極端氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)及生態(tài)修復(fù)工程的影響

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（陜西省國(guó)土整治中心，陜西 西安 710000）

極端氣候頻率的增加、強(qiáng)度的加大和持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)是目前人類面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一[1]。近年來(lái)，全球范圍內(nèi)發(fā)生了一系列引起廣泛關(guān)注的極端氣候，如新西蘭南島極端降雨所導(dǎo)致的500 年一遇的滑坡、北極海冰達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的最新低值、澳大利亞?wèn)|部的超級(jí)風(fēng)暴“桑迪”、2003 年和2010 年歐洲地區(qū)的高溫?zé)崂恕?020 年印度巴基斯坦和撒哈拉沙漠以南非洲的干旱、2019-2020 年澳大利亞叢林大火以及我國(guó)2020 年長(zhǎng)江大洪水、2021 年春北方肆虐多次的沙塵暴、2021 年5 月初華北地區(qū)和西北地區(qū)極端低溫等。由于生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)解與自我修復(fù)有限以及應(yīng)對(duì)極端氣候影響能力有限，極端氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)造成破壞和影響更嚴(yán)重、更持久，且不可恢復(fù)。全面、準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)極端氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)及生態(tài)修復(fù)的影響，才能更好地降低極端氣候?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境造成破壞及開(kāi)展生態(tài)修復(fù)工作。極端干旱、極端降水、極端高溫和極端低溫是陜西省近幾年較為常見(jiàn)的極端氣候事件。本文針對(duì)陜西省常見(jiàn)的極端氣候分別研究極端氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)及生態(tài)修復(fù)的影響。

1 極端氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)的影響

1.1 極端干旱對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響

從區(qū)域和全球尺度上看，干旱被認(rèn)為是影響當(dāng)前世界生態(tài)系統(tǒng)的最主要脅迫因子之一。干旱的頻繁發(fā)生和長(zhǎng)期持續(xù)，不僅會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失，還會(huì)造成水資源短缺、荒漠化加劇、沙塵暴頻發(fā)等諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。如：2020 年陜北遭遇了近10 年來(lái)最嚴(yán)重干旱，總降水量極低，造成百萬(wàn)畝耕地未能入種，同時(shí)帶來(lái)白于山區(qū)供水飲水困難。極端干旱對(duì)植物生理生態(tài)過(guò)程、生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)、地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能及對(duì)生物多樣性能產(chǎn)生影響。極端干旱直接影響到植物的生長(zhǎng)和發(fā)育，甚至導(dǎo)致植物死亡；極端干旱改變了生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流通，改變物種間的相互作用，引起生物多樣性的改變。大范圍的極端干旱事件往往是導(dǎo)致某一區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)發(fā)生巨大改變的驅(qū)動(dòng)力。

極端干旱可能導(dǎo)致湖泊、河流水位下降，部分干涸和斷流，造成水域、濕地等生態(tài)系統(tǒng)的破壞；干旱頻率的增加也導(dǎo)致森林樹種組成發(fā)生改變，相對(duì)更耐旱樹種的比例隨之增加，造成森林生態(tài)系統(tǒng)功能整體衰退。由于干旱缺水造成地表水源補(bǔ)給不足，更多的負(fù)土壤水勢(shì)和較低的土壤導(dǎo)水率觸發(fā)了莖中水分運(yùn)輸?shù)乃ㄈ筒糠质?，使得農(nóng)作物枯死、土壤肥力下降，造成糧食無(wú)法耕種、減產(chǎn)或絕收，從而造成農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)退化。

1.2 極端降水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響

在氣候變暖的背景下，極端降水發(fā)生的頻率和強(qiáng)度逐年增加，如2017 年陜北綏德、商洛、閻良等多地洪澇災(zāi)害。極端降水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響主要取決于極端降水發(fā)生時(shí)生態(tài)系統(tǒng)的水分變化所引起的生態(tài)系統(tǒng)的變化。極端降水以單次降雨強(qiáng)度增大為特征，因此極端降水的頻率增多可能會(huì)加劇土壤侵蝕，加劇土壤有機(jī)碳的剝蝕、遷移和沉積過(guò)程，產(chǎn)生了區(qū)域水土流失增加，植被養(yǎng)分流失、生長(zhǎng)受限，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化。在干旱地區(qū)，極端降水導(dǎo)致土壤水分增加，地表徑流流量增加，雖然短時(shí)間提高了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)植被的生產(chǎn)力，但由于干旱地區(qū)植被稀少，土壤易侵蝕，易產(chǎn)生大范圍水土流失，造成土壤肥力的下降，造成區(qū)域耕種層生態(tài)環(huán)境退化；在濕潤(rùn)地區(qū)，極端降水可能造成動(dòng)植物長(zhǎng)時(shí)間處于淹水狀態(tài)下，導(dǎo)致植被根系嚴(yán)重缺氧、呼吸減少，動(dòng)物巢穴破壞無(wú)處躲藏、覓食，可能最終引起動(dòng)植物死亡，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生物種群大量消失。

1.3 極端高溫對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響

近20 年來(lái)，陜西省極端高溫呈明顯的上升趨勢(shì)，尤其在2005 年之后，極端高溫迅猛上升。極端高溫影響農(nóng)作物生長(zhǎng)和發(fā)育，當(dāng)溫度上升到一定值，作物將停止生長(zhǎng)甚至死亡，同時(shí)極端高溫會(huì)導(dǎo)致土壤微生物休眠或死亡，導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)被破壞；極端高溫影響水生生態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)溫度達(dá)到33～35℃時(shí)，大多數(shù)水生生物就不能生存，非生物成分的狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，并且導(dǎo)致溶解氧下降，無(wú)機(jī)鹽濃度升高，增加底泥中氮、磷的釋放，導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)崩潰。極端高溫也容易產(chǎn)生火災(zāi)，如2019-2020 年澳大利亞叢林大火以及四川涼山大火等，導(dǎo)致大面積森林毀壞，動(dòng)植物死亡，森林生態(tài)紊亂，并產(chǎn)生大量的二氧化碳，導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)，使得極端情況加劇。另外，極端高溫伴隨著極端干旱，更加加劇了極端氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)的威脅。

1.4 極端低溫對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響

極端氣候會(huì)帶動(dòng)滯后反應(yīng)，導(dǎo)致草原系統(tǒng)的土壤異養(yǎng)呼吸增強(qiáng)，抵消了生態(tài)系統(tǒng)碳的凈吸收；土壤凍結(jié)森林系統(tǒng)增加了異養(yǎng)呼吸應(yīng)對(duì)夏季干旱的敏感性。極端低溫主要發(fā)生在北方的初春與深秋時(shí)節(jié)，在植被生長(zhǎng)季初期和末期產(chǎn)生凍害，引起易脫水細(xì)胞的植物組織（如花蕾、葉片等）凍害，甚至死亡，表現(xiàn)為春季物候提前和秋季物候延遲。近年來(lái)，陜西省極端低溫呈顯著上升趨勢(shì)，呈顯著上升趨勢(shì)的區(qū)域?yàn)殛儽焙完P(guān)中地區(qū)，零散分布在漢中盆地，主要發(fā)生在春季。極端低溫導(dǎo)致春季植被無(wú)法正常復(fù)蘇，冬眠動(dòng)物無(wú)法正常覓食；極端低溫導(dǎo)致秋季植被無(wú)法正常掛果，并導(dǎo)致植被種子減量減質(zhì)，同時(shí)動(dòng)物無(wú)法儲(chǔ)備足量食物過(guò)冬，使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)季節(jié)更替紊亂。

2 極端氣候?qū)ι鷳B(tài)修復(fù)的影響

極端氣候頻率的增加、強(qiáng)度的加大和持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)導(dǎo)致對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響破壞程度更加嚴(yán)重，在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的同時(shí)還對(duì)生態(tài)修復(fù)提出新的要求。

2.1 極端氣候要求生態(tài)修復(fù)應(yīng)具有針對(duì)性

由于極端氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)的破壞存在極端性、突發(fā)性，要求在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)過(guò)程中針對(duì)其特征，盡量選取穩(wěn)定性好、抗自然災(zāi)害的生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)。尤其在對(duì)礦山修復(fù)過(guò)程中，要選取更加耐瘠薄、耐干旱、耐鹽堿、抗病蟲害等植被，以確保生態(tài)修復(fù)成果。在易出現(xiàn)極端降水的區(qū)域，單次降雨強(qiáng)度增大，許多無(wú)法抗沖涮、固定不牢的修復(fù)工程不宜使用，如掛網(wǎng)噴播綠化、生態(tài)袋綠化等修復(fù)工程技術(shù)，宜采用混凝土空心磚坡面植被修復(fù)技術(shù)、漿砌石框架坡面植被修復(fù)技術(shù)、植生混凝土綠化等穩(wěn)定性高的工程技術(shù)，同時(shí)需在原有工程基礎(chǔ)上補(bǔ)充控水排水工程、防洪排洪措施、疏通河道措施，防止極端降水無(wú)法順利排出，導(dǎo)致動(dòng)植物長(zhǎng)時(shí)間淹水，出現(xiàn)大規(guī)模水土流失。在易出現(xiàn)極端干旱、高溫的區(qū)域，不能選取對(duì)水土要求高的工程技術(shù)手段，如掛網(wǎng)噴播綠化、生態(tài)袋綠化等，需補(bǔ)充集水工程、海綿工程措施，用于保留、收集與聚集足夠的水資源保障生態(tài)修復(fù)的綠化植被用水需求，并且綠化植被選擇盡量選取耐瘠薄、耐干旱、耐鹽堿、抗病蟲害的綠化植物，如有側(cè)柏、白榆、白蠟、山桃等喬木，錦雞兒、檸條、紫穗槐、繡線菊、丁香、荊條、枸杞等灌木，野葛、地錦、凌霄、常春藤、杠柳等藤本植物，山野豌豆、紫花苜蓿、結(jié)縷草、堿茅等草本植物。

2.2 極端氣候要求綠植選取應(yīng)具有多樣性

生物多樣性可提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力對(duì)極端氣候事件的抵抗力。生物多樣性主要通過(guò)增加對(duì)氣候事件的抵抗力來(lái)穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力以及與此相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。極端氣候造成的生物多樣性喪失可能會(huì)降低生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，修復(fù)生物多樣性則會(huì)增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于自然解決方案的生態(tài)修復(fù)要求選取植物類型多樣化，具有生態(tài)層次感，具有增強(qiáng)植被系統(tǒng)及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利于修復(fù)后礦山生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復(fù)的植被種類。選取植物類型時(shí)，需結(jié)合鄉(xiāng)土植物綜合考慮，對(duì)喬灌木、草本以及藤本等植物進(jìn)行組合選取，組成具有規(guī)律且相互協(xié)調(diào)的穩(wěn)定組合，以構(gòu)成多樣而穩(wěn)定的植物群落結(jié)構(gòu)[2]，更有利于工程修復(fù)后的自然修復(fù)的穩(wěn)定進(jìn)行。在生態(tài)修復(fù)前期，植物種類應(yīng)為環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快的藤本植物、草本植物，便于礦山快速綠化覆蓋，改善覆土土壤環(huán)境；修復(fù)后期，選取喬灌木、草本以及藤本植物等生態(tài)層次感鄉(xiāng)土植物，以便長(zhǎng)期穩(wěn)定植被群落。選取多樣綠植的同時(shí)，還需構(gòu)建動(dòng)物遷徙綠色廊道，引入周邊的鄉(xiāng)土動(dòng)物，增加修復(fù)物種的多樣性。

2.3 極端氣候要求生態(tài)修復(fù)工程具有前瞻性

極端氣候的頻繁發(fā)生要求生態(tài)修復(fù)必須具有前瞻性，要求在設(shè)計(jì)修復(fù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮研究區(qū)域極端氣候發(fā)生可能。在資金允許下，將修復(fù)工程的質(zhì)量等級(jí)提高到能抵御50 年一遇或100 年一遇的極端氣候。比如，在陜北黃土高原地區(qū)，其氣候?yàn)榘霛駶?rùn)向半干旱氣候過(guò)渡區(qū)，雨型主要是雨滴大小組成，隨雨強(qiáng)增大而增大，極端降水量主要發(fā)生在7 月，極端干旱發(fā)生在12 月?；陉儽秉S土高原地區(qū)區(qū)域特點(diǎn)，要求生態(tài)修復(fù)既要考慮極端干旱問(wèn)題，還得兼顧極端降水對(duì)土壤侵蝕的影響，需在選取耐旱耐寒綠植的基礎(chǔ)上配套相應(yīng)排水設(shè)施。

3 研究主要存在的問(wèn)題

3.1 極端氣候?qū)ι鷳B(tài)修復(fù)工程的影響研究不足[3]

縱觀已有的氣候變化以及極端氣候?qū)?guó)土生態(tài)修復(fù)影響的研究，大部分研究聚焦于區(qū)域氣候變化的預(yù)測(cè)、綠植的選取、工程的生態(tài)效益等方向上，小部分關(guān)注氣候變化對(duì)生態(tài)工程影響及評(píng)價(jià)研究，很少涉及極端氣候?qū)ι鷳B(tài)修復(fù)技術(shù)與工程的影響。綜合來(lái)看，現(xiàn)有研究難以系統(tǒng)全面闡述氣候變化及極端氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)、生態(tài)修復(fù)工程的影響，無(wú)法滿足多系統(tǒng)、多功能、生物多樣性與脆弱性等方面的影響研究。由于缺乏針對(duì)生態(tài)修復(fù)工程理論的研究方法，忽略了極端氣候的影響，造成研究評(píng)價(jià)結(jié)果有可能存在偏差，面向極端氣候?qū)ι鷳B(tài)修復(fù)工程影響研究的科學(xué)理論與技術(shù)方法亟待完善。

3.2 生態(tài)修復(fù)工程缺乏適應(yīng)極端氣候變化的理念

極端干旱、極端降水、極端高溫和極端低溫對(duì)于生態(tài)修復(fù)工程植被極易產(chǎn)生負(fù)面影響，改變了植被的氣候適應(yīng)性。生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施時(shí)間短、自我修復(fù)時(shí)間跨度大，在工程實(shí)施早期，氣候變化對(duì)生態(tài)工程影響不顯著，建設(shè)中忽視了適應(yīng)氣候變化的理念，導(dǎo)致了建設(shè)工程后期生態(tài)系統(tǒng)功能的退化。

3.3 缺乏有效的氣候變化影響工程實(shí)施效果的評(píng)估方法

生態(tài)修復(fù)工程中生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是氣候變化與人為活動(dòng)共同作用的結(jié)果，目前定量評(píng)估氣候變化影響工程實(shí)施效果的方法仍然比較少見(jiàn)。不同極端氣候?qū)ι鷳B(tài)修復(fù)區(qū)的時(shí)空格局及變化趨勢(shì)存在不同程度的影響。由于缺乏對(duì)極端氣候未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的分析，難以評(píng)價(jià)未來(lái)工程中生態(tài)系統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)與管理措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的績(jī)效，無(wú)法為決策者提供進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。科學(xué)分析極端氣候?qū)ι鷳B(tài)修復(fù)工程的影響，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施效果至關(guān)重要，因此亟待研究極端氣候?qū)こ虒?shí)施效果的評(píng)估理論與方法，以支持生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施。

4 未來(lái)研究發(fā)展方向

針對(duì)生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施過(guò)程中極端氣候?qū)ζ涞挠绊懸约霸斐傻囊恍﹩?wèn)題，本文主要提出了以下幾點(diǎn)建議。

4.1 將極端氣候因素納入工程設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中

在生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施過(guò)程中要充分考慮極端氣候風(fēng)險(xiǎn)，特別是極端氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響，提前采取有效應(yīng)對(duì)措施。如，在陜北黃土高原區(qū)，主要存在的極端氣候是冬季極端干旱、夏季極端降雨，需在工程中增加防洪排水工程，在綠植選取中選擇抗旱抗寒的綠植。所以要將極端氣候因素納入生態(tài)修復(fù)工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，制定應(yīng)對(duì)極端氣候的實(shí)施辦法，確保工程修復(fù)成果安全，在實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益最大化的同時(shí)，也可以增加生態(tài)工程的固碳能力。

4.2 建立穩(wěn)定的生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)評(píng)估機(jī)制

生態(tài)修復(fù)工程應(yīng)大力加強(qiáng)生態(tài)工程監(jiān)測(cè)機(jī)制的建設(shè)，特別是加強(qiáng)對(duì)極端氣候影響的監(jiān)測(cè)。由于尚未建立天、空、地一體化綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)制，針對(duì)極端氣候的影響未被囊括在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，導(dǎo)致生態(tài)修復(fù)工程的評(píng)價(jià)缺乏針對(duì)性、全面性和系統(tǒng)性，難以分析極端氣候?qū)ι鷳B(tài)修復(fù)工程的影響，使得工程應(yīng)對(duì)極端氣候的能力無(wú)法評(píng)估。構(gòu)建全面、長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系，科學(xué)評(píng)估工程的效果和氣候變化的貢獻(xiàn)，這對(duì)于工程規(guī)劃、實(shí)施、成果鞏固具有非常重要的意義。

4.3 構(gòu)建基于極端氣候的科學(xué)工程評(píng)價(jià)體系

積極探索極端氣候?qū)ι鷳B(tài)修復(fù)工程實(shí)施效果的科學(xué)評(píng)價(jià)體系，把極端氣候因素納入到工程評(píng)價(jià)體系當(dāng)中，明確極端氣候?qū)ι鷳B(tài)修復(fù)工程的阻礙作用，從而更好地判斷工程和氣候變化在生態(tài)修復(fù)中的影響因素。構(gòu)建基于極端氣候的科學(xué)工程評(píng)價(jià)體系，科學(xué)合理地部署生態(tài)修復(fù)工程，客觀地評(píng)估極端氣候?qū)ι鷳B(tài)修復(fù)工程效果的影響，為生態(tài)修復(fù)工程的有效實(shí)施提供保障。