重庆市三峡库区澎溪河流域河／库岸带生态系统修复
注：本文为删减版，不可直接引用。原中英文全文刊发于《景观设计学》（Landscape Architecture Frontiers）2021年第3期“大河流域生态系统保护与修复”专刊。获取全文免费下载链接请点击此处。
导 读
河岸带是河流与景观环境耦合的核心部位。然而，水坝和水库的建设使得多数河段河岸界面变成河／库交替的界面，由此对流域水文及水环境产生巨大影响。本文在探讨界面生态特征的基础上，提出了河／库岸带界面生态设计策略及基本技术框架，并以重庆市三峡库区澎溪河流域为例，探讨了水位变动下河／库岸生态系统修复设计与实践。生态绩效分析结果表明，修复后的乌杨坝河／库岸界面实现了界面生态修复与滨水空间景观建设和优化协同共生。该项目是河／库岸带界面生态系统修复设计和实践的创新探索，其设计策略可应用于受水位调节影响的河／库岸带生态系统修复。
跨越界面的生态设计
——重庆市三峡库区澎溪河河／库岸带生态系统修复
Ecological Design Across Interface:
Ecosystem Restoration of Pengxi River/Reservoir in Three Gorges Reservoir Area, Chongqing
袁兴中
重庆大学建筑城规学院教授，博士生导师；重庆大学三峡库区消落区生态修复与治理研究中心主任
向羚丰
重庆大学建筑城规学院风景园林专业硕士研究生
扈玉兴
重庆大学建筑城规学院风景园林专业硕士研究生
程威
重庆大学建筑城规学院风景园林专业硕士研究生
黄亚洲
重庆市开州区自然保护地管理中心副主任，高级工程师
熊森
重庆市开州区自然保护地管理中心主任，教授级高工
袁嘉
重庆大学建筑城规学院副教授，博士生导师；三峡库区消落区生态修复与治理研究中心骨干研究人员
王芳
重庆大学环境与生态学院生态学专业博士生
1 引言
“界面”（Interface）概念源于物理学，是指物质相与相的分界面[1]。20世纪六七十年代，物理学家与生态学家、生理学家合作提出了生物与环境间“界面”的概念[2]~[4]。1993年，王信理等人揭示了生态边界层的结构特征和变化规律[5]。
然而，目前鲜有对于陆地与河湖水体之间的水陆生态界面的研究。河岸带是集水区陆域与河流水体间的界面，在河流生态系统健康维持中发挥着重要的生态服务功能[6]。既有研究对河岸带作为水陆界面的生态特征及功能关注较少，尤其对筑坝蓄水影响下天然河岸成为河／库岸带交替生态界面（下文简称“河／库岸带界面”）后的变化、修复技术及调控机理的研究很少。本文在探讨河岸带界面概念、界面生态特征的基础上，提出了河／库岸带界面生态设计策略及基本技术框架，并以重庆市开州区三峡库区澎溪河流域水位涨落的河/库岸带界面（消落带界面）为例，探讨了河／库岸带界面生态系统修复设计实践，以期为相关流域界面生态系统修复研究与实践提供参考。
2 河岸带界面总体特征与变化
河岸带界面概念及特征
河岸带是联系陆地和水生生态系统的重要界面，环境胁迫最易富集，河流自然调节也最为活跃，故而也是河流与景观环境耦合的核心部位。
物理特征
河岸带界面的物理特征可概括为界面宽度、界面底质、界面坡度、界面地形起伏度等方面。河流级别越高，河岸带界面宽度越大。界面底质可为动物提供不同性质的活动基底。河岸带界面坡度与河岸稳定性相关。河岸带地形起伏度与生境类型的多样性密切相关。
生态特征
河岸带具有明显的四维结构特征，即纵向（上游－下游）、横向（河道－河岸带－河岸高地）、垂向（河岸土壤－地下水）和时间（随时间而变化的河岸形态及河岸生物群落演替）4个维度。
生态功能
河岸带界面为河流提供遮荫、维持边岸稳定性、过滤并净化地表径流、提供生物生境等生态功能[7]。
生态过程
河岸带界面生态功能与界面生态过程关联密切。河岸带界面生态过程指营养物质循环、能量流动、水文过程及其相互关系，具体包括跨越界面的地表水文流、营养物质流和物种流等。
河岸带界面特征变化
由于河流梯级水坝建设及水库运行的人为调节方式，河／库岸带界面特征已发生明显变化。大多数河流水库基于发电及防洪需要，在自然汛期后进行反季节水位调节。这种水位调节对流域水文过程及水环境，以及流域整体生态系统产生不利影响。因此，需要针对受到人工调节影响的河／库岸带界面的具体水位变化进行综合修复设计。
3 河／库岸带界面生态设计策略及技术框架
河／库岸带界面生态设计策略
针对受反季节水位调节影响的河／库岸带界面的生态特征变化，以及相关生态功能衰退问题，本文创新性地提出适用于河／库岸带界面生态设计的“NMSRMC策略”。
1）N—基于自然的解决方案（nature-based solutions）：通过保护、管理和修复自然生态系统，以应对环境变化的挑战。
2）M—多功能设计（multi-function design）：针对河／库岸带界面生态功能衰退状况，强调界面过滤、拦截、屏障、生物生境等多功能设计。
3）S—自然的自我设计（self-design of nature）：重视自然动力过程为推动力的河／库岸带界面的自我设计能力。
4）R—再野化设计（rewilding design）：通过生态系统修复重塑自然过程。
5）M—多维空间设计（multi-dimensional spatial design）：遵循生态梯度变化，重建多空间维度、多景观层次、多生态序列的河／库岸带景观。
6）C—协同共生设计（collaborative design）：遵循协同共生原则，使界面内所有要素形成相对稳定的协同共生系统。
河／库岸带界面生态设计技术框架
遵循界面生态设计策略，以要素－结构－功能－过程为逻辑思路，提出河／库岸带界面生态设计的基本技术框架。该框架强调环境要素与生物要素之间的协同共生，维持河／库岸带界面的生态健康。
河／库岸带界面生态设计技术框架 © 袁兴中，向羚丰，扈玉兴，黄亚洲，熊森，袁嘉，王芳
4 澎溪河流域河／库岸带生态修复
研究区域环境概况
重庆市澎溪河受三峡水库蓄水影响显著。研究区域乌杨坝河岸带区域位于南河与东河汇合口的下游，是典型的河－库交替区域，具有季节性水位变动：三峡水库蓄水后，每年汛后10月份，澎溪河水位逐步升高至175m，并维持到一月初；其后随着三峡水库放水，水位逐步下降，五月末降至最低水位145m。
研究区域地理位置 © 袁兴中，向羚丰，扈玉兴，黄亚洲，熊森，袁嘉，王芳
受三峡水库蓄水影响，原145m高程以下的河岸带被淹没；由于水位周期性涨落，植物种类单一、群落结构简单；因城市建设及防洪护岸需要，175~185m高程已建成完全硬化的护坡。
三峡水库蓄水前乌杨坝河岸状况（摄于2010年） © 袁兴中
综合要素设计
地形设计
乌杨坝河／库岸带175m高程是一个坡度转折点，175m以下是季节性水位波动区，175~185m区域是坡度约为40°的护坡。本研究在维持原有蜿蜒岸线的基础上，进行河／库岸带界面复合地形格局设计：
1）145~165m高程带保留原微地貌形态，保留采掘坑，形成高水位时期水下丰富的地形结构；不进行植物种植，以自然恢复的草本植物为主。
2）173m高程处有一处因人工挖掘破坏形成的较陡边坡，将165~173m高程带设计为坡率1:3的缓平岸带，同时保持岸坡表面的微地形起伏。
3）173~175m高程带根据季节性水位变化，结合动物的生境需求，设计宽5m的线性凹道，以及洼地、浅塘等水文地貌结构。
4）通过破除硬质化护坡，在175~185m高程护坡上设计起伏的微地貌结构，形成乔－灌－草相结合的多层群落结构。
乌杨坝河／库岸带界面复合地形格局设计 © 袁兴中，向羚丰，扈玉兴，黄亚洲，熊森，袁嘉，王芳
底质设计
除了河／库岸带界面稳定性外，还应综合考虑通过不同高程、不同类型底质设计，增加基底环境异质性，并与生物群落有机结合，形成适应水位变化的河／库岸带界面基底结构。
1）145~165m高程带保留原有砂石、黏土交混的底质，以利于植物群落的自然恢复和水生无脊椎动物生存。
2）165~173m高程带内的平缓岸缘采用块石抛石护岸，形成多孔隙水岸，为鱼类及虾蟹类水生无脊椎动物提供栖居空间；其余区域选取砂卵石（或碎石土）分层碾压回填，其上铺设壤土，为灌丛和草本植物的恢复提供条件。
3）173~175m高程带选取砂卵石分层碾压回填，再铺设壤土，为林泽带的种植提供生长基底；线性凹道两侧均用大块石抛石护岸，形成多孔隙水岸。
4）175~185m高程带破除硬质护坡后，回填夯实后铺设壤土，为乔－灌－草复层混交植物群落提供着生基底。
与水文变化相适应的种植设计
将高程与水文节律及水位波动相结合，保证乌杨坝河／库岸带界面生态设计在纵向上不阻挡水文流，同时通过凹道设计保证横向上多流路水文形态的存在。
1）145~165m高程带植物以自然恢复为主；
2）165~173m高程带稀疏种植耐水淹灌木、自然恢复草本植物；
3）173~175m高程带种植混交林泽，林泽带内设计林窗、凹道、洼地、浅塘等水文地貌结构，后期依靠自然传播在林下形成高草草本群落；
4）在175~176m高程带稀疏种植芭茅，在175~185m高程带的前缘形成缓冲带，同时也有助于丰富植物群落层次结构。
5）176~185m高程带设计乔－灌－草复层混交植物群落。
生物要素设计
本研究提出了地形－底质－生物协同设计系统和植物－昆虫－鸟类协同设计系统。设计重点在于运用耐受季节性水淹的植物物种，建立优良的植物群落结构；再通过不同高程的生境设计吸引动物，从而丰富河／库岸带界面的生物多样性。
乌杨坝河／库岸带界面植物—昆虫—鸟类协同设计模式 © 袁兴中，向羚丰，扈玉兴，黄亚洲，熊森，袁嘉，王芳
植物筛选是河／库岸带界面生态修复的关键。165~173m高程带稀疏种植耐水淹的灌木，173~175m高程带种植耐水淹的乔木并稀疏种植耐水淹灌木，草本植物依靠自然恢复，由此形成冬季淹没水中、夏季出露的乔－灌－草复层混交林泽带。
乌杨坝河／库岸带界面不同水位时期的植物群落模式图 © 袁兴中，向羚丰，扈玉兴，黄亚洲，熊森，袁嘉，王芳
在不同高程、水位、地形复合格局中，植物、昆虫、鸟类也形成协同共生关系，构建起稳定的河岸界面生命系统，从而提高了河／库岸带界面的生物多样性。
结构设计
研究区域长约2km，根据高程、地形、底质特征和水位变动，将植物群落设计为多带多功能缓冲系统。在各高程带内，为不同种类的动物提供栖息环境；对各断面植被带宽度做出适应性调整，形成植物群落的水平镶嵌结构；采取多种类植物交错镶嵌生长的种植策略，形成拟自然植物群落的多层垂直分布格局。
功能与过程设计
本研究重点针对乌杨坝河／库岸带的主导生态功能及生态过程进行设计，主要包括污染净化及雨洪控制、河／库岸带界面稳定及土壤保持、生物多样性提升和景观优化。
5 河／库岸带界面生态修复绩效评估
研究区域在基本没有人工管理措施的情况下，完全经由自然的自我设计和调控，目前正在经历一个明显的再野化过程，河／库岸带界面生态系统正在发挥着良好的生态效益。
乌杨坝河／库岸带界面多带多功能缓冲系统（2017年7月拍摄） © 袁兴中
乌杨坝河／库岸带界面生态系统在经历再野化过程（2017年7月拍摄） © 袁兴中
生物多样性提升效果显著
研究区域种植的耐水淹乔、灌木历经多年季节性水位变动，存活状况良好，群落结构稳定，生物多样性提升明显。
不同水位时期乌杨坝河／库岸景观（上图摄于2018年11月，下图摄于2020年7月） © 袁兴中
地形－底质－植物－动物的协同修复产生了明显效果，不同生境结构单元及立体生境空间的形成，为涉禽、游禽、鸣禽等不同生态位的鸟类营造了栖息、觅食乃至繁殖的生境，形成了从水到陆沿生境梯度的植物－鸟类复合格局，提高了鸟类多样性。
植物适应水位变化能力强
无论是乔木、灌木，还是草本植物，经过7年冬季水淹的考验，植物的生长形态、繁殖状况、物候变化等均表现出对季节性水位变化的良好适应。
冬季高水位期的耐水淹乔木（上图摄于2018年12月，下图摄于2020年12月） © 袁兴中
地表径流面源污染净化能力提升
2015年6~9月，研究团队收集降水后径流水样，进行了水质监测分析。结果表明，河／库岸带界面生态系统修复有效削减了入河／库污染负荷。此外，修复后乌杨坝河／库岸带界面也发挥了较好的雨洪控制功能。
6 结论
作为水陆之间的生态界面，河／库岸带界面生态设计应遵循从要素－结构－功能－过程的逻辑思路，强调生态要素设计与空间结构设计的有机融合，奠定界面生态功能的基础，满足河／库岸带界面的多功能需求；通过生态功能与过程的耦合设计，维持界面生态系统健康。
乌杨坝河／库岸带生态系统修复研究仅仅是界面生态设计的初步探索，其设计策略及模式可应用于受水位调节影响的河／库岸带生态系统修复。在今后的研究中，应进一步探索河／库岸带界面生态组成要素的耦合机制，研发河／库岸带界面生态设计的系统方法和关键技术，开展河／库岸带界面生态结构与功能协同的设计调控机理和方法体系研究。
部分参考文献
[1] Yan, P., Hao, W., & Gao, T. (2004). Chemistry of Fine Chemicals. Beijing: Chemical Industry Press.
[2] Gates, D. M., Vetter, M. J., & Thompson, M. C. (1963). Measurement of moisture boundary layers and leaf transpiration with a microwave refractometer. Nature, 197(4872), 1070-1072. doi:10.1038/1971070a0
[3] Grace, J., & Wilson, J. (1976). The boundary layer over a Populus leaf. Journal of Experimental Botany, 27(2), 231-241. doi:10.1093/jxb/27.2.231
[4] Han, S. (2002). Present situation and prospect of eco-boundary ecology. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, (4), 260-263. doi:10.16418/j.issn.1000-3045.2002.04.008
[5] Wang, X., & Xiong, W. (1993). Structure of tea plantation’s ecoboundary layer and its variation pattern. Chinese Journal of Applied Ecology, 4(3), 256-259. doi:10.13287/j.1001-9332.1993.0055
[6] Yuan, X. (2020). River ecology. Chongqing, China: Chongqing Publishing Group.
[7] Hedin, L. O., von Fischer, J. C., Ostron, N. E., Kennedy, B. P., Brown, M. G., & Robertson, G. P. (1998). Thermodynamic constraints on nitrogen transformation and other biogeochemical processes at soil-stream interfaces. Ecology, 79(2), 684-703. doi:10.2307/176963
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Yuan, X., Xiang, L., Hu, Y., Cheng, W., Huang, Y., Xiong, S., Yuan, J., & Wang, F. (2021). Ecological Design Across Interface: Ecosystem Restoration of Pengxi River/Reservoir in Three Gorges Reservoir Area, Chongqing. Landscape Architecture Frontiers, 9(3), 12‒27. https://doi.org/10.15302/J-LAF-1-020048
编辑 | 田乐 周佳怡
翻译 | 田乐 周佳怡 肖杰
制作 | 顾芗
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