基于水生态系统服务综合效能提升的城市河流生态修复研究*

汪洁琼 葛俊雯 成水平

1 城市双修工作背景下河流生态修复的误区与困境

受到人类干预的影响，城市河流正在面临较为严重的生态问题：河流污染、沟渠化、滨水空间被侵占等现象都造成了河流生态系统从动态多样化越发趋于稳定均质化，致使生物多样性降低以及生态系统服务退化。2015年，中央城市工作会议明确提出了以“生态修复、城市修补”为核心的“城市双修”规划工作要求，强调在全面实施城市黑臭水体整治的基础上，系统开展江河、湖泊、湿地等水体生态修复。越来越多的研究开始着眼于城市河流的生态修复问题，审视过往，主要存在三方面的误区。一是重水利工程、环境工程专业，轻风景园林专业的误区。城市滨水景观空间在土地利用性质上不在城市河流的“蓝线”范围内，因此不属于水务部门和环保部门的管辖范畴内；而园林绿化主管部门往往受到规划管理部门主导的规划成果的牵制，城市开发先行，景观环境滞后，因此常受制于城市“蓝线”“绿线”的划定结果，滨岸带生态化改造的空间有限。汤晓敏[1]、王敏[2]等认为对城市河流修复的认识不能仅停留在景观层面，当今河流治理工程也不仅是水利与环境部门的职责，设计者与管理者在工作时应多从景观生态的角度去把握，综合考虑文化要素、空间要素、生态要素和载体要素等四大要素，追求城市河流与其周围环境的整体和谐，符合人类亲近自然的要求。二是重单一河流生态修复技术、轻系统性看待水生态系统的误区。董哲仁[3]等在城市河道设计方法上指出，城市河流的水工设计应融合生态学理论知识，在对河道进行修复设计时不仅要着眼于具体工程手段，还需要保证水域生态系统的完整性、依存性。生态景观技术和生态护岸技术作为河流修复的主要手段已经成为近年研究的热点问题，包括自然河道形态恢复、水系网络的营造技术、以及河岸带生态重建技术等[4-5]，这些技术研究体现了研究者已开始将城市河流近自然治理修复技术与水生态系统联系起来共同思考。三是重个别生态系统服务、轻综合效能提升的误区。一直以来，黑臭问题被认为是城市河流的“顽疾”，导致此后的治理工作都以水质净化为主导。截污治污、底泥疏浚、消除黑臭、水质改善、建设防汛墙是城市河流生态修复的主要途径，重视水质净化、防洪排涝这些个别的生态系统服务，体现出较为单一的工程学思维。当然也有文献谈及对河流生态修复的研究侧重于河流沿岸土地利用方式对于生态系统服务的影响[6]，也包括河流廊道的景观格局分析[7]、河流廊道的生态功能[8]等，但真正谈到如何通过综合提升生态系统服务来指导规划设计实践的研究较少。汪洁琼等提出生态系统服务是风景园林生态之“法”，空间形态是风景园林生态之“式”[9]。生态系统服务效能的高低与空间形态的影响关系研究，最终还需要到风景园林生态的具体实践中去检验。事实上，在城市双修工作的背景下，河流生态修复应当突破过往集中于对河流采取直化渠化、拦水建坝、边坡硬化等措施来集中防治河流污染、河道淤积的局限，而逐渐转变为挖掘河流的经济、社会价值，打造“人文生态系统”的新阶段。

城市河流及其滨水空间不仅具有防汛、泄洪、排涝、航运等传统功能，还承担着雨洪调节、径流调节、水质净化、动植物多样性等调节性及支撑性生态系统服务，兼具游憩、娱乐、教育等文化性生态系统服务[10-11]。从国内外河流生态修复的文献角度看，不同的文献与实证研究侧重点往往不同，且通常是定性或半定量的分析，它们的结论可能存在相悖之处。鉴于此，文章从以下2个方面展开：其一，通过荟萃分析（meta-analysis），从文献定量研究的角度，厘清城市河流修复的生态效应内容，以及修复背景（如退化类型、修复措施、修复时期）对于生态效应的影响；其二，关于城市河流生态修复方面，构建水生态系统服务综合效能提升机制的概念模型，包括3个方面：以水质净化为基础、生境多样性为核心、文化性服务为关键。强调河流生态修复的实践工作应当走出当前的误区，做到多学科融合，并注重系统性与服务效能间的价值博弈与权衡，旨在为新时期我国城市双修工作中河流生态修复规划、设计、管理提供新的思路与借鉴。

2 河流修复生态效应的荟萃分析

2.1 研究对象与方法

尽管国内城市河流生态修复实践的需求正日益增长，对于修复效果的长期监测与评价工作却较为缺乏，大部分的研究集中于生物多样性的变化上。通过国内外文献梳理发现这方面的研究还存在一些相悖的结果：部分研究表明河流的生态修复明显改善了某些生物群体的生存条件[12]；部分研究则发现河流修复几乎没有带来什么正面的生态效应[13]，而对河流修复影响最大的退化类型、修复措施、修复时期等因素却很少被关注到[14]。鉴于此，通过荟萃分析，文章对目前针对河流修复效果的生态效应的研究进行全面的评估。荟萃分析是采用将若干实验结论通过统计标准化手段进行整合，得出较高可靠性的评价方法[12]。其中最重要的标准化指标是效应比R[15]，用来揭示处理效果的大小或两个变量之间相互作用的强度的效应大小，可以量化河流修复的生态效应。为了同时处理正数与负数，在计算之前部分数据将被反向转换，以确保所有结果都能在同一个（正）方向上。效应比R及其方差计算公式为：和Xb分别表示河流在修复和未修复情况下的效应值。效应比作为无量纲，＞0时表示河流修复得到正向提升，＜0表示河流生态修复出现退化。为了避免方程的自然对数出现0，方程的分子和分母都加了1[12]。利用各变量的效应比可以分析得出河流修复的总体效应大小。

荟萃分析在I S I数据库中，利用环境科学（environmental sciences）、生态学（e c o l o g y）、水资源（w a t e r resources）、生物多样性保护（biodiversity conservation）、植物科学（plant sciences）等为关键词识别对相关文献进行了系统的检索，初步统计获得文献460篇。去除重复以及同主题关系弱的研究之后，采用更严格的标准来进行进一步筛选：研究对象应为河流或溪流生态系统（不包括湿地、漫滩和海洋生态系统）；研究中应有修复前后河流生态状况对比分析；对河流的生态修复时长至少达到一年及以上；进行过实地考察并作出定量报告记录结果。综上条件，共筛选获得53篇文献构成荟萃分析的基础。

2.2 河流修复对生态系统服务的影响

从荟萃分析的结果来看，尽管河流生态修复对不同类型的生态系统服务改善不同，其产生的整体生态效应是积极的（p＜0.01），生态效应效应比达到95%置信水平，置信区间为0.31[0.19，0.43]，位于无效应零线的右侧。综合所有研究结果，河流修复对生态系统服务的提升作用主要体现在河流物种丰富度方面，对物种数量和密度也有一定正面影响。河流修复对物种丰富度、数量和密度的影响均为正（p＜0.05），效应比和95%置信区间分别为0.49[0.35，0.65]、0.17[0.04，0.32]和0.19[0.01，0.39]，物种丰富度的效应比是物种密度与数量的两倍。同时，结果显示河流修复对生态系统调节性服务的改善最为显著，并优于对支持性服务的改善，调节性服务的效应比为正，置信水平达到95%。

2.3 河流修复背景对生态效应的影响

本文主要研究了河流修复对六种类型的河流退化类型产生的生态效应。通过荟萃分析得出河流修复能最有效的缓解水文形态退化与自然干旱的情况（p=0.02），其次是受到土地利用变化而产生的河流退化状况（P=0.05）。与之相反的是，沟渠化、修建堤坝、林地毁坏、捕鱼等因人类强干扰活动产生的河流退化状况，河流生态修复对其影响效果甚微。从修复的措施来看，河道重建与河岸缓冲带修复两项技术产生的生态效应最强，效应比及95%的置信区间均为正，即对河流生态修复的效果最为显著。同时，增种河岸带林木这一修复手段也产生了较好的生态效应。从修复时长来看，调节性服务（p=0.02）与支持性服务（p=0.89）与河流修复时间长度均呈正相关。而从效应比来看，生物多样性成分变化则显示与修复时长无显著相关性（表1）。

表1 生态系统服务对河流生态修复的效应比Tab.1 the response ratio of the eco-services for the recovery of urban rivers

综上，河流修复对水生态系统服务的提升的确产生着积极的影响，而修复的效果在不同的生物群体和生态系统服务中存在显著差异。河流修复对物种丰富度、密度以及数量这三个因素产生的影响较大，其中对物种丰富度的提升效果最强，对生态系统服务中的调节性服务效能提升助力最大。从修复措施来看，河道重建与河岸缓冲带修复两种手段产生的效果相对较好。而修复时长与效果之间的模糊关系则表明未来的河流修复项目应进行长期监测和评估，以观测记录河流修复的长期生态效应。同时，在确定河流修复区域时，还需要着重考虑其自身水文形态的退化情况以及河岸带土地利用的变化。

图1 城市河流生态修复水生态系统服务综合效能提升的概念框架Fig.1 conceptual framework for the ecological recovery of urban rivers based on the improvement of water-related ecosystem services overall capacity

3 城市河流生态修复的水生态系统服务综合效能提升机制

借用“设计实现生态系统服务”（design for eco-services）的观点[16]在城市河流生态修复过程中时即需强调对生态系统服务的考量，让自然做功，就可以从根本上对整体生态系统产生积极的影响，从而更好的实现生态修复。研究强调城市河流生态修复的实践工作应当做到：第一，多学科融合；第二，重视河流生态修复的系统性；第三，强调水生态系统服务综合效能的提升。通过上述荟萃分析的结论，研究认为基于水生态系统服务综合效能提升的生态修复，需要通过水环境、水景观、水文化三重层次机制构建，才能系统、科学、完善地达到更好的生态效应。其中，水质净化是生态修复的基础，生境多样性是生态修复的核心，文化性服务是生态修复的关键。

通过太原市河湖水系规划的实际案例，研究进一步阐述城市河流生态修复方面，水生态系统服务综合效能提升机制的概念框架（图1）。太原市规划区范围内永久性河流仅汾河一条，流域面积大于1 000 km2；季节性河流共计有13条边山支沟，主要包括杨兴河、潇河、乌马河、白石河、北涧河等。泛洪平原湿地分布于河流周边。根据径流状况，规划区范围内的水体特征大多为季节性河流，仅在雨季产生径流。通过现状分析，认为太原市水体修复方面面临的核心问题包括：第一，部分河流基流不保，水源涵养空间不充分；第二，城市排水设施老化内涝积水点分布广；第三，黑臭水体治理不达标，水体生境较为单一；第四，水系空间利用不合理，亲水性差且感知弱。在基于区域水文特征与健康水文循环过程的水源涵养空间划定的基础上，对于城市河湖水系格局进行优化（图2），并依次做到以下3点。

3.1 以水质净化作为河流生态修复的基础，建立灰水、雨水、给水的良性循环

图2 太原河湖水系总体规划图Fig.2 planning of water system in Taiyuan Ctiy

第一层次的水环境作为生态筑底，提供水质保障，从而建立城市中良好的灰水、雨水、给水的良性循环。水质净化包括污水截留、径流管控、水体自净。水质净化作为生态筑底，能够为河流的生态修复提供水质保障。首先，污水截留是水质净化的前提，通过外源截污、内源疏浚进行黑臭河道治理，并强调分段截留污水的河道水质提升；其次，径流管控是指对进入河流的地表径流组织进行梳理管控，并构建雨洪调节与强化净化工程相结合的小微湿地体系。最后构建基于防渗、水利循环、护岸改建工程的城市核心景观河段，包括利用结构种类丰富的挺水植物及乔灌草搭配形成植被覆盖率较高的植被缓冲带，从而最大程度地阻隔面源污染；以跌水、喷泉等形式增加水中曝气，提高水体的含氧量，打捞蓝藻、收割过多的沉水植物，使用景观效果较好的挺水植物品种，水面增加生态浮岛等。

3.2 以生物多样性为河流生态修复的纽带，建立生境与水质净化的空间关联耦合

图3 太原河湖水系生境规划图Fig.3 planning of water habitats in Taiyuan City

第二层次的水生态作为纽带，主要起到联结水环境与水景观的作用。河道是水生态环境的重要载体，生物多样性的营造作为河流生态修复过程中重要的环节，承担着将生境与水质净化进行空间关联耦合的重要纽带。太原市内现状水体存在部分基流不保的状况，而基流是生物多样性修复的基础，因此建议通过水体基质的修复，留下适当深度的水流，并注重水绿融合的滨水绿地分类布局，适当提高滨水生境的多样性（图3），例如人工河岸生境、自然半渗透湿地生境、雨洪型人工洼地生境、人工池塘生境等。在植物多样性方面，需通过构建多层次、复合性、低维护的水生植物营造绿色生态驳岸，为水生动物的繁育和两栖动物的繁衍创造条件，使之成为具有栖息地、生物廊道、水岸过滤带等多种生态功能的生态廊道。在保护河道生物多样性的自然环境的同时，与城市绿地构成联通性较高的系统多级绿色廊道网络。在野生动物多样性方面，需要为鸟类、鱼类与底栖动物提供良好的栖息条件和繁殖条件，以保证生物链有条不紊的延续。可适当增加乔木比例，提供给鸟类栖息筑巢的空间；投放适量的淡水鱼类、虾、螺、蚌等生物，科学规划和设计鱼道，为鱼类洄游产卵、避难创造条件，关键部分的水体可采取微生物修复技术进行底泥固定与修复。通过基础生境改善、生态恢复与重建和优化群落结构，来达到河流生态系统系统持续有效良性运行，同时提高水体自净化能力。

3.3 以文化性服务为河流生态修复的关键，建立岸线景观营造与游憩活动的关联

第三层次的水景观作为水生态系统服务综合效能提升的关键，需综合运用河道驳岸、生境、空间、游憩功能、本土材料等景观要素来提高美学价值，增加游憩机会。结合城市游憩点与慢行绿道网络，构建基于亲水生活圈的城市河道点状活化与游憩网络。不仅从机理上修复河流生态系统，还要从表象上塑造良好的视觉感观，满足人们对河流景观的休闲娱乐、生态审美需求。激活河道周边点状岸线景观，在空间上串联起来构建城市系统滨水游憩网络，提供可观、可游、可赏的城市河流休闲游憩空间。