極端氣候對生態系統及生態修復工程的影響

常俊杰

（陜西省國土整治中心，陜西 西安 710000）

極端氣候頻率的增加、強度的加大和持續時間的延長是目前人類面臨的最嚴峻挑戰之一[1]。近年來，全球范圍內發生了一系列引起廣泛關注的極端氣候，如新西蘭南島極端降雨所導致的500 年一遇的滑坡、北極海冰達到創紀錄的最新低值、澳大利亞東部的超級風暴“桑迪”、2003 年和2010 年歐洲地區的高溫熱浪、2020 年印度巴基斯坦和撒哈拉沙漠以南非洲的干旱、2019-2020 年澳大利亞叢林大火以及我國2020 年長江大洪水、2021 年春北方肆虐多次的沙塵暴、2021 年5 月初華北地區和西北地區極端低溫等。由于生態系統的自我調解與自我修復有限以及應對極端氣候影響能力有限，極端氣候對生態系統造成破壞和影響更嚴重、更持久，且不可恢復。全面、準確認識極端氣候對生態系統及生態修復的影響，才能更好地降低極端氣候對生態環境造成破壞及開展生態修復工作。極端干旱、極端降水、極端高溫和極端低溫是陜西省近幾年較為常見的極端氣候事件。本文針對陜西省常見的極端氣候分別研究極端氣候對生態系統及生態修復的影響。

1 極端氣候對生態系統的影響

1.1 極端干旱對生態系統的影響

從區域和全球尺度上看，干旱被認為是影響當前世界生態系統的最主要脅迫因子之一。干旱的頻繁發生和長期持續，不僅會給農業生產帶來巨大的損失，還會造成水資源短缺、荒漠化加劇、沙塵暴頻發等諸多生態環境問題。如：2020 年陜北遭遇了近10 年來最嚴重干旱，總降水量極低，造成百萬畝耕地未能入種，同時帶來白于山區供水飲水困難。極端干旱對植物生理生態過程、生態系統生物地球化學、地生態系統結構和功能及對生物多樣性能產生影響。極端干旱直接影響到植物的生長和發育，甚至導致植物死亡；極端干旱改變了生態系統中物質循環和能量流通，改變物種間的相互作用，引起生物多樣性的改變。大范圍的極端干旱事件往往是導致某一區域生態系統生物地球化學循環發生巨大改變的驅動力。

極端干旱可能導致湖泊、河流水位下降，部分干涸和斷流，造成水域、濕地等生態系統的破壞；干旱頻率的增加也導致森林樹種組成發生改變，相對更耐旱樹種的比例隨之增加，造成森林生態系統功能整體衰退。由于干旱缺水造成地表水源補給不足，更多的負土壤水勢和較低的土壤導水率觸發了莖中水分運輸的栓塞和部分失效，使得農作物枯死、土壤肥力下降，造成糧食無法耕種、減產或絕收，從而造成農業生態系統退化。

1.2 極端降水對生態系統的影響

在氣候變暖的背景下，極端降水發生的頻率和強度逐年增加，如2017 年陜北綏德、商洛、閻良等多地洪澇災害。極端降水對生態系統的影響主要取決于極端降水發生時生態系統的水分變化所引起的生態系統的變化。極端降水以單次降雨強度增大為特征，因此極端降水的頻率增多可能會加劇土壤侵蝕，加劇土壤有機碳的剝蝕、遷移和沉積過程，產生了區域水土流失增加，植被養分流失、生長受限，導致生態系統退化。在干旱地區，極端降水導致土壤水分增加，地表徑流流量增加，雖然短時間提高了區域生態系統植被的生產力，但由于干旱地區植被稀少，土壤易侵蝕，易產生大范圍水土流失，造成土壤肥力的下降，造成區域耕種層生態環境退化；在濕潤地區，極端降水可能造成動植物長時間處于淹水狀態下，導致植被根系嚴重缺氧、呼吸減少，動物巢穴破壞無處躲藏、覓食，可能最終引起動植物死亡，導致區域生態系統生物種群大量消失。

1.3 極端高溫對生態系統的影響

近20 年來，陜西省極端高溫呈明顯的上升趨勢，尤其在2005 年之后，極端高溫迅猛上升。極端高溫影響農作物生長和發育，當溫度上升到一定值，作物將停止生長甚至死亡，同時極端高溫會導致土壤微生物休眠或死亡，導致農田生態系統被破壞；極端高溫影響水生生態系統，當溫度達到33～35℃時，大多數水生生物就不能生存，非生物成分的狀態也會發生變化，并且導致溶解氧下降，無機鹽濃度升高，增加底泥中氮、磷的釋放，導致水生生態系統崩潰。極端高溫也容易產生火災，如2019-2020 年澳大利亞叢林大火以及四川涼山大火等，導致大面積森林毀壞，動植物死亡，森林生態紊亂，并產生大量的二氧化碳，導致全球溫室效應，使得極端情況加劇。另外，極端高溫伴隨著極端干旱，更加加劇了極端氣候對生態系統的威脅。

1.4 極端低溫對生態系統的影響

極端氣候會帶動滯后反應，導致草原系統的土壤異養呼吸增強，抵消了生態系統碳的凈吸收；土壤凍結森林系統增加了異養呼吸應對夏季干旱的敏感性。極端低溫主要發生在北方的初春與深秋時節，在植被生長季初期和末期產生凍害，引起易脫水細胞的植物組織（如花蕾、葉片等）凍害，甚至死亡，表現為春季物候提前和秋季物候延遲。近年來，陜西省極端低溫呈顯著上升趨勢，呈顯著上升趨勢的區域為陜北和關中地區，零散分布在漢中盆地，主要發生在春季。極端低溫導致春季植被無法正常復蘇，冬眠動物無法正常覓食；極端低溫導致秋季植被無法正常掛果，并導致植被種子減量減質，同時動物無法儲備足量食物過冬，使整個生態系統季節更替紊亂。

2 極端氣候對生態修復的影響

極端氣候頻率的增加、強度的加大和持續時間的延長導致對生態系統的影響破壞程度更加嚴重，在對生態系統影響的同時還對生態修復提出新的要求。

2.1 極端氣候要求生態修復應具有針對性

由于極端氣候對生態系統的破壞存在極端性、突發性，要求在對生態系統修復過程中針對其特征，盡量選取穩定性好、抗自然災害的生態修復工程技術。尤其在對礦山修復過程中，要選取更加耐瘠薄、耐干旱、耐鹽堿、抗病蟲害等植被，以確保生態修復成果。在易出現極端降水的區域，單次降雨強度增大，許多無法抗沖涮、固定不牢的修復工程不宜使用，如掛網噴播綠化、生態袋綠化等修復工程技術，宜采用混凝土空心磚坡面植被修復技術、漿砌石框架坡面植被修復技術、植生混凝土綠化等穩定性高的工程技術，同時需在原有工程基礎上補充控水排水工程、防洪排洪措施、疏通河道措施，防止極端降水無法順利排出，導致動植物長時間淹水，出現大規模水土流失。在易出現極端干旱、高溫的區域，不能選取對水土要求高的工程技術手段，如掛網噴播綠化、生態袋綠化等，需補充集水工程、海綿工程措施，用于保留、收集與聚集足夠的水資源保障生態修復的綠化植被用水需求，并且綠化植被選擇盡量選取耐瘠薄、耐干旱、耐鹽堿、抗病蟲害的綠化植物，如有側柏、白榆、白蠟、山桃等喬木，錦雞兒、檸條、紫穗槐、繡線菊、丁香、荊條、枸杞等灌木，野葛、地錦、凌霄、常春藤、杠柳等藤本植物，山野豌豆、紫花苜蓿、結縷草、堿茅等草本植物。

2.2 極端氣候要求綠植選取應具有多樣性

生物多樣性可提高生態系統生產力對極端氣候事件的抵抗力。生物多樣性主要通過增加對氣候事件的抵抗力來穩定生態系統生產力以及與此相關的生態系統服務。極端氣候造成的生物多樣性喪失可能會降低生態系統的穩定性，修復生物多樣性則會增加生態系統的穩定性。基于自然解決方案的生態修復要求選取植物類型多樣化，具有生態層次感，具有增強植被系統及區域生態系統的穩定性，利于修復后礦山生態系統的自然恢復的植被種類。選取植物類型時，需結合鄉土植物綜合考慮，對喬灌木、草本以及藤本等植物進行組合選取，組成具有規律且相互協調的穩定組合，以構成多樣而穩定的植物群落結構[2]，更有利于工程修復后的自然修復的穩定進行。在生態修復前期，植物種類應為環境適應性強、生長速度快的藤本植物、草本植物，便于礦山快速綠化覆蓋，改善覆土土壤環境；修復后期，選取喬灌木、草本以及藤本植物等生態層次感鄉土植物，以便長期穩定植被群落。選取多樣綠植的同時，還需構建動物遷徙綠色廊道，引入周邊的鄉土動物，增加修復物種的多樣性。

2.3 極端氣候要求生態修復工程具有前瞻性

極端氣候的頻繁發生要求生態修復必須具有前瞻性，要求在設計修復設計過程中，充分考慮研究區域極端氣候發生可能。在資金允許下，將修復工程的質量等級提高到能抵御50 年一遇或100 年一遇的極端氣候。比如，在陜北黃土高原地區，其氣候為半濕潤向半干旱氣候過渡區，雨型主要是雨滴大小組成，隨雨強增大而增大，極端降水量主要發生在7 月，極端干旱發生在12 月。基于陜北黃土高原地區區域特點，要求生態修復既要考慮極端干旱問題，還得兼顧極端降水對土壤侵蝕的影響，需在選取耐旱耐寒綠植的基礎上配套相應排水設施。

3 研究主要存在的問題

3.1 極端氣候對生態修復工程的影響研究不足[3]

縱觀已有的氣候變化以及極端氣候對國土生態修復影響的研究，大部分研究聚焦于區域氣候變化的預測、綠植的選取、工程的生態效益等方向上，小部分關注氣候變化對生態工程影響及評價研究，很少涉及極端氣候對生態修復技術與工程的影響。綜合來看，現有研究難以系統全面闡述氣候變化及極端氣候對生態系統、生態修復工程的影響，無法滿足多系統、多功能、生物多樣性與脆弱性等方面的影響研究。由于缺乏針對生態修復工程理論的研究方法，忽略了極端氣候的影響，造成研究評價結果有可能存在偏差，面向極端氣候對生態修復工程影響研究的科學理論與技術方法亟待完善。

3.2 生態修復工程缺乏適應極端氣候變化的理念

極端干旱、極端降水、極端高溫和極端低溫對于生態修復工程植被極易產生負面影響，改變了植被的氣候適應性。生態修復工程實施時間短、自我修復時間跨度大，在工程實施早期，氣候變化對生態工程影響不顯著，建設中忽視了適應氣候變化的理念，導致了建設工程后期生態系統功能的退化。

3.3 缺乏有效的氣候變化影響工程實施效果的評估方法

生態修復工程中生態系統恢復的動態過程是氣候變化與人為活動共同作用的結果，目前定量評估氣候變化影響工程實施效果的方法仍然比較少見。不同極端氣候對生態修復區的時空格局及變化趨勢存在不同程度的影響。由于缺乏對極端氣候未來風險的分析，難以評價未來工程中生態系統面臨的風險與管理措施對生態系統恢復的績效，無法為決策者提供進行規劃設計的理論依據。科學分析極端氣候對生態修復工程的影響，對準確評估生態修復工程的實施效果至關重要，因此亟待研究極端氣候對工程實施效果的評估理論與方法，以支持生態修復工程的實施。

4 未來研究發展方向

針對生態修復工程實施過程中極端氣候對其的影響以及造成的一些問題，本文主要提出了以下幾點建議。

4.1 將極端氣候因素納入工程設計和實施過程中

在生態修復工程實施過程中要充分考慮極端氣候風險，特別是極端氣候對生態系統結構和功能的影響，提前采取有效應對措施。如，在陜北黃土高原區，主要存在的極端氣候是冬季極端干旱、夏季極端降雨，需在工程中增加防洪排水工程，在綠植選取中選擇抗旱抗寒的綠植。所以要將極端氣候因素納入生態修復工程的規劃和設計中，制定應對極端氣候的實施辦法，確保工程修復成果安全，在實現生態效益最大化的同時，也可以增加生態工程的固碳能力。

4.2 建立穩定的生態綜合監測評估機制

生態修復工程應大力加強生態工程監測機制的建設，特別是加強對極端氣候影響的監測。由于尚未建立天、空、地一體化綜合實時監測機制，針對極端氣候的影響未被囊括在監測項目中，導致生態修復工程的評價缺乏針對性、全面性和系統性，難以分析極端氣候對生態修復工程的影響，使得工程應對極端氣候的能力無法評估。構建全面、長期、動態的生態系統監測體系，科學評估工程的效果和氣候變化的貢獻，這對于工程規劃、實施、成果鞏固具有非常重要的意義。

4.3 構建基于極端氣候的科學工程評價體系

積極探索極端氣候對生態修復工程實施效果的科學評價體系，把極端氣候因素納入到工程評價體系當中，明確極端氣候對生態修復工程的阻礙作用，從而更好地判斷工程和氣候變化在生態修復中的影響因素。構建基于極端氣候的科學工程評價體系，科學合理地部署生態修復工程，客觀地評估極端氣候對生態修復工程效果的影響，為生態修復工程的有效實施提供保障。