林业科学  2010, Vol. 46 Issue (4): 111-119   PDF    
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程瑞梅, 王晓荣, 肖文发, 郭泉水
Cheng Ruimei, Wang Xiaorong, Xiao Wenfa, Guo Quanshui
消落带研究进展
Advances in Studies on Water-Level-Fluctuation Zone
林业科学, 2010, 46(4): 111-119.
Scientia Silvae Sinicae, 2010, 46(4): 111-119.

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收稿日期:2009-06-04

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程瑞梅
王晓荣
肖文发
郭泉水

消落带研究进展
程瑞梅, 王晓荣, 肖文发, 郭泉水    
国家林业局森林生态环境重点实验室 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 10009
摘要: 结合国内外消落带研究成果,分别对消落带概念、分类、功能进行描述,以及对消落带动态研究进行综述,包括人为活动干扰下所产生的生态环境问题、消落带土地开发利用模式和保护措施、植被恢复与重建等方面,指出现有研究存在的问题和不足。在此基础上对消落带治理的研究前景进行展望,指出消落带研究应注意的方法和重点,对进一步研究水陆交错区域生态治理具有重要的理论意义。
关键词:消落带    河岸带    开发利用    植被恢复与重建    
Advances in Studies on Water-Level-Fluctuation Zone
Cheng Ruimei, Wang Xiaorong, Xiao Wenfa, Guo Quanshui    
Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, State Forestry Administration Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091
Abstract: This paper described concepts, classification, functions of water-level-fluctuation zone and reviewed recent at home and abroad studies on the water-level-fluctuation zone, including the environmental problems brought about by human activities, land exploitation patterns and protection measures, vegetation restoration and reconstruction in the water-level-fluctuation zone. We pointed out the existing problems and deficiencies in the research. On the basis of the review, we proposed further researches on governance of water-level-fluctuation zone, and pointed out the methods and focuses in studying the level-fluctuating zone, which would have important theoretical significance for further researching ecological management of the water-land intersection areas.
Key words: water-level-fluctuation zone    riparian zone    land exploitation and use    vegetation restoration and reconstruction    

消落带(water-level-fluctuation zone)一词随着大型水利工程的兴建越来越引起人类的关注,由于自身的多样性、动态变化、复杂性等特征,使得人类认识此领域存在理论和实际上的困难。消落带处于水陆生态系统的过渡地带,建坝蓄水导致大面积的自然河岸带遭到淹没,周期性水位涨落且人为控制性较强是其显著特点。其实,早期消落带与河岸带(riparian zone)是相通的,结合河岸带进行消落带研究十分必要。

国外对消落带研究较早且较深入,北美(Elmore et al., 2003)、欧洲、澳大利亚、日本(Futoshi et al., 2005)、南非(Holmes et al., 2008)等国家将位于水陆生态系统的交错带,称之为“河岸带”。20世纪70年代,美国在亚利桑那州召开了“河岸栖息地的保护、经营和重要性”学术研讨会(尹澄清,1995),对河岸带生态系统的重要性及基本理论框架进行很好的探讨。进入20世纪80年代以来,经济利益的驱动,大量人为活动使河岸带急剧减少、生物多样性下降、农业非点源性污染加剧、生态环境恶化,人类更多关注如何对退化河岸带生态系统恢复和重建以及合理的人为管理(Lieffers,1984Gregory et al., 2000Nilsson et al., 1991Battaglia et al., 2006),且取得了长足发展。21世纪初,生态利益和经济利益的突出矛盾已使人类认识到,单纯依靠自然植被恢复需要较长时间,而且很难恢复到原有状态,提出生物和工程相结合的措施。2001年11月在日本和新西兰召开了2次关于生态工程的国际会议(Editorical,2005),就河岸带发生机制以及生态服务功能等方面达成一致,提出未来河岸带研究方法和方向。纵观国外研究,主要集中在河岸带生态恢复领域(Whigham,1999)、河岸带缓冲带对氮磷的净化机制研究(Venkatachalam et al., 2005)、湿地岸边植被的恢复与重建(Azza et al., 2006Riis et al,2003Leyer,2005)、河岸带生态系统变化(Lieffers,1984Gregory et al., 1991Nilsson et al., 1991Battaglia et al., 2006Hill et al., 1998Lowrance et al., 2000)、土地利用对河岸带的影响(Futoshi et al., 2005)、河岸带植被演替(Lieffers,1984Gregory et al., 1991Kellogg et al., 2003)、河岸带管理(Holmes et al., 2008)、模拟研究(Lowrance et al., 2000Inamdar et al., 1999),消落带对浮游动植物(Battaglia et al., 2006)、周围植被(Azza et al., 2006Riis et al., 2003Ali,2004Karrenberg et al., 2002)、地下水(Elmore et al., 2003Zacharias et al., 2003)、退化生态系统(黄朝禧等,2005)等方面的影响,并建立了消落带水文变化因子与影响结果之间的模型(Hill et al., 1998)。

国内研究起步相对较晚,称之为“消落带”、“消涨带”、“涨落区”、“消落区”等,目前消落带一词逐渐成为主流。20世纪60年代逐步建立起三门峡水库、丹江口水库、小浪底水库等,人们更多关注消落带经济效益和开发利用,忽略其生态效益和生态环境保护。20世纪90年代,随着三峡大坝的建立,水库水文调度引起库区水位变化形成了库区流域两岸周边的一段特殊生态环境区域,具有明显的环境因子、生态过程和植物群落梯度,对水土流失、养分循环和非点源污染有较强的缓冲和过滤作用(白宝伟等,2005),是生态环境十分脆弱的敏感地带。其研究重点主要为消落带环境问题成因、消落带利用及其影响、土地利用模式(黄朝禧等,2005王炯,2003)、消落带功能(袁辉等,2006a)、管理(王炯,2003)、植被重建与恢复(王勇等,2005)、消落带内被淹没土壤重金属元素分析及模拟(傅杨武,2007)、消落区土壤氮和磷元素释放规律(王里奥等,2006)等。目前,一些研究人员已经从生态学、生理学、水文学、水力学的角度对消落带深入研究,并提出相关理论和治理模式(涂建军等,2002袁辉等,2006aBudelsky et al., 2004),但至今尚未产生成熟的治理经验。所以,消落带治理仍是一个待开拓的领域,也是一个世界性难题,结合国内外消落带研究进展,对进一步加强我国消落带研究具有重要意义。

1 消落带的概念

消落带的数量和种类繁多,功能相对复杂,不同区域不同时段差异性较显著,使其未形成统一的定义。20世纪70年代末,河岸带被认为是陆地上同河水发生作用的植被区域(Whigham,1999)。之后Lowrance等(2000)将河岸带的定义拓展为广义和狭义2种。广义上指靠近河边植物群落(包括组成、植物种类复杂度)及土壤湿度等高低植被明显不同的地带,即受河溪有任何直接影响的植被;狭义上指河水与陆地交界处的两边,直至河水影响消失为止的地带,后来大部分学者主要以狭义概念作为研究基础。

随着人类对这一特殊区域重要性认识的日益深入,消落带越来越受到广泛重视。同时,大型水库建设所形成的水库型消落带对区域生态环境产生巨大影响,国内学者更多关注此类型消落带的研究,产生了一系列水库消落带定义。如刁承泰等(1999)认为是由于季节性水位涨落而使水库周边被淹没土地出露水面的一段特殊区域,是水位反复周期性变化的干湿交替区;黄朝禧等(2005)认为是水库死水位至土地征用线或移民高程之间的接近闭合的环形地貌单元,地处陆地生态系统和水生生态系统之间的过渡带;黄川等(2003)概括为水生生态系统与陆地生态系统的交替控制地带,该地带具有2种生态系统的特征,具有生物多样性、人类活动的频繁性和脆弱性。以上定义都只是定性地进行概括,仅仅考虑受其影响的区域特征和植被特征,具有很大的主观性。然而,消落带是一个完整的生态系统,自身具有独特的空间结构和生态功能,与相邻的水陆生态系统之间均发生有物质和能量的交换,研究应考虑其动态性。

纵观不同学者的研究成果可知,消落带可以是水陆生态系统交错的区域,是一个独立的生态系统(Minshall et al., 2007),具有水域和陆地双重属性,长期或者阶段性的水位涨落导致其反复淹没和出露的带状区域,长期为水分梯度所控制的自然综合体,是一类特殊的季节性湿地生态系统,在维持水陆生态系统动态平衡、维持生物多样性、生态安全、生态服务功能等方面都具有重要作用。

2 消落带的分类

消落带分类是消落带研究的基础,从不同角度和研究方式出发分类,可以更清楚地了解消落带,但消落带研究的目的、方法以及地域性不同等原因,不同的学者在消落带的分类上存在较大差异,也没有形成完整的分类系统。目前,国外对消落带类型划分鲜见报道,而国内多是以消落带形成的原因、地质地貌特征、人类影响的方式及其开发利用的时间段等进行分类。

按形成原因可分为自然消落带和人工消落带(王勇等,2005)。自然消落带是水位季节性变化造成水体岸边土地相应地呈现节律性受淹和出露的区域,一般在丰水期被水淹没,枯水期离水成陆,完全是自然因素影响所形成; 人工消落带则是人为过度干扰使水位出现不定期的涨落波动,导致消落带生态系统结构和功能出现紊乱,形成了一种区别于自然消落带的退化生态类型。

按地质地貌特征分类,主要以遥感、3S技术为依托结合实地野外立地条件调查来划分。如张虹等(2005)依据各类型消落区生态特点,分为库尾消落区、松软堆积缓坡平坝型消落区及硬岩陡坡型消落区;苏维词等(2005)依照不同地段的地形划分为河湾型消落带、开阔阶地型消落带、裸露基岩陡峭型消落带、失稳库岸型消落带;赵纯勇等(2004)利用3S技术进行消落带空间分布、地表物质组成、土地利用现状监测,将消落带划分为峡谷陡坡裸岩型消落区、峡谷陡坡薄层土型消落区、中缓坡坡积土型消落区(河流阶地、平坝型)、城镇河段废弃土地型消落区、支流尾闾型消落区。

按人类影响方式和开发利用的时间段分类。如谢德体等(2007)考虑了人类活动影响情况将消落区类型可以划分为4类:城镇消落区、农村消落区、库中岛屿消落区、受人类活动影响的消落区;谢会兰等(1991)结合消落带被淹区域出露水面的时间不同,划分为常年利用区、季节性利用区和暂时性利用区。

以上类型主要以消落带的地质地貌、水文特征、理化性质、土壤特性和人类影响为基本属性划分,但这样的划分没有真正体现出消落带的功能特征。不同地域和不同尺度消落带具有很大的差异,划分消落带类型应结合研究尺度(区域尺度、景观尺度)、成因(人为或者自然)、时间动态以及消落带发育的动力因素,如水文特征、气候、地貌条件(地貌部位、地质基底条件、地貌外动力条件)和人为活动影响等因素,这些都将对消落带的发育和演化产生重要影响,综合各类生态因子对消落带进行科学的划分是必要的。首先,按消落带成因划分为自然消落带和人工消落带,且以所处生境类型划分为河道堤岸型消落带、湖泊堤岸型消落带、水库岸坡型消落带等;然后结合不同的气候因素、水文地质地貌,比如气候带、水流、坡度、海拔、土壤等划分;最后以消落带演替发育的各种动力因子包括物理的、化学的、生物的进行划分,可以将其作为一个变化的生态整体,充分考虑其结构、组成和功能特性。正确的消落带分类有助于从根本上认识消落带,对消落带治理以及模型的建立具有重大作用,使得消落带的演化、功能变化进行动态的、定性的和定量的研究成为可能。

3 消落带研究动态 3.1 消落带的功能研究

消落带作为陆地生态系统和水域生态系统之间的过渡区域,是周围泥沙、有机物、化肥和农药等进入水域的最后一道生态屏障,也是水体循环调节的缓冲带,对水陆生态系统的物流、能流、信息流、生物流起着廊道、过滤器、屏障等作用,在提高水陆生态系统生产力以及维持区域生态系统动态平衡等方面,具有巨大的生态服务功能价值。目前,国内外许多研究人员(Futoshi et al., 2005Editorical,2005Rebecca et al., 2009)对消落带的生态功能研究得比较广泛,可以概括为廊道功能、缓冲功能、护岸功能,但主要强调消落带的生态功能,往往忽视消落带所具有的经济功能和社会功能,这对合理评价消落带功能将会产生很大影响。

3.1.1 消落带的生态功能

消落带具有各种各样的生态和环境服务功能(张建春,2001Hale et al., 2007), 包括水文功能、生物地球化学循环功能、生态功能3个方面。水文功能体现在蓄水、调节径流、缓减水流和风浪的侵蚀、沉积物截留与转移,对减少水土流失、养分循环和非点源性污染有着缓冲和过滤的作用;生物地球化学循环功能主要表现在整个生态系统中化学物质的相互储存和转移,包括物理过程、化学过程、生物过程,起到源和库的功能,对于维持与相邻水陆生态系统的交流起着不可替代的作用;生态功能指消落带作为一种生态系统,可以为许多动植物以及微生物提供多样的繁殖、生长、隐蔽的生存环境,维持生物多样性并且在调节区域气候、缓减生态环境压力变化等方面具有重要功能。

3.1.2 消落带的经济功能

消落带支持着水陆生态系统,具有两者大部分特征,所以,从经济上具体评价消落带的价值(刘宗群,1993)相对困难。丰富的生物、土地以及景观观赏资源将会为人类提供诸如药用植物、轻工业原料、各种渔业副产品等。另外,随着季节性水位的升降规律,合理的开发利用消落带,包括种植、养殖、水产等,可以为经济活动提供帮助,同时既解决消落带出现所导致的突出的人地矛盾,也对地方经济发展具有很大作用。

3.1.3 消落带的社会功能

消落带具有自然观光、旅游、娱乐等方面的功能和巨大的景观价值(Walmsley,2006), 由于其具有线性的自然结构,可以充分将自然资源与景观设计相结合,提高景观视觉效果。同时,不仅在美化环境和调节气候方面具有重要的社会功能,而且特殊的生态特性、多样的动植物群落和濒危物种等将为教育和科研工作提供很大的资源,特别是为两栖动植物的研究提供广阔的场所,可为人类了解动植物保护和利用提供更多的实践经验。

3.2 消落带的生态环境问题

各种大型水库与堤坝的修筑一方面解决了人类对电力、水力等资源的需求问题,但也对当地的生态环境造成一定的破坏。据研究,在流域上修筑大坝后,通过不连续和不稳定的方式控制自然水流的运动将对流域生态产生破坏(刘宗群,1993),不仅改变了原有河流流量模式和水动力条件,而且水库长期蓄水和非季节性泄流导致消落带生态系统生产力下降,使其结构和功能失稳退化(Goodwid et al., 1997)。伴随着人口增长、工业进步和社会发展,河流流域受到过度开发利用,水库消落带的生态问题已经相当严重(苏维词,2004),呈现出一定的脆弱性、边缘性与过渡性,容易发生水土流失、泥沙淤积加重、土壤受水陆交叉污染、生境退化、生态系统多样性减少、物种组成与数量贫乏、湿地化与湿地退化等生态系统退化状况,并且各种生态环境问题表现出隐蔽性、潜伏性、传递性、长期性、积累性(谢德体等,2007)。

3.2.1 消落带水位涨落容易产生水土流失和地质灾害

反复周期性的裸露和浸泡以及水位涨落冲刷和淤积,使消落带的地形、土壤和水分状况会发生一系列的变化(Battaglia et al., 2006)。同时,人类频繁活动加剧消落带的脆弱程度,会引发严重的环境危害。人为破坏地表植被甚至清除,导致表层土质疏松、植被覆盖率低、土壤稳定性较差、地表径流增加。另外,土体在水中长时间的侵蚀、剥离、冲刷等作用下,引起大量土壤流失,且在下游发生淤积。据研究表明,每年仅三峡库区水土流失的泥沙量就有1.4亿t(宫平等,2005)。

另外,消落带岸边长期浸泡和水浪不断冲刷,导致岸坡稳定性下降,加速滑波进程。而消落带水位周期性涨落更是推动了滑坡、崩塌和泥石流等自然灾害的频繁发生,原因是水位的涨落使得许多岩体经常处于干湿交替状态,岩体的整体稳定性降低,地质灾害会变得愈加活跃,形成不稳定和脆弱的生态系统。

3.2.2 水位周期性涨落使消落带容易成为各种病源的滋生地

消落带作为生态系统中物质、能量传输和转化的活跃地带,受到来自水陆2个界面的交叉污染(苏维词,2004苏维词等,2003)。当低水位运行时,库周边土壤侵蚀产生的泥沙及其携带的化肥、农药残留物、岸边污染带、库区两岸城乡排放的垃圾及废水,以及消落带土地季节性利用产生的面源污染物都将会在此淤积沉淀; 当高水位运行时,水流变为缓流、滞流,水体自净化能力和稀释能力降低,更多污染物存留在此,这样年复一年积累使得消落带的污染情况越来越严重,并且2种环境都易滋生各种相关的病原体、致病菌,容易发生流行性疫情(苏维词,2004)。在国外水库调查发现(宫平等,2005),巴西的伊泰普水库爆发过大疟疾,尼罗河阿斯旺水库因蚊螺大量繁衍,致使大面积爆发血性疾病。而三峡水库消落带作为最大的人工消落带,居住人口数量较大,气候高温湿润,反季节的水位调度运行,更容易成为各种疾病的滋生地。

3.2.3 消落带水流变化会污染水质和土质

消落带内水质和土质的变化与消落带的规模、水文特征、地理状况等因素有着很重要的关系。众所周知,消落带处于水陆交错带,通过调节两者之间生物和非生物过程,进而影响水陆生态系统内营养元素的含量及时空分布。

许多学者通过试验模拟水土元素含量变化趋势、水中动植物体群体变化、水体富营养化特征等来研究消落带水位涨落对水质的影响,比如,杨钢(2004)发现水浸泡使得土壤中的污染物溶出很明显。Geralds等(2005)通过分析浮游动植物研究季节性水位涨落对水质的影响,发现水位最低时,水中的全磷、可溶性磷和硝酸盐等含量均是最大,中低水位时,浮游植物处于半富营养化状态,浮游动物生态系统也受损。许川等(2005)对三峡消落带分析发现,水位涨落期间,消落带水流变缓,同时总磷、总氮等营养盐相对比较充足和适宜的温度条件,认为该区域完全符合水体富营养化的条件,进一步加剧水质的恶化。从以上的研究结果发现,消落带水位的涨落势必会污染水质。

另外,水位的涨落还会改变消落带内部土壤物理和化学特征,使土壤营养成分发生极大变化,从而改变土壤质量。包括释放和富集2种形式,营养释放伴随着土壤侵蚀、剥落以及水浸湿等过程被浸出。而土壤养分富集,则是库水中营养物质通过土壤的机械吸收、阻留、胶体的吸附、沉淀、生物吸收等过程不断在土壤中富集,进而对土壤的物理、化学以及生物性能产生影响(范小华等,2006)。王里奥等(2006)等模拟研究了三峡消落带土壤氮磷释放规律,发现干湿交替对土壤吸附氨氮和磷酸盐有较明显的影响,但在淹水条件下,土壤吸附的氮磷越多,氮磷释放的强度也越大。但是,Vanek(1991)在研究土壤吸附P元素时发现,土壤吸收和植物转移是一个相对的水平,相对变化为0.1到236之间。同时,大量的重金属元素进入土壤,会对动植物造成毒害作用,从而影响土壤和植被相互联系(傅杨武,2007)。

3.2.4 消落带内生物多样性受到严重破坏

消落带独特的自然环境,具有丰富的生物多样性,人为改变水文变化规律、自然流量以及生态系统发展的原动力,打乱了自然生态系统的发展规律,使消落带结构和功能都发生变化。许多原为陆生生态系统的区域转变为湿地生态系统,水位变化、频率、干湿交替的时间等都会对消落带植被组成和丰富度产生重要影响,尤其水位变化将是对植被影响最大的因素。大幅度水位涨落使原有物种因不适应新环境难以继续存活或者迁移,造成消落带内植被稀少,生态系统的结构和功能简单化。Riis等(2003)在新西兰Wanaks湖的研究表明,水位变化可解释86%的植被覆盖率的变化。Leyer(2005)比较了德国Elbe河的原有消落带与新形成的消落带,得出多数植物种随水位变化显著,呈逻辑斯谛衰退。

大量研究表明,水分环境的改变促使物种生活型方面发生改变,出现以1年生和2年生植物比例较高(Nilsson et al., 1991)、多年生植物较低的情况。如王勇等(2004)对三峡库区消落带植物群落研究发现,消落带内以草本植物为主,其余灌木类型具有矮化的趋势,无乔木群落,并且具有地方特有成分缺乏、群落组成简单、草本植被和灌木构成总体外貌的特征,这也说明周期性水淹和剧烈的江水冲击不利于高大植物生长(刘旭, 2008)。另外,大幅度水位变化导致消落带生态系统功能减弱,使得原有植被有被外来入侵物种替代的可能(Holmes et al., 2008),这对消落带生态系统的稳定是十分有害的。如Magee等(2005)在美国西北太平洋沿岸研究发现,消落带地区水位变化超过10 cm或方差变化2 cm,就会推动以乡土种为主的原有植被群向由外来种组成的植被群转化。

3.3 消落带的开发利用及其保护

在国际上,许多发达国家水库大都建立在人口稀少、经济较发达、人地矛盾不突出的地区,而国内的水库基本都处于人口密集地,导致人地矛盾相对较突出,且大部分水库消落带已经被开发利用。国内外多以农业利用和城镇化为主要的利用方式,导致消落带土地质量和数量急剧减少,生态环境遭受严重破坏,使其土地具有局部可利用性、随机风险性、滞后性、效益上的有限性和环境后效性等特点(刘斌等,2000)。近年来,由于人为活动以及土地利用带来了各种不利因素,许多研究都集中于生态恢复潜力、复原退化消落带的生态景观等方面,很少见关于消落带保护措施的研究(Tseira et al., 2008)。

国外对消落带土地开发利用产生的问题以及规划积累一定的经验,认为不合理的人为开发消落带会产生严重的生态后果,如土地质量降低、生态系统抗干扰能力变弱。各种各样的矛盾致使农业利用的潜在使用价值正在逐渐较少,如农业发展和城镇化已经导致河漫滩消落带快速的消失(Futoshi et al., 2005)。据AIllinois Energy Professionals Association(ILEP)对密西西比河调查发现,土地利用使得72%的非有机氮流失、56%的磷流失、57%的沉积物流失; 同时,针对以上环境问题产生了一些土地规划的政策性措施,包括“best management practices”(BMPS)提出土地利用应在流域尺度上减轻城市发展的影响(Vivek et al., 2009);“common agricultural policy”(CAP)指出尽量整合环境,既要考虑农业管理也要保护环境和农业区域;“agri-environmental measures”(AEMS)认为尽量减少农业耕作、控制侵蚀、进行有机农业耕作、保护景观功能元素(Eva et al., 2009);Deanna(2007)认为要优先进行消落带合理的保护和管理,然后考虑如何利用。首先,保护消落带生态系统要优先确定保护的区域、保护小环境、自然水文状况以及水流系统的连续性;其次,考虑整个景观的生态过程和物种集合,以及平衡人为管理中的冲突等。

国内各地水库消落带成陆地的持续时间不同,各地区内的气候、地貌、土质条件复杂,所以没有形成统一的利用途径和模式。主要利用方式是根据水库消落区多年调度运行、水位变化规律、当地农事活动等因素,将水库消落带按不同出露时间段和不同高程段,选择适合当地的经济作物进行种植,而且利用方式上存在季节性、周期性、风险性和区段性的特点(王炯,2003蔡书良等,2002)。

完善且成熟的利用模式,对解决消落带突出的人地矛盾是十分有益的。我国许多学者根据所研究流域的实际情况提出许多有价值的利用方式。涂建军等(2002)提出工程防护模式、季节性农耕模式、生物工程模式和水产养殖模式;袁辉等(2006a)提出消落带直接利用模式、湿地生态保护区模式、生态试验示范区建设模式和消落带护理建设模式。主要针对消落带利用的特殊性、生态环境影响的敏感性,综合水文要素、气候因素、地形特征、对土壤及生态的影响,坚持科学开发利用原则、生态学原则、因地因时制宜原则和综合性原则进行开发利用和保护。同时,消落带的土地资源利用存在很大的风险,如果利用不当会加剧消落带生态系统的恶化进程。因此,有的研究人员从农业利用出发,进行消落带土地利用的工程措施评价和研究,来探讨消落带利用风险和如何保持其健康等等,包括三大类指标:消落带生态特征指标(内部环境指标)、功能整合性指标和外部环境指标,三大类指标内又分别划分出各自的具有可操作性的亚指标(袁辉等,2006b)。

综上所述,不同的土地利用形式对消落带造成的影响程度不同,土地利用和土地覆盖条件一般是机械式的影响,对生境结构、化学元素、水陆生态系统的生物交互作用会产生持续的影响结果,而这些变化又与更多管理活动相联系,所以,减少人类城镇化发展和农业利用对整个生态安全的影响是非常必要的(Vivek et al., 2009)。如何在保证生态系统可持续发展的前提下,既不损害消落带生态系统的结构和功能,又能获得最大的价值,是消落带保护和利用方面面临的巨大挑战。

3.4 消落带的植被恢复和重建研究

消落带植被作为生态系统功能的主体(Azza et al., 2006),其价值一直受到国内外学者的关注(Deanna et al., 2007)。如何减缓和阻止消落带自然植被的退化和萎缩,恢复和重建受损的消落带生态系统成为目前讨论的热点,也是国内外学者主要关注的方向。

消落带特征和生态过程都是受水位涨落过程、区域气候、地质构造、生物与非生物过程等共同决定的,且与局部地形、地貌、土壤、水文、干扰等密切相关(王勇等,2005),但最主要的还是水位大幅涨落所带来的影响(Hill et al., 1998Riis et al., 2003Battaglia et al., 2006)。季节性水位的涨落带导致区域内光照、压力、氧含量等环境因素改变,对植物的光合作用、呼吸作用、生长繁育、繁殖及物候产生巨大的制约作用,进而引起原有植被的分布(Lieffers,1984Urbanc-Bercic et al., 2004)、物种组成、丰富度、覆盖度与生态功能等一系列的变化。Gregory等(1991)研究发现消落带植被多数呈斑块状分布,植物种数由河岸向两侧高地,总体上呈抛物线状分布,形成一个演替系列。同时,植被与当地的地质年龄、水位降低的相关程度大于泛滥时间的长短,年轻的水体周围植被主要是耐旱植物,而年龄较长的水体周边植被主要由对干燥较为敏感的植物组成,在水位几乎无变化的区域,植被物种丰富度低,易受外来种入侵(Van et al., 2005刘旭,2008)。所以,恢复过程必须要考虑消落带植被长远作用及现处的环境条件,这样才会更有益于植被建设。

人为设计水位高度将在一定程度上改变流域环境特征,Seabloom等(2001)认为植被重建的限制条件在低水位时期对重建的意义最为重大,并且随着水位深度的变化而变化,同时还指出低水位阶段稳定的环境条件比较重要;Sliva等(1999)指出水分和种源是短时间内恢复植被的最重要条件,即使水分充足,但传播体的匮乏、营养贫瘠和小气候环境的恶劣,大规模自发性植被恢复也存在一定难度,其主张通过种植与播种等人为管理措施来恢复和重建植被。另外,由于人为改造和破碎化等原因,一般应用自然恢复消落带的植被组成、结构和功能是不现实的(Holmes et al., 2008),因为自然恢复时间成为关键,对迅速建立消落带植被基本功能,改善退化现状是不可取的。

植被重建和恢复的基本要求是通过适应性植被结构来恢复消落带生态系统的基本生态功能,组成上没有外来物种,在应对水位反复涨落周期、耐淹时间、水位变化频率、人为干扰和外来物种入侵上要具有弹性。就目前研究状况来看,应用乡土物种选择适生性两栖植物进行种植模式的配置,且要保证消落带的基本生态功能运行良好,将生物、生态、工程相结合是推动植被恢复的常用手段。国内外已经提出了许多恢复策略,并且也取得一定的成果。国内如张建春等(2003)等对安徽潜水退化河岸带采用先锋物种引入技术和生物工程措施, 设计了元竹(Phyllostachys glauca)-枫杨(Pterocarya stenopt)-苔草(Carex)模式和意杨(Populus earamevicana)-紫穗槐(Amorpha fructicosa)-河柳(Salix)-苔草2种河岸带植物群落结构优化配置模式,恢复后的河岸带生态系统生物多样性和稳定性增加,土壤结构和养分条件得到改善。国外如Ashley等(2003)在澳大利亚应用特定方法进行植被重建,调查残存植被并且考虑了洪水干扰、植被配置、植被演替、种植密度、种植技术、乡土植被更新以及合适的生态系统管理。还有许多广泛应用柳属植物作为植被重建的物种成功的生态工程(Pezeshki et al., 2007),且发现植被恢复与重建需要了解植物、水文变化、地形地貌之间的关系,同时,环境因子比如水分、土壤、质地已经被证明是决定植物生存的关键因素,过分潮湿和干燥都会对消落带植物生长形成压力。短期来看,海拔梯度、水分梯度、土壤质地对植被重建很重要,但是长远来看,还要依靠河流稳定性、外来物种竞争等因素(Schaff et al., 2003)。

由此可知,消落带植被恢复并不是简单的植被种植,考虑其特有的生境条件和各种干扰类型、频率、持续时间和严重程度等,通过综合评价消落带所具有的结构、功能以及潜力,选择适合的尺度。同时,保证消落带的整体性、连续性、稳定性,将自然恢复和人工恢复手段相结合,在充分保护原有植被的同时,对消落带所具备的条件和特征进行优化处理,使其结构和功能相匹配,从而建立一种人与自然和谐共处且具有强大生态服务功能的生态实体。

4 问题与展望 4.1 问题

消落带具有土地利用的特殊性和生态环境影响较为敏感的生态系统,其良好的演替发展不仅可以提供经济效益,而且在维持区域生态平衡、保持良好的生态环境等方面发挥强大的生态服务功能。但是,一旦消落带生态系统陷入恶性发展,将产生破坏性的影响。纵观国内外研究,不仅从内在作用机制研究消落带的功能和作用,而且也从外在表观方面来揭示消落带各种因素的变化特征,对消落带的管理和开发利用、生态系统重建等起到指导作用。但同时也存在一些不足,主要包括以下3个方面:首先,目前关于消落带的研究,主要集中在消落带自然特征和社会属性以及功能特征进行描述,但内在因素的作用机制研究不足;其次,虽然学者们开始注重多学科交叉并应用先进的仪器和设备,但在大尺度上关于消落带的整体性、连续性方面研究仍然不足。此外,许多研究缺乏对消落带自身的承载能力和成果推广性研究。最后,现有大部分研究都属静态研究,如消落带某个阶段和某一层次的研究,缺乏对消落带长期动态的监测,难以揭示消落带的自然发展规律,对根本上认识消落带的发展和演替具有阻滞作用。

4.2 展望

在全球消落带生态环境问题严重的大前提下,应用多学科多领域交叉的方法,充分考虑自然和人类活动的影响将成为消落带研究的主流。在研究方向上,多从景观和流域尺度分析自然和人为活动对消落带生态过程、复杂性以及整体性的影响,进行综合治理和管理。在研究内容上,加强消落带与周围环境连接性研究,如:水陆生态系统的生物因素和非生物因素共同作用消落带水位特征变化、植被演替趋势、生态环境变化等,并加强各因素之间作用机制的研究。研究方法上,定量分析和模拟消落带的响应机制,探讨退化消落带生态系统的原因和机制,运用生态工程的技术方法进行消落带植被恢复与重建,使其结构和功能尽快恢复到原有或者更高水平。另外,应用遥感和3S技术、计算机模拟等数字化手段对消落带地形、水文特征、植被特征、人为活动等进行实时监控,结合野外观察和采样,综合评价消落带的各种环境问题、结构和功能的变化,建立和运用模型来确立适当的评价指标和体系。此外,不同地区不同流域消落带的差异性较大,国内消落带研究在借鉴国外研究理论和经验的同时,结合自身实际进行试验研究,充分发挥消落带的各种功能,科学合理地进行保护与开发,建立可持续发展的消落带生态系统。

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