基于复杂系统演化理论的河流生态修复概念与思路研究

赵钟楠，李原园，郑超蕙，黄火键，于丽丽 ，曹建廷，王 鼎

（1.水利部水利水电规划设计总院，100120，北京；2.交通运输部规划研究院，100028，北京）

我国是一个河流大国，根据第一次全国水利普查结果，我国共有流域面积50 km2及以上的河流45203条。其中，长江流域的河流密度与美国的密西西比河流域、南美洲的亚马逊河流域以及欧洲的多瑙河流域相近，但由于我国与这些国家或地区的人口密度、产业结构以及发展方式远远不同，我国河流的经济社会承载负荷远超其他国家和地区，导致我国大部分河流均存在不同程度的生态环境问题。加快推进河流生态修复，已经成为维护河流健康、实现人水和谐的紧迫任务之一。近年，各类河流生态修复实践不断出现，在改善河流生态状况等方面取得了积极进展，但河流自身的系统性加上长期累积性开发导致的生态问题的复杂性，使得河流生态修复成为一项复杂的系统工程，针对具体问题或单一措施的生态修复往往难以取得预期效果，从系统视角开展河流生态修复逐渐成为一种共识。本文基于复杂系统演化的相关理论，分析了河流生态修复的概念内涵与特征，阐述了复杂系统理论指导下的河流生态修复的思路，为今后科学系统开展河流生态修复提供了理论和方法借鉴。

一、河流生态系统概化与演化特征

1.河流生态系统的概化

复杂系统指一定数量的组分通过相互关系连接形成的具有一定功能的系统。构成复杂系统的基本要素包括组分、关系和功能。组分是组成复杂系统的基本单元，是构成复杂系统的基石；关系是组分间相互联系、相互影响进而构成有机整体的核心要素，是复杂系统区别于简单系统的关键；功能是系统存在和演化的目的，一定的复杂系统，必然对应着一定的功能。

照此定义，河流是由水、沙等无机物和生物体等有机物通过内部相互关联形成的淡水生态系统，属于典型的复杂系统。从组分上看，河流包括生物组分和非生物组分，前者指存在于该生态系统空间内的有机体，后者指构成生态系统环境要素的各种物理因子、化学因子等非生物因子。不同组分可以通过不同指标来表征，如生物组分可以用特定生物的数量表示，非生物组分可以用相应的物理指标如温度表示。从关系上看，河流组分之间的关系，即河流生态系统的“生态过程”，主要表现为各种物质、能量和信息的迁移转化，如水循环等。从功能上看，河流的功能可以划分为廊道功能、屏障功能、源汇功能、栖息地功能。廊道功能主要表现为河流为各种物质能量迁移提供路径；屏障功能主要表现为河流可以有选择性地过滤物质、能量，例如通过阻隔或降解，为生物迁移带来障碍和减少污染物转移等；源汇功能主要表现为河流为周边环境提供各种“源”，如水源，也为周边相关物质提供“汇”的场所，如纳污；栖息地功能主要表现为河流为各种水生生物提供生存、繁殖、觅食和迁移的自然环境。在这些功能的基础上，河流还派生出了很多“经济社会功能”，例如航运功能（主要来源于廊道功能）、供水功能（主要来源于源汇功能）等。河流系统的概化模型如图1所示。

2.河流生态系统的演化

作为复杂系统，河流具有动态演化的特点，即在外界各种物质、能量和信息的输入以及系统内部各种组分的相互影响下，系统内部组分的数量及组分之间的关系时刻处于变化的状态。由于复杂系统的自组织性，河流系统具有显著的 “弹性”（resilience），在外界影响程度不超过系统弹性阈值的情况下，河流系统可以维持相对稳定。这种状态下的河流演化呈现出渐进式的特点，大部分处于自然状态的河流演化过程都遵循这一规律。然而当外界影响程度超过了系统弹性阈值时，河流系统的关键组分或者主要关系遭到破坏，将导致系统出现不可逆过程，从相对稳定状态不断退化，最终丧失原有功能。这种非常态的演化，会造成各种生态环境问题，即是河流生态修复需要面对和解决的主要问题。

二、河流生态修复的概念内涵

根据复杂系统理论，河流生态修复需要厘清以下几个问题：

一是河流生态修复的目的不是“修复如初”。按照复杂系统理论，任何复杂系统都在动态变化之中，将其修复到“原始状态”既无可能也无必要。河流生态修复的目的，不是要把河流恢复到所谓的“原始状态”，而是调整造成河流生态系统出现不可逆变化的各种外界压力，并且通过适当手段重构河流生态系统的组分及其关系，使得河流生态系统恢复到相对稳定的自组织状态。因此，河流生态修复的最终状态并不唯一，要根据各种情况综合决定，只要河流生态系统重新进入稳定的自组织状态，都可以说河流生态修复取得了预期效果。

二是河流生态修复是减少系统外部压力和恢复系统内部结构相结合的过程。根据复杂系统理论，复杂系统出现问题的原因是维持自组织状态的系统结构被破坏，而其根源在于系统外部压力超过了系统的弹性阈值，进而造成系统结构出现不可逆变化。因此，河流生态系统修复必须从两方面入手：一方面是“减荷”，即管控各种外部压力，通过降低资源开发强度以及形态改变程度等手段，从根本上减少外部压力，为河流生态系统重新恢复并保持稳态提供基础；另一方面是“重构”，即对于已经由破坏导致了不可逆影响的河流生态系统，通过恢复必要的组分，构建组分间必要的关系，“重启”河流生态系统自组织能力。只有这两方面同时入手，才能实现河流生态修复的可持续性效果。

图1 河流系统的概化模型

图2 河流生态修复的有关概念

可以认为，河流生态修复实际上是一种以减少河流生态系统外部压力、恢复河流生态系统结构为主要手段，以恢复河流生态系统自组织能力为目标的系统措施。按照这一定义，河流生态修复具有以下内涵：一是系统性，河流生态修复以恢复河流生态系统为最终目的，修复的理念、措施、手段都要从系统角度综合统筹；二是多样性，一个稳态的复杂系统可以具有不同的结构和内部关系，河流生态修复试图达到的状态也可以多样化，只要将河流生态修复到其具备一定的自组织能力，使其可以自我演进，便在一定程度上实现了修复目标，从这一内涵出发，可以认为生态修复并没有所谓的“最佳状态”，生态修复的目标和任务与面对的问题、认识的深度、资金的情况等密切相关；三是动态性，无论是修复过程，还是修复后的后续措施，都是随着河流生态系统演进的特点而变化的，这就需要采取适应性（adaptive）管理的手段，根据监测和评估成果，对修复措施进行灵活调整，以适应河流生态系统动态变化的特点；四是有限性，复杂系统的演进没有穷尽，因此以复杂系统理论为指导的河流生态修复也没有最终目标，任何修复目标和措施都是有限的，要以问题为导向，根据紧迫性和可行性来开展修复工作。

三、河流生态修复的总体思路

按照复杂系统理论的指导，河流生态修复应坚持系统、协调、动态的总体思路来开展。

首先，河流生态修复必须采用系统的方法，要从河流水文情势等物理属性、经济社会发展等现实需求、政策制度文化等上层建筑等不同层面，对河流生态系统进行全面分析，一方面要考虑到河流生态系统以及多种流域生态过程的动态属性——这些过程推动了河流系统功能的形成和演变，另一方面，修复措施必须针对导致河流生态系统退化的驱动因素，同时要考虑到各种河流系统退化驱动因素对修复措施的响应。

其次，河流生态修复必须坚持平衡协调的思路。要实现河流生态修复的预期效果，就必须寻求经济社会发展和河流生态系统健康之间的合理平衡。一是平衡经济社会需求与生态环境需求。根据这种平衡，确定修复的优先级别，例如确定应维护哪些自然功能和过程，应保护或修复哪些区域，应优先考虑哪些区域的开发活动。二是平衡经济社会对河流的不同需求。灌溉、防洪和发电等对河流功能的需求各不相同，有时甚至彼此存在冲突。河流生态修复需要平衡这些不同的需求，明确优先保障的需求，并将其纳入到河流生态修复体系中。三是平衡河流自身的不同功能。河流生态修复必须深入了解河流所具有的不同功能，识别必须优先修复的河流功能。

第三，河流生态修复必须采取灵活动态的思路。目前大部分河流生态修复方案都是在各种信息相对匮乏的情况下制定的，虽然每个河流生态修复方案都会根据已有的知识假定实施效果，但是这些效果都是不确定的。导致这种不确定的原因来源于复杂系统自身动态变化的不确定性，同时也来源于现有知识的不完整性。这种不确定性要求我们必须采取灵活的适应性管理措施进行河流生态修复。适应性管理措施中一个至关重要的方面，是将规划、实施、监测和调整的“线性模式”变成“环状模式”，这有利于验证支撑河流生态修复方案的各种假定条件，并在有更优化的措施时，对相应的河流生态修复方案进行调整。 ■