趙金羽,薩 娜,付 曉,鄭拴寧,吳 鋼,何霄嘉,陸兆華,桑衛(wèi)國(guó)

1 中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,北京 100081

2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085

3 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所,廈門 361021

4 中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心,北京 100038

5 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083

1 生態(tài)學(xué)視角下耦合的概念

“耦合”是來源于物理學(xué)的名詞,指兩個(gè)(或兩個(gè)以上)性質(zhì)相近的系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)形式通過各種相互作用而產(chǎn)生互相親和趨勢(shì)的現(xiàn)象[1]。隨著地球進(jìn)入到由人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的世代—人類世[2],人類活動(dòng)與臨近及遠(yuǎn)程環(huán)境相互作用,物理學(xué)中“耦合”概念也從而被引入到人與自然關(guān)系的研究中,如生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)、水文學(xué)等。在不同的學(xué)科領(lǐng)域中,耦合的概念具有一個(gè)共同點(diǎn),即研究系統(tǒng)的兩個(gè)或多個(gè)部分在其過程上具有相互依賴性。因此生態(tài)學(xué)中的耦合總是與能量流動(dòng)及物質(zhì)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(nèi)部要素耦合關(guān)系越密切,生態(tài)系統(tǒng)捕獲、轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存能量和物質(zhì)的功能越強(qiáng)大[3]?？梢?小尺度下要素間的耦合關(guān)系變化會(huì)對(duì)大尺度下的生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響,導(dǎo)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(guān)系。因此,對(duì)耦合的研究必須將“多尺度”納入考慮,目前生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的耦合研究涉及三個(gè)尺度:生態(tài)系統(tǒng)尺度、景觀尺度和區(qū)域尺度,研究?jī)?nèi)容依次為生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)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(yīng)機(jī)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(zhì)的流動(dòng)與交換彼此聯(lián)系[5];自然系統(tǒng)與社會(huì)系統(tǒng)的耦合,如實(shí)施“退耕還林”政策后,自然生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)的變化及其對(duì)社會(huì)系統(tǒng)的反饋機(jī)制[6]等?？梢?“耦合”正成為生態(tài)學(xué)中探究多主體關(guān)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(xué)中的耦合研究方法包括直接觀測(cè)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(cè)的方法進(jìn)行耦合分析。具體方法如對(duì)所研究要素(如碳、氮、水、土壤、植被等)間動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行監(jiān)測(cè);在某種要素變化的條件下,監(jiān)測(cè)其他要素的響應(yīng),建立耦合要素間的邏輯或定量關(guān)系。要素間的耦合是“山水工程”生態(tài)修復(fù)規(guī)劃中場(chǎng)地尺度的研究重點(diǎn),明確要素間的耦合機(jī)制不僅有利于借助要素間的協(xié)同、拮抗等相互作用關(guān)系來實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵要素保護(hù)和修復(fù),還是開展更大尺度下保護(hù)修復(fù)工作的基礎(chǔ)。目前已有許多關(guān)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(guān)系[7]、農(nóng)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(duì)土壤碳的影響[9]等。直接觀測(cè)的耦合分析方法在小尺度上的可行性較強(qiáng),往往能夠明確定義要素間的耦合關(guān)系[10]。

另一個(gè)研究要素間耦合關(guān)系的方法為模型模擬與分析。模型能夠克服觀測(cè)實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)可獲取性、重復(fù)性和連續(xù)性等方面的缺陷,并能有效提煉內(nèi)在機(jī)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(yùn)用先前耦合模型所提供的基礎(chǔ)模型庫(kù)模塊,經(jīng)過重新組合、補(bǔ)充與改進(jìn),建立新的、適用性更強(qiáng)的耦合模型。如水分供需計(jì)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(nèi)部水-碳資源管理和平衡評(píng)價(jià)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(dǎo)碳循環(huán)過程變量,并在原有模型的基礎(chǔ)上分別對(duì)模型蒸散和融雪計(jì)算模塊進(jìn)行了補(bǔ)充改進(jìn),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(gè)數(shù)據(jù)集成功模擬了上游流域內(nèi)水-碳循環(huán)過程間的耦合關(guān)系,為區(qū)域水碳資源綜合管理提供了科學(xué)支持[12]。隨著該領(lǐng)域研究的不斷推進(jìn),能夠獲取各要素通量與循環(huán)過程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的觀測(cè)平臺(tái)越來越多,如中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)(China FLUX)、站點(diǎn)—樣帶—區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)通量多尺度綜合觀測(cè)技術(shù)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(cè)系統(tǒng) (ecological-meteorological-isotopic measurement system,EMI)、亞洲通量網(wǎng)絡(luò)(Asia FLUX)、全球通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)(FLUXNET)去除GFTCO等[13],可獲數(shù)據(jù)集的質(zhì)量也明顯提高。因此,運(yùn)用模型方法來分析、預(yù)測(cè)要素間的耦合關(guān)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(xué)中的景觀指在一定空間內(nèi)由不同生態(tài)系統(tǒng)類型構(gòu)成的異質(zhì)性地理單元,而反映氣候、地理、生物、經(jīng)濟(jì)、文化等綜合特征的景觀復(fù)合體則構(gòu)成區(qū)域[24]。在科學(xué)研究中,不同自然生態(tài)系統(tǒng)間的耦合分析應(yīng)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(fù)規(guī)劃所應(yīng)考慮的。在生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作中,恢復(fù)面積、恢復(fù)手段、流域規(guī)模、氣候等人為與自然因素都會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)間的耦合關(guān)系產(chǎn)生影響,而生態(tài)系統(tǒng)間的耦合關(guān)系變化同樣能夠反映出保護(hù)修復(fù)工作的優(yōu)劣。因此,明晰自然生態(tài)系統(tǒng)間的耦合關(guān)系對(duì)“山水工程”的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施、效益評(píng)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(jié)合模型等工具,通過定量模擬與分析單個(gè)或多個(gè)生態(tài)要素的變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過程(結(jié)構(gòu)與功能)與景觀格局的改變,來明確構(gòu)成景觀單元(各類生態(tài)系統(tǒng))間的耦合關(guān)系,應(yīng)注意合理選擇模型,通過識(shí)別系統(tǒng)間的分異特征,最終實(shí)現(xiàn)大尺度、多因素的系統(tǒng)耦合模擬分析,為保護(hù)恢復(fù)工作提供科學(xué)支撐。具體研究如熱力-水力-機(jī)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(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)水分、養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的影響,利用該模型,定量模擬森林和草地變化對(duì)水文過程的影響。結(jié)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(yīng)[25]。此類研究能夠?yàn)閮?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(xué)依據(jù)。再如利用陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)模型(CENTURY),對(duì)50年間中國(guó)西北干旱區(qū)主體景觀單元(綠洲、荒漠、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng))的土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬,結(jié)果表明免耕種植、秸稈還田、科學(xué)施肥等保護(hù)性耕作措施能有效提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳能力及作物產(chǎn)量,這對(duì)抑制農(nóng)業(yè)用地?cái)U(kuò)張、荒漠綠洲化,進(jìn)而改善研究區(qū)整體景觀功能都有促進(jìn)作用[26]。再如對(duì)植被變化與徑流動(dòng)態(tài)關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)森林覆蓋度增加導(dǎo)致的河流徑流變化存在統(tǒng)計(jì)上的不一致,且年徑流量對(duì)森林覆蓋變化的響應(yīng)存在著尺度效應(yīng),即響應(yīng)隨流域規(guī)模的增大而減弱。此外,植被增加導(dǎo)致的徑流減少在全球干旱、半干旱、半濕潤(rùn)區(qū)較為明顯,但在濕潤(rùn)區(qū)可以忽略不計(jì)[27]。上述的研究結(jié)果對(duì)“山水工程”具體保護(hù)與修復(fù)措施及工程建設(shè)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(huì)系統(tǒng)與自然系統(tǒng)間的耦合

第三個(gè)耦合尺度為區(qū)域(流域)尺度,是“山水工程”總體保護(hù)修復(fù)目標(biāo)制定時(shí)所考慮的單元?！吧剿こ獭钡膶?shí)施范圍不僅限于重點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)所在的生態(tài)空間,還包括與之密切關(guān)聯(lián)的農(nóng)業(yè)及城鎮(zhèn)空間,是其與以往生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的重要不同點(diǎn)。因此研究社會(huì)系統(tǒng)與自然系統(tǒng)的耦合關(guān)系對(duì)如何綜合運(yùn)用科學(xué)、法律、政策、經(jīng)濟(jì)及公眾手段,統(tǒng)籌自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能穩(wěn)定與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)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(chǎn)品供應(yīng)能力、通過社會(huì)、經(jīng)濟(jì)政策的制定改善退化生態(tài)系統(tǒng)、量化人類生活生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響等。研究需要將自然及社會(huì)系統(tǒng)中多個(gè)因素如自然系統(tǒng)中大氣、水、土壤、植被及社會(huì)系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)、人口、生產(chǎn)方式、文化、人類活動(dòng)影響指數(shù)、社會(huì)發(fā)展指數(shù)等同時(shí)納入考慮。目前,關(guān)于人與自然間的互饋關(guān)系及耦合機(jī)制的研究已有很多,如Liu等人提出的“遠(yuǎn)程耦合綜合框架”[43]已經(jīng)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(yīng)、糧食貿(mào)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(gè)部分構(gòu)成,其中的“流”可以是單向或雙向流動(dòng)的物質(zhì)、信息、能量等,是系統(tǒng)間能否耦合的重要條件,同時(shí)也是人地耦合研究的重點(diǎn)。對(duì)“流”的研究可以推進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)三個(gè)系統(tǒng)的相關(guān)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(huì)導(dǎo)致欠發(fā)達(dá)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(huì)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(yīng)用

3.1 “山水工程”中 “耦合理念”的發(fā)展歷程

自2013年11月習(xí)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(shí)到保護(hù)修復(fù)需要同時(shí)對(duì)不同要素、不同系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮,打破以往不同部門、不同治理項(xiàng)目“各自為戰(zhàn)”的局面,即 “生態(tài)耦合”的概念構(gòu)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(shí)期的相關(guān)研究多是停留在理念層面,實(shí)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(yíng)造園藝性景觀的工程,尚未明確水土耦合機(jī)理,無法長(zhǎng)期維持系統(tǒng)活力,造成人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)。2016年我國(guó)發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)山水林田湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作的通知》并陸續(xù)開展了四批共25個(gè)山水林田湖草生態(tài)修復(fù)工程試點(diǎn)工作,相關(guān)研究文獻(xiàn)也在以爆發(fā)式增長(zhǎng)[60],耦合治理開始全面進(jìn)入實(shí)踐階段,即2017—2020為耦合治理研究的第二階段。隨著2020年《全國(guó)重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021—2035年)》與《山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程指南(試行)》的發(fā)布,“山水”生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施有了系統(tǒng)的規(guī)劃,相關(guān)的方案制定、監(jiān)管、驗(yàn)收、效果評(píng)價(jià)、技術(shù)指導(dǎo)也在逐步成熟,研究重點(diǎn)從理論的探討轉(zhuǎn)向?qū)︸詈蠙C(jī)制的研究,為“山水工程”提供有力的科學(xué)技術(shù)支持是當(dāng)下以及未來的研究重點(diǎn),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(nèi)在含義、構(gòu)建多尺度下的耦合框架、總結(jié)以區(qū)域內(nèi)的一般性修復(fù)模式,對(duì)進(jìn)一步理解復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)功能、“山水工程”的科學(xué)合理推進(jìn)、保持修復(fù)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?yàn)槔?/h3>

由于山水工程是以區(qū)域(流域)為單元來制定保護(hù)修復(fù)方案的,要素間及自然系統(tǒng)間的耦合是工程應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行考慮與分析的。本研究以疏勒河流域?yàn)槔?嘗試將本文所總結(jié)的耦合研究方法及工具應(yīng)用于分析流域中各要素間、系統(tǒng)間的耦合關(guān)系。

疏勒河地處我國(guó)西北內(nèi)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(bǔ)給區(qū),還是我國(guó)生物多樣性保護(hù)的優(yōu)先區(qū)[61]。然而,流域內(nèi)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(duì)疏勒河流域?qū)嵤┫到y(tǒng)性保護(hù)修復(fù)工作對(duì)維護(hù)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(yīng)根據(jù)保護(hù)修復(fù)目標(biāo)確定納入分析的各類生態(tài)系統(tǒng)及關(guān)鍵要素。據(jù)上文所述,可以確定應(yīng)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(guān)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(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)。(2)人類的生產(chǎn)生活離不開土壤、水以及植物資源,基于三種要素實(shí)施保護(hù)修復(fù)意義十分重大。(3)土壤、植被和水在不同的時(shí)空尺度上都是耦合在一起的[63],一個(gè)要素發(fā)生變化往往會(huì)引起另外兩者的變化,如在北方地區(qū)實(shí)行不合理的人工植被建設(shè)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤干化、河流徑流減少等問題[64]。因此,對(duì)植物、土壤和水的耦合機(jī)制進(jìn)行研究能夠?yàn)槔斫飧蟪叨壬仙鷳B(tài)系統(tǒng)的耦合關(guān)系提供可靠的科學(xué)基礎(chǔ)。對(duì)要素進(jìn)行耦合分析時(shí),應(yīng)考慮它們?cè)谖镔|(zhì)循環(huán)或能量流動(dòng)方面的聯(lián)系:如將碳循環(huán)和水循環(huán)作為分析切入點(diǎn),本文借鑒黃土高原土壤水分-有機(jī)碳-微生物耦合模型[23],基于疏勒河流域三個(gè)關(guān)鍵要素的耦合機(jī)制(圖1),構(gòu)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(jī)制框架圖;關(guān)鍵要素由水循環(huán)與碳循環(huán)實(shí)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(dòng)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(zhǎng)、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(guān)系,有研究表明,植被密度與土壤入滲能力呈正相關(guān)關(guān)系,即植被增加能夠加速雨水入滲,導(dǎo)致土壤含水量增加,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)植物自身生物量的增加、土壤微生物代謝活動(dòng)增強(qiáng)等,形成生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的正反饋;而裸地則易形成土壤結(jié)皮、下滲減少、徑流增加,土壤水分匱乏,形成系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)反饋[65]。這種要素間的正、負(fù)反饋不僅影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)關(guān)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(shí)會(huì)嚴(yán)重限制土壤微生物及植物的固碳過程,含水量過高則會(huì)由于阻塞土壤孔隙而減少土壤中的二氧化碳,進(jìn)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(duì)有機(jī)碳的分解作用等,根據(jù)項(xiàng)目區(qū)環(huán)境條件,實(shí)施退耕還林、退牧還草、礦山修復(fù)等治理手段,改善水-植被-土壤間的耦合關(guān)系,實(shí)現(xiàn)碳輸入與輸出過程的平衡對(duì)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(dòng)態(tài)生態(tài)系統(tǒng)碳-水(ORCHIDEE)模型則以碳為耦合節(jié)點(diǎn),將土壤與植被進(jìn)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(huì)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(dòng)態(tài)包括植被、凋落物和土壤碳庫(kù)、碳庫(kù)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?qū)崿F(xiàn)疏勒河流域水-植被-土壤界面的物質(zhì)交換與能量流動(dòng)的調(diào)控過程的模擬,從而進(jìn)一步明晰三大要素間的耦合關(guān)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。除上述的基于碳、水循環(huán)過程構(gòu)建水-植被-土壤耦合模型外,還可以嘗試構(gòu)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(guān)研究。

3.2.2自然生態(tài)系統(tǒng)間的耦合分析

明確三個(gè)關(guān)鍵要素的耦合機(jī)制后,需要從景觀尺度探究治理區(qū)域內(nèi)不同自然生態(tài)系統(tǒng)間的耦合機(jī)制,推進(jìn)保護(hù)修復(fù)單元的科學(xué)劃分與工程子項(xiàng)目的合理布局。如基于疏勒河流域內(nèi)自然系統(tǒng)要素的耦合、系統(tǒng)時(shí)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(dòng)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(jī)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(xué)過程及植被動(dòng)態(tài)四個(gè)核心模塊用于疏勒河流域主體生態(tài)系統(tǒng)間耦合關(guān)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(zhì)通量(主要為氣體與水分)和能量流動(dòng)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(zhuǎn)移與能量分配過程;土壤生物地球化學(xué)過程模塊能夠模擬土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)、微生物分解能力、土壤理化性質(zhì)變化等過程,如修復(fù)退化森林生態(tài)系統(tǒng)過程中對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部及治理區(qū)內(nèi)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(dòng)態(tài)模塊模擬自然及人為影響導(dǎo)致景觀格局變化后陸地生態(tài)系統(tǒng)中植被群落的恢復(fù)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(jī)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(guān)系,采取多要素關(guān)聯(lián)、多過程耦合的系統(tǒng)治理措施,實(shí)施通水、增綠、護(hù)土、保湖等一體化保護(hù)和修復(fù)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(dòng)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(guān)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(hù)”、“系統(tǒng)修復(fù)”、“綜合治理”為核心的“山水林田湖草”生態(tài)修復(fù)工程尤其強(qiáng)調(diào)將系統(tǒng)內(nèi)要素及系統(tǒng)間的耦合關(guān)系進(jìn)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(fù)合生態(tài)系統(tǒng),具有多要素、多尺度等特點(diǎn)。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(duì)生態(tài)耦合機(jī)制的理解,導(dǎo)致“多要素簡(jiǎn)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(fù)面臨的問題,已有許多相關(guān)框架及方法被提出,如社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)(SES)框架在錢塘江源頭區(qū)的應(yīng)用,在SES框架下,可對(duì)研究區(qū)進(jìn)行關(guān)鍵問題識(shí)別、因素分析、治理情景預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)體系構(gòu)建,進(jìn)而為錢塘江源頭區(qū)“山水工程”生態(tài)修復(fù)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(zhì)下降等生態(tài)問題所構(gòu)建的粵北南嶺廢土堆立體生態(tài)修復(fù)模式,該修復(fù)模式兼顧了水流疏導(dǎo)、地形重塑與邊坡穩(wěn)固,對(duì)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(dǎo)意義[69]。此外,針對(duì)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(hù)修復(fù)模式,該模式對(duì)于推進(jìn)我國(guó)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(duì)“多尺度”關(guān)注較少,對(duì)此,本節(jié)基于前文對(duì)疏勒河多尺度下的耦合關(guān)系分析及耦合機(jī)制研究,提出具有“多尺度”特點(diǎn)的“山水工程”一般性耦合治理框架及方法。

3.3.1構(gòu)建保護(hù)修復(fù)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(shí)滯效應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性、要素間、系統(tǒng)間存在普遍聯(lián)系與互饋等特點(diǎn),亟須構(gòu)建一套以生態(tài)要素與功能耦合機(jī)制與模式為基礎(chǔ),以景觀格局-生態(tài)過程關(guān)系及其穩(wěn)定性維持為目標(biāo)的多尺度耦合分析框架(圖4),為識(shí)別“山水工程”保護(hù)修復(fù)區(qū)的內(nèi)在耦合機(jī)制和模式分析提供整體思路,并為一體化保護(hù)和修復(fù)模式提供科學(xué)支持。

圖4 保護(hù)修復(fù)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(yīng)首先考慮區(qū)域中的關(guān)鍵生態(tài)問題與主體生態(tài)功能,結(jié)合定位觀測(cè)、遙感觀測(cè)等方法確定保護(hù)修復(fù)的關(guān)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(qū)動(dòng)機(jī)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(guān)系,構(gòu)建出能夠定量模擬分析特定修復(fù)區(qū)系統(tǒng)間耦合機(jī)制的模型(如生態(tài)系統(tǒng)演化規(guī)律動(dòng)態(tài)模型),最終探究區(qū)域尺度下社會(huì)-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)間的耦合程度及發(fā)展趨勢(shì)?；谏鲜龈鞒叨认碌鸟詈详P(guān)系實(shí)施一體化保護(hù)和修復(fù)工程,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、自然系統(tǒng)同步發(fā)展,具體保護(hù)修復(fù)模式見下節(jié)。

3.3.2耦合視角下的“升尺度”保護(hù)修復(fù)模式

結(jié)合耦合原理,系統(tǒng)性修復(fù)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(nèi)的自然生態(tài)系統(tǒng))、大尺度下的自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮。因此在規(guī)劃試點(diǎn)區(qū)域治理方案時(shí),要尤其注意尺度的選擇,明確不同尺度下的保護(hù)修復(fù)重點(diǎn)。建議從源頭實(shí)施治理,即從小尺度的要素間耦合著手,生態(tài)保護(hù)修復(fù)區(qū)面臨的生態(tài)問題可能包括流域“水質(zhì)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(duì)“水”、“林”、“土”子要素耦合機(jī)制進(jìn)行研究,在明晰要素間的能量交換和物質(zhì)循環(huán)機(jī)理后,進(jìn)一步擴(kuò)大研究尺度,即基于生態(tài)介質(zhì)的擴(kuò)展,借助中尺度耦合模型及方法,進(jìn)行空間、時(shí)間升尺度,基于物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)等過程將流域中各類生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)耦合,統(tǒng)籌實(shí)施通水、育林、護(hù)土、保湖等相關(guān)工程,并根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)退化程度科學(xué)選擇保護(hù)保育、自然恢復(fù)、輔助再生、生態(tài)重建等修復(fù)模式提升區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)屏障功能。最后,進(jìn)一步擴(kuò)大尺度,將社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)納入治理范疇,合理制定生態(tài)補(bǔ)償政策,改進(jìn)當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活方式,倡導(dǎo)綠色農(nóng)業(yè)、無廢工業(yè)、生態(tài)旅游等,促進(jìn)整個(gè)區(qū)域內(nèi)自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(diào)度模型,明確自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)系統(tǒng)間的耦合程度,預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)。此外還應(yīng)建立合理的評(píng)價(jià)體系,對(duì)保護(hù)修復(fù)工作既有成果進(jìn)行評(píng)估,對(duì)治理方案實(shí)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。具體保護(hù)修復(fù)模式制定流程圖如圖5所示。

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

4 結(jié)論與建議

本文對(duì)生態(tài)學(xué)中耦合的概念、不同尺度下的耦合研究?jī)?nèi)容、方法及工具進(jìn)行介紹,同時(shí)以山水工程保護(hù)修復(fù)區(qū)——疏勒河流域?yàn)槔?對(duì)如何借助模型等方法分析自然系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)。最后,基于對(duì)實(shí)例的研究,文章提出了耦合視角下的“升尺度”保護(hù)修復(fù)模式與保護(hù)修復(fù)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(xué)支持。地球已經(jīng)進(jìn)入人類世,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也使人地聯(lián)系愈發(fā)緊密,彼此的相互作用關(guān)系愈發(fā)復(fù)雜。在這種大背景下,如何處理好社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系成為當(dāng)今各國(guó)的首要議題。“山水林田湖草修復(fù)工程”具有綜合性、系統(tǒng)性、整體性三大特點(diǎn),要求各個(gè)部門的利益相關(guān)者多方參與、共同保護(hù)、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(dǎo)下來進(jìn)行綜合治理,兼顧山水林田湖草多個(gè)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(fù)力與自組織能力達(dá)到良性狀態(tài)。結(jié)合生態(tài)耦合原理,未來有關(guān)“山水工程”研究的相關(guān)建議如下:

(1)考慮多尺度耦合關(guān)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(jī)制,進(jìn)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(huì)系統(tǒng)中各要素的交互耦合關(guān)系,尤其關(guān)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(hù)修復(fù)單元,跨越行政邊界實(shí)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(guó)有七大流域,基于“水流”逐步進(jìn)行“升尺度”研究,對(duì)整個(gè)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(nóng)田、森林等實(shí)施保護(hù)修復(fù)。該方法對(duì)我國(guó)的糧食安全、水安全、整體生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義?；谘芯繂卧淖匀?經(jīng)濟(jì)-社會(huì)基本狀況構(gòu)建指標(biāo)體系,建立相應(yīng)的人地耦合模型,發(fā)現(xiàn)能夠促進(jìn)社會(huì)與自然協(xié)調(diào)發(fā)展的保護(hù)修復(fù)模式。

(3)對(duì)保護(hù)修復(fù)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估。權(quán)衡修復(fù)子工程的相關(guān)舉措對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然環(huán)境的影響,如建立自然保護(hù)區(qū)對(duì)生物多樣性的保護(hù)與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的影響,可設(shè)立基于影響性質(zhì)(消極、中性或積極)的評(píng)價(jià)體系,對(duì)工作進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警,及時(shí)調(diào)整不合理的保護(hù)修復(fù)政策,從宏觀角度做到自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

(4)對(duì)保護(hù)修復(fù)成果構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系。如統(tǒng)籌兼顧自然系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、格局、提供的服務(wù)價(jià)值以及社會(huì)系統(tǒng)中社會(huì)發(fā)展指數(shù)、人類活動(dòng)影響指數(shù)等,構(gòu)建評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)體系,對(duì)保護(hù)修復(fù)成果進(jìn)行評(píng)估。同時(shí),將評(píng)價(jià)體系納入當(dāng)?shù)卣目?jī)效考核中,有助于提高保護(hù)修復(fù)工作的可持續(xù)性,保證修復(fù)工作的質(zhì)量。

今后,我國(guó)的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作還需要結(jié)合中國(guó)基本國(guó)情,處理好自然資源利用增加和城鄉(xiāng)生態(tài)保護(hù)問題,化解人類生產(chǎn)活動(dòng)與自然保護(hù)修復(fù)間的矛盾。未來需要重點(diǎn)結(jié)合耦合原理與方法,深入研究山水林田湖草生態(tài)修復(fù)理論、方法、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和模式,最終構(gòu)建一體化保護(hù)修復(fù)理論體系。此外,還應(yīng)開展對(duì)人類活動(dòng)密集區(qū)的城市生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工作,加強(qiáng)自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)理論的指導(dǎo)作用,最終實(shí)現(xiàn)山、水、林、田、湖、草等自然要素與城、村、礦等社會(huì)要素的和諧發(fā)展與有機(jī)統(tǒng)一。