基于水生態系統服務綜合效能提升的城市河流生態修復研究*

汪潔瓊 葛俊雯 成水平

1 城市雙修工作背景下河流生態修復的誤區與困境

受到人類干預的影響，城市河流正在面臨較為嚴重的生態問題：河流污染、溝渠化、濱水空間被侵占等現象都造成了河流生態系統從動態多樣化越發趨于穩定均質化，致使生物多樣性降低以及生態系統服務退化。2015年，中央城市工作會議明確提出了以“生態修復、城市修補”為核心的“城市雙修”規劃工作要求，強調在全面實施城市黑臭水體整治的基礎上，系統開展江河、湖泊、濕地等水體生態修復。越來越多的研究開始著眼于城市河流的生態修復問題，審視過往，主要存在三方面的誤區。一是重水利工程、環境工程專業，輕風景園林專業的誤區。城市濱水景觀空間在土地利用性質上不在城市河流的“藍線”范圍內，因此不屬于水務部門和環保部門的管轄范疇內；而園林綠化主管部門往往受到規劃管理部門主導的規劃成果的牽制，城市開發先行，景觀環境滯后，因此常受制于城市“藍線”“綠線”的劃定結果，濱岸帶生態化改造的空間有限。湯曉敏[1]、王敏[2]等認為對城市河流修復的認識不能僅停留在景觀層面，當今河流治理工程也不僅是水利與環境部門的職責，設計者與管理者在工作時應多從景觀生態的角度去把握，綜合考慮文化要素、空間要素、生態要素和載體要素等四大要素，追求城市河流與其周圍環境的整體和諧，符合人類親近自然的要求。二是重單一河流生態修復技術、輕系統性看待水生態系統的誤區。董哲仁[3]等在城市河道設計方法上指出，城市河流的水工設計應融合生態學理論知識，在對河道進行修復設計時不僅要著眼于具體工程手段，還需要保證水域生態系統的完整性、依存性。生態景觀技術和生態護岸技術作為河流修復的主要手段已經成為近年研究的熱點問題，包括自然河道形態恢復、水系網絡的營造技術、以及河岸帶生態重建技術等[4-5]，這些技術研究體現了研究者已開始將城市河流近自然治理修復技術與水生態系統聯系起來共同思考。三是重個別生態系統服務、輕綜合效能提升的誤區。一直以來，黑臭問題被認為是城市河流的“頑疾”，導致此后的治理工作都以水質凈化為主導。截污治污、底泥疏浚、消除黑臭、水質改善、建設防汛墻是城市河流生態修復的主要途徑，重視水質凈化、防洪排澇這些個別的生態系統服務，體現出較為單一的工程學思維。當然也有文獻談及對河流生態修復的研究側重于河流沿岸土地利用方式對于生態系統服務的影響[6]，也包括河流廊道的景觀格局分析[7]、河流廊道的生態功能[8]等，但真正談到如何通過綜合提升生態系統服務來指導規劃設計實踐的研究較少。汪潔瓊等提出生態系統服務是風景園林生態之“法”，空間形態是風景園林生態之“式”[9]。生態系統服務效能的高低與空間形態的影響關系研究，最終還需要到風景園林生態的具體實踐中去檢驗。事實上，在城市雙修工作的背景下，河流生態修復應當突破過往集中于對河流采取直化渠化、攔水建壩、邊坡硬化等措施來集中防治河流污染、河道淤積的局限，而逐漸轉變為挖掘河流的經濟、社會價值，打造“人文生態系統”的新階段。

城市河流及其濱水空間不僅具有防汛、泄洪、排澇、航運等傳統功能，還承擔著雨洪調節、徑流調節、水質凈化、動植物多樣性等調節性及支撐性生態系統服務，兼具游憩、娛樂、教育等文化性生態系統服務[10-11]。從國內外河流生態修復的文獻角度看，不同的文獻與實證研究側重點往往不同，且通常是定性或半定量的分析，它們的結論可能存在相悖之處。鑒于此，文章從以下2個方面展開：其一，通過薈萃分析（meta-analysis），從文獻定量研究的角度，厘清城市河流修復的生態效應內容，以及修復背景（如退化類型、修復措施、修復時期）對于生態效應的影響；其二，關于城市河流生態修復方面，構建水生態系統服務綜合效能提升機制的概念模型，包括3個方面：以水質凈化為基礎、生境多樣性為核心、文化性服務為關鍵。強調河流生態修復的實踐工作應當走出當前的誤區，做到多學科融合，并注重系統性與服務效能間的價值博弈與權衡，旨在為新時期我國城市雙修工作中河流生態修復規劃、設計、管理提供新的思路與借鑒。

2 河流修復生態效應的薈萃分析

2.1 研究對象與方法

盡管國內城市河流生態修復實踐的需求正日益增長，對于修復效果的長期監測與評價工作卻較為缺乏，大部分的研究集中于生物多樣性的變化上。通過國內外文獻梳理發現這方面的研究還存在一些相悖的結果：部分研究表明河流的生態修復明顯改善了某些生物群體的生存條件[12]；部分研究則發現河流修復幾乎沒有帶來什么正面的生態效應[13]，而對河流修復影響最大的退化類型、修復措施、修復時期等因素卻很少被關注到[14]。鑒于此，通過薈萃分析，文章對目前針對河流修復效果的生態效應的研究進行全面的評估。薈萃分析是采用將若干實驗結論通過統計標準化手段進行整合，得出較高可靠性的評價方法[12]。其中最重要的標準化指標是效應比R[15]，用來揭示處理效果的大小或兩個變量之間相互作用的強度的效應大小，可以量化河流修復的生態效應。為了同時處理正數與負數，在計算之前部分數據將被反向轉換，以確保所有結果都能在同一個（正）方向上。效應比R及其方差計算公式為：和Xb分別表示河流在修復和未修復情況下的效應值。效應比作為無量綱，＞0時表示河流修復得到正向提升，＜0表示河流生態修復出現退化。為了避免方程的自然對數出現0，方程的分子和分母都加了1[12]。利用各變量的效應比可以分析得出河流修復的總體效應大小。

薈萃分析在I S I數據庫中，利用環境科學（environmental sciences）、生態學（e c o l o g y）、水資源（w a t e r resources）、生物多樣性保護（biodiversity conservation）、植物科學（plant sciences）等為關鍵詞識別對相關文獻進行了系統的檢索，初步統計獲得文獻460篇。去除重復以及同主題關系弱的研究之后，采用更嚴格的標準來進行進一步篩選：研究對象應為河流或溪流生態系統（不包括濕地、漫灘和海洋生態系統）；研究中應有修復前后河流生態狀況對比分析；對河流的生態修復時長至少達到一年及以上；進行過實地考察并作出定量報告記錄結果。綜上條件，共篩選獲得53篇文獻構成薈萃分析的基礎。

2.2 河流修復對生態系統服務的影響

從薈萃分析的結果來看，盡管河流生態修復對不同類型的生態系統服務改善不同，其產生的整體生態效應是積極的（p＜0.01），生態效應效應比達到95%置信水平，置信區間為0.31[0.19，0.43]，位于無效應零線的右側。綜合所有研究結果，河流修復對生態系統服務的提升作用主要體現在河流物種豐富度方面，對物種數量和密度也有一定正面影響。河流修復對物種豐富度、數量和密度的影響均為正（p＜0.05），效應比和95%置信區間分別為0.49[0.35，0.65]、0.17[0.04，0.32]和0.19[0.01，0.39]，物種豐富度的效應比是物種密度與數量的兩倍。同時，結果顯示河流修復對生態系統調節性服務的改善最為顯著，并優于對支持性服務的改善，調節性服務的效應比為正，置信水平達到95%。

2.3 河流修復背景對生態效應的影響

本文主要研究了河流修復對六種類型的河流退化類型產生的生態效應。通過薈萃分析得出河流修復能最有效的緩解水文形態退化與自然干旱的情況（p=0.02），其次是受到土地利用變化而產生的河流退化狀況（P=0.05）。與之相反的是，溝渠化、修建堤壩、林地毀壞、捕魚等因人類強干擾活動產生的河流退化狀況，河流生態修復對其影響效果甚微。從修復的措施來看，河道重建與河岸緩沖帶修復兩項技術產生的生態效應最強，效應比及95%的置信區間均為正，即對河流生態修復的效果最為顯著。同時，增種河岸帶林木這一修復手段也產生了較好的生態效應。從修復時長來看，調節性服務（p=0.02）與支持性服務（p=0.89）與河流修復時間長度均呈正相關。而從效應比來看，生物多樣性成分變化則顯示與修復時長無顯著相關性（表1）。

表1 生態系統服務對河流生態修復的效應比Tab.1 the response ratio of the eco-services for the recovery of urban rivers

綜上，河流修復對水生態系統服務的提升的確產生著積極的影響，而修復的效果在不同的生物群體和生態系統服務中存在顯著差異。河流修復對物種豐富度、密度以及數量這三個因素產生的影響較大，其中對物種豐富度的提升效果最強，對生態系統服務中的調節性服務效能提升助力最大。從修復措施來看，河道重建與河岸緩沖帶修復兩種手段產生的效果相對較好。而修復時長與效果之間的模糊關系則表明未來的河流修復項目應進行長期監測和評估，以觀測記錄河流修復的長期生態效應。同時，在確定河流修復區域時，還需要著重考慮其自身水文形態的退化情況以及河岸帶土地利用的變化。

圖1 城市河流生態修復水生態系統服務綜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 城市河流生態修復的水生態系統服務綜合效能提升機制

借用“設計實現生態系統服務”（design for eco-services）的觀點[16]在城市河流生態修復過程中時即需強調對生態系統服務的考量，讓自然做功，就可以從根本上對整體生態系統產生積極的影響，從而更好的實現生態修復。研究強調城市河流生態修復的實踐工作應當做到：第一，多學科融合；第二，重視河流生態修復的系統性；第三，強調水生態系統服務綜合效能的提升。通過上述薈萃分析的結論，研究認為基于水生態系統服務綜合效能提升的生態修復，需要通過水環境、水景觀、水文化三重層次機制構建，才能系統、科學、完善地達到更好的生態效應。其中，水質凈化是生態修復的基礎，生境多樣性是生態修復的核心，文化性服務是生態修復的關鍵。

通過太原市河湖水系規劃的實際案例，研究進一步闡述城市河流生態修復方面，水生態系統服務綜合效能提升機制的概念框架（圖1）。太原市規劃區范圍內永久性河流僅汾河一條，流域面積大于1 000 km2；季節性河流共計有13條邊山支溝，主要包括楊興河、瀟河、烏馬河、白石河、北澗河等。泛洪平原濕地分布于河流周邊。根據徑流狀況，規劃區范圍內的水體特征大多為季節性河流，僅在雨季產生徑流。通過現狀分析，認為太原市水體修復方面面臨的核心問題包括：第一，部分河流基流不保，水源涵養空間不充分；第二，城市排水設施老化內澇積水點分布廣；第三，黑臭水體治理不達標，水體生境較為單一；第四，水系空間利用不合理，親水性差且感知弱。在基于區域水文特征與健康水文循環過程的水源涵養空間劃定的基礎上，對于城市河湖水系格局進行優化（圖2），并依次做到以下3點。

3.1 以水質凈化作為河流生態修復的基礎，建立灰水、雨水、給水的良性循環

圖2 太原河湖水系總體規劃圖Fig.2 planning of water system in Taiyuan Ctiy

第一層次的水環境作為生態筑底，提供水質保障，從而建立城市中良好的灰水、雨水、給水的良性循環。水質凈化包括污水截留、徑流管控、水體自凈。水質凈化作為生態筑底，能夠為河流的生態修復提供水質保障。首先，污水截留是水質凈化的前提，通過外源截污、內源疏浚進行黑臭河道治理，并強調分段截留污水的河道水質提升；其次，徑流管控是指對進入河流的地表徑流組織進行梳理管控，并構建雨洪調節與強化凈化工程相結合的小微濕地體系。最后構建基于防滲、水利循環、護岸改建工程的城市核心景觀河段，包括利用結構種類豐富的挺水植物及喬灌草搭配形成植被覆蓋率較高的植被緩沖帶，從而最大程度地阻隔面源污染；以跌水、噴泉等形式增加水中曝氣，提高水體的含氧量，打撈藍藻、收割過多的沉水植物，使用景觀效果較好的挺水植物品種，水面增加生態浮島等。

3.2 以生物多樣性為河流生態修復的紐帶，建立生境與水質凈化的空間關聯耦合

圖3 太原河湖水系生境規劃圖Fig.3 planning of water habitats in Taiyuan City

第二層次的水生態作為紐帶，主要起到聯結水環境與水景觀的作用。河道是水生態環境的重要載體，生物多樣性的營造作為河流生態修復過程中重要的環節，承擔著將生境與水質凈化進行空間關聯耦合的重要紐帶。太原市內現狀水體存在部分基流不保的狀況，而基流是生物多樣性修復的基礎，因此建議通過水體基質的修復，留下適當深度的水流，并注重水綠融合的濱水綠地分類布局，適當提高濱水生境的多樣性（圖3），例如人工河岸生境、自然半滲透濕地生境、雨洪型人工洼地生境、人工池塘生境等。在植物多樣性方面，需通過構建多層次、復合性、低維護的水生植物營造綠色生態駁岸，為水生動物的繁育和兩棲動物的繁衍創造條件，使之成為具有棲息地、生物廊道、水岸過濾帶等多種生態功能的生態廊道。在保護河道生物多樣性的自然環境的同時，與城市綠地構成聯通性較高的系統多級綠色廊道網絡。在野生動物多樣性方面，需要為鳥類、魚類與底棲動物提供良好的棲息條件和繁殖條件，以保證生物鏈有條不紊的延續。可適當增加喬木比例，提供給鳥類棲息筑巢的空間；投放適量的淡水魚類、蝦、螺、蚌等生物，科學規劃和設計魚道，為魚類洄游產卵、避難創造條件，關鍵部分的水體可采取微生物修復技術進行底泥固定與修復。通過基礎生境改善、生態恢復與重建和優化群落結構，來達到河流生態系統系統持續有效良性運行，同時提高水體自凈化能力。

3.3 以文化性服務為河流生態修復的關鍵，建立岸線景觀營造與游憩活動的關聯

第三層次的水景觀作為水生態系統服務綜合效能提升的關鍵，需綜合運用河道駁岸、生境、空間、游憩功能、本土材料等景觀要素來提高美學價值，增加游憩機會。結合城市游憩點與慢行綠道網絡，構建基于親水生活圈的城市河道點狀活化與游憩網絡。不僅從機理上修復河流生態系統，還要從表象上塑造良好的視覺感觀，滿足人們對河流景觀的休閑娛樂、生態審美需求。激活河道周邊點狀岸線景觀，在空間上串聯起來構建城市系統濱水游憩網絡，提供可觀、可游、可賞的城市河流休閑游憩空間。