石河床河流以及湿地的栖息地而采用的PRR（Project River Recovery）工程进行了效果评价（Caruso, 2006）。通过分析PRR工程实施 10年以来栖息地的改善情况，得出了工程的优势及需要改进的地方，是确保修复顺利完成的一种有效方法。Buchana等（2012）应用一系列评价方法对纽约中部的河流生态修复项目进行了评估，表明修复工程已取得一定效果。

随着模型在修复研究方面的应用，利用其对河流生态修复影响进行预测和评价的研究也逐渐发展起来。Sear等（1998）利用地形学模型预测了低地河流修复对河道形态多样性的影响，并得出孤立范围的修复会在被修复河道和下流内引起复杂的响应，揭示了其影响机制。Bockelmann等（2004）经过3年的时间针对欧洲威尔斯西部Afon Morlais河3000 m范围内收集了一套包括水力，基质和生态参数的数据体系，应用生态水利模型DIVAST来评价河流修复过程的有效性及其影响。上述利用模型的预测和评价既精准又方便，是评价恢复方法的有效手段。Klein等（2007）应用水动力模拟，在实地监测的基础上通过17个物理和生物指标量化了修复工程实施后的变化，评价了修复工程的有效性。

5 河流生态修复中的多学科交叉应用

河流生态修复以恢复生态学、基础生态学和景观生态学作为理论基础（李洪远和鞠美庭, 2005）。针对河流的生态修复更是在此基础上融合了物理、化学、水文、形态等多个学科的内容。许多修复成功的工程例子就是物理学家、生物学家和工程师共同努力工作下的结果。在多学科交叉的修复工程中，对任何一个学科认识的不够，都会直接影响整体的修复效果。

Ormerod（2004）研究了生态学对修复的重要性，认为与以往相比，修复应更加重视生物体，并指出修复群落中的优势种及其生态功能是修复成功的关键。近年来，地貌学对河流生态修复影响的研究也成为了一个热点（Kondolf, 1998; Newson,2002; Newson和Large, 2006）。传统的河流修复计划多拘泥于物种或栖息地的驱使下，试图去重塑河道形态，以期有利于特定物种及相应的栖息地，但这样往往忽略了形成河道形态的地貌过程，因此造成修复计划不能自我维持，而需要更多的管理投入（Clarke等, 2003）。据调查，国外河流修复研究的75%是致力于河道形态的修复，大约40%是尝试修复丧失的河岸植被和湿地群落（郑天柱等, 2002），自然修复与重建距离河流生态的良性循环要求还相差甚远。WFD（Water Framework Directive）认为根据系统思想，河流系统是生态、水文和地貌的相互作用体。在进行河流生态修复时，首先应充分理解生态、水文、地貌及其之间的关系，并将这些概念综合形成生态水文地貌的思想（Gilvear, 1999）。在这个综合各学科思想的指导下，Petersen（1999）指出流域中的每一个地貌成分都有特定的水文功能和生态潜力，因此，在流域规划修复过程中应考虑每一个地貌因子，并在此基础上提出了一套流域规划、修复和管理的自然手段。Clarke等（2003）也在充分考虑生态水文地貌的思想下，建立了一个战略框架，用以确定流域内河流修复的优先权。

此外，景观生态学在河流修复中的应用也是多学科综合的另一个重要方面。很早就有河流廊道概念的提出，即把与河流联系紧密的河岸带和洪泛区这个复杂的生态系统，包括陆地、植物、动物及其内部的河流网络，称作河流廊道（王薇和李传奇,2003b）。它是景观中最重要的廊道类型，具有物质的传输、污染物的净化、动植物迁移和水陆生动植物的栖息地等功能（邬建国, 2000），其不仅可以保护生物多样性，而且能维持较高的鱼类产量（董哲仁, 2003; 樊健和贺瑞敏, 2005）。为成功实行保护和修复，则需要构建相关的概念和理论背景（Poudevigne等, 2006），但由于我们对河流廊道自然复杂性和动力学基础知识的理解有限，因此，缺少评价人类影响和有效修复战略的标准。应用景观生态学的思想，就可以解决许多由于概念理解缺陷带来的问题（Ward等, 2001）。针对流域范围的河流修复应用景观生态学中等级的原理就是景观生态学在河流生态修复中应用的典型例子。一个河流由次级流域构成，每一个次级流域由更小的汇水区构成，其所在流域具有一定的复杂性。将复杂的流域划分成不同的等级，分别针对不同功能单元进行修复（Harper等, 1999），这种思想被广泛应用于退化河流的物理修复过程中。

6 研究展望

纵观国内外河流生态修复的研究进展，其修复对象、范围、理念等方面都有了显著的发展，经历了从对河流形态到功能、过程和动力学的修复，从单一针对某个河流水质的小尺度修复到河流生态系统、流域乃至整个区域的大尺度修复，从简单的工程修复到河流整体修复战略的过程，同时多学科思想相融合指导下的综合型修复将是未来发展的主要方向。然而根据现有研究进展，未来仍需开展以下研究。

（1）制定包含河流生态修复完整过程的技术规范。对河流历史及现状的调查、修复目标的制定、修复措施的计划和实施、修复影响的评价和监测分别提出具体要求和原则，以指导河流生态修复实践。

（2）确定修复后评价具体时间。由于某些恢复工程的效果不能在短时间内体现，有的甚至需要几十年，为保证河流生态修复效果，有必要建立一套确定后评价具体时间的标准，为修复工作的跟踪评价提供便利。

（3）开展基于多学科融合应用的河流生态修复研究。河流生态修复的多学科交叉综合性越来越显著，尤其是地貌学和景观生态学对于河流修复的影响更是受到了广泛的关注，未来应尝试将多学科融合的方法、思想等应用于河流生态修复中，以丰富和完善河流生态修复理论，提高整体修复效果。

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