湖泊型湿地生态系统的控制论过程及滇池湿地治理研究

余 波

(昆明市晋宁区林草局，云南 昆明 650224)

1 引言

湿地因具有环境调节功能和生态效益被称之为“地球之肾”。湖泊型湿地作为湿地生态系统中重要的类型及组成部分之一，占全国湿地总面积的16%，是重要的生态资本，具有涵养水源、调节气候、为候鸟提供栖息地、提供人居生活环境、维持生态平衡等生态功能[1,2]。同时，湖泊作为特殊的湿地，还具有防洪蓄水、降低灾害发生等重要作用。湿地生态特征是指湿地物理组分、湿地生物及湿地化学变化之间的结构及相互关系。湿地生态特征的变化大多由自然原因和人为干扰两个原因引起的。目前，由于经济的快速发展和人口增加带来的与湿地争地现象，导致人类对湿地的不合理开发日趋严重，湿地资源受到严重破坏，生态功能遭受严重损失。对于湿地修复，国家同样做出了巨大努力，国务院为加强湿地修复和保护，在2004年6月下发了《关于加强湿地保护管理工作的通知》(国办发〔2004〕50号)，2016年11月也出台了湿地保护相关文件，为湿地的保护、管理及修复提供了法律保障，这两个文件中明确提出加强湿地保护、推进湿地修复、建立湿地公园等重要的湿地保护新要求[3～5]。湖泊型湿地因具有水流静止、自净能力弱的特点，因此比河流和沼泽湿地的治理更加困难[6]，但湖泊湿地提供的涵养水源、调节局部地区气候及为候鸟提供栖息地等生态学功能却不容忽视，因此对湖泊型湿地的保护必不可少的。

系统论、控制论及信息论共称为“三论”，是现代科学方法论的代表，对科学技术和思维发展起到巨大推动作用，由此作为诸多新兴学科的理论基础。控制论是研究生物和机器内部的控制与通信的一般规律学科，着重于研究过程中的数学关系。生态系统中的控制论过程是维持生态平衡的重要过程，其中的控制、信息交换、反馈调节等科学理论对于湿地生态系统的恢复和管理具有重要意义。滇池是长江上游生态安全格局的重要组成部分，作为高原湖泊，其生态地位极其重要。但由于人们对滇池的过度开发和利用，导致滇池出现水体营养化严重、水生态系统脆弱及流域生态环境治理困难等多种生态问题。曾经具有“高原上的明珠”之称的滇池，其保护治理成为我国生态环境保护和水污染治理的标志性工程。如何将湿地生态系统中的控制论过程运用到滇池治理和保护中去，这个问题仍有待研究。本文就湖泊型湿地生态系统特征方面展开，讨论湖泊型湿地生态系统中的主要控制论过程，并基于该理论基础，以滇池为例，设计滇池治理方案，从而为湖泊型湿地的控制论治理过程提供科学参考。

2 湖泊型湿地生态系统中的控制论过程

湿地是水陆交互的过渡地带，具有生态系统的“边缘效应”，这造就了湿地生物多样性丰富的特征[6～8]。生物多样性丰富的湿地生态系统，包含有以植物为代表的生产者、以湿地动物为代表的消费者和以微生物为代表的分解者等多种组分，因此构成了复杂的食物网络，各组分之间相互作用、互惠共生，使得湿地生态系统具有了更复杂的特征[9～12]。湖泊湿地的基本结构单元包括湖泊汇水面山、湖泊水体、湖泊湿地植物、湖泊湿地动物和湖泊湿地微生物，在这个生态系统中蕴含着诸多生态系统的控制论过程。为深入探索控制论过程在湖泊湿地生态系统中的应用，下面将从反馈理论、“黑箱”理论、通信和控制理论、自组织理论四个方面展开。

2.1 基于反馈理论

自然生态系统属于一个开放系统，必需依赖外界环境的输入维持平衡，如果输入停止，系统则失去平衡同时也就失去了它的功能。而自然系统具有调节功能的反馈机制，通过系统的输出决定系统未来功能的输入，从而使系统成为控制系统，起到控制作用，围绕某一个点，进行调节，从而保证系统平衡。反馈机制包括正反馈和负反馈，正反馈导致系统的偏离加剧，但负反馈则使系统保持稳定。生态系统通过自我的负反馈调节，通过发育和调节使生态系统达到结构上、功能上和能量输入及输出上的稳定，保持一个动态的平衡，从而达到维持自身的生态平衡的效果。湖泊湿地虽然具有涵养水源的能力，但若气候干旱导致湖泊湿地蓄水量不能达到其生态系统的最小需水量，则会导致湖泊湿地萎缩，湖泊湿地生态系统遭到破坏而导致生态系统失去平衡，从而失去涵养水源的能力，高原湖泊罗布泊的消失的原因之一正是气候干旱影响下生态系统的正反馈作用，这便是生态系统的正反馈机制作用的结果。当然，湖泊湿地中也同样有负反馈作用的存在，当暴雨来临，湖泊湿地进行储蓄洪水的水量输入，降低河流堤坝的蓄水压力，当暴雨结束后，湖泊湿地又通过河流水量输出和地下水补给的水量输出，从而保持湖泊湿地水量的动态平衡。

2.2 基于“黑箱”理论

黑箱理论多用于数学统计模型，例如概率统计中的摸球模型。将未知的区域或系统看为“黑箱”，而“白箱”则是已知区域或系统，介于二者之间或偶尔可察的黑箱部分称为“灰箱”。在生态学中，我们常常将一个未知内部结构的系统看成一个黑箱来研究，例如，詹林[13]在城市景观生态规划中对“黑箱”研究思路的应用，他以重庆奥林匹克花园住宅景观湿地湖景公园的案例分析，通过对该湿地景观生态系统中水因子的输入与输出关系的定量研究，提出该景观工程设计的改造措施。

2.3 基于通信和控制理论

能值分析是以能值为基准，将生态系统中不同种类和不可比较的能量转换成同样标准的能值来衡量和分析，从中评价该能值在系统中的作用和地位；综合分析系统中的各种生态流，得到能值的综合指标(Energy Indices)，定量分析系统中的结构功能特征与生态经济效益。生态系统是一种自组织(Self-organization)的能量等级(Energy hierarchy)系统。能量在食物链中传递、转化的每一过程中，根据热力学第二定律均有许多能量耗散流失。

2.4 基于自组织理论

自组织即自我设计理论，是由vander Valk和Mitsch等提出并进行完善的，他们认为，在足够的时间内，湿地可通过环境条件合理的组织内在结构，最终改变湿地组分，达到湿地恢复的自组织效果。自组织的另一重要体现在于分形理论。分形包括自相似性与标度不变性，是非线性系统中通过自组织形成的时空有序结构，在生态系统中，也同样存在分形理论的具体案例。例如，输入的生长都呈现着自相似的形体特征，苔藓的生长规律也同样遵循自相似的分形特征。为验证自组织理论在湖泊湿地生态系统中的运用，美国科学家利用“双肾形”湖泊湿地，开展了长达几年的湿地恢复，在恢复的过程中，科学家在一侧湖泊采用人工重建，而另一侧的湖泊采用自然恢复，多年后发现，两侧的湖泊发展成为了同样的群落模式，这便验证了湖泊湿地生态系统中的自组织理论。

3 湖泊型湿地治理案例—以滇池为例

3.1 滇池流域概况

滇池位于昆明市西南部，属于低纬度高原山地季风气候，年平均气温15.1 ℃，年均降雨量1075 mm，滇池湖面海拔1886 m，平均水深5 m，最深处达到8 m，滇池湖面面积330 km2，但流域总面积约为2920 km2(图1)[14]，是云南省最大的淡水湖。

图1 滇池流域水系

滇池流域涉及昆明市五区两县，53个乡镇(街道办事处)，2015年流域内常驻总人口约为406.86万人。历史上，滇池流域常因排水不畅造成洪灾，对人们的生存和生活到带来了巨大隐患。20世纪50年代，人们在入湖上游河流修建的水库，一方面解决了滇池历史上的洪涝灾害，另一方面，为人类生活提供了农业、工业和生活用水。但与此同时，也加深了滇池水污染状况。滇池流域水污染源主要包括陆域点源、农业农村面源、城市面源和水土流失。2015年，滇池流域污水排放量3.6亿m3，陆域主要污染物入湖量分别为化学需氧量3.97万t、氨氮5205 t、总氮7321 t、总磷614 t。2015年，滇池外海处于中度富营养状态，水质为劣Ⅴ类，主要超标指标为化学需氧量、总氮和总磷；滇池主要35条入湖河流中(含纳入考核的16条河流)：3条河流水质为Ⅱ类，2条河流水质为Ⅲ类，16条河流水质为Ⅳ类，3条河流水质为Ⅴ类，4条河流水质为劣Ⅴ类。

3.2 滇池污染原因初探

当今湖泊型湿地的发展面临着巨大的威胁。主要包括自然和人为两个因子的影响，自然因子主要包括地质构造力，风沙侵袭和河流水系对湖区的淹没及不平衡冲淤，气候变化对湖泊空间形态、物理性状、生态系统和环境状况等的影响；人类活动在现阶段是湿地景观环境演变的极为重要的驱动力之一[15]，例如，大量养殖经济性漂浮水生作物，导致湖水浑浊，底泥厚度增加；生活污水未经处理排入湖内，导致湖水污染；湖泊汇水面山的植被破坏导致湖泊水质下降等。人为活动的影响，导致湖泊生态系统破坏，湿地功能退化，制约着区域经济的发展[16]。此时就需要采取相应的湿地生态恢复措施来进行治理，以维持湖泊生态系统的正常运行。

滇池属云贵高原第一大淡水湖泊，被誉为“高原明珠”，其战略性地位显著[17]。但滇池位于昆明主城下游，是昆明主城人类污染物的唯一受纳体，且其宽浅型半封闭高原湖泊的特征导致其换水周期长自净能力差，易发生水体污染。自20世纪90年代以来，每年的4～11月，滇池湖面必出现大面积的蓝藻水华。水体富营养化已经使得这颗“高原明珠”不再有那样闪亮的光芒[18]。湖泊发育都会经历从贫营养到富营养的演变过程，但人类的干预加速了滇池的富营养进程，使得其湖泊生态系统的迅速退化[19]，这与生态系统的正反馈机制控制理论不谋而合。李根保等[17]选取生态系统中重要的组成成份，浮游植物、底栖动物、水生植物的历史演变和现在分布状况数据，结合滇池的水质变化情况，揭示了滇池生态系统退化原因为：在外因上，污染物持续输入以及围湖造田、直立堤岸和水量交换缓慢等外力干扰加剧系统组分失衡是直接原因；在内因上，由于滇池所处的地理位置、气候等原因，蓝藻生物量对营养盐增加的响应远高于其他湖泊(太湖、巢湖)，草型向藻型湖泊的转换进程更快。与长江中下游湖泊湿地不同，高原湖泊湿地生态系统相对来说更为脆弱，如物种的生态位窄、物种的同域分化等均造成系统的稳定性差、自我修复能力弱[17]，这就要加入自组织理论中相对设计理论进行指导，即通过适当的工程措施和植物群落重建，加速湿地的恢复和重建过程，因而需要进行人工修复技术的参与，使滇池恢复到原有的生态环境，维持其生态系统的正常运行。

3.3 滇池恢复的总体目标

湿地生态恢复是指通过生态工程和生态技术，对退化湿地进行修复或重建，使其发挥原有的生态服务功能[20～22]。其总体目标应为采用适当的生物、生态及工程技术，逐步恢复退化湿地生态系统的结构和功能，最终达到湿地生态系统的自我持续状态。恢复的最终目标应是使湿地生态系统达到一个动态平衡，各功能之间也应保持平衡，湿地生态系统的代谢过程和系统与外部环境的物质交换与能量流动关系保持正常运行。由此，提出滇池的恢复总目标如下。

(1)改善水质。控制滇池水体富营养化水平，减轻蓝藻水华程度，使得滇池外海水质达到稳定标准，从而使滇池生态系统走向负反馈机制控制上去。

(2)改善流域内生态环境。改善和重建湿地群落结构，对入侵鱼类进行控制，保护本土鱼类的正常繁衍，研究滇池微生物分解机制，并将其合理利用到滇池恢复方案中去。

(3)促进人与自然和谐相处。对滇池恢复理念进行合理的推广和宣传，将居民所得的恢复效益进行具体化分析，促进流域内人与自然的和谐相处。

4 结论与讨论

湿地生态恢复工程耗资巨大且工程复杂，因此在确定恢复方案前，应对功能设计、结构系统、评价以及恢复指标体系等进行全面的研究和具体规划。Henry等对湿地生态恢复工程提出如下3点要求：加强对生态恢复合理性的论证；确定精确适当的恢复目标和恢复成功与否的判定指标；监测恢复前后生态系统的变化情况，并与参考生态系统进行比较。在此基础上，结合湖泊生态系统中的控制论过程，提出滇池流域主要恢复方案设计的建议如下。

(1)推进滇池流域经济结构转型升级，优化其空间布局。运用通信和控制理论，定量分析环境容量，以环境容量为基础，加强总量管控，调控流域内产业规模和开发强度。

(2)完善污染物控制体系，削减污染负荷存量与增量，理顺健康水循环体系，提高水资源利用效率。结合反馈理论和“黑箱”理论，对流域内的污染物输入输出源展开研究，并进行合理的管控，而流域内水循环体系则应合理利用负反馈理论进行指导，促进流域内水循环体系的健康发展，提高水资源的利用效率。

(3)合理规划滇池生态结构，恢复流域生态功能。结合自组织理论来看，滇池流域生态系统的恢复，短期内无法利用自我设计理论完成，而通过相对设计理论则可加速其恢复进程。在湖泊湿地生态系统中，对湖滨带的恢复不容忽视，构建合理的湖滨带植物群落，一方面能够降低汇水面山及人类造成的污染物的降解和控制，另一方面，能够带来丰富的物种多样性，促进生态环境效益的提高。

(4)加强科技成果应用，为滇池保护治理提供科技支撑。从通信和控制理论来看，通过高新技术手段建立生态模型，运用工程技术、生物技术、信息技术、自动化控制等各种技术手段，切实提高滇池的恢复治理效益和科学化水平。

综上所述，滇池湿地生态系统的恢复和治理应当结合湖泊湿地控制理论展开，在滇池分区分步治理的新策略和“节约优先，空间均衡，系统治理，两手发力”的治水新思路的指导下，深入推进滇池环境质量的改善和湿地生态系统的修复，逐步改善滇池的生态环境，构建人与城市、城市与自然和谐发展的生态家园。