图1 设计生态系统的一般方法框架
Fig. 1 General method framework of designed ecosystem
北京大学学报(自然科学版) 第59卷 第3期 2023年5月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 59, No. 3 (May 2023)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2022.113
国家自然科学基金(51678002)、国家重点研发计划(2016YFC0401108)和安徽高校省级人文社会科学研究重大项目(SK2020ZD24)资助
投稿日期: 2022–05–20;
修回日期: 2022–08–15
摘要 依据生态学与设计学的原理, 提出设计生态系统的一般方法框架, 即以提供综合生态系统服务为导向, 以生态系统的基本规律为依据, 通过水土平衡的生境营造、稳定有序的乡土生物网配置和最小干预的游憩设施介入, 构建人与自然耦合的生态系统。同时, 依据生态修复设计实践及国内外经典生态工程设计指南, 从结构、材料和辅助措施三方面梳理和总结设计生态系统的关键设计参数, 共计 31 项。在此基础上, 依据传统生态智慧工程化的思路, 提出梯田、陂塘、基塘和垛田 4 种生境营造模式在基本模式特征、生境单元塑造、水循环调节、土壤环境调节、生物群落配置和游憩设施构建方面的具体设计方法与量化参数。研究结果可为我国当前面临的大面积生态系统修复工程实践提供一种可工程化和可复制推广的设计方法和模式。
关键词 设计生态系统; 基于自然的解决方案; 生态系统服务; 传统生态智慧
在人与自然深度耦合的环境里, 如何应对诸如水土污染、生物栖息地丧失和生物多样性降低等生态退化问题, 是目前面临的巨大挑战。生态退化普遍由高强度的人类活动干扰引起, 许多研究者认为人类活动的强度已经在全球尺度构成一种地质营力, 导致地球环境进入人类世[1–2]。一方面, 由于全球尺度的人类活动影响, 生态修复中对原始或近原始自然状态的追求目标变得不可实现[3]。另一方面,作为有意识地塑造物质、能量和过程来满足预想的需要的手段, 设计能够为将生态学知识应用于有目的的生态系统创建提供方法论和可操作的程序[3–4]。面对已经极度或完全退化的生态系统, 设计生态系统或许是最终的修复方法[5–6]。与恢复生态系统相比, 设计生态系统并不强调必须基于历史上的结构和功能[7], 而是更注重新的创造及实现人为设定的特定目标[8](如农业可持续生产[9]、增加城市绿地空间[10]或提供某类(或综合)生态系统服务[11–13])。
设计介入生态系统已有较长的历史, 例如在生态学领域, Odum [14]及 Mitsch 等[15–16]提出的生态工程; 在景观设计学领域, McHarg[17]提出的设计结合自然理念。生态系统设计(ecosystem design)一词源于 Koenig 等[18]1972 年为生态系统所做的经济和能量权衡分析系统设计。2004 年, 美国生态学会为促进生态学在应对当前重大环境挑战中的作用, 提出一项关于生态系统服务、生态修复和设计的研究计划[7,19], 指出需要一个面向未来的生态学和一个设计的生态解决方案(designed ecological solutions), 未来应当把生态学的注意力从历史的、不受打扰的生态系统, 转向人与自然耦合的生态系统。在这个体系里, 人类被视为生态系统的一部分, 应当致力于通过有目的地对生态系统进行设计, 创造一个功能良好的生命共同体, 以便获得重要的生态服务[7,19]。该计划极大地促进了学界对设计生态系统途径的理论探索和实践应用。Felson 等[20]提出将设计作为研究生态系统的实验方法。Nassauer 等[21]把设计当做连接景观理论与实践的纽带, 提出融合研究与设计实践的“格局–过程–设计”范式。Moreno-Casasola 等[22]用人工创造的植物群落, 对被港口扩张破坏的沙丘实现对流沙的阻挡。Sarr 等[23]将设计的森林作为城市森林体系 3 个组成部分之一, 提供直接的生态系统服务和生态教育载体。Gaydos 等[24]提出设计健康海岸生态系统的 10 条原则。Landis[25] 指出可通过设计农业景观来提高区域生物多样性。在实践中, 由于生态系统服务概念的引入, 设计目标逐步由单一目标转向综合生态系统服务[26–27]。世界银行[28]、欧盟[29]和 IUCN[30]等国际组织在其提倡并采用的基于自然的解决方案(nature-based solu-tions)中, 明确提出与自然生态系统展开合作, 创建新生态系统(creation of new ecosystem)。这一技术措施类型受到全球研究者的关注, 并得到应用。
我国学者也开展了设计生态的研究或实践。例如, 针对城市景观的构建, 翟俊[31]认为面对原始自然状态已经消解的城市环境, 必须从防御性的设计结合自然, 转变到构建型的设计创造自然上来。俞孔坚[12]认为对待人类干扰下破坏的自然生态系统, 既不能指望将其恢复到原始的自然生态系统状态, 也不应该通过高投入使生态系统维持在历史上出现过的某一状态, 而是应该通过生态系统的设计, 在撤除人类破坏行为的同时, 开启一种新的, 具有综合生态系统服务功效的新生态系统演化。他还提出梯田和陂塘等一系列生境营造模式[32], 并应用于大量的景观设计实践中[33]。岳邦瑞[34]用图示的方式总结了景观设计的生态手法。袁兴中等采用设计生态途径发展垛基果林湿地恢复技术[35], 以及山地和水库消落带生态系统修复技术体系, 并在我国三峡库区成功实践[36–38]。总体上, 作为生态修复的一种重要方法, 设计生态系统途径已经在国内外取得共识。然而, 与工业手段相比, 生态系统途径存在效率低和可复制性差等特点, 探索一套可工程化、可复制和可推广的设计生态系统方法和模式是生态修复中实践设计生态系统途径的关键内容。
基于上述背景, 本文在梳理总结俞孔坚教授及其带领的北京大学景观设计学研究院和北京土人城市规划设计股份有限公司(简称土人设计)团队所开展的设计生态实践以及国内外设计生态理论案例的基础上, 依据生态学的结构–过程–功能、空间异质性和边缘效应等原理, 按照生态系统工程化的思路, 提出设计生态系统途径的一般方法框架及所涉及的关键设计参数。在此基础上, 提出梯田、陂塘、基塘和垛田几个典型生境营造模式的具体设计方法和量化设计参数, 以期为我国当前面临的大面积生态系统修复实践提供一种可借鉴的方法途径。
一个生态系统可以从结构、动力学过程和功能3 个层面来认识和构建。在生态系统中, 结构影响过程, 过程改变结构, 二者相互作用的关系塑造了生态系统的整体形态[39]。作为耗散结构[40], 来自外界的生态流维持其结构和功能方面的有序性和稳定性[41–42]。生态系统通过自我反馈机制, 实现了持续形成稳定有序的结构和功能, 并促进其自身的进化和演替。任何一对结构或过程的改变都将影响生态系统的功能, 进而影响其提供的生态系统服务。本文将这一原理视为设计生态系统的基本依据, 将设计生态系统视为一个通过组织生态系统结构来完成生态系统过程和实现生态系统功能的过程。设计生态系统的结构和过程与自然生态系统包含的非生物环境、生产者、消费者和分解者结构组成以及物种流动、物质循环、能量流动和信息传递等生态流过程相似, 但同时又包含人类对生态系统的深度利用成分以及人与生态系统之间的价值流, 因为在当代, 人类活动与生态系统早已深度耦合。
生态系统的过程无法直接设计, 只能通过对组分和结构的设计, 间接地塑造生态系统的各种过程, 最终实现提供综合生态系统服务。在生态系统的众多组分之中, 能直接干预改变的是地形地貌、土壤和植被等固相有形的实体组分, 而水流、大气、温度、光和气压等流动无固定形态的组分和过程无法直接干预, 只能通过有形部分的设计, 间接地干预或适应。因此, 对生态系统的设计始于适应当地的气候雨热条件, 通过地形地貌的塑造, 营造水土平衡的可种植生境; 然后依据食物链、营养级和生态位等原理, 参照本地生物群落的类型, 选择适应当地自然条件、抗逆性强的植被、动物和微生物物种, 构建结构合理、稳定有序的群落结构和食物网; 最后以最小干预原则, 将游憩观景等人类活动设施介入生态系统, 获得生态系统服务(图 1)。
根据生态系统的组成要素和结构, 对俞孔坚教授带领的北京大学景观设计学研究院和土人设计团队开展的多项实践项目[43–51]的设计绩效评估结果进行梳理总结, 结合国际上人工湿地和稳定塘等的工程手册[52–58], 参照近 20 年来国家住建部、生态环境部以及上海、浙江、广东、北京、河南、河北、山东和青海等地发布的污水自然处理技术规范(或指南)中的人工湿地、生态塘、雨水花园、生态浮岛和湖滨湿地修复等成熟经典的生态工程的设计要求[59–71], 提炼出设计生态系统所需的部分关键设计参数。需要指出的是, 设计生态系统涉及的参数众多, 受尺度、设计目标和模式影响, 亦有较大差异, 本文仅列出与生态系统的结构和过程有直接关系的关键参数。
按照生态系统的结构–过程–功能原理框架, 从结构、材料和辅助措施三方面总结设计生态系统的关键参数, 主要有结构、水、土壤、植物、动物和水质净化强化措施等 6 个要素, 包括规模、形态、水力条件、填料级配、植物群落结构和食物链结构等 31 项具体参数(表 1)。针对不同的设计目标, 设定不同的参数值来解决特定的生态问题。
图1 设计生态系统的一般方法框架
Fig. 1 General method framework of designed ecosystem
在上千年的农耕历史中, 我国发展了大量适应当地气候雨热和地形条件的农业生态系统营造技术, 这些宝贵的经验是现代生境营造和生态系统设计的灵感源泉。俞孔坚[32]基于传统的生态智慧工程化思路, 提出梯田、陂塘、基塘和垛田 4 类地形生境营造模式, 其核心是针对天然的恶劣的水土关系, 通过土方的改造, 形成水土配置合理的适宜种植或养殖的农用地。作为人工生态系统的一种形式, 农业生态系统可为当代人工生态系统设计提供模式参考。我们将 4 类模式中的生态原理和设计手法进行吸收提炼, 通过结构、形态和要素的设计, 为生态修复工程实践提供借鉴。下面对 4 类模式在一般设计方法框架下的具体设计方法及关键参数的定量化做进一步的阐述。
表1 设计生态系统的关键参数
Table 1 Key parameters of designed ecosystem
项目层要素层参数类别可量化参数 结构规模形态规模长宽面积深度/高度 形态长宽比分区 材料水水量水深 污染状况污染物类型污染物负荷 水力参数水力坡度水力负荷水力停留时间 集、布、排水水管布局管径穿孔大小管内流速 土壤材质填料理化性质 组合方式厚度级配孔隙率 植物种类水生、旱生 群落结构乔木、灌木、草本 生态位挺水、浮水、沉水 栽种规模种植密度种植面积 景观效果— 水生动物种类鱼、虾、蚌等 食物链结构— 其他辅助措施水质净化强化措施充氧投加碳源 防渗渗透系数
梯田的基本模式为在缺水的、均质的山坡上, 通过就地填挖方, 形成平整的可耕作的平面[32](图2)。梯田模式的生境营造、生物配置和人文设施等方面的设计方法和相关参数如下。
1)削坡修平, 塑造水土平衡的易种植平面。在陡峭的山坡上, 通过就地平衡土方, 将易发生水土流失的坡面改造为保水保土的平面。田面的宽度和长度根据场地情况设置, 长宽比通常在 3:1 左右, 通过挡墙隔离成独立的生态系统单元。田面一般以平面为主, 对旱生梯田, 为顺利排水, 则应设置 1%左右的坡度。
2)多级联动, 构建连续完整的生境空间。通过多级梯田单元之间的联动, 增强场地内生境的整体性, 实现设计单元内生态过程的连续性和格局完整性。顺坡方向, 梯田单元随坡就势布局, 充分利用各单元之间的自然高差。根据场地坡度和面积情况, 可使各田块直接相连, 高差一般小于 1m。亦可参照隔坡梯田形制, 在必要的区域保留一定间隔的自然坡度。沿等高线方向, 梯田单元沿原有地形凹凸变化, 随弯就势布局。
3)调节水流, 形成多样化的干湿生境。结合表流和潜流等人工湿地技术, 延长水流路径, 塑造多样化的水深, 形成不同干湿程度的生境条件。结合涌泉式曝氧设施, 在梯田中布设曝气管, 增强曝气强度, 提高水流溶解氧的含量。结合过滤堰、曝气堰和净化堰等改造挡墙, 实现跌水曝气、过滤和 净化。
4)配置基质填料, 调节土壤理化环境。结合人工湿地技术, 通过配比多种质地和粒径的材料, 塑造台田内的土壤生境。通过级配组合设计, 调节水力停留时间和通气性来提高复氧能力, 塑造水生植物所需的氧化还原环境, 促进微生物膜形成, 同时增强对水中污染物的过滤和吸附净化。
(a)基本模式[32]; (b)海口凤翔湿地公园梯田人工湿地净化周边生活污水, 同时提供综合生态系统服务(照片来自土人设计(Turenscape))
图2 梯田模式及工程应用
Fig. 2 Terrace mode and its engineering application
5)配置生物群落, 形成完善的食物网。对有净化要求的梯田单元, 以能吸附和净化水中主要污染物的水生植物为优势种来构建植物群落。潜流型和表流型均以挺水植物为主, 其中表流型可根据水深, 适当种植浮水或沉水植物。对于需要净化悬浮物、氮磷营养物、重金属和病原体等多种污染物的场地, 可结合梯田单元的多级联动, 在不同单元内分类配置群落, 突出各单元的重点净化功能。对无净化要求的梯田单元, 根据生态功能和景观功能选种。对景观功能为主的单元, 按照美学原则构建植物群落结构, 依据植物形态、颜色和季节变化等, 运用孤植、对植、丛植、片植和散植等方式营造不同的风格。梯田单元内的动物配置以底栖动物为主, 对水深较深的表流型, 可适当投放浮游动物。利用田块内植物根系、基质填料的表面附着优势, 促进微生物膜的形成。
6)构建亲近自然的游憩系统, 增强审美启智功能。在最少干预生态系统结构、过程和功能的前提下, 结合地形布置游憩线路, 利用架空于田面的栈桥, 引导人流穿越梯田系统, 形成观景视线。同时, 以田埂为径, 构筑末梢游径网络, 让人近距离地接触田面生态系统。沿游憩路线设置解说系统, 介绍梯田的生态系统服务价值。
陂塘的基本模式为利用低洼之地汇集周边水源而形成的池塘或沿溪流筑堰而形成的汇水区[32](图3), 其生境营造、生物配置和人文设施等方面的设计方法和相关参数如下。
(a)基本模式[32]; (b)广州大观湿地多塘增强雨洪调节, 并形成可游憩的自然空间(照片来自土人设计(Turenscape))
图3 陂塘模式及工程应用
Fig. 3 Impounding-pond mode and its engineering application
1)筑堰挖塘, 塑造集水单元。在山地丘陵的冲沟上, 利用周边地形和边坡以及位置和高度, 合理地设置挡墙, 形成塘体。在平地或低洼地上, 通过挖填形成坑塘。单塘的形状一般为椭圆形或柳叶形, 面积大于 100m2。沿溪流构筑小型堰坝, 分段阻隔河道水流, 形成蓄溢有度的梯级河床, 堰坝高度一般大于 50cm。
2)塘塘串联, 构建连续完整的生境空间。对山谷冲沟的塘体, 可以利用原有沟谷或修筑渠系相连。对平地或低洼地的坑塘, 可以通过串联或并联, 形成不同功能的组合。在两个塘之间, 既可以间隔一定非塘区, 通过水渠相连, 也可以堰坝直接相连。
3)调节水流, 形成多样化水域生境。在山谷冲沟处, 结合过滤堰、曝气堰和净化堰等技术, 通过堰顶高度和形式的设计调节水流的蓄泄, 同时增强净化作用, 堰体上下游水位高差一般在 1～2m 之间。平坦低洼处, 结合生态塘、稳定塘及各类堰坝技术, 通过高差设计, 调节水流并净化。在塘内利用生态浮床技术, 或增加碳素纤维等比表面积大、生物亲和性强的材质的挂绳, 促进微生物膜形成, 提高净化能力。
4)配置塘体填料, 调节土壤理化环境。结合生态塘、稳定塘和表流湿地等技术, 通过配比多种质地和粒径的材料, 形成塘底构造层土壤生境。通过级配组合设计调节塘底孔隙度和通气性, 提高复氧能力, 改善水生植物所需的理化环境, 同时为微生物附着提供栖息地。
5)配置生物群落, 形成完整的食物网。依据塘内的干湿和水深差异, 配置多样化的生物群落类型。湿塘内, 依照生态位, 配置挺水、浮水和沉水植物的空间结构。干塘内, 根据雨水蓄排状况, 选择旱生植物种类。塘岸水陆交错带, 依照淹没周期, 配置适应干湿变化节律的植物种类, 并充分利用该区域的边缘效应。对有净化要求的场地, 可根据污染物类型, 分塘配置群落类型, 使水流在串联塘内, 分重点实现净化功能。在水面布置植物浮床, 提升净化作用。湿塘内, 根据水深、流速和光照等造成的生态位差异, 投放浮游、鱼类和底栖类水生动物, 形成复杂的动植物食物网。
6)构建亲近自然的游憩系统, 增强审美启智功能。沿陂塘连线, 以透水铺装步道和架空的栈道相结合, 布置蜿蜒环绕或穿越各陂塘的游憩路线, 形成景观视线。可采用架空于水面并适应水位涨落的栈道, 引导人们进入陂塘景观内部, 同时可设置延伸入陂塘水面的亲水平台, 让人们近距离地体验陂塘景观之美。沿游憩线路, 在重要节点设置解说系统, 介绍陂塘的生态系统服务价值。
基塘的基本模式为在均质的三角洲沼泽湿地上, 通过就地填挖土方, 形成水陆交替、多样化的生境[32](图 4), 其生境营造、生物配置和人文设施等方面的设计方法和相关参数如下。
1)凿塘培基, 塑造水土平衡的基塘斑块。在河口三角洲或河湖滨岸等洪潮泛滥、滞水易涝的低洼地带, 挖深垫浅, 形成塘深基高的坑塘形态。单塘的面积一般应大于 100m2, 基塘比在 4:6或 3:7 左右。基顶与水面的高差在 1m 左右, 塘深在1.5～2m之间。塘面可选择圆形、椭圆形、柳叶形、矩形或不规则多边形。
2)基塘镶嵌, 形成深浅交错的生境空间。通过三维地形参数的设计, 依据总体地势, 形成深浅不一、斑块状镶嵌的空间分布形态。塘与塘之间采用不规则、多样化的邻接关系。设计基体与塘整体规模的比例, 优化水陆生境空间, 促进基塘生态系统的互生互养。
3)梳理滞水, 形成水陆分明的生境。通过塘底基顶标高的变化引导水流, 调节地表径流, 形成大面积干湿分明又相互联系的水陆生境。结合曝气堰、净化堰和溢流堰等技术, 改造基体的形式, 增强塘与塘之间的水力连通性, 同时提高净水功能。结合生态塘和稳定塘等技术, 利用差异化的水深设计, 增加生态位空间分异, 可形成深水塘、浅水塘以及无水塘的组合。深水塘内, 水深通常在 1.5m左右, 可结合生态浮床和微生物挂绳等技术, 增强水质净化功能。
4)配置基体塘底填料, 改善土壤理化环境。采用不同质地和粒径的材料, 设计土壤层的孔隙度, 调节塘内水体在基体下土壤的上下迁移过程, 形成可种植的土壤条件。结合生态塘和稳定塘等技术,通过改善塘底构造层的理化环境, 增强拦截、过滤和吸附等净化功能。通过级配组合设计, 调节塘底孔隙度和通气性, 提高复氧能力, 改善水生植物所需的土壤生境, 同时为微生物附着生长提供栖息地。
5)配置生物群落, 形成完善的食物网。将陆基与水塘作为一个整体的生境空间, 按照生态位的空间差异, 进行生物群落的搭配。对长期有水的基塘, 选择耐湿的乔灌草群落。对水塘内的植物群落, 由岸边浅水区向塘内深水区, 分区按生活型搭配挺水、浮水和沉水植物。在我国北方缺水地区使用该模式时, 若设置了干塘, 则以旱生植物为主。可借鉴传统的桑基、果基鱼塘的模式, 提高人工的介入程度, 在陆基与水塘生态系统之间建立互生互养的食物链关系。污染物类型较多时, 可通过多个塘之间的串并联, 构建网络式的流动结构, 按污染物种类, 不同的塘搭配特定的植物群落, 突出单项净化作用。水塘内, 按水域面积、深浅以及与陆基产物的营养关系选择适合的水生动物, 完善营养结构。
(a) 基本模式[32]; (b)三亚东岸湿地公园基塘收集净化周边雨水径流, 并修复生物栖息地(照片来自土人设计(Turenscape))
图4 基塘模式及工程应用
Fig. 4 Dike-pond mode and its engineering application
6)构建亲近自然的游憩系统, 增强审美启智功能。采用高空栈道穿越基塘生态系统上空, 连接场地内各类特色景观区域, 在实现控制好游人进入需保护的生态系统的界限的同时, 形成丰富的观景视线。沿基塘的陆基构筑游憩步道网络, 引导游人进入基塘生态网络, 基面采用透水铺装, 提高渗透性。将亲水观景平台由陆基延伸入水塘, 让游人近距离地享受基塘带来的生态体验。沿游憩路线设置解说系统, 介绍基塘的生态系统服务价值。
垛田的基本模式为在排水不畅, 易受洪涝影响的湖荡沼泽低洼水域开渠排水, 挖沟堆垛而成的高于洪水水位的可旱作的台状高地(图 5), 其生境营造、生物配置和人文设施等方面的设计方法和相关参数如下。
(a)基本模式; (b)南昌鱼尾洲公园垛田构筑水流环绕的岛屿生境, 同时成为美丽的公园。模式图绘制和照片拍摄均由土人设计(Turenscape)完成
图5 垛田模式及工程应用
Fig. 5 Stacking-fields mode and its engineering application
1)垒土成垛, 在水中塑造可种植的岛屿。在低洼滞水的浅水沼泽地带, 通过挖沟开渠, 堆积淤泥, 形成岛屿。单个岛的面积通常不小于100m2, 岛顶距水面距离在 1m 以上, 但不宜超过 5m。岛周可采用圆形、椭圆形或柳叶形。
2)岛岛错列, 形成岛屿广布的陆地生境空间。通过整体地形三维参数等的设计, 形成岛体大小不一、错列广布的空间格局。设计岛水比例, 将岛进行不规则排列, 相连与相邻结合, 增加岛链的曲折度, 提高整体生境空间的多样性和异质性。
3)引导水流, 促进水体循环。通过沟渠深度、宽度和路径等的布置, 结合生态浮岛技术, 进行岛体形状和大小以及空间排列多样化的设计, 引导水流在岛体之间流动, 调节地表径流。在水域内, 结合生态浮床和微生物挂绳等技术, 促进生物膜生成, 增强水质净化作用。
4)配置岛体材料, 改善土壤理化环境。采用不同质地和粒径的材料, 设计岛体土壤层的孔隙度, 调节水体在岛体土壤的上下迁移过程, 形成干湿程度不同的土壤条件。结合生态浮岛等技术, 增强岛体对水中污染物的拦截、过滤和吸附等净化功能。通过级配组合设计, 调节岛体孔隙度和通气性, 改善岛上植物所需的土壤生境, 同时为微生物附着生长提供栖息地。
5)配置生物群落, 形成完善的食物网。以单体垛岛为单元, 以湿生乔木为优势种, 搭配湿生灌木和草本植物, 形成岛屿植物群落。在面积较小的岛屿设置单株乔木, 形成独特景观。对面积较大岛屿, 以提高植物群落复杂性为主。应注重利用岛体周边水陆交错带的边缘效应, 合理地搭配挺水、浮水和沉水植物, 提高营养流的循环效率。水中的岛屿可能成为鸟类的潜在栖息地, 应当依据当地留鸟和过境旅鸟的习性, 搭配植物群落。在大面积水域的设计弹性较大, 可根据实际需求, 配置挺水、浮水和沉水植物种类及空间格局。水域中可投放较大型的水生动物, 构建相对较长的食物链, 提高食物网结构的复杂度。同时, 投放适宜的微生物群落, 完善生态系统结构。
6)构建亲近自然的游憩系统, 增强审美启智功能。沿岛链设置游憩路线, 采用架空的步道穿越于岛的上空, 或环绕于岛侧, 既控制好游人可以介入的空间距离, 又形成丰富多样的观景视线。在岛上设置观景平台, 或将亲水平台由岛岸延伸入水中, 形成开敞观景视点, 让游人休憩并体验自然。沿游憩路线, 在岛上设置解说系统, 介绍垛田的生态系统服务价值。
设计生态系统已成为获得生态学领域和设计领域(尤其是景观设计学)共同认可的生态修复解决方案。生态工程在特定环境或生态问题上的成功经验(如在水质净化中广泛使用的人工湿地), 可以为设计生态系统在工程实践中的应用提供支持。与人工湿地相比, 设计生态系统对综合目标的追求使其难以像工程零件一样完全标准化。然而, 前人的研究和实践也表明, 对地形异质性[72–74]和水土条件的改造[74–75]以及植物群落的配置[76]是修复生态系统功能的核心部分, 因此依据生态系统的组成要素和结构来解析和设计生态系统具备工程实践的可行性。借鉴“灰绿结合”的模式, 将水、土要素, 即生境的营造以及栈道、可渗透铺装等游憩设施像灰色设施一样标准化, 植物和动物等生物链部分则设置较大的灵活性, 是设计生态系统工程化的可行路径。本文提出的生境–生物–游憩的垂直分层结构能最大限度地将生态系统中可工程化的部分予以适度标准化, 同时保留生物部分的自我演替功能。目前, 如何处理好系统中灰色工程部分与自然生物组分之间的边界与耦合关系是设计生态系统的难点, 也是提高设计生态系统实践应用效益的关键。
参数的选取主要依据我们参与的部分设计项目实践和国际国内典型生态工程的设计规范。设计的目标和尺度不同, 涉及的参数重要性也不同[77]。例如植物种类选择方面, 其幼苗成熟度和生理指标均可被视为关键参数。这也说明, 设计生态系统的工程化不能秉承灰色设施的工程化路径, 设定固化的量化参数, 而是需要探索一条部分固化、部分灵活的参数设置方式。结合适应性管理(adaptive manage-ment)[78]的设计实验方法(designed experiments)或许是目前较为可行的路径[79–81]。将生态学的研究需求和实验方案设计到实际的建设项目之中, 通过监测、评估和反馈的循环方式, 更新设计参数和生态理论[81]。本文提出的 31 项关键参数(表 1)可被视为应用于设计生态系统实践的初值, 在实践中通过设计实验的方式迭代优化。由于生物生长周期不可改变、设计参数众多以及生态过程的非线性, 单纯通过数理控制实验的方式开展设计参数的量化较难实现。未来在生态修复项目中, 在完成既定修复目标的情况下, 为开展进一步的设计参数量化实验留白是数理控制实验的有效补充。
在我国过去的生态修复实践中, 有学者也吸收改进了传统的农耕方式。例如, Chen 等[82]设计了梯田和基塘的组合模式来修复三峡水库消落带, 田块宽度为 4～7.5m, 高差为 0.5～1m。本文的梯田模式参数与之相似。袁兴中等[36]在季节性水位变动条件下, 在平缓坡面上构建水塘系统, 塘平均大小为30～60hm2, 深度为 0.3～1m, 塘基宽 0.8～1m, 塘基和塘内种植大量植物。本文提出的基塘应用环境与他们相同, 但塘、基规模的参数值有所差异。这是由于, 他们设计的目的是适应水库消落带的水位变动, 而本文所提参数侧重水质净化和综合生态系统服务。此外, 还有学者提出基–果–水–岸–生的湿地生态系统设计方法[35], 本文的垛田模式与该模式最终的形态相似。
本文归纳的 4 类模式实际上是应对不同地形下 4 种水土关系的改造模式, 尽管不同地区的气候有差异, 但水土关系均可归纳为坡面、沟谷、洼地和浅水等几大类, 因此本文模式可通过选择和调节具体参数来适用于不同的地区。
针对自然途径效率低和可复制性差等问题, 本文探索了一条适用于生态修复实践的可工程化和可复制推广的设计生态系统途径。依据生态学与设计学的原理, 提出设计生态系统的一般方法框架, 即以提供综合生态系统服务为导向, 以生态系统的基本规律为依据, 通过水土平衡的生境营造、稳定有序的乡土生物网配置以及最小干预的游憩设施介入, 构建人与自然耦合的生态系统。本文框架中的生境–生物–游憩的垂直分层结构能最大限度地将生态系统中可工程化的部分予以适度标准化, 又保留了生物部分的自我演替功能。同时, 依据生态修复设计实践及国内外经典生态工程设计指南, 从结构、材料和辅助措施三方面, 总结出 31 项设计生态系统的关键设计参数。这些参数可被视为设计生态系统实践的初值, 需在实践中通过设计实验的方式迭代优化。在此基础上, 依据传统生态智慧工程化的思路, 我们提出梯田、陂塘、基塘和垛田 4 类生境营造模式, 在基本模式特征、生境单元塑造、水循环调节、土壤环境调节、生物群落配置和游憩设施构建方面给出具体的设计方法与参数数值。可通过具体参数的选择和调整, 将这 4 类模式应用于不同的地区。
目前设计生态系统模式的灵感主要来源于过往的农耕经验, 但开展的研究仍不充分。未来的研究中应当针对包括造田、理水、种植、耕作和收获等在内的农耕全过程, 以及乡土文化和美学价值等要素进行更全面的设计模式提炼。
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General Method Framework of Designed Ecosystem and Its Application in Typical Habitat Creation Modes
Abstract Based on the principles of ecology and design, the general method framework of designed ecosystem was put forward. The framework is guided by the provision of integrated ecosystem services and based on the basic laws of the ecosystem, which aims to create a balanced habitat of soil and water, configure a stable and orderly local biological network, and design recreation facilities with minimum intervention. At the same time, according to the practice of ecological restoration design and the classical ecological engineering design guides, this study summarized the key design parameters of the designed ecosystem from three aspects: structure, materials and auxiliary measures, a total of 31 items. On this basis, to engineer the traditional ecological wisdom, specific design methods and quantitative parameters of terrace, impounding-pond, dike-pond and stacking-fields habitat creation modes in the aspects of basic model characteristics, habitat unit shaping, water cycle regulation, soil environment regulation, biological community allocation and recreation facilities construction were put forward. This result provides an engineering and replicable method for the practice of large area ecosystem restoration engineering in China.
Key words designed ecosystem; nature-based solutions; ecosystem services; traditional ecological wisdom