水土平衡的生境營造模式及其工程應用

王志勇 李嘉寧 彭曉 洪敏 張凱

北京大學學報(自然科學版) 第60卷 第1期 2024年1月

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 60, No. 1 (Jan. 2024)

10.13209/j.0479-8023.2023.092

黃河流域生態保護和高質量發展聯合研究(第一期)(2022YRUC010101 和 2022YRUC010601)、國家自然科學基金(51678002)和安徽高校省級人文社會科學研究重大項目(SK2020ZD24)資助

2022–12–16;

2023–02–17

水土平衡的生境營造模式及其工程應用

王志勇1,2李嘉寧3彭曉3洪敏4張凱1,?

1.中國環境科學研究院, 北京 100012; 2.北京大學景觀設計學研究院, 北京 100871; 3.北京大學城市與環境學院, 北京 100871; 4.安徽建筑大學建筑與規劃學院, 合肥 230601; ?通信作者, E-mail: kevin76581@sina.com

對我國農業生產中的 23 種理水造田智慧進行梳理, 總結其處理水土關系的方法, 發現通過就地填挖土方, 將雨水徑流進行收集或分離, 在局部與土壤形成一種動態穩定的互生互養關系, 是營造可種植生境的核心。在此基礎上, 提煉出“挖凹以集蓄塑造匯水區、堆凸以分流塑造分水嶺”的兩種生境營造模式。依據地形坡度與河水淹沒范圍之間的動態關系, 提出兩種生境營造模式在流域尺度的空間分布范式——多尺度分水嶺–匯水區的嵌套結構。將兩種生境營造模式應用于生態修復工程實踐, 證明其具有處理水土平衡關系、營造可種植生境的潛力, 可為當前我國的生態修復工程提供方法和技術參考。

設計生態; 傳統生態智慧; 生境營造; 生態修復; 基于自然的解決方案

如何在生態修復或再造工程中強化生態系統的效率是自然修復導向類策略的難點。模仿生態系統自然功能的生態工程[1–3], 通常是通過加強對工程運行的控制來提升效果[4–5]。例如, 人工濕地技術就是通過模擬生態系統中的物質遷移過程, 并對基質組成、水力條件、植物種類和微生物附著等進行控制來實現污染物的去除[6–7]。生態工程的不足之處在于目標單一, 運行成本高, 無法獲得較高的生物多樣性[8]。隨著生態系統服務概念的發展[9], 景觀設計或環境設計的方法被逐步引入生態修復工程中[10–11], 由此發展出一套以健全和提高綜合生態系統服務為目標的設計生態方法論[12–13]。設計生態系統指在某種意圖下人工設計的生態系統[14], 與之相對的是自然生態系統。設計實現的是一個初始狀態的生態系統, 主要通過利用自然演替, 使其維持自我更新, 以便實現生態功能。與生態工程相比, 更強調自然的能動性、生物多樣性和綜合效益, 其長期效益具有不可預測性[8]。

普遍認為, 將生態學與工程設計相結合是能夠同時提高工程效率與生態效益的方法[15–16]。Gala-towitsch[17]認為需要一個綜合的方法, 同時關注物種、功能和服務。Lundholm[18]指出需要生態學家和設計師的合作來決定如何利用工程及生態特性。在這一過程中, 傳統地方知識成為尋找突破口的一條途徑。Gültek?n[19]將本土或地方知識視為生態化設計的起點。傳統地方知識如何與現代科學知識融合受到大量關注[20]。Syafwina[21]提出在減災方面發現有效地方知識的 6 個步驟。Rai 等[22]指出傳統地方知識中蘊含大量不被記錄的關于人與自然、非自然之間相互作用的數據, 在可持續發展與減災之間維持著平衡, 并提出整合科學知識與地方知識的策略。俞孔堅提出按照傳統生態智慧工程化的思路, 從農耕生態智慧和工程技術中尋找靈感, 結合現代工程技術, 形成標準化技術模塊的增強設計途 徑[23–24], 并提出在地形改造的基礎上, 耦合人工濕地提高水質凈化效率, 同時實現綜合生態系統服務的方法[25]。袁興中等認為當前國土空間的生態修復必須將傳統生態智慧與現代生態科學及生態工程技術有機地結合[26], 并將陂塘和基塘濕地用于三峽庫區消落帶[27–29]。

從傳統生態智慧[30]中尋找生境改造知識是一條有效的途徑, 但目前主要是單類模式的整體模仿使用, 對各類模式之間在生態格局與過程改造層面的異同仍缺少系統的橫向研究, 工程實踐中各類模式之間的交叉組合使用不足。另外, 盡管將農耕經驗與現代工程技術或生態工程技術相結合已成為共識, 但如何結合仍未形成具體的技術路徑。特別是對于在何種要素、何種程度上加以工程控制, 還是依靠自然的能動性, 沒有確切的認知。人工干預的程度對設計生態系統的功能影響顯著[31]。根據設計生態系統的一般方法框架[32], 水和土等生境要素的物理化學過程適合提高工程控制強度, 生物層面則應以自然能動性為主。生境設計是本研究關注的問題, 最核心的部分是對水土關系的處理。水土平衡是植物生長的基礎, 如何設計出可供種植的水土關系是營造生境的關鍵。流域是對地表水循環過程和空間分布結構的表達, 具有空間尺度特性, 同時其結構具有分形特征, 可以在多尺度上為生態修復工程的布局提供統一標識。因此, 本文在梳理我國傳統理水造田智慧中水土關系的基礎上, 提出適應現代生態修復工程實踐的水土平衡的生境營造模式, 及其在流域中的空間布局范式, 為工程實踐提供參考。

1 傳統理水造田智慧中的水土關系處理方法

過往長期的農業實踐中, 我國先民發展出眾多適應本土氣候及下墊面條件的水土改造方法。盡管這些方法最初都是為農業開墾服務, 但是在水土關系處理方面展示出的經驗和智慧, 對當前生態系統修復工程實踐具備較大的借鑒價值。這些方法被Lyle[33]稱為生態智慧, 即將人的欲望建立在生態過程基礎之上的經驗和知識, 包含理論與實踐兩個范疇。例如, 將易于發生水土流失的坡地改造為保水保土的可種植平地(梯田、水平階、水平溝、帶子田和魚鱗坑); 在水土侵蝕強烈的溝道中攔蓄泥沙, 使其沉積為可種植的平整地塊(淤地壩和谷坊); 我國西北極端干旱區用于收集地下潛水的坎兒井; 在河流溝谷, 用于集蓄上游來水的陂塘和湖蕩; 在低洼易澇處, 通過挖深墊淺形成的用于種養的基塘和圩田; 在積水地段, 通過水中造地形成的用于排澇治堿的可種植的垛田和臺田; 在河口三角洲和海岸灘涂處筑堤促淤, 開墾形成的沙田和涂田; 在水面放置浮架, 堆積泥土形成的隨水而動的葑田、架田和浮田; 溪流中攔蓄河水的壩、堰和堨等(表 1)。

上述為利用水資源、防洪排澇和農業生產而發展的理水造田智慧在處理水土關系和營造可種養生境方面有諸多共同之處, 其核心是實現從“非水即土、非土即水”的剛性水土關系[57]向水土互生互養關系的轉變, 從而將單一的水、土資源轉變為可供動植物生長繁衍的生境條件。這些改造方法為當前灰色基礎設施造成的大面積水土分離導致的生態系統受損的修復提供了借鑒, 其共同的處理方式可提煉為, 通過填方挖方形成小尺度的匯水區或分水嶺, 將雨水徑流進行收集或分離, 在局部與土壤形成一種動態穩定的關系, 以供種養。

表1 傳統理水造田智慧中處理水土關系的方法及特征

2 水土平衡的生境營造模式

灰色鋼筋混凝土設施的過度使用帶來的水土分離, 是造成生境無法承載生命的關鍵原因之一?！八緹o形, 因器成之”, 調節水土關系的根本在于對承載水體的下墊面的改造。即通過填挖土方、集分雨水徑流及其攜帶物質, 改變局部的水土相互作用關系, 使水養土, 土涵水, 才能營造可種養的生境。傳統農業生產理水造田智慧中, 對重力勢能驅動的水沙過程的適應和利用是平衡水土資源的核心, 一方面是受制于人力和機械設備的不足, 另一方面也是一種基于自然(nature-based)的生境營造策略。在處理雨水徑流運動過程時, 基于自然可等同于基于重力。因此, 可將基于自然的水沙過程調節理解為對雨水徑流泥沙在下墊面上重力過程的調節和利用, 通過對水沙規模和蓄排時間的控制來動態地調節對水土資源的利用。在土方層面的操作方法則可以總結為挖凹以集蓄, 堆凸以分流; 在水文過程層面上, 則可視為將地形地貌改造為各種尺度的匯水區和分水嶺, 并鑲嵌組合。

(a) 改造前的生境, (b) 應用集蓄模式改造后的生境

(a) 改造前的生境, (b) 應用分流模式改造后的生境

圖3 兩類生境營造模式在流域空間中的布局范式

2.1 挖凹以集蓄, 塑造匯水區

通過下挖, 或在溝道低洼處做堰, 形成局部低于上游地勢的匯水區(圖 1)。利用重力勢能的作用, 使周圍高處的水流及其夾帶的泥沙等物質匯入凹地內, 形成局部水土關系平衡穩定的可種養的區域。依據集水量及其周期性規律, 適用于種植旱生或水生植物。若可長時間蓄滯一定深度的水體時, 可用于配置完整的水生動植物食物鏈。此類措施主要是在匯水區內實現種養, 用于構造匯水區的圍擋部分規模較小, 一般不作為生境使用。

2.2 堆凸以分流, 塑造分水嶺

在過水量較大的陸面或在大面積水域中堆起丘或島, 與周邊陸地共同組成分水嶺體系(圖 2)。在陸地坡面匯流區域, 將水流分離成不同流向和流量的部分, 用來調節流向或分割大面積積水區。水域中出露的陸地, 供種植并引導水流, 調節洪澇。分水嶺部分是主要的植物種植區域, 可與周圍水域形成生態循環結構。

2.3 在流域中的空間布局

兩類模式的適用環境既取決于局部的地形特征, 又受制于水體的淹沒情況。由于河谷是產–匯–流過程的集中發生地, 其橫斷面又是雨水從源頭至河道運動過程的切面, 因此將河谷橫斷面作為布置兩類生境營造模式的基本空間單元。一般典型的河谷主要由谷坡(河流階地)與谷底(河漫灘、河床)組成, 這正是地形坡度與河水淹沒范圍動態關系在地貌形態上的體現。本文借鑒此分類方法, 提出兩類生境營造方法在流域中的空間布局范式。

在谷坡產流區, 采用集蓄模式形成小型匯水區, 收集雨水和地表徑流, 攔蓄泥沙和營養物質。在河床區河道水面線以下, 采用分流模式, 通過分水嶺的塑造來梳理徑流。在周期性淹沒與出露的河漫灘地帶, 集蓄與分流模式相組合, 綜合調節雨水徑流。在單一的集蓄模式或分流模式中, 集蓄或分流功能占主導地位。集分結合模式則強調集蓄與分流部分緊密相連, 組成一個類似基塘式的整體新結構, 其集蓄和分流功能共同實現集分功能, 兩項功能強度相當。由于流域本身在空間結構上就具有尺度特性和分形特征, 因此, 生境營造模式的空間布局是一種多尺度分水嶺–匯水區的嵌套結構, 其在流域空間及沿河道橫斷面布局范式分別見圖 3 和 4。實際工程應用過程中, 河谷的具體分區界限可通過水位監測數據或河道水面線推算得到。

3 生境營造模式在生態修復工程中的應用

3.1 集蓄模式工程應用

六盤水明湖濕地公園[58]: 沿水城河河谷橫斷面, 借鑒梯田、陂塘的地形改造方法, 將原先河谷坡面改造為分級蓄滯雨水徑流的臺地和水塘(圖5(a)和(b)), 為鄉土水生植物種植和水生動物繁育提供了生境基礎。

邯鄲園博園清渠如許濕地: 通過就地填挖方, 將高差為 10m, 坡度 15°～52°不等的城市建筑垃圾堆放場地土坡改造為臺田與水塘鑲嵌的梯級蓄水設施(圖 5(c)和(d)), 為濕地中凈化植物的種植提供了立地條件。

3.2 分流模式工程應用

三亞東岸濕地公園[59]: 采用基塘、垛田改造方法, 將原先洪澇頻繁、水體污染嚴重、濕地功能退化的城市內河河床改造為可以分散滯澇洪水、改善局部水動力條件和供水生植物種植的水陸鑲嵌的河流廊道(圖 6(a)和(b)), 形成高度異質的水陸生境, 為白鷺提供了棲息地。

圖4 兩類生境營造模式沿河谷橫斷面的布局范式

(a) 明湖濕地建成前, (b) 明湖濕地建成后, (c) 清渠如許建成前, (d) 清渠如許建成后; 照片來自土人設計(Turenscape)

(a) 東岸濕地建成前, (b) 東岸濕地建成后, (c) 魚尾洲公園建成前, (d) 魚尾洲公園建成后; 照片來自土人設計(Turenscape)

南昌魚尾洲公園: 借鑒垛田改造方法, 通過就地填挖方, 將城市內湖下游低洼內澇荒地改造為分離滯水、改善局部水動力條件的小島深潭交錯分布的水陸生境(圖 6(c)和(d)), 增加了水陸界面面積和水生植物的可種植面積, 使單一均質水域生境轉變為高度異質的候鳥棲息地。

3.3 在流域中的綜合應用

武漢五里界麓山郡居住小區[60]: 通過就地平衡土方, 將原先高程為 25～26m 的低洼地改造為 21～ 34m 的水域廊道及墊高住宅區。同時, 在上游坡地布置植草溝等雨水收集設施; 水岸彈性淹沒區采用溝道、堰壩和水塘組合分級蓄排洪水; 河道常水位區域布置樹島, 增加水生植物種植面積, 形成水陸鑲嵌的生境(圖 7)。將易受洪澇的平坦低洼荒地改造為可系統調節雨洪過程、適宜生物棲息的多樣生境。

4 討論

4.1 對理水造田智慧的提煉

本文對我國農耕時代中的理水造田智慧進行梳理, 并提煉出處理水土關系的生境營造模式, 為當前生態修復工程實踐提供生境營造方法。人類學家楊庭碩[61]認為, 了解我們祖先與生態系統打交道所積累的經驗教訓, 才可能進行環境和空間設計。俞孔堅[62]認為造田、理水、施肥、間作和輪作等農業傳統經驗積累的智慧是生態系統修復與再造的創造源泉, 并根據梯田、陂塘和基塘三類農耕技術, 提出應用于水生態修復的三大景觀模塊[25]。在此基礎上, 王志勇等[32]詳細闡述了梯田、陂塘、基塘和垛田四類設計生態系統模式中對水、土要素的設計方法。袁興中等[26]指出生態智慧正經歷著從自然智慧、傳統生態智慧到新生態智慧的演變進程, 為國土生態修復提供了巧妙的啟示。孫晉芳等[63]吸收圩田和基塘適應水位變化的特點, 并加以改造, 用于云夢澤生態修復。這些研究均對傳統生態智慧持認可態度, 并證明了其對當前生態修復理論發展與工程實踐的價值。

(a) 麓山郡建成前, (b) 麓山郡建成后, (c) 雨水收集設施, (d) 集蓄模式應用, (e) 分流模式應用; 照片來自土人設計(Turenscape)

我國長期的農業實踐積累了大量處理水土關系、改造生境的經驗, 盡管不同層面的傳統智慧有其環境適應性, 但通過提取適用的部分, 因地制宜地與現代生態科學理論技術相結合, 是減少實踐試錯成本、提高修復效率的有效方法。本研究僅針對部分典型理水造田智慧中對水、土要素的處理進行總結提煉, 溫度和光照等也是生態系統中的關鍵生境要素, 如何綜合提煉包含多重關鍵要素的生態智慧, 形成標準生境設計模式, 需要進一步關注。

4.2 對水土關系的處理以改變生境條件

對水土關系的處理是本文提出的生境營造模式的核心, 即通過地形的改變實現對水土的再分配, 為植物生長演替創造立地條件。白中科等[64]認為, 重塑穩定的地貌和重構水、肥、氣、熱協調的土壤, 是生態修復的基礎性工程和生物多樣性重組的前提。賈致榮等[65]通過調查, 發現巖石裂隙截留土壤和大氣降水的作用為植物種子的駐留萌發構建了生長環境。俞孔堅等[66–67]將水泥硬化的河岸改造為截留水土的梯田臺地, 使得多種具備水質凈化功能的植物得以生長。Schwindt等[68]綜述了填充沉積物、堆置礫石和河岸開洞等 10 種能增強棲息地特征的河床結構改變技術, 表明水文地形參數的改變是河流生態修復的關鍵設計標準。孫晉芳等[63]將三峽庫區坡度<15°的消落帶緩平區改造為形狀不一、大小深淺不等的基塘鑲嵌體, 緩沖了庫區蓄排水帶來的水深變動幅度, 為耐深水淹沒植物生長創造了立地條件。上述研究均表明對水土過程處理的重要性。同時, 在河流修復中, Brierley 等[69–70]指出, 當涉及沉積物和水流變化時, 地貌結構指示著水力單元和棲息地的多樣性以及修復潛力, 本研究通過兩種模式的鑲嵌來提高區域生境異質性的理論基礎與其具有相似性。

在當前生態修復實踐中, 除將受損生態系統恢復到歷史上的某個狀態外, 更多情況下只能基于現狀條件, 開啟一個新的生態系統[71–72]。新生境的營造是創造新棲息地, 開啟新生態系統生長演替的首要節點[73]。本研究定性地提出兩種生境營造模式及其在流域中的空間布局范式, 對兩種模式的關鍵參數和空間布局范式進行定量化是未來研究需要突破的重點。

5 結論

本文對過往服務于農業生產的理水造田智慧中水土關系的處理方法進行提煉總結, 指出核心在于將局部“非水即土、非土即水”的剛性水土關系轉變為水土互生互養關系, 從而將單一的水、土資源轉變為可供動植物生長繁衍的生境條件。在此基礎上, 本文從土方操作和水文過程兩個方面提出“挖凹以集蓄塑造匯水區、堆凸以分流塑造分水嶺”兩種指向水土平衡的生境營造模式, 并依據地形坡度與河水淹沒范圍之間的動態變化關系, 提出兩類生境營造模式在流域中的空間布局范式, 以便快速地、大規模地應用于流域生態修復。同時, 將兩種生境營造模式及其空間布局范式應用于生態修復工程實踐中, 表明了兩種模式在營造植物立地條件和新生境方面的有效作用。本研究著重以定性的方式, 從理水造田智慧的水土關系處理方面進行提煉, 其他類型傳統生態智慧中的生態修復策略以及兩種模式關鍵參數的定量化需進一步關注。

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Habitat Creation Modes Based on Balance between Water and Soil and Its Application in Ecological Restoration Engineering

WANG Zhiyong1,2, LI Jianing3, PENG Xiao3, HONG Min4, ZHANG Kai1,?

1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012; 2. The Graduate School of Landscape Architecture, Peking University, Beijing 100871; 3. College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871; 4. School of Architecture & Urban Planning, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601; ? Corresponding author, E-mail: kevin76581@sina.com

Methods for regulating the relationship between water and soil were summed up in 23 traditional waterscape and farmland design wisdom. Creating a reciprocal and mutually reinforcing relationship between water and soil in local area is the core of creating habitats through collection and diversion of water by cutting and filling earthwork. Moreover, two habitat creation modes, named collection mode and diversion mode, were put forward. Collection mode means building water catchment by cutting earthwork in land slope. Diversion mode means building dividing ridge by filling earthwork in inundation area. At the same time, spatial distribution pattern of two modes in river basin scale was proposed based on dynamic spatial relationship between slope and runoff inundation area. It presented a multiscale mosaic structure among diverse dividing ridges and water catchments. Potential in regulating the balance between water and soil and creating habitats being suitable for planting were shown clearly by the applications in ecological engineering practices. It could provide method and technology reference for ecological engineering practices in China.

designed ecology; traditional ecological wisdom; habitat creation; ecological restoration; nature-based solutions