河流生態(tài)修復相關(guān)研究進展

徐菲，王永剛，張楠，孫長虹

北京市環(huán)境保護科學研究院，國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心，北京 100037

河流具有供水、發(fā)電等多種社會經(jīng)濟功能以及維持全球物質(zhì)與水分循環(huán)、調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)功能，是人類社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)服務(wù)功能正常發(fā)揮的重要保障 (馬克明等, 2001)。隨著人類非理性活動強度的增加，河流受到的負面影響日益增加 (楊麗蓉等, 2009)，世界范圍內(nèi)河流面臨嚴重退化的威脅。全世界未受人類影響的河流所剩無幾，大部分亞洲國家、非洲、拉丁美洲及東歐國家均存在不同程度的河流污染問題，河流生態(tài)系統(tǒng)破碎化程度增加(Dynesius and Nilsson, 1994)，嚴重影響了社會經(jīng)濟的發(fā)展和人類文明的進步。

近幾十年來，河流生態(tài)系統(tǒng)的退化問題引起了全世界的關(guān)注，河流生態(tài)修復逐漸發(fā)展起來，在各個國家得到了廣泛深入地研究，并取得了顯著的進展，但目前相關(guān)研究多集中于針對某一具體河流的修復工程實例（Matthews等, 2010; 陳興茹, 2011），對河流生態(tài)修復的發(fā)展過程和未來重點方向尚不明確。本文從河流修復定義、修復目標、修復理念、修復影響評價和監(jiān)測以及多學科交叉修復5個方面分別總結(jié)了河流生態(tài)修復的研究進展，分析了河流生態(tài)修復的發(fā)展過程和未來重點方向，以期為河流管理及日后進一步開展河流生態(tài)修復相關(guān)研究提供一定的基礎(chǔ)。

1 河流生態(tài)修復的定義

生態(tài)修復作為一種恢復生態(tài)系統(tǒng)的方法，在早期的研究中，其定義多是簡單的描述，如 Gore和Shields（1995）認為恢復或修復的過程是嘗試使生物和地球水文過程達到或接近受干擾前的狀態(tài)。The Society for Ecological Restoration（SER）認為生態(tài)修復是幫助退化或受損生態(tài)系統(tǒng)恢復的過程，以建立一個可以自我維持的生態(tài)系統(tǒng)（Ruiz-Jaen和 Aide,2005）。即使 Dobson等（1997）提出了生態(tài)修復的本質(zhì)，即由較長時間尺度引起的恢復問題的確定和使用或模擬自然過程的人工干涉來解決的過程，其中也僅簡單提到方法，并沒有詳細全面的概括。

河流生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜、開放、動態(tài)、非平衡和非線性的系統(tǒng)，認識河流本質(zhì)特征的核心便是認識河流生態(tài)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與功能，修復受損河流生態(tài)系統(tǒng)的核心便是進行河流生態(tài)修復（董哲仁等, 2010; 張振興, 2012）。針對河流生態(tài)修復進行的定義經(jīng)歷了從簡單的描述到全面深入闡述的過程，不同的研究者針對其研究內(nèi)容的差異，從不同的角度分別對其進行了定義。其中最早對河流修復概念進行界定的是The National Research Council（NRC）在1992年的報告中將修復定義為“使生態(tài)系統(tǒng)回到接近受損前的狀態(tài)”，并指出“修復意味著重建受干擾前水體的功能及相關(guān)的物理、化學和生物特征”（王薇和李傳奇, 2003a）。而Boon（1998）認為修復作為一種可能的保護手段，目的是使河流不再處于半自然狀態(tài)，其活動本身應(yīng)集中在重建一種使河流自然過程能夠再生的狀態(tài)，從而使河流生態(tài)系統(tǒng)能回到自然演替的軌跡上（趙彥偉和楊志峰, 2006）。但由于對河流自然狀態(tài)難以確定，因此為避免人們的判斷過于主觀化，“美國河流修復委員會”發(fā)展了河流生態(tài)修復的概念，提出了目前得到廣泛認可的定義：從環(huán)境角度，河流修復是保護和恢復河流系統(tǒng)達到一種更接近自然的狀態(tài)，并利用可持續(xù)的特點以增加生態(tài)系統(tǒng)的價值和生物多樣性的活動，即修改受損河流物理、生物或生態(tài)狀態(tài)的過程，以使修復工程后的河流較目前狀態(tài)更加健康和穩(wěn)定（ASCE River Restoration Subcommittee on Urban Stream Restoration, 2003），這樣定義使抽象的自然狀態(tài)具體化，明確了河流生態(tài)修復的方向。

綜上所述，河流生態(tài)修復是指以在河流接近自然化的基礎(chǔ)上滿足人類生產(chǎn)生活要求為目標，通過人工手段改變河流的受損狀態(tài)，并監(jiān)測和評價效果的過程。其中修復目標、修復理念和修復影響的評價和監(jiān)測是河流生態(tài)修復的3個重要方面，在以往的研究中，已經(jīng)分別取得了顯著的進展。

2 河流生態(tài)修復的目標

一般河流生態(tài)修復的目標主要包括河岸帶穩(wěn)定，水質(zhì)改善，棲息地增加，生物多樣性的增加，漁業(yè)發(fā)達及美學和娛樂（董哲仁, 2009），以期河流能夠更加自然化，這是修復工程的一個最普遍的目標。

對于不同國家，由于經(jīng)濟發(fā)展水平的差異，河流受到人類干擾的程度不同，因此，生態(tài)修復的目標也不相同。Nienhuis和Leuven（2001）認為河流生態(tài)修復是一項很奢侈的行為，對于發(fā)達國家還可能實施，其河流修復目標一般包括農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、河流自然化發(fā)展和防洪4類，而對一些貧困國家是完全不可能。國外的眾多河流以將水體重建、河流的水文循環(huán)恢復、使魚類和底棲無脊椎動物回到河流以實現(xiàn)河流生態(tài)系統(tǒng)完整性作為生態(tài)修復的目標（Ward等, 2001）。倪晉仁和劉元元（2006）將河流修復目標分為2類：河流污染治理目標和生態(tài)修復目標，他認為我國河流生態(tài)修復以改善受污染河流的水質(zhì)為目標，尚不能完全實現(xiàn)生態(tài)修復的目標，這為我國河流恢復今后的發(fā)展指明了方向。

基于不同地區(qū)的河流修復目標存在的差異性，在修復目標的制定過程中，需要考慮許多因素，包括河流本身和其所處地域的差異。就河流本身而言，由于生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)性特征，制定目標時不能只考慮河流的靜止狀態(tài)，而是要從整體上把握其未來發(fā)展的趨勢，設(shè)定適當?shù)男迯湍繕耍℉obbs和Harris, 2001）。Boon（1998）認為目標的制定不僅需要考慮是否能實現(xiàn)魚類等棲息地修復的相關(guān)因素，而且要考慮河流系統(tǒng)的整體過程。Pedroli等（2002）在充分考慮水動力等因素的基礎(chǔ)上提出了設(shè)定河流修復目標的策略方法，得出水動力在決定目標動物種群持續(xù)潛力方面起到關(guān)鍵作用，說明在設(shè)定目標時應(yīng)重點考慮。此外，河道形態(tài)（Burge,2004）和河床的起伏（James, 2006）也是河流修復前需要考慮的因素。但由于河流所處的地域不同，在制定恢復目標時，不能單純只考慮河流本身的狀況，還需要根據(jù)其所處地域的生態(tài)信息進行分類，并根據(jù)其種類來制定目標（Schneiders等, 1999），并注意不同目標之間的協(xié)調(diào)。如針對跨界河流修復目標的設(shè)定，不同國家目標間的相互協(xié)調(diào)就變得更為重要了。荷蘭和比利時對馬士河的修復就是一個很好的例子，兩國在滿足各自目標的基礎(chǔ)上進行了合作，雖然進展緩慢，但已經(jīng)成功地由計劃階段進入到了修復實施階段（Nienhuis和Leuven, 2001）。此外，丹麥和英國聯(lián)合實施的修復 Brede, Cole和Skerne 3條河流的EU-LIFE工程也是一項典型的多國合作的例子，不僅是在目標的制定方面，而且在修復的每一個環(huán)節(jié)上都體現(xiàn)了國家間的相互協(xié)作（Holmes和 Nielsen, 1998）。

3 河流生態(tài)修復的理念

在河流生態(tài)修復的概念沒有正式提出之前，人們就已經(jīng)嘗試對河流的不適宜狀態(tài)進行研究，并形成了早期的恢復理念。1938年德國Seifert首先提出近自然河溪治理的概念。它是指能夠在完成傳統(tǒng)河道治理任務(wù)的基礎(chǔ)上，可以達到接近自然、經(jīng)濟并保持景觀美的一種治理方案（宋慶輝和楊志峰,2002）。1965年德國Ernst Bittmann在萊茵河用蘆葦和柳樹進行了生物護岸實驗，實現(xiàn)了對河流結(jié)構(gòu)的修復，可以看成是最早的河流生態(tài)修復實踐。20世紀 70年代末瑞士 Zurich州河川保護局建設(shè)部的Christian Goldi將德國Bittmann的生物護岸法發(fā)展為“多自然型河道生態(tài)修復技術(shù)”，即拆除已建的混凝土護岸，改修成柳樹和自然石護岸給魚類等提供生存空間，把直線形河道改修為具有深潭和淺灘的蛇形彎曲的自然河道，讓河流保持自然狀態(tài)（李永祥和楊海軍, 2006）。

隨著全球范圍的水生態(tài)系統(tǒng)正以驚人的速度遭到嚴重的改變和破壞，各國河流生態(tài)修復技術(shù)的研究不斷發(fā)展起來。歐洲、北美、澳洲、日本等許多地區(qū)，較小河流生態(tài)修復的研究與實踐較多，修復技術(shù)已比較成熟（Gore和Shields, 1995; Nienhuis和Leuven, 2001; 王薇和李傳奇, 2003a），如英國的River Restoration Centre在2002年出版了修復技術(shù)導則。而較大河流生態(tài)系統(tǒng)的修復工作也已有不少實例（楊蕓, 1999; 郭煥庭, 2001），如泰晤士河、密西西比河（Mitsch和Day, 2006）、萊茵河（Cals等,1998）、多瑙河（Chovanec等, 2002）等。歐盟WFD提出的改善水質(zhì)的“修復計劃”是河流管理史上河流修復的最大推動力之一（Clarke等, 2003）。但綜合來看，早期的相關(guān)研究思想范圍主要集中在單一河流形態(tài)和水質(zhì)的修復。

隨著修復實踐的開展，河流修復已經(jīng)從單純的結(jié)構(gòu)性修復發(fā)展到整個系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)、功能與動力學過程的綜合修復（Clarke等, 2003）。Brooks和Shields（1996）從修復的范圍上進行了解釋，認為河流修復不光包括河道本身，還應(yīng)擴展到河漫灘乃至流域。在河流修復過程中，應(yīng)將河流所在的流域作為一個整體來考慮。此外，還要考慮整個流域的背景（趙彥偉和楊志峰, 2005; 董哲仁, 2006）。這不僅是由于人類對自然界的影響是大尺度的，而且導致水體退化的原因多是在與其相連的其他生態(tài)系統(tǒng)中形成的。因此，在流域修復思想的指導下，各國相繼進行了流域范圍的河流生態(tài)修復。如萊茵河的行動計劃（RAP），其重點是在流域范圍內(nèi)向萊茵河中長距離地遷移大西洋的鮭魚（Neumann,2002）。2001年針對荷蘭段的修復計劃，主要也是通過改進魚類的遷移來實現(xiàn)對萊茵河的治理，并將限定數(shù)量的鮭魚回到萊茵河作為河流生態(tài)系統(tǒng)修復成功的標志（Raat, 2001）。此外，為恢復美國亞利桑那州鳳凰城流域原有的風貌而進行的 Tres Rios工程，其規(guī)模是史無前例的，主要內(nèi)容包括：（1）恢復流域地區(qū)的生物棲息地；（2）建設(shè)濕地并擴大洪水緩沖帶；（3）修建1條種植本土植物的河岸帶及一系列具有寬闊水體的沼澤。Tres Rios工程對環(huán)境作了較大的改動，不只是單純的恢復工程，同時也包含了規(guī)劃的成分（Onken等, 2004）。

雖然對于河流修復戰(zhàn)略需要將河流生態(tài)系統(tǒng)作為一個整體，進行結(jié)構(gòu)、功能和動力學修復的觀點已經(jīng)受到了廣泛的認可（Poudevigne等, 2002;楊俊鵬等, 2012），但對于大多數(shù)河流，這種恢復幾乎是不可能的。我們對于恢復不能盲目地進行，而應(yīng)該針對河流中部分生態(tài)系統(tǒng)的組分和過程進行修復（Schiemer等, 1999），即選擇性地、有重點地修復，這便涉及到修復優(yōu)先權(quán)的問題。近幾年，針對確定優(yōu)先權(quán)方面的研究有所發(fā)展，如Bohn和 Kershner（2002）建立了一個基于流域分析技術(shù)的確定恢復優(yōu)先權(quán)的模板，從區(qū)域、盆地、流域和地點4個生態(tài)尺度確定了河流修復的優(yōu)先權(quán)。Petty和Thorne（2005）提出的河流生態(tài)價值的衡量方法，能有效地確定修復優(yōu)先權(quán)以及流域最佳的修復戰(zhàn)略。

4 河流生態(tài)修復影響評價和監(jiān)測

河流生態(tài)修復影響方面的研究多集中于恢復后的影響預測和評價，包括修復后造成的影響跟蹤評價以及利用模型的預測評價。1996年，Bradshaw指出被修復生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或功能也許將完全不同于與其相比的未受破壞的參照系統(tǒng)，如在除河流外的一些系統(tǒng)中，已研究得出改進棲息地的結(jié)構(gòu)與保護的目標物種相比對其捕食者會更有利（Ormerod, 2004），說明生態(tài)修復有時也會造成生態(tài)破壞，因此生態(tài)修復影響的研究就越來越受到重視。由于生態(tài)修復存在一定的弊端，而河流生態(tài)修復的成功與否直接影響到人類的生產(chǎn)、生活和健康，所以人們已經(jīng)嘗試用一些指標（參數(shù)）通過監(jiān)測來表征恢復工程的效果即恢復后評價，而當系統(tǒng)能夠自我維持時就意味著恢復工程的完成（Nelson等, 2000）。這種跟蹤評價大多是針對利用生物引種或改變棲息地結(jié)構(gòu)等生態(tài)修復方式進行的，由于生物體中無論是稀有物種還是數(shù)量較多的矽藻類都對修復的響應(yīng)較慢（Ormerod, 2004），修復效果不能在短期內(nèi)表現(xiàn)。因此，制定河流生態(tài)修復后跟蹤監(jiān)測和評價是十分必要的（Schiemer等, 1999）。1994年，為修復萊茵河水體群落生境，建立了2條次級河道，同時也成立了5年的工程后監(jiān)測計劃，包括監(jiān)測水生大型無脊椎動物、魚類和涉水鳥類的情況（Simons等, 2001）。2001年，針對新西蘭地區(qū)為修復 Waitaki流域具有碎石河床河流以及濕地的棲息地而采用的PRR（Project River Recovery）工程進行了效果評價（Caruso, 2006）。通過分析PRR工程實施 10年以來棲息地的改善情況，得出了工程的優(yōu)勢及需要改進的地方，是確保修復順利完成的一種有效方法。Buchana等（2012）應(yīng)用一系列評價方法對紐約中部的河流生態(tài)修復項目進行了評估，表明修復工程已取得一定效果。

隨著模型在修復研究方面的應(yīng)用，利用其對河流生態(tài)修復影響進行預測和評價的研究也逐漸發(fā)展起來。Sear等（1998）利用地形學模型預測了低地河流修復對河道形態(tài)多樣性的影響，并得出孤立范圍的修復會在被修復河道和下流內(nèi)引起復雜的響應(yīng)，揭示了其影響機制。Bockelmann等（2004）經(jīng)過3年的時間針對歐洲威爾斯西部Afon Morlais河3000 m范圍內(nèi)收集了一套包括水力，基質(zhì)和生態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)體系，應(yīng)用生態(tài)水利模型DIVAST來評價河流修復過程的有效性及其影響。上述利用模型的預測和評價既精準又方便，是評價恢復方法的有效手段。Klein等（2007）應(yīng)用水動力模擬，在實地監(jiān)測的基礎(chǔ)上通過17個物理和生物指標量化了修復工程實施后的變化，評價了修復工程的有效性。

5 河流生態(tài)修復中的多學科交叉應(yīng)用

河流生態(tài)修復以恢復生態(tài)學、基礎(chǔ)生態(tài)學和景觀生態(tài)學作為理論基礎(chǔ)（李洪遠和鞠美庭, 2005）。針對河流的生態(tài)修復更是在此基礎(chǔ)上融合了物理、化學、水文、形態(tài)等多個學科的內(nèi)容。許多修復成功的工程例子就是物理學家、生物學家和工程師共同努力工作下的結(jié)果。在多學科交叉的修復工程中，對任何一個學科認識的不夠，都會直接影響整體的修復效果。

Ormerod（2004）研究了生態(tài)學對修復的重要性，認為與以往相比，修復應(yīng)更加重視生物體，并指出修復群落中的優(yōu)勢種及其生態(tài)功能是修復成功的關(guān)鍵。近年來，地貌學對河流生態(tài)修復影響的研究也成為了一個熱點（Kondolf, 1998; Newson,2002; Newson和Large, 2006）。傳統(tǒng)的河流修復計劃多拘泥于物種或棲息地的驅(qū)使下，試圖去重塑河道形態(tài)，以期有利于特定物種及相應(yīng)的棲息地，但這樣往往忽略了形成河道形態(tài)的地貌過程，因此造成修復計劃不能自我維持，而需要更多的管理投入（Clarke等, 2003）。據(jù)調(diào)查，國外河流修復研究的75%是致力于河道形態(tài)的修復，大約40%是嘗試修復喪失的河岸植被和濕地群落（鄭天柱等, 2002），自然修復與重建距離河流生態(tài)的良性循環(huán)要求還相差甚遠。WFD（Water Framework Directive）認為根據(jù)系統(tǒng)思想，河流系統(tǒng)是生態(tài)、水文和地貌的相互作用體。在進行河流生態(tài)修復時，首先應(yīng)充分理解生態(tài)、水文、地貌及其之間的關(guān)系，并將這些概念綜合形成生態(tài)水文地貌的思想（Gilvear, 1999）。在這個綜合各學科思想的指導下，Petersen（1999）指出流域中的每一個地貌成分都有特定的水文功能和生態(tài)潛力，因此，在流域規(guī)劃修復過程中應(yīng)考慮每一個地貌因子，并在此基礎(chǔ)上提出了一套流域規(guī)劃、修復和管理的自然手段。Clarke等（2003）也在充分考慮生態(tài)水文地貌的思想下，建立了一個戰(zhàn)略框架，用以確定流域內(nèi)河流修復的優(yōu)先權(quán)。

此外，景觀生態(tài)學在河流修復中的應(yīng)用也是多學科綜合的另一個重要方面。很早就有河流廊道概念的提出，即把與河流聯(lián)系緊密的河岸帶和洪泛區(qū)這個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，包括陸地、植物、動物及其內(nèi)部的河流網(wǎng)絡(luò)，稱作河流廊道（王薇和李傳奇,2003b）。它是景觀中最重要的廊道類型，具有物質(zhì)的傳輸、污染物的凈化、動植物遷移和水陸生動植物的棲息地等功能（鄔建國, 2000），其不僅可以保護生物多樣性，而且能維持較高的魚類產(chǎn)量（董哲仁, 2003; 樊健和賀瑞敏, 2005）。為成功實行保護和修復，則需要構(gòu)建相關(guān)的概念和理論背景（Poudevigne等, 2006），但由于我們對河流廊道自然復雜性和動力學基礎(chǔ)知識的理解有限，因此，缺少評價人類影響和有效修復戰(zhàn)略的標準。應(yīng)用景觀生態(tài)學的思想，就可以解決許多由于概念理解缺陷帶來的問題（Ward等, 2001）。針對流域范圍的河流修復應(yīng)用景觀生態(tài)學中等級的原理就是景觀生態(tài)學在河流生態(tài)修復中應(yīng)用的典型例子。一個河流由次級流域構(gòu)成，每一個次級流域由更小的匯水區(qū)構(gòu)成，其所在流域具有一定的復雜性。將復雜的流域劃分成不同的等級，分別針對不同功能單元進行修復（Harper等, 1999），這種思想被廣泛應(yīng)用于退化河流的物理修復過程中。

6 研究展望

縱觀國內(nèi)外河流生態(tài)修復的研究進展，其修復對象、范圍、理念等方面都有了顯著的發(fā)展，經(jīng)歷了從對河流形態(tài)到功能、過程和動力學的修復，從單一針對某個河流水質(zhì)的小尺度修復到河流生態(tài)系統(tǒng)、流域乃至整個區(qū)域的大尺度修復，從簡單的工程修復到河流整體修復戰(zhàn)略的過程，同時多學科思想相融合指導下的綜合型修復將是未來發(fā)展的主要方向。然而根據(jù)現(xiàn)有研究進展，未來仍需開展以下研究。

（1）制定包含河流生態(tài)修復完整過程的技術(shù)規(guī)范。對河流歷史及現(xiàn)狀的調(diào)查、修復目標的制定、修復措施的計劃和實施、修復影響的評價和監(jiān)測分別提出具體要求和原則，以指導河流生態(tài)修復實踐。

（2）確定修復后評價具體時間。由于某些恢復工程的效果不能在短時間內(nèi)體現(xiàn)，有的甚至需要幾十年，為保證河流生態(tài)修復效果，有必要建立一套確定后評價具體時間的標準，為修復工作的跟蹤評價提供便利。

（3）開展基于多學科融合應(yīng)用的河流生態(tài)修復研究。河流生態(tài)修復的多學科交叉綜合性越來越顯著，尤其是地貌學和景觀生態(tài)學對于河流修復的影響更是受到了廣泛的關(guān)注，未來應(yīng)嘗試將多學科融合的方法、思想等應(yīng)用于河流生態(tài)修復中，以豐富和完善河流生態(tài)修復理論，提高整體修復效果。

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