基于恢復生態學的泰山地區“山水林田湖草”生態修復研究

葉艷妹,陳 莎,邊 微,高世昌,丁慶龍,郝 朋

1 浙江大學土地與國家發展研究院, 杭州 310058 2 國土資源部城鄉建設用地節約集約利用實驗室, 北京 100812 3 山東省泰安市自然資源和規劃局 土地綜合整治與規劃中心, 泰山 271000 4 自然資源部國土整治中心, 北京 100035 5 新泰市土地收購儲備中心 ,新泰 271200

生態文明建設是實現中華民族偉大復興的重要內容。當前,各地正在大力推進生態恢復治理,實施“山、水、林、田、湖、草”整體保護、系統修復、綜合治理。但是一些地方缺乏系統性的生態修復理念和方法,存在著多頭獨自推進、生態要素分割治理、局部修復效果較好但整體效應弱等突出問題[1- 2],亟待將國土空間作為完整的生態系統來考慮,實施綜合施策。泰山地區是我國華北平原重要的生態屏障,是南水北調東線工程的關鍵調蓄補源區,在保障津冀魯供水安全和國家生態安全格局中占有特殊的地位。近幾十年來,隨著工業化和城市化的進程加快,礦山地質環境受損、水土流失、土壤污染等生態退化問題日益突出,實施生態修復迫在眉睫。但已有的修復工程往往對各生態系統要素之間的協同特征和有機聯系缺乏關注,加之規劃跟進不及時,項目實施進度不一,部門單體規劃代替整體規劃等原因導致各生態系統分割治理,生態修復的系統性和整體性較弱等弊端。泰山地區生態恢復如何將“山水林田湖草生命共同體”理念有效落地是亟待破解的重要課題。

恢復生態學(Restoration Ecology)是一門關于退化生態系統恢復的學科,兼具理論性和實踐性[3]。經過40余年的發展,生態恢復實踐和研究涉及了礦山、河流、森林、農田、湖泊、草原和荒漠等多類對象,并在退化生態系統類型、退化原因診斷、退化生態系統恢復重建的機理、模式和技術上積累了大量的研究成果,能夠為“山水林田湖草”的系統保護和修復提供堅實的科學技術基礎[4]。基于此,本文嘗試運用恢復生態學的理論邏輯,以泰山地區為研究對象,分析地區生態退化的過程和機制,探討退化生態恢復和重建的思路,以期為科學開展“山水林田湖草”治理和修復工作做出努力,為同類型地區的生態修復治理工作提供借鑒。

1 生態退化診斷

1.1 研究區概況

山東省泰山地區(下稱“地區”)涵蓋泰安市6個縣(市、區),地區面積約為7762 km2,涉及我國東部數條鐵路、公路等重要交通干線和南水北調東線工程。該地區以泰山山脈為核心,分屬黃河、淮河兩大流域,以大汶河水系為重點。區內地表水體分布數量較大,擁有東平湖及其他總庫容1000萬m3以上的大中型水庫共16座。

當前泰山地區生態環境突出問題主要是：①礦山地質環境問題。地區內踩空塌陷分布廣泛,據統計地區內(泰安市)塌陷地總面積161.5 km2,塌陷深度0.1— 6 m。塌陷區內大部分耕地無法正常耕種甚至絕產。原有的地形地貌景觀受到破壞,加劇水土流失,也誘發了崩塌、滑坡及泥石流等地質災害。②水環境問題突出。水資源開發利用率超過70%,生態流量擠占嚴重；大汶河生態水量不足,東平湖氮磷濃度較高,部分支流污染較重。近40%的水功能區水質不達標,河道底泥淤積嚴重,水體自凈能力降低,水質為劣Ⅴ類；受圍墾種植、水產養殖等影響,濕地面積大幅減少,濕地生態系統退化,威脅鳥類生存。③植被退化和生物多樣性降低。泰山地區雖然植物種類豐富,但栽培植物占現有植物總數超過30%,且有逐年增加趨勢。大量的人工栽培植物存在諸多先天不足,主要表現在林分密度大,結構單一,自然演替過程中森林生態系統主導功能下降、水土保持能力弱、森林病蟲害自控能力差等；露天采石破壞大量的土地和植被,容易形成礦山荒漠化,對動植物生境造成嚴重危害。④土地利用問題。大規模的生產建設活動挖廢、塌陷、占壓了大量土地資源,產生了大量的工礦廢棄地,復墾利用難度較大。土地資源破壞嚴重,耕作層不斷變薄,土壤污染日趨嚴重,土壤理化性狀變壞。

1.2 生態系統退化過程與機制

1.2.1生命共同體:物能循環和轉化的視角

“山水林田湖草”生命共同體中的各要素(子系統)在生態過程中表現出相互影響、相互制約的關系,生態各要素雖然在“生命共同體”中所處的層級、位置和作用不盡相同,但其生態服務功能與價值是各要素通過物能循環和轉化共同作用所產生的結果。當生態系統中物能的流動與轉換在一個或者多個環節出現了功能的異常或缺失,在平衡點一定范圍內波動的生態系統出現了異常的“位移”,生態系統系統固有的功能遭到損失和破壞,穩定性和生產力降低,抗逆能力減弱,就出現生態系統退化。

泰山地區是南水調東線工程的關鍵調蓄補源區,“水”治理是泰山地區生態修復關注的首要因素。水文循環和轉化與泰山地區的生態系統演變密切聯系。泰山地區的水循環主要包括內陸水循環和海陸間水循環,涉及蒸發、大氣水分輸送、地表水和地下水循環以及多種形式的水量貯蓄。降水、蒸發和徑流三者構成的水循環途徑決定著地區內的水量平衡,也決定著一個地區的水資源總量。內陸水循環——陸地水經蒸發和植物蒸騰作用被帶到高空再經降水過程返還陸地；海陸間水循環——海洋水經蒸發到達海洋上空經水汽輸送到達陸地上空經降水到達陸地表面然后經地表徑流(江、河、湖、海)和地下徑流(地下水)再返回海洋,它可以使陸地水不斷地循環再生。當地區內的地表植被大量破壞時,植物的蒸騰作用將會減弱,減少空氣中的水汽；對降水的阻截作用將會減弱,難以涵養地下水源,地下徑流減少,導致地下水位下降或枯竭；最終導致該地區的降水減少。當地區內的植被破壞后,會造成水土易流失,土壤中的營養物質易流失,造成土地沙化；土壤中的物質流入水體會使水源被污染,還容易引發產生泥石流等地質災害,加劇生態系統的不穩定性,使其進一步“墮入”不良演替。生態系統穩定的物能循環和轉化不僅是維持其健康運轉的關鍵,也揭示了系統中各生態要素是一個有機聯系的生態整體——生命共同體理念。

1.2.2生態系統的不良循環：受損與退化

生態系統的物能循環和轉化原則與“山水林田湖草-生命共同體”理念有著理論層面的契合性和實踐層面的一致性。落實“山水林田湖草-生命共同體”理念需要在生態系統修復中遵循生態系統的整體性、系統性及其內在規律,綜合統籌山上山下、地上地下、陸地海洋、流域上下游及自然生態各要素。基于“山水林田湖草” 各要素在生態過程中的相互影響和制約關系,下文梳理了泰山地區生態系統退化過程和機制(見圖1)。

礦山(區)開采這一劇烈的人類活動干擾導致地區內的地質基底破壞,表現為礦區內地質地貌受損,地面塌陷廣布。礦坑疏干排水造成地下水水位大幅下降,形成大范圍巖溶水水位降落漏斗,改變了地下水的天然流場,導致巖溶塌陷地質災害頻發,使得地區生態系統穩定性減弱。采礦活動導致裸巖荒山廣布,植被覆蓋率下降,導致水源涵養功能下降。同時采礦過程中產生的含有多種重金屬、酸和有機質等有害物質的廢水廢物,會部分滲入地下水中,使地下水水質惡化,水體變異和變遷,甚至排入溝、谷、河流中,使含有大量懸浮物及有害組分的廢水流入河湖,嚴重污染附近及下游河湖等水體。地質地貌的改變引起森林和植被大面積破壞,加速水土流失；河水裹挾大量泥沙導致河流堵塞,使得大汶河生態水量減少；水土流失不僅帶走大量氮磷鉀等營養元素,使得耕地土壤養分貧瘠,同時大量的礦物元素流入河流、湖泊等濕地生態系統,造成水體污染。例如礦區內煤矸石中含有大量的有機質成分,同時富含金屬、堿土金屬和硫化物等礦物成份,是無機鹽類污染源。煤矸石多露天堆放或充填溝坑,受長期風化、雨淋或流域匯水的淋溶、沖蝕、浸泡等作用,其中的大量可溶性無機鹽及微量元素溶解于水中,形成的淋溶液已對周圍水、土壤環境產生一定的污染,這也解釋了為何水體污染和土地污染往往相伴而生,土壤和水體污染的相互促進,使礦區周圍環境的污染,向更廣、更深的范圍擴大。水土流失導致耕作層不斷變薄,久而久之導致土壤理化性質改變,進一步喪失土地生產能力,農田生態系統也深受影響。最終,生態系統的結構和功能受到破壞,表現為生物種群多樣性下降,種類貧乏組成簡單,生態系統的穩定性降低,生產力下降,抗逆性減弱,生態系統陷入不良循環。

圖1 泰山地區生態系統退化過程Fig.1 Ecosystem degradation process in Mountain Tai Region

2 生態系統恢復思路：重回良性循環

泰山地區在人類活動壓力條件下受到了明顯破壞,需要通過人為的設計和干預促使自然生態重回正向演替,實現自然景觀的恢復重建。這一正向演替可能是沿著被破壞時的軌跡復歸,也可能是沿著一種新路徑去恢復。由于泰山地區的生態要素眾多,生態功能多樣,系統恢復重建不是一步到位的,而需要通過一串目標來實現。修復過程應遵循“山、水、林、田、湖、草”生命共同體的理念,從礦山資源、水資源、土地資源、生物資源、景觀資源多方角度剔除導致泰山地區生態退化的威脅因素,提出生態統籌修復的內容和對策。基于上文泰山地區生態退化的過程和機制分析,本文提出了“地貌重塑、植被重建、水體重構、景觀重現”的泰山地區生態恢復對策。

2.1 地貌重塑：恢復的基礎

基于礦山原有的地形地貌特征,結合采礦設計、開采工藝和土地損毀方式,通過合理排棄和地表整形等措施,重新塑造一個與周邊景觀相協調的新地貌[5],最大限度地抑制水土流失、防治地質災害,消除和緩解阻礙植被恢復和土地生產力提高的災害性脅迫因子,以提高土地利用率。地貌重塑是泰山地區生態恢復的基礎。

針對地區內的采煤塌陷地、露天采礦場、礦山采空區、廢棄礦井等不同類型的地質災害區采用差異性的治理措施。針對采煤塌陷地,在丘陵山區和平原地區采取不同的對應措施。丘陵山區采煤塌陷后地表形態變化不大,無積水現象,局部出現的塌陷坑和裂縫導致耕地、道路及水利設施受損變形。復墾時主要是填堵陷坑及裂縫,平整土地,修筑水平梯田。同時結合山區小流域治理,加強保土保水保肥的農田水利基本建設,修建塘壩、地堰、水平溝、魚磷坑、谷坊等工程,提高攔蓄地表徑流能力；在平原地區采煤塌陷地,根據塌陷后的地表形態采取填充式復墾或非填充式復墾,填充式復墾利用合適的材料恢復地表的高度和形態,非填充式復墾則是根據不同的土地塌陷情況而采用如劃方整平、挖溝排水、削高填洼、挖深筑高等方法,達到宜糧則糧、宜林澤林、宜水則水的治理效果。針對露天采礦場,由于上覆土地與植被資源的破壞而形成了裸露的巖石邊坡及大量的荒蕪土地,對采場進行削坡減載、危巖爆破、錨固技術等綜合治理。針對礦山采空區綜合采用充填法、圍巖崩落法和封堵隔離等技術手段確保采空區安全穩定。

2.2 植被重建：恢復的保障

考慮到礦區植被自然恢復及其緩慢,科學合理的人工植被重建可加速這一過程,為泰山地區生態恢復帶來顯著的生態效益和經濟效益。在地貌重塑的基礎上,結合不同土地損毀類型和程度,綜合考慮自然氣候、地形地勢、土壤條件、生物群落等環境因子,進行不同損毀土地類型物種篩選、布局配置、栽植及管護,使重建的植物群落持續地平衡和穩定。植被重建是泰山地區生態恢復的保障。

根據不同邊坡坡度采取差異性的復綠措施,一般包括客土栽植、邊坡鉆孔綠化、植生袋復綠、魚鱗坑復綠、插板填土綠化等。在樹種和綠植的選擇方面,按照因地制宜,適地適樹的原則,選擇經濟適生的樹種,保證種植的成活率和保存率,選擇的植物種類應具備速生、發育良好、保持水土、保健衛生及經濟功能等特性。針對礦區的氣候、土壤、植被資源條件,選用松樹、刺槐、常春藤、野薔薇、爬山虎、迎春等植物進行搭配種植。

除了礦區植被修復外,泰山地區的天然植被結構單一問題也需引起重視。區內雖然植物種類豐富,但栽培植物占現有植物總數超過30%,且有逐年增加趨勢。大量的人工栽培植物,存在許多先天不足,主要表現在林分密度大,結構單一,自然演替過程中森林生態系統主導功能下降、水土保持能力弱、森林病蟲害自控能力差等。在礦山植被恢復的同時也需要采取措施調整林分樹種組成,依據當地天然林樹種組成,配置造林樹種,科學確定造林密度,避免全面整地或大范圍整地,減少對原有植被的破壞,盡可能地保留原有植被和生物多樣性。根據立地條件,選擇不同樹種,進行團塊狀、帶狀或根據地形進行不規則混交,營造多樣化的森林類型,形成多樹種搭配、多層次的景觀結構。

2.3 水體重構：恢復的核心

圍繞泰山地區水環境“增容”和“治污”兩大目標,應用物理、化學、生物等改良措施,重新構造一個適宜的在較短時間內恢復和提高河流水體自凈功能的水體生態環境,消除和緩解不利于水量擴充和水體質量提高的障礙性因子,水體重構是泰山地區生態恢復的核心。通過植被重建等生態涵養手段可以達到泰山地區水體“增容”的目標,因此下面對“治污”的水體治理措施進行說明:

(1)加強工業污染防治。根據水質目標和主體功能區要求,制定實施差別化地區環境準入政策。在南水北調重點保護區、集中式飲用水水源涵養區等敏感地區實行產能規模和主要污染物排放減量置換。在確保所有排污單位達到常見魚類穩定生長治污水平的基礎上,以總氮、總磷、氟化物、全鹽量等影響水環境質量全面達標的污染物為重點,實施工業污染源全面達標排放。

(2)加強城鎮生活污染防治。采取控源截污、內源治理、生態修復等技術解決城區污水直排環境和垃圾沿河堆放問題。建設完善城鎮污水處理設施,加強配套管網建設和改造。制定管網建設和改造計劃,加強城中村、老舊城區和城鄉結合部污水截流、收集,加快實施排水系統雨污分流改造。推進污泥安全處置。加快污泥處理處置設施建設,選擇適宜的污泥處理技術,實行污泥穩定化、無害化和資源化處理處置,禁止處理處置不達標的污泥進入耕地。

(3)加強農村污水整治。一是防治畜禽養殖污染。堅持源頭減量、過程控制、末端利用的治理路徑,推廣畜禽養殖廢棄物資源化利用,加快構建種養結合、農牧循環的可持續發展模式。二是防治漁業養殖污染。實施標準化養殖魚塘建設改造,推廣生態養殖模式。鼓勵探索建立“魚塘+濕地”模式,通過人工濕地凈化魚塘退水,削減入河湖污染負荷；建立漁業污染防控長效機制,引導漁民轉產、轉業。三是控制農業面源污染。全面推廣低毒、低殘留農藥,開展農作物病蟲害綠色防控和統防統治。調整種植業結構與布局,在河灘、湖灘和飲用水水源保護區等優先種植需肥需藥量低、環境效益突出的農作物,減少面源污染。缺水地區試行退地減水,適當減少用水量大的農作物種植面積,改種耐旱作物和經濟林。四是推進農村環境綜合整治。因地制宜建設環境基礎設施,探索建立農村環境基礎設施建設和運營社會化機制,確保農村污水、垃圾得到有效處理處置。

2.4 景觀重現：恢復的鞏固與優化

景觀重現是在地區地貌重塑和水體重構的基礎上,遵循“山、水、林、田、湖、草”生命共同體的理念,充分考慮景觀破碎與景觀重組過程中土地、水、生物等資源及“三生”環境的優化配置,使恢復后的生態系統與周邊景觀相協調。景觀重現可使泰山地區生態系統恢復實現結構優化,并促進功能鞏固和提升。泰山地區的景觀重現主要可從以下方便考慮：

(1)濕地景觀重現。開展退化濕地恢復,在河流湖泊以內因地制宜開展退耕還濕、退漁還湖,引導農民主動調整種養結構。大汶河流域,在滿足防洪、除澇要求的基礎上,開展生態河道建設,實施生態護坡,增強河流自然凈化能力。積極恢復東平湖生態,修復流域原有自然面貌。建設人工濕地水質凈化工程,規范人工濕地的建設和運營。在支流入干流處、河流入湖口及其他適宜地點,因地制宜地建設人工濕地水質凈化工程,努力提升流域環境承載力。在城鎮污水處理廠、重點企事業單位、大型社區排污口,建設與城市景觀相結合的人工濕地水質凈化工程。在農村地區,以微型濕地群和小型氧化塘為重點,有效處理農村生產生活污水。開展水系生態環境調查與評估,加大水生野生動植物類自然保護區和水產種植資源保護區保護力度,提高水生生物多樣性。

(2)生態農業景觀重現。大力推進農田環境整治,補充耕地數量和質量,形成合理、高效、集約和生態良好的土地利用格局。處理好人口、資源與環境及生產與生態之間的關系,創新生態農業景觀,建立結構生態合理、良性循環的農業生態系統,使資源得到合理利用、永續利用。在生態和農業條件優越的地區可打造有機種植區、畜禽養殖區、農產品加工區、觀光體驗區、康養休閑區等,構建從田園到餐桌的可溯源有機食品產業鏈。實行生態養殖與生態種植相結合,農業資源與生態旅游相結合,形成“資源-產品-廢棄物-再生資源”的循環流動。

3 生態系統恢復的判斷與監測

3.1 生態恢復的評價標準

評價恢復的標準一直是令學者、政策制定者和公眾熱切關注的問題,但由于生態系統的動態性和復合性使這一問題始終籠罩在迷霧中。目前對生態恢復的評判一般將恢復后的生態系統與未受干擾的生態系統進行比對,已有研究對生態恢復的標準展開了一定的探討[6-7]。Cairns認為恢復的評判標準應包括能被公眾社會感知到的,并被確認恢復到可用程度以及恢復到初始的結構和功能水平(雖然組成整體結構的要素與初始狀態相比可能已經發生明顯變化)[8]；Hobbs和Norton提出生態恢復的評價屬性包括物種組成、群落結構、垂直模式(食物鏈等)、多樣性、生態系統功能以及恢復能力[9]；Schaeffer等從個體和系統層面提出了健康生態系統的評價指標,系統層面包括生物種間行為、分解能力、生產能力、恢復能力、穩定性、連通性、生物多樣性等10個重要特征[10],總體來看,大部分生態恢復的判斷關注恢復系統與參照系統的生物多樣性、群落結構、生態系統功能、干擾體系、以及非生物的生態服務功能,常見的生態恢復的標準判斷包括: ①可持續性,②不可入侵性,③生產力,④營養保持力,⑤生物間相互作用(植物、動物、微生物)。近年來我國生態恢復評價的研究主要集中在生物及群落評價、水土保持功能評價、水土理化性質評價、小氣候評價、景觀格局評價和生態價值評價等[11]。

基于已有的研究成果[12- 15],并結合泰山地區生態退化實際和生態恢復的目標,建立目標層、準則層、指標層三級指標體系對泰山地區生態修復工程的環境影響及實施效果進行評價(見表1)。準則層分設3個方面：(1)生態風險降低。泰山地區生態系統的恢復和重建需消除可能的災害性脅迫因子,由于泰山地區受采礦業影響,水土流失嚴重、地災問題突出,地質穩定性低,因此評價指標涉及地形起伏度、地基穩定性、土壤緊實度、降水侵蝕力等方面。(2)生態狀況改善。主要從生境質量和污染治理兩方面考慮,將植被覆蓋度、生態需水滿足率、水域濕地度、土壤有效深度、土壤有機質含量、水體DO、COD、氨氮、總磷以及水體底泥平均污染指數納入指標。(3)生態恢復能力增強。表征泰山生態系統的動態可持續性,將生物多樣性、橫向連通性指數作為指標。

表1 泰山地區生態恢復成效評價指標體系

3.2 恢復的監測與管理

生態恢復的實施并非是生態恢復的終點,恢復的動態監測是生態恢復過程中的重要一環。為全方位提升泰山地區的生態環境監管能力,應完善基礎數據獲取與調查、建立生態保護天地一體化監管平臺,完善生態系統全覆蓋、全要素、全指標生態監測網絡體系,監控人為活動,及時預警生態風險。可參考“3S+N”生態目標管理經驗(3S+N,指safe,stable,sustainable和non-pollution)[18],從生態系統完整性、脆弱性、敏感性、承載力等多角度表達發現問題,綜合運用類比法、系統回顧法、情景模擬法、趨勢外推法、生態制圖法等[19]進行生態系統結構與功能的監測與評價。

運用綜合效益評價、模糊評價、灰色系統理論、生態服務價值評估等方法[20]科學客觀地評估生態修復工程在生態、社會、經濟等多方面的效益,并與預期的目標進行比對,驗證所施行的工程環境保護措施是否有效、采取的工程技術手段是否合宜,保護與修復的措施執行是否到位[21-22],從而為尚在開展的保護修復工程提出調整建議或補救措施,為其他類似地區將要開展的保護與修復工程的環境影響預測、控制和治理提供有利的借鑒。

4 結論與建議

本文基于恢復生態學理論,以泰山地區為研究對象,分析地區生態退化的過程和機制,探討退化生態恢復和重建的思路。運用物能循環和轉化的生態學原則診斷地區生態問題的關鍵所在,厘清生態退化問題的形成機理。針對泰山地區生態恢復與環境治理問題,提出了 “地貌重塑、植被重建、水體重構、景觀重現”的生態恢復思路,促使自然生態重回正向演替,實現自然景觀的恢復重建。同時本文嘗試構建了包括生態風險、生態狀況和生態響應三個維度的指標體系來判斷生態恢復的成效。

恢復生態學強調圍繞生態系統的本底特征和恢復機理開展生態修復的“人為設計”,“山水林田湖草生命共同體”理念強調生態系統和景觀要素的綜合性與整體性。兩者的結合有助于深入探索生命共同體要素之間的相互作用和影響,從而將各類生態資源的保護和修復納入統一的治理框架中,有助于統籌山水林田湖草生態修復和綜合治理。后續的研究需要進一步深入各類生態退化問題的成因與過程,明確不同生態系統的分異性、地帶性、等級性、共軛性、主導因子等；加強生態恢復與重建的機理研究,遵循和諧共存、整體優化、地域分異等生態學原理,把握好人與自然、局部與整體、發展與保護的關系,因地制宜實施生態保護和修復工程；加強生態修復后的動態監測與適應性管理,構建完備的生態保護和修復效果評估與反饋機制。