受损河岸生态系统近自然修复过程的自组织机理研究

国家自然科学基金申请书经费预算 (单位:万元)科 目 预算金额备注（计算依据与说明）一．研究经费 15.20001．科研业务费 9.1000（1）测试/计算/分析费 3.6000水质分析400个样品、每个40元，土壤分析400个样品、每个50元（2）能源/动力费 0.5000水电费（3）会议费/差旅费 3.0000国内学术会议（每次4人、每人每次1500元、共5次）（4）出版物/文献/信息传播事务费 2.0000国内论文版面费1篇1000元、共2篇、合计2000元，国际论文版面费1篇5000元、共3篇、合计15000元，文献复印费约3000（5）其他 0.0000 2．实验材料费 3.1000（1）原材料/试剂/药品购置费 3.0000混凝土材料、钢筋、土壤保水保肥剂、苗木种子、防渗布、植物袋、活性有机肥料等。

（2）其他 0.1000记录文具及记录纸等 3．仪器设备费 1.5000（1）购置 1.5000小型携带式pH计（约2000元、日本产），标准土壤色帖（约8000元、日本产）、携带式表面温度计（约5000元、日本产）（2）试制 0.00004．实验室改装费 0.00005．协作费 1.5000租用试验用地每年5000元、共3年 6．其他 0.0000二．国际合作与交流费 2.58001．项目组成员出国合作交流 1.4300去日本参加学术会议1次1人、往返机票8000元；会议费约300元；住宿费每晚400元、5天、合计2000元；交通费4000元2．境外专家来华合作交流 1.1500聘请日本专家1次1人、往返机票8000元；住宿费每晚300元、5天、合计1500元；交通费2000元三．劳务费 2.1600雇工4人、每人每天30元、每年60天、共3年、合计21600元四．管理费 1.0000五．其他 0.0000经 费 总 预 算20.9400 申 请 经 费20.9400自然科学基金其他项目资助经费 0.0000国家其他计划资助经费 0.0000其他经费资助（含部门匹配） 0.0000其他经费来源（单位：万元）合 计 0.0000报告正文（一）立项依据与研究内容1.项目的立项依据(1) 科学意义河流是各种水生生物生存的自然空间。

河流给人类提供了宝贵的水资源，同时也带来了洪水及泥石流等自然灾害。

为了防洪减灾，利用河流水资源，人类通过修建大坝、堤防及渠道等水利工程来控制河流。

这些水利工程在防洪、农业灌溉、发电等方面取得了相当效果的同时，也导致了河流生态系统在功能和结构上受损，受损根本原因在于水利工程的构思、设计和建造上。

基于牛顿力学，水利工程形成了以“还原论”思想为基础的技术体系。

这种传统技术的核心是工程结构的安全性及耐久性，材料主要是施工性好、耐久性强的混凝土或钢筋混凝土。

其缺点在于没有考虑工程构造物对生物及其生态环境的影响。

由此产生的结果是，水质恶化、生境的丧失或被阻断、物种减少等生态系统退化。

河道生态系统的主要受损形式为：①河岸的混凝土化（防止河岸崩塌及侵蚀）；②河床的混凝土化及河床断面的单纯化（防止渗漏，减少水损失）；③河流的直线化（加大河道泄水能力）。

河流这个鱼类等水生生物赖以生存和繁衍的家园，正面临由人类自身活动带来的前所未有的危机（如上图片）。

在获得可持续利用方面，人类面对的挑战之一是由恢复和重建生态系统来逆转生态系统损坏的趋势(Jordan, Dilpin and Aber 1987，Edwards 1994，陈灵芝和陈伟烈1995，Rana 1997，Cairns 1997，任海和彭少麟, 2001)。

国外在修复三面混凝土式受损河道生态系统的研究发展很快.20世纪60年代后期，德国及瑞士认识到混凝土河道治理完全破坏了自然生态系统，开始进行如何把生态学原理应用于水利工程、近自然修复受损河道及河岸的试验研究，由此诞生了生态学与土木工学有机融合的“近自然河道修复技术”及生态工程（杉山 1992，Mitsch和Jorgensn 1989，1996）。

而我国的「生态工程（Ecological Engineering）」作为生态恢复的技术手段，以“社会—经济—自然复合生态系统”为对象，在农业、林业、及农林牧复合退化生态系统恢复和重建方面取得了长足进展（任海和彭少麟 2001，陈灵芝和陈伟烈 1995,盛连喜和景贵和 2002，王如松和周启星等2000，王礼先1995）。

但在三面混凝土式受损河道和河岸生态系统恢复方面的研究很少。

20世纪90年代后期，德国、瑞士、美国、日本等已经先后采用近自然河道修复技术，大规模改修了三面混凝土式河道，恢复河道和河岸的自然生态（如上图片）。

并系统总结了近自然河道修复技术及经验，积累了大量研究成果和范例（山脇 2000，廣濑 1997， Mitsch 1998，Nakamura1997，掘口 1994, 杉山 1992, 井手 1993，山脇 2000, 须藤 2000, 大澤 2002, U.S.EPA 1998）。

国外受损河岸生态系统近自然修复方面的大量研究工作多属于生态恢复实践（生态工程），集中于修复技术、材料的开发及生境斑块的设计和构建上,鱼类、植物等单因子效果评价方面。

且多以短期的单学科研究为主，缺乏对恢复过程的系统的、连续的、动态的、定量化的工作。

特别是关于恢复过程中的生态学过程和机理的综合研究很少，缺乏大量证明恢复过程中的生态系统是如何运行及自我调节的动态的和定量化研究，因而没有形成一个评价近自然河道修复技术有效性的指标体系。

我国虽然已逐渐认识到了水利工程对生态系统的影响，但即使是中小河流，河道的护岸，仍然是考虑河道的安全性问题，以混凝土护岸为主，而较少考虑动植物及微生物的生存环境。

（如下图片）。

例如，2000年4月开工11月完工的“京密引水渠治理二期工程”为了防止水分渗漏，仍然采用了三面混凝土板块式河道治理方案。

近年来，自然河岸带植被结构和功能以及管理的生态学研究备受关注（陈吉泉 1996，陈吉泉 1997，邓红兵等 2001），张建春和彭补拙以退化自然河岸带滩地为对象开展了生态恢复与重建试验（张建春和彭补拙 2003）。

然而，关于三面混凝土式受损河岸生态系统近自然修复及其恢复过程中的生态过程与机理研究，尚未见报道。

河流是连结生境的廊道，河岸植物群落对生态系统的保护起着重要作用，但是随着我国城市化进程的快速推进，河道整治只考虑河岸的实用耐久性而采用三面混凝土式护岸，忽略河流的生态功能，从而破坏了河岸的各种生态过程，导致河流污染严重，廊道的作用越来越小。

同时，河岸生态系统是陆地生态系统和水生生态系统的交错区的复杂生态系统。

所以，以河岸生态系统为研究对象，在我国的土木工程设计中纳入生态学原理，以为生物提供生存空间为核心，开发研究河岸近自然修复技术及其在恢复过程中生态学过程和机理的恢复生态学基础理论研究都是一种新尝试，具有广泛的代表性和示范作用。

本项目属于恢复生态学领域。

恢复生态学是研究生态系统的退化与恢复的生态学过程及机理的科学。

其重要方法论是在生态恢复过程中检验、修正并深化理论，这与其他学科有很大不同。

目前，有关恢复生态学的研究多以短期的单学科研究为主，缺乏对恢复过程的系统的、连续的、动态的和定量化的工作（任海、彭少麟 2001，盛连喜 2002）。

所以，当前恢复生态学，一是尚无被同行普遍接受的指标体系及由这些指标构成的模拟、检验和预测模型；二是同生态恢复实践（生态工程）脱节（任海、彭少麟 2001）。

本研究拟采用自组织理论和方法开展研究。

用自组织理论和方法研究退化生态系统恢复过程的组分关系、层次界面的整合作用以及生态系统恢复的内在动力，也是复杂性科学应用的范畴。

该项目将以申请者在日本从事近自然河道修复技术近8年的研究工作为基础，以日本“应用生态工学”的技术路线和方法论（以工程控制论“控制－反馈”为基本范式，通过“设定假说，验证假说”的反复）为指导，开展恢复生态学的基础理论和方法论研究。

研究构想为：根据恢复生态学自身的自我设计和人为设计理论开展研究工作。

首先采用近自然修复技术重建受损河岸生态系统；采用自组织分析方法和动态模型的途径，证明生态系统的自我调节能力是否已经在实施近自然河道修复技术之后成功地运行，将建立一套评价近自然河道修复技术有效性的指标体系。

重点放在“恢复过程”上，即人工措施启动下构建的初始植物群落（构建适于动植物及微生物生存的生境）在恢复过程中的生态学过程和机理。

主要论题包括：A.芦苇等乡土水生植物的人工增殖与水质净化机理研究；B.恢复过程中生态系统自组织能力及其评价指标体系的研究；C.恢复过程中生态系统恢复能力及其评价指标体系的研究。

着眼点放在“方法论”上，以动态的新观念和新视角，在旧问题中发现新问题，揭示新规律，创建新理论和新方法，对生态学理论的深化有所贡献。

该项目在国内是一种新尝试，同时，将恢复生态学与复杂性科学相融合的交叉研究及长期连续的、动态的观测设计在“方法论”上也是一种新尝试，将对学科发展起到导向与示范作用。

其重要性和科学意义主要体现在以下几个方面：A.在理论和技术上，为我国已建混凝土式受损河岸生态系统的近自然修复提供新范例新模式与科学依据；B.建立符合工程控制论＂反馈－控制＂基本范式的方法论体系，在恢复生态学的理论与实践（工程生态）结合上，为恢复生态学理论的深化有所贡献；C.建立一套评价近自然河道修复技术有效性的指标体系；D.适于动植物及微生物生存的河岸生态设计提出参考工程设计规范和科学依据。

本研究对解决我国道路、城市等开发建设中的自然生态环境的保护和恢复问题也具有重大的理论和应用价值。

(2) 国内外研究现状分析鉴于土木工程对河流生态系统破坏的反省，国外在三面混凝土式受损河道生态系统修复方面，重点研究如何把生态学原理运用于土木工程设计中，创建新的土木工程设计理论和施工方法。

1938年德国Seifert首先提出近自然河溪治理的概念，指能够在完成传统河道治理任务的基础上可以达到接近自然、经济并保持景观美的一种治理方案（高甲荣 1999）。

1962年由H.Todum等提出将自我设计（self-organizing activities）的生态学概念用于工程中，首次提出的ecological engineering的概念（王如松 2000，盛连喜 2002）。

1965年德国Ernst Bittmann在莱茵河用芦苇和柳树进行生物护岸试验（杉山 1992）。

20世纪70年代末瑞士Zurich州河川保护局建设部的Christian Göldi将德国Bittmann的生物护岸法丰富发展为“近自然河道修复技术”（拆除已建的混凝土护岸，改修成柳树和自然石护岸，给鱼类等提供生存空间，把直线形河道改修为具有深渊和浅滩的蛇形弯曲的自然河道，让河流保持自然状态）（杉山 1992）。