设计生态系统的一般方法框架及其在典型模式中的应用.pdf
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1、 501 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:20220520;修回日期:20220815 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 设计生态系统的一般方法框架及其 在典型模式中的应用 王志勇1,2 李嘉宁3 刘佳驹1,4,
2、彭晓3 1.中国环境科学研究院,北京 100012;2.北京大学景观设计学研究院,北京 100871;3.北京大学城市与环境学院,北京 100871;4.北京大学建筑与景观设计学院,北京 100871;通信作者,E-mail: 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
3、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 General Method Framework of Designed Ecosystem and Its Application in Typical Habitat Creation Modes WANG Zhiyong1,2,LI
4、Jianing3,LIU Jiaju1,4,PENG Xiao3 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.College of Architecture and Landscape
5、 of Peking University,Beijing 100871;Corresponding author,E-mail: 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 eco
6、system,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 des
7、ign 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
8、-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
9、 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北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 3 期 2023 年 5 月 502 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
10、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12。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34。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56。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(
11、或综合)生态系统服务1113)。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1516提出的生态工程;在景观设计学领域,McHarg17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181972 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
12、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
13、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。Landis25 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2627。世界银行28、欧盟29和 IUCN30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
14、,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
15、三峡库区成功实践3638。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
16、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。1 设计生态系统的一般方法框架与关键设计参数 一个生态系统可以从结构、动力学过程和功能 王志勇等 设计生态系统的一般方法框架及其在典型模式中的应用 503 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4142。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
17、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。1.1 一般方法框架 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
18、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)。1.2 关键设计参数提炼 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
19、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4351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5258,参照近 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5971,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
20、施三方面总结设计生态系统的 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 504 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。2 几种典型设计生态系统模式的设计方法与量化设计参数 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
21、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 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
22、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 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。2.1
23、梯田模式 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,
24、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 1 m。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
25、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 王志勇等 设计生态系统的一般方法框架及其在典型模式中的应用 505 (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 时增强对水中污染物的过滤和吸附净化。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
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