（水土保持与荒漠化防治专业论文）无锡马山东半山生态修复研究.pdf

摘要 生态修复是恢复退化生态系统、改善生态环境的一项基本措旆。本文选择无锡马山东 半山不同生态修复措旌( 未修复、粗放治理、强化治理、封禁管理) 的生态系统为研究对 象，比较各生态系统植被特征和土壤性状以及不同植物抗旱性的差异，研究不同生态修复 措施对植物群落和土壤理化特征的影响，植物群落与土壤之间的关系，及植物对干旱逆境 的生态适应性。研究结果表明： ( 1 ) 从未修复植物群落( 对照) 到粗放治理( 措施1 ) 、强化治理( 措施i i ) 和封禁 管理( 措施) 植物群落，植物生长状况逐渐变好，植物区系组成和植物生长型逐渐丰富 群落植被盖度逐渐变大，物种丰富度、多样性和均匀度也逐渐增大。植物物种丰富度、多 样性与均匀度沿群落垂直结构乔、灌、草方向大致呈增加趋势。表明合理的生态修复可促 进植被恢复。 ( 2 ) 各植物群落乔木层和灌木层物种丰富度同多样性指数和均匀度指数具有相关致 性。草本层通过人为干扰，其生长趋势随机性较大，盖度不均匀，丰富度、多样性指数变 化和均匀度差异较大。在不同生长季，实施不同生态修复措施的植物群落物种变化差异较 大，植物群落的物种相似性水平从大到小的排序是：末修复 租放治理 强化治理 封育 管理。 ( 3 ) 分析土壤主要理化指标，可知各生态修复措施能不同程度地改良土壤性状，且 越往表土层，对土壤的改良效果越好。各指标之间均具有显著相关性，说明各土壤因子相 互关联，共同对植被恢复起作用。 ( 4 ) 植物群落特征和土壤性状具有一定的相关性。植被恢复与土壤改良是一种双向 互动的关系。当土壤理化特性达到一定的条件后，植被才能定居、生长乃至形成完善的群 落结构。相应地，当一定的植被建立后，可对土壤物理特性的改良和土壤养分的固定、转 化、储存产生积极意义，提高土壤的整体质量。 ( 5 ) 采用坐标综合评定法和模糊数学的隶属函数法综合评定各植物的抗旱性强弱， 可知三角枫的抗旱性最好，海桐、黄荆条较好，火棘、香樟较差，乌桕最差。 关键词：生态修复；植被特征；土壤性状；抗旱性：无锡 s t u d y o i le c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fm a s h a ne a s t e r nm o u n t a i n i n w u x i c i t y a b s t r a c t e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ni s a l - ie s s e n t i a lm e a s n r eo fr e c o v e r i n gd e g e n e r a t ee c o s y s t e ma n d i m p r o v i n ge c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h es t u d yw a s b a s e do nt h ed i f f e r e n te c o l o g i c a lr e s t o r e d e c o s y s t e m s ( n o t r e a t m e n t ，r o u g hr e s t o r a t i o n ，i n t e n s i v er e s t o r a t i o n , a n dp r o h i b i t e dm a n a g e m e n t ) i nm a s h a ne a s t e r nm o u n t a i ni nw 喇c i t y , a n dm a i n l yf o c u s e do nc o m p a r i n gt h ev e g e t a t i o n c h a r a c t e r sa n ds o i lp r o p e r t i e so ft h ed i f f e r e n te c o s y s t e m s ，a sw e l la st h ed r o u g h tr e s i s t a n c e so f v a r i o u sp l a n t s ，a n di n v e s t i g a t i n gt h a tt h ed i f f e r e n te c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nm e a s u r e se x c e e d i n f l u e n c e so nt h ep l a n tc o m m u n i t ya n ds o i lp r o p e r t i e s ，a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ep l a n t c o m m u n i t ya n ds o i lp r o p e r t i e s ，b e s i d e s ，t h ep l a n te c o l o g i c a la d a p t a b i l j 妙t od r o u g h ta d v e r s i t y t h er e s u l t ss h o w e da sf o l l o w s ： ( 1 ) f r o mn o - t r e a t m e n t ( c o n t r a s t ) t or o l l g hr e s t o r a t i o n ( t r e a t m e n ti ) ，i n t e n s i v e r e s t o r a t i o n ( t r e a t m e n ti i ) ，a n dp r o h i b i t e dm a n a g e m e n t ( t r e a t m e n t i i ) ，c o m m u r f i t yp l a n tg r o w t hc o n d i t i o n t o o kat u r nf o rt h eb e t t e r , a n df l o r a lc o m p o s i t i o n ，a sw e l la sp l a n te c o t y p eb e c a m em o r ea n d m o r ea b u n d a n t ，a n ds i m u l t a n e o u s l y , v e g e t a t i o nc o v e r , s p e c i e sr i c h n e s s ，d i v e r s i t y , a n de v e n n e s s g r a d u a l l yi n c r e a s e d f u r t h e r m o r e ，i nt h e d i r e c t i o no fa r b o r , s h r u ba n dh e r b ，p l a n ts p e c i e s r i c h n e s s ，d i v e r s i t y , a n de v e n n e s sb ya n dl a r g ef o l l o w e da ni n c r e a s i n gt r e n d t h er e s u l ts h o w e d t h a te c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nw o u l d p r o m o t ev e g e t a t i o n r e s t o r a t i o n ( 2 ) t h es p e c i e sr i c h n e s s ，d i v e r s i t y , a n de v e n n e s si n d i c e so fa r b o rl a y e ra n ds h r u bl a y e ri n d i f f e r e n t p l a n t c o m m u n i t i e sh a dc o r r e l a t i v eu n i f o r m i t y b e c a u s eo fj a m m i n ga n dg r o w t h r a n d o m n e s s h e r b v e g e t a t i o n c o v e rw r sn o t e v e n , s p e c i e sd i v e r s i t yi n d i c e sw e r e d i f f e r e n t a tt h e d i f f e r e n tg r o w i n gs e a s o n s ，s p e c i e so ft h ed i f f e r e n t e c o l o g i c a l r e s t o r e dp l a n tc o m m u n i t i e s c h a n g e dg r e a t l y a m o n gt h e m ，t h e l e v e l so ff l o r i s t i c s i m i l a r i t y o ft h ed i f f e r e n t p l a n t c o m m u n i t i e sf r o mh i 曲t ol o ww a sa sf o l l o w i n g s ：r i o t r e a t m e n t r o u g hr e s t o r a t i o n i n t e n s i v e r e s t o r a t i o n p r o h i b i t e dm a n a g e m e n t ( 3 ) f r o m t h ea n a l y s i so fs o i lm a i n p h y s i c a la n d c h e m i c a lp r o p e r t yi n d i c e s ，i tw a sk n o w nt h a t t h ed i f f e r e n te c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nm e a s u r e sw o u l di m p r o v es o i lp r o p e r t yi nv a r y i n gd e g r e e ， a n di m p r o v e de f f e c tw a sb e t l e rt ou p p e rl a y e na c c o r d i n gt ot h e s ei n d i c e sb e i n gm a r k e d l y c o r r e l a t i v e ，i tw a se x p l i c a t e dt h a tv a r i o u ss o i lf a c t o r sw e r ei n t e r r e l a t e d ，a n dh a de f f e c to n v e g e t a t i o nr e s t o r a t i o nt o g e t h e r “) p l a n tc o m m t m i t yc h a r a c t e r a n ds o i l p r o p e r t y w e r ei n t e r r e l a t e dt oa ne x t e n t t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv e g e t a t i o nr e s t o r a t i o na n ds o i li m p r o v i n gw a si n t e r a c t i o n a f t e r s o i l p r o p e r l yr e a c h e d a l e v e l ，p l a n tw o u l d s e t t l ea n d g r o w , u p t of o r m p e r f e c te o m m u n i t y s t r u c t u r e a c c o r d i n g l y , s o m ee s t a b l i s h e dv e g e t a t i o nm a d ep o s i t i v es e n s e t oi m p r o v es o i lp h y s i c a lp r o p e r t y , a n d f i x ，c o n v e x a n ds t o r es o i ln u t r i e n t ，a n dt h e n i m p r o v e s o i li n t e g r a t e dq u a l i t y ( 5 ) b ya d o p t i n gc o o r d i n a t ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na n ds u b o r d i n a t ef u n c t i o no ff u z z y m a t h e m a t i c st oe v a l u a t et h el e v e l so fd r o u g h tr e s i s t a n c eo fe a c hp l a n t , i tw a si n d i c a t e dt h a t b u e r g e rm a p l e ( a c e rb u e r g e r i a n u mm i q ) 、v a sb e s s e a t u n g ( p i t t o s p o r u mt o b i r aa i t ) a n d n e g u n d oc h a s t e t r e ef r u i t ( n e g u n d ov a t h e t e r o p h y l l a ) w e r eb e t t e rt h a nf i r e t h o m ( p y r a c a n t h a f o r t u n e a n a ) a n dc a m p h o r t r e e ( c i n n a m o m u mc a m p h o r a ) ，c h i n at a l l o w t r e e ( s a p i u ms e b i f e r l 2 m r o x b ) w a s w o r s t k e y w o r d s ：e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ；v e g e t a t i o nc h a r a c t e r ；s o i lp r o p e r t y ；d r o u g h tr e s i s t a n c e ； w u x i c a n d i d a t e ：z h ux i a o y o n g ( s o i l w a t e rc o n s e r v a t i o n a n dd e s e r t i f i c a t i o n c o m b a t i n g ) s u p e r v i s e db y ：p r o f h uh a i b o r7 4 9 4 6 6 致谢 光阴似箭，时光飞逝，三年的研究生掌习与生活即将结束，回首往事恍如昨日。 心情难以平静，在以后漫长的岁月中会铭记所有的经历。这里的点点埔蒲都将沉淀为承 恒。本论文的兜成不仅仅倾注警嚣个人的努力，更是聚了众多人心血和智慧。值此 论文完成之际懂对那罄曾经给过鼗关心和帮助的人表达我深深的谢意。 首先罩“0 地感谢嚣的思师胡海波教授和鲁小珍副教授。本论j o t 在两位恩师的惩，2 指 导下完成的从入掌伊始的论文的选题、文献查阅、试验实施、论文撰写到论文定稿无不 凝结着恩师的大量心血。思师敏锐的掌术思维、严谨求实的治掌作风。高尚的人格、谦虚 豁达的为 嘎范以及掌习和生活中给予无私的救诲和帮助使我受益匪浅对于我进一 步成长和冀晨起到了非常重要的推动作用。恩师情义终生难忘地久天长! 同时师母 无微不至的关怀令爱在艰苦的掌习和生活中倍感温暖和幸福。 在平日掌习和生活中有幸得列张金池教授和张银龙割教授细致、耐心的指导和热情 的帮助在此向两位老师表示最诚挚的谢意! 此外。阮宏华教授、吴永波老师、桊以玲老 师也给予我许多可贵的帮助与指导：在野外调查工作中得到了无锡马山圈家旅游度假区 蕾理委员会，! 建峰主任的大力帮助和支持使得我的论j - j 页利完成。也为囊今后的工作打 下了良好的基础衷心地谢谢怒们! 环境壤抑研究生院的领导和老师为毙的掌习和生皇 缸i 造了良好的环境为瑟捧忧解难。由衷地感谢怒们为我所做的一切! 感谢我在读研期间的各位周掌。三年的日子是他们站在我的身旁在我失意的口中候 选来关切的问馁在我需要帮助的时候适时地伸出了双手。三年来。禾论是在掌习还是在 生活中是琏份暖暖的同掌情意不昕给我信心，让我感动。特别感谢陆燕师姐、架淑英师 姐、马建剐和藏蠢铖同掌。另外1 9 9 9 届奉科毕业生王建冕、2 0 0 0 詹本辩毕业生吴凤燕、 薛琴、2 0 0 2 届本科生谭鹏鹏参与了部分研究工作本论文的顺利完成与他们的热情帮助 分不开的。 最后衷心地感谢我的家人! 在我求学期间亲 给予我充分的理解和支持! 父母勤劳 善良的劳动本色和默默辜从不记回报的恩情将永远激励囊不停地奋珥亨拼搏。 谨借此文付樟之际向所有关心、支持和帮助过鼗的恿师、老师、领导、朋友和亲人 表示最诚挚的敬意：谢谢您们、辛苦您们了! 作者：朱晓勇 二0 0 五年六月 日青 人口资源、环境和经济的可持续发展已成为国际社会和各国政府关注的焦点。生态环 境的恶化和资源短缺作为当今世界面临的重大问题和社会经济可持续发展的重大障碍引 起了各国学者的广泛关注，退化生态环境的修复也已成为当前生态学研究的热点课题。 生态环境的恶化导致生态系统的结构破坏、生物多样性减少、生物生产力下降、土壤 养分降低、土壤结构破坏、生产潜力衰退等等。随着人口的急剧增加和工业化的进程，人 类对森林资源开发利用需求日趋高涨，乱砍滥伐破坏现象屡见不鲜，更加使气候条件变坏、 地面覆盖率剧减、水土流失、土壤沙漠化、地下水位下降、山泉枯竭、河川水文情况恶化、 水旱洪涝频繁，给人民生活造成极大的困难和威胁。2 0 世纪中期以来，地球环境问题成 为人类生存和发展越来越突出的问题，引起了人们的普遍关注。人们从单株树的可用性价 值开始到树木群体的经济价值、防风固沙、保持水土等的生态功能，认识到森林是维护生 态平衡、改善环境的复杂生态系统。开展生态修复，进行植被恢复，是避免大面积的地貌 景观和森林植被遭到破坏，改善生态环境的基本途径。其中，在风景旅游度假区开发建设 中不可避免地要破坏地形地貌，形成千疮百孔的裸岩断面，由此产生了滑坡、崩塌和土壤 侵蚀等生态问题，而且还破坏了自然景观，绿化和美化裸岩断面、改善生态环境已迫在眉 睫。因此，恢复和重建森林植被系统，形成自我维持、稳定的生态系统，促进风景旅游度 假区生态环境的改善和经济的可持续发展，是风景区生态环境建设所面临的重要研究课 题。 生态修复就是恢复生态系统合理的结构、高效的功能和协调的关系，通过对生态系统 物理、化学、生物甚至社会文化要素的控制，使系统达到稳定的和自我维持的状态，从而 实现所期望的生态、社会和经济效益。在我国生态修复任务繁重，尤为紧迫的研究方面有 ( 1 ) 我国生态系统复杂多样，又因人口众多和开发历史悠久，各类生态系统都受到不同程 度的干扰和破坏，有的甚至十分严重，亟待恢复和重建。因而需要通过对各种自然和人为 影晌因素的分析，找出扭转逆行演替的途径和方法，加速退化生态系统的恢复：( 2 ) 目前 经济建设的发展，许多重大工程建设地区面临生态修复问题；( 3 ) 城市化的迅速发展，城 市环境的生态修复。 课题来源于2 0 0 2 年江苏省科学技术厅科技招标项目“无锡马山东半山太湖生态修复技 术研究与示范”。本项研究在总结、借鉴国内外有关研究成果的基础上，以无锡马山东半 山为研究对象，对其进行生态修复，重点研究植被恢复过程中植物群落特征和土壤性状的 变化及植物对干旱逆境的生态适应性，探讨不同生态修复措施对土壤理化性质、植物生长 状况等方面的影响，筛选抗性强的植物，以期恢复和重建稳定和自我维持的生态系统，从 而改善生态环境。研究结果为太湖流域乃至全国退化生态系统的生态修复提供技术支撑， 具有重要的理论价值和科学的指导意义。 第一章文献综述 1 tl 生态修复的概念与相关理论 1 1 1 生态修复的有关概念 开展生态修复技术研究与实践，应理清环境、生态、环境生态、生态恢复、生态工程 等与之相关的一些概念及科学内涵，避免概念上的混乱。修复的本意是对错误和缺陷进行 纠正的作用或过程，修复最早从污染环境治理角度被定义为：借助外界作用力使某个受损 的特定对象部分或全部恢复到原初状态的过程。环境生态修复起源于环境修复，生态恢复 又受环境生态修复的影响f i j 。 1 1 1 l l 环境与生态 广义上讲，环境是人以外的一切事物的总和，如现代人居环境即为广义的环境概念：狭 义上讲，环境是影响有机体生长、发展和生存的外界物理条件的总和。生态系统简称生态， 是有生命的主体( 包括人类) 与无生命的客体的总和。研究有机生命体与无机环境关系的科 学称为生态学，研究生命体以外的无机环境的科学称为环境学。生态修复的研究与实践离 不开环境学和生态学，而后者尤为重要。 1 1 1 i2 生态环境与环境生态 生态包括环境，“生态环境”的说法是不科学和难以理解的，可以牵强地理解为与生命 体最密切相关的环境。我国所谓的生态环境实际就是生态，准确地讲“生态环境建设”应 为“生态建设”【2 j 。生态修复是对生态系统的修复，故不能称为生态环境修复。环境虽然 是无机的，但完全从无机角度理解环境是不完整的。特别是自然环境，本身是生物体或生 物群体周围的整体状况，只有应用生态学原理研究、认识和理解环境，才能更有效地解决 环境问题，这就是环境生态学。环境生态作为概念不易理解，但环境生态学无疑是科学的， 它对生态修复理论和技术的发展起到了直接的推动作用。 1 1 1 3 环境生态修复 2 0 世纪6 0 年代，美国生态学家h t o d u m 最早提出生态工程概念，受此启发，欧 洲一些国家尝试应用研究，并形成所谓“生态工程工艺技术”，实际属于清洁生产的范畴。 随着生态学与环境生态学的发展。9 0 年代美、德等国家提出通过生态系统自组织和自调 节能力来修复污染环境的概念，并通过筛选特殊植物和微生物，人工辅助建造生态系统来 降解污染物，这一技术被称为环境生态修复技术。由于生态系统的复杂性，该技术至今还 不成熟，国外的环境生态修复也只是对轻度污染陆地的环境修复，最典型的事例就是通过 湿地自调节能力防治污染。这与我国的生态自我修复有很大差别。 1 1 1 4 生态工程 1 9 7 9 年我国生态学家马世骏尝试应用生物净化原理进行污水处理研究，并由此进一 步完善生态工程概念【3 1 。此后许多学者开展这方面的研究，并形成与生态修复有关的两个 领域：一是我国环境保护领域的污染环境生态修复工程技术；二是在农、林、水、自然保 护领域内形成的生态工程技术。我国的生态工程的起源与环境生物修复有密切关系，但我 国生态工程的发展，结合自身逐渐形成了以生态学和社会经济学为支撑，通过人工规划、 设计，建造或调控人工生态系统的概念，脱开污染环境修复的束缚，进入农、林、牧、水 等生产领域，从而出现农业生态工程、林业生态工程、草地生态工程、水土保持生态工程 等概念，由于涉及面极广，至今尚未整合为能够应用于生产的完整工程技术体系。生态工 程的实质内涵是人工设计与建造生态系统，以充分发挥生态系统改善环境和发展经济的双 重功能，而不是依靠生态系统自我修复能力恢复生态系统【4 】。我国生态工程的特色符合人 口众多、发展生产和经济的国情，也得到了国外一些学者的认同，如美国生态工程的创始 人o d u m 先生即认为从人口、资源、环境协调发展角度考虑，将生态学应用于农、林、牧、 水等领域，是我国生态工程研究与实践的突出特点。可见，我国生态工程与国外的环境生 态修复差异较大。 1 1 1 5 生态修复与生态恢复 2 0 世纪8 0 年代后随着恢复生态学和环境生态学的发展，这两个方面的研究开始相互 交叉渗透，形成具有中国特色的生态工程技术，但同时也导致环境生态修复与生态恢复概 念引用上的混乱。根据各国不同的研究角度和状况，国内外对生态恢复和生态修复概念的 界定有所差异。 生态恢复是相对生态破坏而言的。生态破坏可理解为生态系统的结构发生变化、功能 退化或丧失、关系紊乱【5 】。恢复( r e s t o r a t i o n ) 是一个具有概括性的术语，它包含了修复 ( r e h a b i l i t a t i o n ) 、改造或改良( r e c l a m a t i o n ) 、更薪( r e n e w a l ) 、和蓐植( r e v e g a t a t i o n ) 等含义略有不同的术语【6 】，这些术语从不同角度反映了恢复与重建的基本意图。生态恢复 泛指改良和重建被毁坏或被破坏的自然生态系统，恢复其生物学潜力和益于重新利用【7 】。 1 9 7 5 年，“受损生态系统的恢复”国际会议在美国佛吉尼亚工学院召开，此后英荚等国创 刊恢复生态学的杂志，生态恢复被列为当时最受重视的生态学概念之一。国际权威杂志 s c i e n c e 曾设专栏讨论生态恢复在当今生态学领域的发展、作用和前景。肯定了恢复生态 学理论和实践在停止和恢复退化土地的出现而伴随的生物多样性急剧下降的作用，认为生 态恢复必将为人们提供如何组建生态群落和认识生态系统功能动态的途径嘲。c a i r n s 9 等 将生态恢复的概念定义为：恢复受损害生态系统到接近于它受干扰前的自然状况的管理与 操作过程，即重建该系统干扰前的结构与功能及有关的物理、化学和生物学特征。按照美 国生态恢复学会( s o c i e t yf o re c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ) 的详细定义，生态恢复是帮助生 态整体( e c o l o g i c a li n t e r i t y ) 恢复和管理的过程，生态整体包括生物多样性、生态过程 和结构、区域、历史的环境以及可持续的耕作实践等的临界变异范围。然而，由于一方面 系统干扰前的状态难以测定，另一方面也难以实现干扰前供系统正常演替的各种基质条 件，因此该定义还不够成熟。总结国外对生态恢复的认识与定义，其基本内涵可概括为： 在人为辅助控制下，利用生态系统演替和自我恢复能力，使被扰动和损害的生态系统( 土 壤、植物和野生动物等) 恢复到接近于它受干扰前的自然状态，即重建该系统干扰前的结 构与功能有关的物理、化学和生物学特征。目前国外生态恢复主要研究森林、草地、灌丛、 水体等生态系统在采矿、道路建设机场建设、放牧、采伐、山地灾害、工业大气及重金属 污染等干扰体系的影响下退化和自然恢复的机制和生态学过程，涉及植被、土壤、气候、 微生物、动物等多方面，研究具有积累性好、综合性和连续性强的特点。目前多集中在大 型矿区、大型建筑场地森林采伐迹地、受损湿地等生态恢复方面，研究的焦点领域是土壤、 野生动植物及其生物多样性恢复。这与我国开发建设项目水土保持和工矿区生态恢复与重 建比较接近。 针对我国目前的退化生态系统状况及社会经济背景，近年来有学者认为生态修复的概 念应包括生态恢复、重建和改建，其内涵大体上可以理解为通过夕 界力量使受损生态系统 得到恢复、重建或改建，通过生态修复以便加速己被破坏生态系统的恢复，为生态系统的 健康运转服务【4 】。生态恢复是指停止人为干扰，解除生态系统所承受的超负荷压力，依靠 生态本身的自动适应、自组织和自调控能力，按生态系统自身规律演替，通过其休养生息 的漫长过程，使生态系统向自然状态演化，基本恢复原有生态的功能和演变规律，完全可 以依靠大自然本身的推进过程。修复与恢复是有区别的，更不同于生态重建。生态重建是 对被破坏的生态系统进行规划、设计，建设生态工程，加强生态系统管理，维护和恢复其 健康，创建和谐、高效的可持续发展环境【l o 】。生态修复的提出，就是要调整生态重建思 路，摆正人与自然的关系，以自然演化为主，进行人为引导，加速自然演替过程，遏制生 态系统的迸一步退化，加速恢复地表植被覆盖，提高土壤肥力，增加生物多样性，防治水 土流失。这与欧美国家的生态恢复概念类似，但不同于环境生态修复的概念。按照这一概 念生态修复涵盖了环境生态修复，即非污染的退化生态系统，比如毁林开荒导致水土流失 和荒漠化，可以通过退耕还林和封禁治理使生态系统得到恢复，也可称为生态修复。按照 这一内涵，生态修复可以理解为“生态的修复”即应用生态系统自组织和自调节能力对环 境或生态本身进行修复。 生态修复的研究对象具有广泛性和自我特殊性，其理论基础涉及了生态学、生物学、 土壤学、水文学、农学、林学、工程与技术学、环境学、地学、经济学、社会伦理学等学 科，是一个综合性和应用性很强的系统工程。研究的内容主要包括：( 1 ) 对受害生态系统的 诊断、分析，认识其生态学过程、特点、形成机制；( 2 ) 研究恢复不同退化生态系统的生 态模式与方法，建立试验示范小区。生态修复过程一般是由人工设计和进行，并是在生态 系统层次上进行的 i h 。生态修复的难度和所需的时间与生态系统的退化程度、自然恢复 能力以及恢复方向密切相关，而且自然恢复能力存在地域差异。在寒冷的阿拉斯加，即使 是先锋植物阶段的演替( 地衣苔鲜植物群落) 也需2 5 3 0 年时间，而在热带地区只需3 - 5 年即可完成1 1 2 l 。 1 1 2 生态修复的相关理论 1 1 - 2 1 生态系统退化的机制 生态修复是针对生态退化和生态破坏而言的。当生态系统的结构变化引起功能减弱或 丧失时，生态系统是退化的。引起生态退化的原因很多，干扰是其中的主要原因之一。由 于干扰打破了原有生态系统的平衡状态，使系统的结构和功能发生变化和障碍，形成破坏 性的波动或恶性循环，从而导致系统的退化。事实上，干扰不仅仅在物种多样性的发生和 维持中起着重要作用，也会对生物的进化产生重要的影响。干扰可分为两个方面，即自然 干扰和社会干扰自然干扰包括火、冰雹、洪水、干早、台风、滑坡、海啸、地震、火山、 冰河作用等。社会干扰包括有毒化学物的施放与污染、森林砍伐、植被过度利用、露天开 4 采等。干扰的强度和频度是生态系统退化程度的根本原因。过大的干扰强度和频度，会使 生态系统退化成为不毛之地，而严重退化的生态系统的恢复是非常困难的，常需要采取一 些生态工程措旌和生物措施来进行恢复，从而进一步进行植被恢复p 】。 1 1 2 2 干扰与生态演替理论 群落的生态演替机制奠定了生态修复的理论基础【l3 1 。演替有原生演替和次生演替两 种基本类型。发生哪一种类型，是由演替过程开始时土壤条件所决定的。一般地说，生态 演替是可预见的和有秩序的变化系列。在演替过程中，一个生态系统被另个生态系统所 代替，直到建立起一个最能适应那个环境的生态系统。生态演替可看作是在外界压力不复 存在之后，生态系统所经历的一系列恢复阶段。即使给以足够的时间，演替并不能在任何 情况下都能够修复所有的干扰和重建原来的顶极群落，因为修复过程是有限度的。对受损 生态系统恢复过程的关键性理解之一，就是被干扰后演替的最终结果和它们与正常演替的 关系。干扰促使某一相对稳定的生态系统发生变化，旧的环境和物种破坏了，新的环境和 物种又会产生，并在一定时间内维持其相对稳定。在没有严重干扰的情况下，自然生态系 统会定向地、有秩序地由一个阶段发展到另一个阶段，这称为生态内因演替。演替的结果， 最终会出现一个相当稳定的生态系统状态，这称为顶极稳定状态。每一演替阶段有其特定 生物群落特征，顶极稳定状态的群落称为顶极群落。干扰常使生态系统受损并改变，称为 外因演替。生态系统正常演替总是从低级向高级发展，而干扰使演替进程发生变化，严重 时，如人类大规模活动，则使生态系统向相反方向演替，这称为逆序演替 j 4 j 。当干扰持 续到生态系统接近死亡阶段时，恢复与重建可以使其在某些水平上恢复平衡，但与原来的 正常状态不刚”。在极度破坏的热带雨林区，理论界对其地带性植被能否恢复普遍持悲观 态度“。天然恢复过程是要经历很长时间的，在严重干扰后，需要的时间更长。生态演替 在人为干预下可能加速、延缓、改变方向，甚至向相反的方向进行，究竟朝哪个方向进行， 就取决于人类的行为。生态修复就是使被干扰生态系统的逆序演替转向正常演替。 1 1 2 3 生态稳态与生态闽值理论 生态系统不是绝对平衡的，而是不断地发生着演替，旧的平衡打破了，新的平衡就会 产生，当演替到顶极状态时，在很长时间内将处于相对稳定状态，即稳态。生态系统动态 平衡中的稳定状态，称为生态稳态。稳态生态有相当强的自我调控能力，在干扰作用下虽 不断地振荡和变化，但只是量变；当干扰严重并超过其调控能力时，系统将发生质变、崩 溃，而走向逆序演替，甚至不可逆演替。稳态生态抵抗干扰的自我调节能力的限度称为生 态闽值i l 。只有研究生态稳态和生态阈值，才能确定修复生态系统的类型、区域、难易 程度、时间周期，并确定合理的修复指标。 1 1 2 4 人与自然共生理论 人与自然和谐共生，是人类对“自然改造论”深刻反思后产生的新认识。人是自然生 态系统的组成部分，并不是处于对立和脱离生态规律的自然改造，损害了自然生态系统， 必然损害人类自身。人与生物、生物与生物之间存在着互利互惠的共生现象。任何形式的 自然改造必须建立在入与自然共生的基础之上。f v e s t e r 基于共生现象的研究，总结了 人类系统与生物系统之间生物控制的8 条规斟1 , 1 6 。据此研究，生态学家提出了以最小能 量输入和最小物质消耗以保证生态系统自我调节和恢复能力的生态设计原则，这也是生态 修复规划设计的重要指导思想。 1 2 退化生态系统的生态修复技术 开展生态修复的技术研究工作不仅可以缓解目前日益严重的生态系统退化受损问题， 而且也是从事环境建设研究的一项关键技术、生态学理论的终极检验i l l ”】。生态修复是 一个跨地区、跨部门、跨行业、跨世纪的综合性系统工程，其研究领域主要涉及两个方面： ( 1 ) 如何将已恶化的自然生态系统重新改造使之恢复原有生态功能；( 2 ) 如何利用人类智 慧，营造更完美、协调的自然生态环境系统。 对一个退化的生态系统，生物种类及其生长介质的丧失或改变是影响生态修复的主要 障碍，这正是大多数陆生生态系统生态修复的关键。通常采用两种技术即可获得较满意的 结果：( 1 ) 选择合适的植物种类改造介质，使之变得更合适植物的生长：( 2 ) 利用物理或化 学的方法直接改良介质，使之能够直接进行，为达到最终目标所选择的生态恢复。因此， 根据具体环境条件与需要选择适宜的物种是生态恢复的关键技术之一【l9 j 。通常在陆地生 态系统恢复实践中，耐干早、耐贫瘠、固氮、速生、高产的草本或灌木是首选种类【2 0 】。 在基质结构和功能完全丧失的地方，利用物理或化学方法直接改良土壤是生态恢复的必要 手段。如在被酸沉降酸化的地方，旌加一定量的石灰可以加速改变土壤的p h 值f 2 ”。残留 的重金属可能伤害植物或通过食物链转移，其生态恢复必须采用特殊的隔离技术。垃圾填 埋场的生态恢复要解决的关键技术是填埋气体的排导问题，大量的填埋气体排挤基质中的 氧气，植物根系因缺氧而死亡，采用竖管和横管等工程措施可以有效地排除填埋气体【翻。 植被恢复是重建生物群落的第一步，是以人工手段促进植被在短时期内得以恢复。不 同的退化生态系统的生态修复技术是不同的，但必须遵循生态学原理和演替规律进行。极 度退化生态系统( 土地极度贫瘠，理化结构差) 的恢复，应有针对性地分阶段进行综合治理。 早期适宜的先锋植物种类对退化生态系统的生境治理具有重要作用，在后期进行多种群的 生态系统构建时，更要注意构建种类的选取。次生林地生态系统的恢复，应考虑封山育林、 林分改造、透光抚育等措施，按植物群落的演替规律，人为促进顺行演替。沙漠或荒漠的 生态修复，首先应充分利用地下水和其它水资源来营造绿地。修复策略应以耐旱灌木为主 体绿地的营造。以林地为首要目标，以林、牧、农结合的原则安排轻重缓急，并应以灌草 为主，适当配搭乔木种类，尤其应注重多年生灌木的选择，种类组成要多样化i ”。 我国早己开展各种退化土地生态系统的整治与改良利用工作。从2 0 世纪5 0 年代末， 我国一些学者在华南地区退化坡地上开展生态修复研究和长期的定位观测试验，对发展我 国热带亚热带地区的植被生态恢复起了重要的推动作用。自8 0 年代末，我国在农牧交错 区，风蚀水蚀交错带，干旱荒漠地区，丘陵山地，干热河谷，湿地，城市等退化或脆弱生 态环境及其恢复重建方面进行了大量的工作【2 3 - 3 9 1 ，将该方面的研究推向了一个新阶段。 1 9 9 0 年召开了“全国土地退化防止学术讨论会”，这次会议系统总结了中国在土地退化方 面的研究动态与进展，提出了许多切实可行的生态修复技术与模式。目前，我国在退化生 态系统的生态修复理论、应用技术和研究手段等方面，取得了初步的成果。 6 1 3 国内外生态修复的研究进展 生态修复的研究内容主要包括各类退化生态系统的成因和驱动力、退化过程和特点以 及生态恢复过程、机理与效果，通过生态修复技术对各种退化生态系统恢复与重建措施的 试验示范研究【4 。 4 3 1 。国外侵蚀退化生态系统的生态修复已有大量的文献报道。其研究对 象主要集中在采矿废弃地、荒地、侵蚀贫瘠地、山地灾害地段等；研究积累性好、综合往 强，涉及生态组分及功能等方面，如植被、土壤、气候、微生物、动物，主要包括生态脆 弱区植被、土壤恢复措施与方法及其修复过程植被和土壤特性研究。 1 3 1 生态修复过程中植被特性研究 1 3 1 1 植被物种多样性 由于近些年来生物多样性研究的不断深入，人们不断认识到生物多样性是生物群落、 生态系统最根本的特征，是其它诸多特性的集中反暧，对退化生态系统的修复耍更多地依 赖于对生物多样性原理的理解。植物多样性是生物多样性的主要组成部分，生物多样性的 研究进展也反映了植物多样性的研究进展状况。生物多样性是居前国际上生态学的三大热 点之一，国际自然保护联盟( 砌c n ) 、国际科联( i c s u ) 等许多国际组织都成立了专门的研 究机构，并于1 9 9 2 年1 0 月联合召开了“生物多样性编目与监测研讨会”，同时联合发起 了一个全球性的生物多样性合作研究项目，即“d i v e r s i t a s 。 植被恢复演替理论在退化生态系统修复中具有重要的指导意义。退化的生态系统采用 一定的修复手段，其生态系统结构，群落组成和生物量就会发生一系列的变化。生态系统 恢复演替的直接后果主要表现为生态系统内植物区系重组、生物多样性、群落生物量和生 产力的变化。“十五”期间，我国启动了六大林业工程，其中的退耕还林工程、“三北”及 长江中上游等重点地区防护林体系建设工程、京津风沙源治理工程都与退化生态系统的治 理和生物多样性恢复具有密切关系，这些工程的开展有助于将生物多样性保护、生态系统 管理与生态恢复结合起来进行研究【4 5 】。2 0 0 1 年，中国环境与发展国际合作委员会生物多 样性工作组制定了利用天然植被改善中国退化环境的基本原则。中国科学院小良人工林生 态定位站、鹤山生态定位站以及一些其它的生态定位站对华南地区的退化森林生态系统进 行了恢复重建的研究，研究结果表明：物种多样性导致生态系统稳定性，植物多样性是生 物多样性的基础1 4 6 1 。王炜等人对内蒙古典型草原退化而成的冷蒿群落进行封育研究后， 将恢复过程中的植物群落按优势种划分为冷蒿阶段、冷篱+ 冰草阶段、冰草阶段、羊草优 势阶段，并分析了演替过程中优势种和群落生产力变化的过程和原因1 4 7 。在生态系统恢 复过程中，群落的建群种和优势种不断发生变化。包维揩等人【4 s 】对青藏高原东部采伐迹 地上人工重建序列梯度上的植物群落进行研究，发现：采伐迹地如果不采取人工途径将很 难恢复，并且人工措施的选择对于植被恢复有重要影响；a 物种多样性指数在演替过程中 先是增加，而后下降；另外，他们在研究中将演替过程中的植物种分为侵入种组、敏感种 组和忍耐种维。 物种多样性变化是群落演替进程中一个重要的指标，退化生态系统恢复和重建途径应 从保护和恢复生物多样性入手 4 9 j 。关于生物多样性恢复技术，以及生态系统修复过程中 生物多样性的变化规律，国内外曾经做过大量的研究工作。李永强等f 5 0 】研究了锡林郭勒 典型草原开垦弃耕后物种多样性的变化，结果表明f 随弃耕年限的增加，s h a n n o n w e i n e r 多样性指数和p i e l o u 均匀度逐渐增加，但变化趋势较为平缓。晋西吕梁山严村流域弃耕 地植物群落演替中生态系统综合多样性增加，但均匀度逐渐降低【5 l 】。 综合国内外研究，对生态修复过程中生物物种多样性的认识主要有：在退化生态系统 的恢复过程中要尽可能地增加生态系统的物种多样性，尤其是关键种不能缺少，这样才能 使生态系统的演替趋向于稳定的顶极状态：植物多样性是生态系统中生物多样性的基础， 原因就在于植物多样性可以为其它的多样化生物提供食物来源、时空上异质的生态位等； 生态系统的恢复要重视自然演替，人工措施可以作为必要的辅助，但不能取代自然演替： 恢复过程中要避免使用外来种等。这些只是关于生物多样性恢复研究的些概括性结论。 中国退化生态系统的类型多样、退化程度与退化原因各异，其恢复过程中生物多样性的变 化规律、功能和作用机制也不同。为制定适宜的退化生态系统修复措施和生物多样性保护 与利用措施，还需要对不同类型的退化生态系统做更深入地研究。 1 3 1 2 植物抗旱性 植物的抗旱机理可以分为逃避干旱、高水势延迟脱水抗旱和低水势忍耐