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注:本文為刪減版,不可直接引用。原中英文全文刊發(fā)于《景觀設(shè)計(jì)學(xué)》(Landscape Architecture Frontiers)2021年第3期“大河流域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)”???。獲取全文免費(fèi)下載鏈接請(qǐng)點(diǎn)擊此處。
河岸帶是河流與景觀環(huán)境耦合的核心部位。然而,水壩和水庫的建設(shè)使得多數(shù)河段河岸界面變成河/庫交替的界面,由此對(duì)流域水文及水環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。本文在探討界面生態(tài)特征的基礎(chǔ)上,提出了河/庫岸帶界面生態(tài)設(shè)計(jì)策略及基本技術(shù)框架,并以重慶市三峽庫區(qū)澎溪河流域?yàn)槔接懥怂蛔儎?dòng)下河/庫岸生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。生態(tài)績(jī)效分析結(jié)果表明,修復(fù)后的烏楊壩河/庫岸界面實(shí)現(xiàn)了界面生態(tài)修復(fù)與濱水空間景觀建設(shè)和優(yōu)化協(xié)同共生。該項(xiàng)目是河/庫岸帶界面生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)設(shè)計(jì)和實(shí)踐的創(chuàng)新探索,其設(shè)計(jì)策略可應(yīng)用于受水位調(diào)節(jié)影響的河/庫岸帶生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)。
袁興中
重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師;重慶大學(xué)三峽庫區(qū)消落區(qū)生態(tài)修復(fù)與治理研究中心主任
向羚豐
重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院風(fēng)景園林專業(yè)碩士研究生
扈玉興
重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院風(fēng)景園林專業(yè)碩士研究生
程威
重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院風(fēng)景園林專業(yè)碩士研究生
黃亞洲
重慶市開州區(qū)自然保護(hù)地管理中心副主任,高級(jí)工程師
熊森
重慶市開州區(qū)自然保護(hù)地管理中心主任,教授級(jí)高工
袁嘉
重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院副教授,博士生導(dǎo)師;三峽庫區(qū)消落區(qū)生態(tài)修復(fù)與治理研究中心骨干研究人員
王芳
重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院生態(tài)學(xué)專業(yè)博士生
“界面”(Interface)概念源于物理學(xué),是指物質(zhì)相與相的分界面[1]。20世紀(jì)六七十年代,物理學(xué)家與生態(tài)學(xué)家、生理學(xué)家合作提出了生物與環(huán)境間“界面”的概念[2]~[4]。1993年,王信理等人揭示了生態(tài)邊界層的結(jié)構(gòu)特征和變化規(guī)律[5]。
然而,目前鮮有對(duì)于陸地與河湖水體之間的水陸生態(tài)界面的研究。河岸帶是集水區(qū)陸域與河流水體間的界面,在河流生態(tài)系統(tǒng)健康維持中發(fā)揮著重要的生態(tài)服務(wù)功能[6]。既有研究對(duì)河岸帶作為水陸界面的生態(tài)特征及功能關(guān)注較少,尤其對(duì)筑壩蓄水影響下天然河岸成為河/庫岸帶交替生態(tài)界面(下文簡(jiǎn)稱“河/庫岸帶界面”)后的變化、修復(fù)技術(shù)及調(diào)控機(jī)理的研究很少。本文在探討河岸帶界面概念、界面生態(tài)特征的基礎(chǔ)上,提出了河/庫岸帶界面生態(tài)設(shè)計(jì)策略及基本技術(shù)框架,并以重慶市開州區(qū)三峽庫區(qū)澎溪河流域水位漲落的河/庫岸帶界面(消落帶界面)為例,探討了河/庫岸帶界面生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)設(shè)計(jì)實(shí)踐,以期為相關(guān)流域界面生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究與實(shí)踐提供參考。
河岸帶是聯(lián)系陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的重要界面,環(huán)境脅迫最易富集,河流自然調(diào)節(jié)也最為活躍,故而也是河流與景觀環(huán)境耦合的核心部位。
物理特征
河岸帶界面的物理特征可概括為界面寬度、界面底質(zhì)、界面坡度、界面地形起伏度等方面。河流級(jí)別越高,河岸帶界面寬度越大。界面底質(zhì)可為動(dòng)物提供不同性質(zhì)的活動(dòng)基底。河岸帶界面坡度與河岸穩(wěn)定性相關(guān)。河岸帶地形起伏度與生境類型的多樣性密切相關(guān)。
生態(tài)特征
河岸帶具有明顯的四維結(jié)構(gòu)特征,即縱向(上游-下游)、橫向(河道-河岸帶-河岸高地)、垂向(河岸土壤-地下水)和時(shí)間(隨時(shí)間而變化的河岸形態(tài)及河岸生物群落演替)4個(gè)維度。
生態(tài)功能
河岸帶界面為河流提供遮蔭、維持邊岸穩(wěn)定性、過濾并凈化地表徑流、提供生物生境等生態(tài)功能[7]。
生態(tài)過程
河岸帶界面生態(tài)功能與界面生態(tài)過程關(guān)聯(lián)密切。河岸帶界面生態(tài)過程指營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、水文過程及其相互關(guān)系,具體包括跨越界面的地表水文流、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流和物種流等。
由于河流梯級(jí)水壩建設(shè)及水庫運(yùn)行的人為調(diào)節(jié)方式,河/庫岸帶界面特征已發(fā)生明顯變化。大多數(shù)河流水庫基于發(fā)電及防洪需要,在自然汛期后進(jìn)行反季節(jié)水位調(diào)節(jié)。這種水位調(diào)節(jié)對(duì)流域水文過程及水環(huán)境,以及流域整體生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。因此,需要針對(duì)受到人工調(diào)節(jié)影響的河/庫岸帶界面的具體水位變化進(jìn)行綜合修復(fù)設(shè)計(jì)。
針對(duì)受反季節(jié)水位調(diào)節(jié)影響的河/庫岸帶界面的生態(tài)特征變化,以及相關(guān)生態(tài)功能衰退問題,本文創(chuàng)新性地提出適用于河/庫岸帶界面生態(tài)設(shè)計(jì)的“NMSRMC策略”。
1)N—基于自然的解決方案(nature-based solutions):通過保護(hù)、管理和修復(fù)自然生態(tài)系統(tǒng),以應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的挑戰(zhàn)。
2)M—多功能設(shè)計(jì)(multi-function design):針對(duì)河/庫岸帶界面生態(tài)功能衰退狀況,強(qiáng)調(diào)界面過濾、攔截、屏障、生物生境等多功能設(shè)計(jì)。
3)S—自然的自我設(shè)計(jì)(self-design of nature):重視自然動(dòng)力過程為推動(dòng)力的河/庫岸帶界面的自我設(shè)計(jì)能力。
4)R—再野化設(shè)計(jì)(rewilding design):通過生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)重塑自然過程。
5)M—多維空間設(shè)計(jì)(multi-dimensional spatial design):遵循生態(tài)梯度變化,重建多空間維度、多景觀層次、多生態(tài)序列的河/庫岸帶景觀。
6)C—協(xié)同共生設(shè)計(jì)(collaborative design):遵循協(xié)同共生原則,使界面內(nèi)所有要素形成相對(duì)穩(wěn)定的協(xié)同共生系統(tǒng)。
遵循界面生態(tài)設(shè)計(jì)策略,以要素-結(jié)構(gòu)-功能-過程為邏輯思路,提出河/庫岸帶界面生態(tài)設(shè)計(jì)的基本技術(shù)框架。該框架強(qiáng)調(diào)環(huán)境要素與生物要素之間的協(xié)同共生,維持河/庫岸帶界面的生態(tài)健康。
河/庫岸帶界面生態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)框架 ? 袁興中,向羚豐,扈玉興,黃亞洲,熊森,袁嘉,王芳
重慶市澎溪河受三峽水庫蓄水影響顯著。研究區(qū)域?yàn)鯒顗魏影稁^(qū)域位于南河與東河匯合口的下游,是典型的河-庫交替區(qū)域,具有季節(jié)性水位變動(dòng):三峽水庫蓄水后,每年汛后10月份,澎溪河水位逐步升高至175m,并維持到一月初;其后隨著三峽水庫放水,水位逐步下降,五月末降至最低水位145m。
研究區(qū)域地理位置 ? 袁興中,向羚豐,扈玉興,黃亞洲,熊森,袁嘉,王芳
受三峽水庫蓄水影響,原145m高程以下的河岸帶被淹沒;由于水位周期性漲落,植物種類單一、群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;因城市建設(shè)及防洪護(hù)岸需要,175~185m高程已建成完全硬化的護(hù)坡。
三峽水庫蓄水前烏楊壩河岸狀況(攝于2010年) ? 袁興中
地形設(shè)計(jì)
烏楊壩河/庫岸帶175m高程是一個(gè)坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn),175m以下是季節(jié)性水位波動(dòng)區(qū),175~185m區(qū)域是坡度約為40°的護(hù)坡。本研究在維持原有蜿蜒岸線的基礎(chǔ)上,進(jìn)行河/庫岸帶界面復(fù)合地形格局設(shè)計(jì):
1)145~165m高程帶保留原微地貌形態(tài),保留采掘坑,形成高水位時(shí)期水下豐富的地形結(jié)構(gòu);不進(jìn)行植物種植,以自然恢復(fù)的草本植物為主。
2)173m高程處有一處因人工挖掘破壞形成的較陡邊坡,將165~173m高程帶設(shè)計(jì)為坡率1:3的緩平岸帶,同時(shí)保持岸坡表面的微地形起伏。
3)173~175m高程帶根據(jù)季節(jié)性水位變化,結(jié)合動(dòng)物的生境需求,設(shè)計(jì)寬5m的線性凹道,以及洼地、淺塘等水文地貌結(jié)構(gòu)。
4)通過破除硬質(zhì)化護(hù)坡,在175~185m高程護(hù)坡上設(shè)計(jì)起伏的微地貌結(jié)構(gòu),形成喬-灌-草相結(jié)合的多層群落結(jié)構(gòu)。
烏楊壩河/庫岸帶界面復(fù)合地形格局設(shè)計(jì) ? 袁興中,向羚豐,扈玉興,黃亞洲,熊森,袁嘉,王芳
底質(zhì)設(shè)計(jì)
除了河/庫岸帶界面穩(wěn)定性外,還應(yīng)綜合考慮通過不同高程、不同類型底質(zhì)設(shè)計(jì),增加基底環(huán)境異質(zhì)性,并與生物群落有機(jī)結(jié)合,形成適應(yīng)水位變化的河/庫岸帶界面基底結(jié)構(gòu)。
1)145~165m高程帶保留原有砂石、黏土交混的底質(zhì),以利于植物群落的自然恢復(fù)和水生無脊椎動(dòng)物生存。
2)165~173m高程帶內(nèi)的平緩岸緣采用塊石拋石護(hù)岸,形成多孔隙水岸,為魚類及蝦蟹類水生無脊椎動(dòng)物提供棲居空間;其余區(qū)域選取砂卵石(或碎石土)分層碾壓回填,其上鋪設(shè)壤土,為灌叢和草本植物的恢復(fù)提供條件。
3)173~175m高程帶選取砂卵石分層碾壓回填,再鋪設(shè)壤土,為林澤帶的種植提供生長(zhǎng)基底;線性凹道兩側(cè)均用大塊石拋石護(hù)岸,形成多孔隙水岸。
4)175~185m高程帶破除硬質(zhì)護(hù)坡后,回填夯實(shí)后鋪設(shè)壤土,為喬-灌-草復(fù)層混交植物群落提供著生基底。
與水文變化相適應(yīng)的種植設(shè)計(jì)
將高程與水文節(jié)律及水位波動(dòng)相結(jié)合,保證烏楊壩河/庫岸帶界面生態(tài)設(shè)計(jì)在縱向上不阻擋水文流,同時(shí)通過凹道設(shè)計(jì)保證橫向上多流路水文形態(tài)的存在。
1)145~165m高程帶植物以自然恢復(fù)為主;
2)165~173m高程帶稀疏種植耐水淹灌木、自然恢復(fù)草本植物;
3)173~175m高程帶種植混交林澤,林澤帶內(nèi)設(shè)計(jì)林窗、凹道、洼地、淺塘等水文地貌結(jié)構(gòu),后期依靠自然傳播在林下形成高草草本群落;
4)在175~176m高程帶稀疏種植芭茅,在175~185m高程帶的前緣形成緩沖帶,同時(shí)也有助于豐富植物群落層次結(jié)構(gòu)。
5)176~185m高程帶設(shè)計(jì)喬-灌-草復(fù)層混交植物群落。
生物要素設(shè)計(jì)
本研究提出了地形-底質(zhì)-生物協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)和植物-昆蟲-鳥類協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于運(yùn)用耐受季節(jié)性水淹的植物物種,建立優(yōu)良的植物群落結(jié)構(gòu);再通過不同高程的生境設(shè)計(jì)吸引動(dòng)物,從而豐富河/庫岸帶界面的生物多樣性。
烏楊壩河/庫岸帶界面植物—昆蟲—鳥類協(xié)同設(shè)計(jì)模式 ? 袁興中,向羚豐,扈玉興,黃亞洲,熊森,袁嘉,王芳
植物篩選是河/庫岸帶界面生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵。165~173m高程帶稀疏種植耐水淹的灌木,173~175m高程帶種植耐水淹的喬木并稀疏種植耐水淹灌木,草本植物依靠自然恢復(fù),由此形成冬季淹沒水中、夏季出露的喬-灌-草復(fù)層混交林澤帶。
烏楊壩河/庫岸帶界面不同水位時(shí)期的植物群落模式圖 ? 袁興中,向羚豐,扈玉興,黃亞洲,熊森,袁嘉,王芳
在不同高程、水位、地形復(fù)合格局中,植物、昆蟲、鳥類也形成協(xié)同共生關(guān)系,構(gòu)建起穩(wěn)定的河岸界面生命系統(tǒng),從而提高了河/庫岸帶界面的生物多樣性。
研究區(qū)域長(zhǎng)約2km,根據(jù)高程、地形、底質(zhì)特征和水位變動(dòng),將植物群落設(shè)計(jì)為多帶多功能緩沖系統(tǒng)。在各高程帶內(nèi),為不同種類的動(dòng)物提供棲息環(huán)境;對(duì)各斷面植被帶寬度做出適應(yīng)性調(diào)整,形成植物群落的水平鑲嵌結(jié)構(gòu);采取多種類植物交錯(cuò)鑲嵌生長(zhǎng)的種植策略,形成擬自然植物群落的多層垂直分布格局。
本研究重點(diǎn)針對(duì)烏楊壩河/庫岸帶的主導(dǎo)生態(tài)功能及生態(tài)過程進(jìn)行設(shè)計(jì),主要包括污染凈化及雨洪控制、河/庫岸帶界面穩(wěn)定及土壤保持、生物多樣性提升和景觀優(yōu)化。
研究區(qū)域在基本沒有人工管理措施的情況下,完全經(jīng)由自然的自我設(shè)計(jì)和調(diào)控,目前正在經(jīng)歷一個(gè)明顯的再野化過程,河/庫岸帶界面生態(tài)系統(tǒng)正在發(fā)揮著良好的生態(tài)效益。
烏楊壩河/庫岸帶界面多帶多功能緩沖系統(tǒng)(2017年7月拍攝) ? 袁興中
烏楊壩河/庫岸帶界面生態(tài)系統(tǒng)在經(jīng)歷再野化過程(2017年7月拍攝) ? 袁興中
研究區(qū)域種植的耐水淹喬、灌木歷經(jīng)多年季節(jié)性水位變動(dòng),存活狀況良好,群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,生物多樣性提升明顯。
不同水位時(shí)期烏楊壩河/庫岸景觀(上圖攝于2018年11月,下圖攝于2020年7月) ? 袁興中
地形-底質(zhì)-植物-動(dòng)物的協(xié)同修復(fù)產(chǎn)生了明顯效果,不同生境結(jié)構(gòu)單元及立體生境空間的形成,為涉禽、游禽、鳴禽等不同生態(tài)位的鳥類營(yíng)造了棲息、覓食乃至繁殖的生境,形成了從水到陸沿生境梯度的植物-鳥類復(fù)合格局,提高了鳥類多樣性。
無論是喬木、灌木,還是草本植物,經(jīng)過7年冬季水淹的考驗(yàn),植物的生長(zhǎng)形態(tài)、繁殖狀況、物候變化等均表現(xiàn)出對(duì)季節(jié)性水位變化的良好適應(yīng)。
冬季高水位期的耐水淹喬木(上圖攝于2018年12月,下圖攝于2020年12月) ? 袁興中
2015年6~9月,研究團(tuán)隊(duì)收集降水后徑流水樣,進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析。結(jié)果表明,河/庫岸帶界面生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)有效削減了入河/庫污染負(fù)荷。此外,修復(fù)后烏楊壩河/庫岸帶界面也發(fā)揮了較好的雨洪控制功能。
作為水陸之間的生態(tài)界面,河/庫岸帶界面生態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循從要素-結(jié)構(gòu)-功能-過程的邏輯思路,強(qiáng)調(diào)生態(tài)要素設(shè)計(jì)與空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有機(jī)融合,奠定界面生態(tài)功能的基礎(chǔ),滿足河/庫岸帶界面的多功能需求;通過生態(tài)功能與過程的耦合設(shè)計(jì),維持界面生態(tài)系統(tǒng)健康。
烏楊壩河/庫岸帶生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究?jī)H僅是界面生態(tài)設(shè)計(jì)的初步探索,其設(shè)計(jì)策略及模式可應(yīng)用于受水位調(diào)節(jié)影響的河/庫岸帶生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)。在今后的研究中,應(yīng)進(jìn)一步探索河/庫岸帶界面生態(tài)組成要素的耦合機(jī)制,研發(fā)河/庫岸帶界面生態(tài)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法和關(guān)鍵技術(shù),開展河/庫岸帶界面生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能協(xié)同的設(shè)計(jì)調(diào)控機(jī)理和方法體系研究。
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Yuan, X., Xiang, L., Hu, Y., Cheng, W., Huang, Y., Xiong, S., Yuan, J., & Wang, F. (2021). Ecological Design Across Interface: Ecosystem Restoration of Pengxi River/Reservoir in Three Gorges Reservoir Area, Chongqing. Landscape Architecture Frontiers, 9(3), 12?27. https://doi.org/10.15302/J-LAF-1-020048
編輯 | 田樂 周佳怡
翻譯 | 田樂 周佳怡 肖杰
制作 | 顧薌
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