以疏勒河流域為例的“山水林田湖草”生態(tài)修復多尺度耦合框架及方法

趙金羽,薩 娜,付 曉,鄭拴寧,吳 鋼,何霄嘉,陸兆華,桑衛(wèi)國

1 中央民族大學生命與環(huán)境科學學院,北京 100081

2 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085

3 中國科學院城市環(huán)境研究所,廈門 361021

4 中國21世紀議程管理中心,北京 100038

5 中國礦業(yè)大學(北京),北京 100083

1 生態(tài)學視角下耦合的概念

“耦合”是來源于物理學的名詞,指兩個(或兩個以上)性質相近的系統(tǒng)或運動形式通過各種相互作用而產生互相親和趨勢的現(xiàn)象[1]。隨著地球進入到由人類活動驅動的世代—人類世[2],人類活動與臨近及遠程環(huán)境相互作用,物理學中“耦合”概念也從而被引入到人與自然關系的研究中,如生態(tài)學、地理學、氣象學、水文學等。在不同的學科領域中,耦合的概念具有一個共同點,即研究系統(tǒng)的兩個或多個部分在其過程上具有相互依賴性。因此生態(tài)學中的耦合總是與能量流動及物質交換等生態(tài)過程密不可分,且已有研究指出生態(tài)系統(tǒng)內部要素耦合關系越密切,生態(tài)系統(tǒng)捕獲、轉移和儲存能量和物質的功能越強大[3]?？梢?小尺度下要素間的耦合關系變化會對大尺度下的生態(tài)系統(tǒng)功能產生影響,導致不同生態(tài)系統(tǒng)間的功能聯(lián)系發(fā)生改變,而生態(tài)系統(tǒng)間功能耦合的變化反過來又能影響要素間的耦合關系。因此,對耦合的研究必須將“多尺度”納入考慮,目前生態(tài)學領域的耦合研究涉及三個尺度:生態(tài)系統(tǒng)尺度、景觀尺度和區(qū)域尺度,研究內容依次為生態(tài)系統(tǒng)內部各要素之間的耦合,如旱地生態(tài)系統(tǒng)中植物與土壤養(yǎng)分元素的相互響應機制[4];自然景觀中不同生態(tài)系統(tǒng)之間的耦合,如阿勒泰地區(qū)綠洲與荒漠生態(tài)系統(tǒng)通過能量與物質的流動與交換彼此聯(lián)系[5];自然系統(tǒng)與社會系統(tǒng)的耦合,如實施“退耕還林”政策后,自然生態(tài)系統(tǒng)功能與服務的變化及其對社會系統(tǒng)的反饋機制[6]等。可見,“耦合”正成為生態(tài)學中探究多主體關系及互作的重要思路和方法。

2 不同尺度下的耦合研究方法與工具

2.1 生態(tài)系統(tǒng)尺度下要素間的耦合

生態(tài)學中的耦合研究方法包括直接觀測和模型模擬與分析。通常,生態(tài)要素間的耦合屬于小尺度研究,可以通過直接觀測的方法進行耦合分析。具體方法如對所研究要素(如碳、氮、水、土壤、植被等)間動態(tài)變化過程進行監(jiān)測;在某種要素變化的條件下,監(jiān)測其他要素的響應,建立耦合要素間的邏輯或定量關系。要素間的耦合是“山水工程”生態(tài)修復規(guī)劃中場地尺度的研究重點,明確要素間的耦合機制不僅有利于借助要素間的協(xié)同、拮抗等相互作用關系來實現(xiàn)關鍵要素保護和修復,還是開展更大尺度下保護修復工作的基礎。目前已有許多關于要素耦合的研究:如陸生生態(tài)系統(tǒng)中植被-土壤-水的關系[7]、農田生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳-氮的聯(lián)系[8]、植被覆蓋率的變化對土壤碳的影響[9]等。直接觀測的耦合分析方法在小尺度上的可行性較強,往往能夠明確定義要素間的耦合關系[10]。

另一個研究要素間耦合關系的方法為模型模擬與分析。模型能夠克服觀測實驗在數(shù)據(jù)可獲取性、重復性和連續(xù)性等方面的缺陷,并能有效提煉內在機制及診斷研究薄弱環(huán)節(jié),成為系統(tǒng)性模擬與分析的重要手段[11]。目前,大多數(shù)耦合模型都以“模塊化”的方式建模,這種方式能夠讓研究者運用先前耦合模型所提供的基礎模型庫模塊,經過重新組合、補充與改進,建立新的、適用性更強的耦合模型。如水分供需計算-碳模型(WaSSI-C模型),該模型具有較好的水文模擬能力,是較為可靠的系統(tǒng)內部水-碳資源管理和平衡評價的工具。劉寧等人曾利用該模型,通過水文過程的中間變量推導碳循環(huán)過程變量,并在原有模型的基礎上分別對模型蒸散和融雪計算模塊進行了補充改進,提高了模型在雜古腦河上游流域的適用性,之后基于氣象中降水、溫度等多個數(shù)據(jù)集成功模擬了上游流域內水-碳循環(huán)過程間的耦合關系,為區(qū)域水碳資源綜合管理提供了科學支持[12]。隨著該領域研究的不斷推進,能夠獲取各要素通量與循環(huán)過程基礎數(shù)據(jù)的觀測平臺越來越多,如中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網絡(China FLUX)、站點—樣帶—區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)通量多尺度綜合觀測技術體系 (site-transect-region complex multi-scale flux observation system,FTR)、生態(tài)系統(tǒng)水—碳—氮通量與同位素通量綜合觀測系統(tǒng) (ecological-meteorological-isotopic measurement system,EMI)、亞洲通量網絡(Asia FLUX)、全球通量觀測研究網絡(FLUXNET)去除GFTCO等[13],可獲數(shù)據(jù)集的質量也明顯提高。因此,運用模型方法來分析、預測要素間的耦合關系前景十分廣闊。具有代表性的幾種要素耦合研究的模型及工具如表1所示。

表1 要素間耦合模型Table 1 Coupling models of ecological elements on ecosystem scale

2.2 景觀尺度下不同自然系統(tǒng)間的耦合

生態(tài)學中的景觀指在一定空間內由不同生態(tài)系統(tǒng)類型構成的異質性地理單元,而反映氣候、地理、生物、經濟、文化等綜合特征的景觀復合體則構成區(qū)域[24]。在科學研究中,不同自然生態(tài)系統(tǒng)間的耦合分析應從景觀尺度著手,而在“山水工程”中,不同自然系統(tǒng)間的耦合則屬于生態(tài)系統(tǒng)尺度的生態(tài)修復規(guī)劃所應考慮的。在生態(tài)保護修復工作中,恢復面積、恢復手段、流域規(guī)模、氣候等人為與自然因素都會對生態(tài)系統(tǒng)間的耦合關系產生影響,而生態(tài)系統(tǒng)間的耦合關系變化同樣能夠反映出保護修復工作的優(yōu)劣。因此,明晰自然生態(tài)系統(tǒng)間的耦合關系對“山水工程”的規(guī)劃、設計、實施、效益評估等階段都具有重要意義。不同自然系統(tǒng)間的耦合研究多結合模型等工具,通過定量模擬與分析單個或多個生態(tài)要素的變化對生態(tài)系統(tǒng)過程(結構與功能)與景觀格局的改變,來明確構成景觀單元(各類生態(tài)系統(tǒng))間的耦合關系,應注意合理選擇模型,通過識別系統(tǒng)間的分異特征,最終實現(xiàn)大尺度、多因素的系統(tǒng)耦合模擬分析,為保護恢復工作提供科學支撐。具體研究如熱力-水力-機械-生化過程(THMB)模型能夠反映河道周圍生態(tài)系統(tǒng)中不同土壤類型、植被覆蓋、土地利用方式等對河流生態(tài)系統(tǒng)水分、養(yǎng)分動態(tài)的影響,利用該模型,定量模擬森林和草地變化對水文過程的影響。結果得出研究河段周圍森林皆伐后,徑流比由0.15增加至0.44,年徑流量增加35%—65%,移除草地后年徑流量增加33%—91%。采伐面積和過度放牧面積與徑流量間呈非線性且存在閾值效應[25]。此類研究能夠為優(yōu)化不同生態(tài)系統(tǒng)的空間配置、提升整體景觀功能提供科學依據(jù)。再如利用陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學循環(huán)模型(CENTURY),對50年間中國西北干旱區(qū)主體景觀單元(綠洲、荒漠、農田生態(tài)系統(tǒng))的土壤有機碳動態(tài)進行模擬,結果表明免耕種植、秸稈還田、科學施肥等保護性耕作措施能有效提高農田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳能力及作物產量,這對抑制農業(yè)用地擴張、荒漠綠洲化,進而改善研究區(qū)整體景觀功能都有促進作用[26]。再如對植被變化與徑流動態(tài)關系研究發(fā)現(xiàn)森林覆蓋度增加導致的河流徑流變化存在統(tǒng)計上的不一致,且年徑流量對森林覆蓋變化的響應存在著尺度效應,即響應隨流域規(guī)模的增大而減弱。此外,植被增加導致的徑流減少在全球干旱、半干旱、半濕潤區(qū)較為明顯,但在濕潤區(qū)可以忽略不計[27]。上述的研究結果對“山水工程”具體保護與修復措施及工程建設具有重要意義。表2所列舉的是目前較多使用的幾種自然生態(tài)系統(tǒng)間耦合模型。

表2 自然生態(tài)系統(tǒng)間耦合模型Table 2 Coupling models of ecosystems on landscape scale

2.3 區(qū)域尺度下社會系統(tǒng)與自然系統(tǒng)間的耦合

第三個耦合尺度為區(qū)域(流域)尺度,是“山水工程”總體保護修復目標制定時所考慮的單元?！吧剿こ獭钡膶嵤┓秶粌H限于重點生態(tài)系統(tǒng)所在的生態(tài)空間,還包括與之密切關聯(lián)的農業(yè)及城鎮(zhèn)空間,是其與以往生態(tài)保護修復工程的重要不同點。因此研究社會系統(tǒng)與自然系統(tǒng)的耦合關系對如何綜合運用科學、法律、政策、經濟及公眾手段,統(tǒng)籌自然生態(tài)系統(tǒng)結構功能穩(wěn)定與社會經濟可持續(xù)發(fā)展具有重要指導意義。該尺度下的耦合分析主要目的包括:維持或增加生態(tài)系統(tǒng)產品供應能力、通過社會、經濟政策的制定改善退化生態(tài)系統(tǒng)、量化人類生活生產活動對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響等。研究需要將自然及社會系統(tǒng)中多個因素如自然系統(tǒng)中大氣、水、土壤、植被及社會系統(tǒng)中經濟、人口、生產方式、文化、人類活動影響指數(shù)、社會發(fā)展指數(shù)等同時納入考慮。目前,關于人與自然間的互饋關系及耦合機制的研究已有很多,如Liu等人提出的“遠程耦合綜合框架”[43]已經用于多系統(tǒng)、多尺度、全方位的人地耦合研究分析,如水供應、糧食貿易、土地利用變化[44—46]等。該框架由代理、原因、影響、流、發(fā)送系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、外溢系統(tǒng)八個部分構成,其中的“流”可以是單向或雙向流動的物質、信息、能量等,是系統(tǒng)間能否耦合的重要條件,同時也是人地耦合研究的重點。對“流”的研究可以推進社會、經濟、生態(tài)三個系統(tǒng)的相關決策者們從整體視角出發(fā),聯(lián)合執(zhí)行跨地域的環(huán)境政策,如基于“流”的耦合研究發(fā)現(xiàn)以減輕北京等城市的環(huán)境污染為目的的工廠搬遷會導致欠發(fā)達地區(qū)(接收地區(qū))污染增加,總污染也隨之增加,原因在于接收地區(qū)環(huán)境政策的缺失[47]。常見的跨系統(tǒng)尺度耦合分析模型、框架、方法等如表3所示。

表3 自然-社會系統(tǒng)間耦合模型及方法Table 3 Coupling models and methods of social-ecological systems on region scale

3 耦合研究方法及工具在山水工程中的應用

3.1 “山水工程”中 “耦合理念”的發(fā)展歷程

自2013年11月習近平總書記提出“山水林田湖生命共同體”理念[5],人們便意識到保護修復需要同時對不同要素、不同系統(tǒng)進行綜合考慮,打破以往不同部門、不同治理項目“各自為戰(zhàn)”的局面,即 “生態(tài)耦合”的概念構架初步形成。因此2013—2016年可被視為耦合治理研究的第一階段。但這一時期的相關研究多是停留在理念層面,實際的治理仍面臨著很多問題,如不少利用人工灌溉刻意拼盤,營造園藝性景觀的工程,尚未明確水土耦合機理,無法長期維持系統(tǒng)活力,造成人力、物力和財力的浪費。2016年我國發(fā)布了《關于推進山水林田湖生態(tài)保護修復工作的通知》并陸續(xù)開展了四批共25個山水林田湖草生態(tài)修復工程試點工作,相關研究文獻也在以爆發(fā)式增長[60],耦合治理開始全面進入實踐階段,即2017—2020為耦合治理研究的第二階段。隨著2020年《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復重大工程總體規(guī)劃(2021—2035年)》與《山水林田湖草生態(tài)保護修復工程指南(試行)》的發(fā)布,“山水”生態(tài)修復工程的實施有了系統(tǒng)的規(guī)劃,相關的方案制定、監(jiān)管、驗收、效果評價、技術指導也在逐步成熟,研究重點從理論的探討轉向對耦合機制的研究,為“山水工程”提供有力的科學技術支持是當下以及未來的研究重點,即2021年至今可視為耦合治理研究的第三階段。由此可見,深刻理解 “生態(tài)耦合”的內在含義、構建多尺度下的耦合框架、總結以區(qū)域內的一般性修復模式,對進一步理解復合生態(tài)系統(tǒng)功能、“山水工程”的科學合理推進、保持修復后生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。

3.2 山水工程治理中的系統(tǒng)耦合分析——以疏勒河流域為例

由于山水工程是以區(qū)域(流域)為單元來制定保護修復方案的,要素間及自然系統(tǒng)間的耦合是工程應重點進行考慮與分析的。本研究以疏勒河流域為例,嘗試將本文所總結的耦合研究方法及工具應用于分析流域中各要素間、系統(tǒng)間的耦合關系。

疏勒河地處我國西北內陸干旱區(qū)和青藏高原區(qū)的交匯地帶,是黃河和青海湖的重要水源補給區(qū),還是我國生物多樣性保護的優(yōu)先區(qū)[61]。然而,流域內生態(tài)系統(tǒng)敏感而脆弱,面臨的問題包括:水源涵養(yǎng)能力下降、草地退化、山區(qū)森林覆蓋率降低、生物多樣性下降[62]。因此,對疏勒河流域實施系統(tǒng)性保護修復工作對維護區(qū)域整體生態(tài)平衡及西北地區(qū)水源涵養(yǎng)功能具有重要意義。

3.2.1要素間的耦合分析

首先,應根據(jù)保護修復目標確定納入分析的各類生態(tài)系統(tǒng)及關鍵要素。據(jù)上文所述,可以確定應將森林、草地、河流及湖泊生態(tài)系統(tǒng)這四類自然系統(tǒng)作為系統(tǒng)性治理的主體。選擇植物、土壤和水作為耦合分析的關鍵要素,原因在于:(1)土壤是聯(lián)系水生生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要紐帶,而植物的蒸騰、呼吸、光合等生理過程及各種水文過程則能夠調節(jié)生態(tài)系統(tǒng)內部及系統(tǒng)間物質循環(huán)與能量流動。(2)人類的生產生活離不開土壤、水以及植物資源,基于三種要素實施保護修復意義十分重大。(3)土壤、植被和水在不同的時空尺度上都是耦合在一起的[63],一個要素發(fā)生變化往往會引起另外兩者的變化,如在北方地區(qū)實行不合理的人工植被建設會導致嚴重的土壤干化、河流徑流減少等問題[64]。因此,對植物、土壤和水的耦合機制進行研究能夠為理解更大尺度上生態(tài)系統(tǒng)的耦合關系提供可靠的科學基礎。對要素進行耦合分析時,應考慮它們在物質循環(huán)或能量流動方面的聯(lián)系:如將碳循環(huán)和水循環(huán)作為分析切入點,本文借鑒黃土高原土壤水分-有機碳-微生物耦合模型[23],基于疏勒河流域三個關鍵要素的耦合機制(圖1),構建水-植被-土壤耦合模型框架,具體如圖2所示。

圖1 水-植被-土壤耦合機制框架圖;關鍵要素由水循環(huán)與碳循環(huán)實現(xiàn)耦合Fig.1 Frame diagram of the coupling mechanism of water-vegetation-soil;The key elements are coupled by water cycle and carbon cycle

圖2 水-植被-土壤耦合模型框架Fig.2 Framework of coupling model of water-vegetation-soilHydrus-2D模型:水文過程模型;ORCHIDEE模型:動態(tài)生態(tài)系統(tǒng)碳—水模型

疏勒河流域的水循環(huán)主要涉及降水(降雪和降雨)、蒸發(fā)和土壤水三部分,其中植被覆蓋能改變降水分配 (如冠層截流、根系吸收等);蒸發(fā)包括植物蒸騰作用、土壤水分的物理蒸發(fā)等;土壤水影響植物生長、土壤碳循環(huán)及微生物代謝等重要生態(tài)過程[23]。由此可見,水-植被-土壤間存在著密切的作用與反饋關系,有研究表明,植被密度與土壤入滲能力呈正相關關系,即植被增加能夠加速雨水入滲,導致土壤含水量增加,進而實現(xiàn)植物自身生物量的增加、土壤微生物代謝活動增強等,形成生態(tài)系統(tǒng)內的正反饋;而裸地則易形成土壤結皮、下滲減少、徑流增加,土壤水分匱乏,形成系統(tǒng)內的負反饋[65]。這種要素間的正、負反饋不僅影響著生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能,還能夠影響更大尺度下的景觀格局的形成。

碳循環(huán)也是實現(xiàn)關鍵要素耦合的重要生態(tài)過程,且碳循環(huán)與水循環(huán)緊密聯(lián)系:研究表明土壤含水量過低時會嚴重限制土壤微生物及植物的固碳過程,含水量過高則會由于阻塞土壤孔隙而減少土壤中的二氧化碳,進而降低土壤微生物固碳量[66]。碳循環(huán)過程包括碳輸入:如植物光合作用、土壤微生物固碳;碳輸出:生物呼吸作用、土壤微生物對有機碳的分解作用等,根據(jù)項目區(qū)環(huán)境條件,實施退耕還林、退牧還草、礦山修復等治理手段,改善水-植被-土壤間的耦合關系,實現(xiàn)碳輸入與輸出過程的平衡對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持、整體流域的可持續(xù)發(fā)展、減緩全球氣候變化等都具有積極作用。

耦合模型框架中的水文過程(Hydrus-2D)模型用于模擬河湖徑流與土壤水間的平衡過程[23],動態(tài)生態(tài)系統(tǒng)碳-水(ORCHIDEE)模型則以碳為耦合節(jié)點,將土壤與植被進行耦合?？蚣苤械乃帜K包括了降水、蒸散和土壤水三部分,疏勒河流域的降水包括降雪和降雨,其中的植被覆蓋會改變降水分配(如冠層截流、根系吸收等)土壤及植被模塊中的碳動態(tài)包括植被、凋落物和土壤碳庫、碳庫間的碳通量和生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的碳通量。借助耦合模型,能夠實現(xiàn)疏勒河流域水-植被-土壤界面的物質交換與能量流動的調控過程的模擬,從而進一步明晰三大要素間的耦合關系,這為更大尺度下多生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)籌治理提供了堅實的基礎。除上述的基于碳、水循環(huán)過程構建水-植被-土壤耦合模型外,還可以嘗試構建多要素、多過程的耦合模型,豐富疏勒河流域要素耦合的相關研究。

3.2.2自然生態(tài)系統(tǒng)間的耦合分析

明確三個關鍵要素的耦合機制后,需要從景觀尺度探究治理區(qū)域內不同自然生態(tài)系統(tǒng)間的耦合機制,推進保護修復單元的科學劃分與工程子項目的合理布局。如基于疏勒河流域內自然系統(tǒng)要素的耦合、系統(tǒng)時空演變規(guī)律及環(huán)境分異特征,建立生態(tài)系統(tǒng)演化規(guī)律動態(tài)模型(DLEM),定量模擬分析耦合自然生態(tài)系統(tǒng)間的相互作用與反饋機制。

如圖3所示,選取DLEM模型中的生物物理、植物生理、土壤生物地球化學過程及植被動態(tài)四個核心模塊用于疏勒河流域主體生態(tài)系統(tǒng)間耦合關系的分析。生物物理模塊可用于模擬主體生態(tài)系統(tǒng)間以及各生態(tài)系統(tǒng)與區(qū)域大氣系統(tǒng)間的物質通量(主要為氣體與水分)和能量流動的過程,如微氣候影響下的森林-草地生態(tài)系統(tǒng)間水分轉移與能量分配過程;土壤生物地球化學過程模塊能夠模擬土壤養(yǎng)分動態(tài)、微生物分解能力、土壤理化性質變化等過程,如修復退化森林生態(tài)系統(tǒng)過程中對系統(tǒng)內部及治理區(qū)內草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳、氮的影響;植物生理模塊用于模擬光合作用、呼吸作用、碳、氮等的同化與分配等;植被動態(tài)模塊模擬自然及人為影響導致景觀格局變化后陸地生態(tài)系統(tǒng)中植被群落的恢復和演替過程[31]。由此,借助DLEM模型,從景觀尺度上明晰疏勒河流域自然生態(tài)系統(tǒng)間耦合機制、景觀格局與生態(tài)過程間的相互作用,基于森林-草地-河流-湖泊生態(tài)系統(tǒng)間的耦合關系,采取多要素關聯(lián)、多過程耦合的系統(tǒng)治理措施,實施通水、增綠、護土、保湖等一體化保護和修復工程,系統(tǒng)提升疏勒河流域生物多樣性保育、碳固持和水源涵養(yǎng)等主體生態(tài)功能。

圖3 陸地生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)模型(DLEM)主要組成部分及疏勒河流域主體生態(tài)系統(tǒng)耦合關系Fig.3 The main components of the Dynamic Land Ecosystem Model (DLEM) and the coupling relationships of the main ecosystems in Shule River Basin

3.3 山水工程中的耦合治理框架及方法

以“整體保護”、“系統(tǒng)修復”、“綜合治理”為核心的“山水林田湖草”生態(tài)修復工程尤其強調將系統(tǒng)內要素及系統(tǒng)間的耦合關系進行統(tǒng)籌考慮,其原因在于“山水林田湖草生命共同體”可被視為一定空間上由各類生態(tài)系統(tǒng)耦合而成的復合生態(tài)系統(tǒng),具有多要素、多尺度等特點。然而,隨著山水工程的開展,一些問題也逐漸顯露出來[67]。其中,缺乏對生態(tài)耦合機制的理解,導致“多要素簡單加和就是綜合治理”成為制約治理成效的一大難題。為解決“山水工程”生態(tài)修復面臨的問題,已有許多相關框架及方法被提出,如社會-生態(tài)系統(tǒng)(SES)框架在錢塘江源頭區(qū)的應用,在SES框架下,可對研究區(qū)進行關鍵問題識別、因素分析、治理情景預測及評價體系構建,進而為錢塘江源頭區(qū)“山水工程”生態(tài)修復面臨的問題提供系統(tǒng)的解決方案[68]。再如基于廣東粵北南嶺山區(qū)礦山開采、植被退化、水質下降等生態(tài)問題所構建的粵北南嶺廢土堆立體生態(tài)修復模式,該修復模式兼顧了水流疏導、地形重塑與邊坡穩(wěn)固,對研究區(qū)及類似區(qū)域的多要素系統(tǒng)共治具有重要指導意義[69]。此外,針對西北干旱區(qū)廣泛分布的山地-綠洲-荒漠耦合生態(tài)系統(tǒng),有研究以塔里木河重要流源區(qū)為例,提出“一核心、兩源頭、三階梯”系統(tǒng)保護修復模式,該模式對于推進我國西北干旱區(qū)山水林田湖草沙系統(tǒng)治理具有重要意義[70]。但從總體上看,目前的模型及方法對“多尺度”關注較少,對此,本節(jié)基于前文對疏勒河多尺度下的耦合關系分析及耦合機制研究,提出具有“多尺度”特點的“山水工程”一般性耦合治理框架及方法。

3.3.1構建保護修復多尺度耦合分析框架

從疏勒河流域自然生態(tài)系統(tǒng)的耦合分析中可以看出,由于時滯效應、生態(tài)系統(tǒng)復雜性、要素間、系統(tǒng)間存在普遍聯(lián)系與互饋等特點,亟須構建一套以生態(tài)要素與功能耦合機制與模式為基礎,以景觀格局-生態(tài)過程關系及其穩(wěn)定性維持為目標的多尺度耦合分析框架(圖4),為識別“山水工程”保護修復區(qū)的內在耦合機制和模式分析提供整體思路,并為一體化保護和修復模式提供科學支持。

圖4 保護修復多尺度耦合分析框架Fig.4 Multi-scale coupling analysis framework for ecological protection and restoration

耦合分析應首先考慮區(qū)域中的關鍵生態(tài)問題與主體生態(tài)功能,結合定位觀測、遙感觀測等方法確定保護修復的關鍵生態(tài)要素。借助模型模擬等方法,明確山水要素演變及其驅動機制,隨后基于要素耦合,探究景觀尺度下各類自然生態(tài)系統(tǒng)的耦合關系,構建出能夠定量模擬分析特定修復區(qū)系統(tǒng)間耦合機制的模型(如生態(tài)系統(tǒng)演化規(guī)律動態(tài)模型),最終探究區(qū)域尺度下社會-經濟系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)間的耦合程度及發(fā)展趨勢?；谏鲜龈鞒叨认碌鸟詈详P系實施一體化保護和修復工程,實現(xiàn)經濟、社會、自然系統(tǒng)同步發(fā)展,具體保護修復模式見下節(jié)。

3.3.2耦合視角下的“升尺度”保護修復模式

結合耦合原理,系統(tǒng)性修復治理要求將小尺度下生態(tài)系統(tǒng)中的各種要素、中尺度下的各類生態(tài)系統(tǒng)(景觀內的自然生態(tài)系統(tǒng))、大尺度下的自然-經濟-社會系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮。因此在規(guī)劃試點區(qū)域治理方案時,要尤其注意尺度的選擇,明確不同尺度下的保護修復重點。建議從源頭實施治理,即從小尺度的要素間耦合著手,生態(tài)保護修復區(qū)面臨的生態(tài)問題可能包括流域“水質下降”、“植被覆蓋率降低”、“土地沙化”等,借助小尺度的耦合工具對“水”、“林”、“土”子要素耦合機制進行研究,在明晰要素間的能量交換和物質循環(huán)機理后,進一步擴大研究尺度,即基于生態(tài)介質的擴展,借助中尺度耦合模型及方法,進行空間、時間升尺度,基于物質循環(huán)與能量流動等過程將流域中各類生態(tài)系統(tǒng)有機耦合,統(tǒng)籌實施通水、育林、護土、保湖等相關工程,并根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)退化程度科學選擇保護保育、自然恢復、輔助再生、生態(tài)重建等修復模式提升區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)服務和生態(tài)屏障功能。最后,進一步擴大尺度,將社會、經濟系統(tǒng)納入治理范疇,合理制定生態(tài)補償政策,改進當?shù)鼐用裆a生活方式,倡導綠色農業(yè)、無廢工業(yè)、生態(tài)旅游等,促進整個區(qū)域內自然、經濟、社會的可持續(xù)發(fā)展。利用大尺度耦合工具與模型,如耦合協(xié)調度模型,明確自然-經濟-社會系統(tǒng)間的耦合程度,預測未來發(fā)展趨勢。此外還應建立合理的評價體系,對保護修復工作既有成果進行評估,對治理方案實行動態(tài)調整。具體保護修復模式制定流程圖如圖5所示。

圖5 “升尺度”生態(tài)修復模式制定流程圖Fig.5 Flow chart of “up-scale”conservation and restoration pattern

4 結論與建議

本文對生態(tài)學中耦合的概念、不同尺度下的耦合研究內容、方法及工具進行介紹,同時以山水工程保護修復區(qū)——疏勒河流域為例,對如何借助模型等方法分析自然系統(tǒng)內部及系統(tǒng)之間的耦合關系進行了總結。最后,基于對實例的研究,文章提出了耦合視角下的“升尺度”保護修復模式與保護修復多尺度耦合分析框架,以期為疏勒河流域以及類似區(qū)域的多要素、多尺度、多過程統(tǒng)籌治理提供科學支持。地球已經進入人類世,科學技術的發(fā)展也使人地聯(lián)系愈發(fā)緊密,彼此的相互作用關系愈發(fā)復雜。在這種大背景下,如何處理好社會經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的關系成為當今各國的首要議題?！吧剿痔锖菪迯凸こ獭本哂芯C合性、系統(tǒng)性、整體性三大特點,要求各個部門的利益相關者多方參與、共同保護、聯(lián)合治理。各部門需要在生態(tài)系統(tǒng)理論和方法的指導下來進行綜合治理,兼顧山水林田湖草多個系統(tǒng),最終做到生態(tài)系統(tǒng)各要素完整,系統(tǒng)健康、抵抗力、恢復力與自組織能力達到良性狀態(tài)。結合生態(tài)耦合原理,未來有關“山水工程”研究的相關建議如下:

(1)考慮多尺度耦合關系。借助合適的耦合模型及工具,明確山水林田湖草系統(tǒng)各要素間的耦合機制,進而明確不同自然系統(tǒng)間的聯(lián)系,最后分析自然系統(tǒng)與社會系統(tǒng)中各要素的交互耦合關系,尤其關注多系統(tǒng)間的反饋。

(2)以區(qū)域或流域(即以自然地理單元)作為保護修復單元,跨越行政邊界實施治理。其中流域是聯(lián)系水陸生態(tài)系統(tǒng)的重要單元,且我國有七大流域,基于“水流”逐步進行“升尺度”研究,對整個河流流域,包括河流的支流系統(tǒng)、“季節(jié)性”河流、周圍濕地、農田、森林等實施保護修復。該方法對我國的糧食安全、水安全、整體生態(tài)保護與社會經濟發(fā)展具有重要意義?；谘芯繂卧淖匀?經濟-社會基本狀況構建指標體系,建立相應的人地耦合模型,發(fā)現(xiàn)能夠促進社會與自然協(xié)調發(fā)展的保護修復模式。

(3)對保護修復過程進行監(jiān)測評估。權衡修復子工程的相關舉措對于社會經濟與自然環(huán)境的影響,如建立自然保護區(qū)對生物多樣性的保護與當?shù)亟洕挠绊?可設立基于影響性質(消極、中性或積極)的評價體系,對工作進行監(jiān)測預警,及時調整不合理的保護修復政策,從宏觀角度做到自然-經濟-社會的協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展。

(4)對保護修復成果構建綜合評價體系。如統(tǒng)籌兼顧自然系統(tǒng)的結構、功能、格局、提供的服務價值以及社會系統(tǒng)中社會發(fā)展指數(shù)、人類活動影響指數(shù)等,構建評價方法和評價體系,對保護修復成果進行評估。同時,將評價體系納入當?shù)卣目冃Э己酥?有助于提高保護修復工作的可持續(xù)性,保證修復工作的質量。

今后,我國的生態(tài)保護修復工作還需要結合中國基本國情,處理好自然資源利用增加和城鄉(xiāng)生態(tài)保護問題,化解人類生產活動與自然保護修復間的矛盾。未來需要重點結合耦合原理與方法,深入研究山水林田湖草生態(tài)修復理論、方法、技術、標準和模式,最終構建一體化保護修復理論體系。此外,還應開展對人類活動密集區(qū)的城市生態(tài)系統(tǒng)修復工作,加強自然-經濟-社會理論的指導作用,最終實現(xiàn)山、水、林、田、湖、草等自然要素與城、村、礦等社會要素的和諧發(fā)展與有機統(tǒng)一。