氣象驅動生態修復技術探討

楊偉超 +高吉喜 +田美榮 +高志球 周佳雯

摘要：氣象因子是植被生長決定性因子，也是決定生態修復成敗的關鍵，違背氣象因子及其變化規律的生態修復必將增加生態退化程度，因此明確生態修復過程氣象制約因子，并通過借氣象因子之力促進植被恢復，對提高生態修復效率具有重要意義。通過分析氣象因子與生態修復的關系，提出氣象驅動修復是指在人為對氣象因子正向干擾下，使生態系統發生正向演替，快速提高生態系統功能的生態修復過程，要點包括氣象驅動修復的理論基礎、關注焦點以及主要手段3個方面。并給出當前存在的氣象因子調控下的植被生長模式與方法，從加強氣象觀測、氣象預報模式研究、物種調查以及后續管護等方面提出對策與建議，并對氣象驅動修復的未來研究趨向進行了展望。

關鍵詞：生態修復；氣象因子；驅動修復；概念；技術措施；植物修復

中圖分類號： S181文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）04-0005-04

隨著全球范圍內的生態退化及由此而引發的生態危機、環境問題和生物多樣性散失等問題的出現，諸如水土流失、森林消減、草原退化、土地荒漠化、水體污染等生態問題愈來愈嚴重。為此，世界范圍內興起了不同規模、不同形式的生態修復活動，旨在保護現有自然生態系統，綜合整治與修復已退化的生態系統，改善生態環境，提高區域生產力，使生態系統更加有利于社會的可持續健康發展。目前，國內外對生態系統退化機理及其恢復途徑有很多探索和研究[1-3]，并且已取得了良好的效果，但也不乏失敗的教訓。研究表明，我國各類防護林在生長發育過程中出現了林木生長停滯，甚至枯死等嚴重的衰退現象[4-6]。例如，先期飛播的灌木固沙林也已有成片的死亡現象[7]，自20世紀90年代初以來，在遼寧省彰武縣章古臺地區最早引種的樟子松固沙林出現了典型的防護林衰退現象[8]。在黃土高原地區林、草植被建設的過程中，一直存在重喬木輕灌草的問題，特別是在森林草原地帶、草原地帶，營造大面積喬木林違背了植被地帶性分布規律，以致大面積人工林成為“小老樹”林[9]。在遼西地區治理退化嚴重土地的過程中，將油松純林作為普遍的恢復模式，是導致油松林衰退的根本原因[10]。

生態修復失敗的主要原因是違背自然規律，不能做到“宜林則林，宜草則草”，而氣象因子是影響林草生長的關鍵性因子，因此氣象因子與植被的關系應貫穿于生態修復理論之中，以不同特點的退化具體環境為對象，從而提出并形成適用于當地生態環境修復和可持續發展的技術模式[11]。在生態修復過程中，不僅要順應局地氣候條件，同時要“借力使力”，結合氣象因子輔之，進行科學合理的人工措施，通過調整氣象因子以及環境條件，使區域內的氣象條件或者環境條件更適于植被的生長，以達到更好地促進生態修復的過程。為此，本研究結合氣象學、農業氣象學以及生態修復提出氣象驅動修復，從一個全新的視角給出生態修復研究趨向，并探討現有與氣象因子結合的相關修復技術，提出氣象驅動修復的相關對策與建議，以期為提高生態修復效率提供理論指導。

1氣象驅動修復概念與要點

1.1生態修復與氣象因子之間的關系

氣象因子是影響其他事物發展變化的氣象原因或條件。生態系統的主體是植物，在生態修復過程中，恢復植被的生長是關鍵環節，農業氣象工作者普遍認為，氣象因子對植物生命活動的影響符合如圖1所示的5個基本規律[12]。影響植被生長的氣象因子主要有溫度、風、濕度、降水、日照等。對于植物生命活動來說，在各氣象因子中，光熱水氣等基本因子都是必不可少的，不可以用其他因子代替；在不同地區以及植物的不同生長期，影響植物生命活動的氣象因子有主要因子、次要因子之分，因此，在進行野外生態修復時，要明確影響植被恢復的主要氣象因子；在植被的生長環境中，當其他條件均滿足的條件下，植被恢復生長受限于極限值因子；在野外生態修復過程中，只有各氣象因子數值均處于適合植被生長發育的范圍內，植被才能恢復正常生長，生態修復才能得以實現。

1.2概念

隨著我國氣象學、農業氣象學以及人工影響天氣的發展，生態修復不應只是完全依靠自然的過程，自然修復并不是被動的恢復，而是消除不利因子，創造有利于生態恢復的生態環境，其中創造適宜的自然氣象條件是關鍵之一，即不應該局限于完全依賴于自然的天氣、環境條件，我們可以進行科學合理的人工輔助措施，通過調控氣象因子及環境條件，使區域內的氣象條件或者環境條件更適合植被的生長，以更好地促進生態修復。因此，氣象驅動修復是指在人為對氣象因子正向干擾下，使生態系統發生正向演替、快速提高生態系統功能的生

態修復過程，其流程詳見圖2。

1.3氣象驅動修復要點

1.3.1氣象學與生態修復相結合是氣象驅動修復的理論基礎近年來，有學者認為生態修復的概念包括生態恢復、重建和改建，其內涵大體上可以理解為通過外界力量使受損（開挖、占壓、污染、全球氣候變化、自然災害等）生態系統得到恢復、重建或改建（不一定完全與原來的相同）[13]。生態修復成功的關鍵之一是適宜的氣候環境條件，而這些適宜條件的創造需要氣象學知識的服務。氣象學興起較早，發展迅速，其研究領域甚廣，在氣象學諸多研究任務中，包括根據所認識的規律分析、診斷和預測過去、現在和未來的天氣、氣候，為國民經濟和人們的日常生活服務，以及從理論、實踐上探索和模擬人為的天氣過程、人為氣候環境，為人工影響天氣、氣候提供科學依據兩大點。這2點研究內容可更好地為生態修復服務，即氣象驅動修復通過對生態過程的影響，加速修復，提高生態服務功能。

1.3.2植被“適地適生”是氣象驅動修復的關注焦點植被“適地適生”是指應該將植被栽植在生長最適宜的地方，也就是要使植被的生態特性與植被的立地條件相適應。植被是生態系統的主體，生態修復過程中植被的恢復是關鍵。不同的生態區域擁有不同環境條件，有著各自適宜生長的植被。待修復的生態系統往往迫于環境的不適，生態修復過程緩慢，甚至失敗，而氣象驅動修復利用氣象學知識為生態修復服務的目的，就是為植被恢復生長創造適宜的環境，加速修復進程。

1.3.3氣象因子調控是氣象驅動修復的主要手段氣象驅動修復的實施依賴于氣象因子調控技術，通過對氣象因子，諸如降水、溫度等的調控，以創造植被適生的環境條件。隨著氣象學的發展，氣象系統已擁有較完整的預報系統，在生態修復過程中，根據氣象中降水等因子的預測結果，并結合植被的生長習性和物候期，選擇并確定適宜的植被種植時間，同時也可提前為干旱少雨、極端高溫等極端天氣的出現做好準備，以更好地達到修復的效果。

2氣象驅動技術

目前，氣象驅動技術在生態修復過程中的應用還不成熟，但氣象因子調控技術廣泛應用于農業氣象、設施農業與設施園藝，并且技術也已趨于成熟，同時，在林業種植中也有體現。氣象因子調控下的植被生長模式的發展實現了對不利于植被生長發育的自然環境的調控，達到了在不利自然條件下進行作物等植被正常生長發育的目的。

2.1溫度調控技術

2.2濕度與降水調控技術

適宜的空氣濕度和土壤濕度是溫室內植被健康生長的重要條件。在設施環境中，由于設施內植株的蒸騰作用和土壤的蒸發，設施內基本上都處于高濕環境。設施降濕措施常用的有通風降濕、地膜覆蓋、膜下灌溉、滴灌、化學吸水除濕和熱交換除濕等技術[23]。

目前，野外生態修復工程涉及的多數是須要進行加濕操作的生態系統，例如退化的草原、森林等生態系統，由于植被的大量減少，造成水土流失嚴重，土壤沙化嚴重，蓄水量減少，已經不能滿足植被恢復生長所需。在干旱少雨地區，一方面可通過覆蓋滲水地膜的方式，實現小雨資源有效化，保持地表濕度，滲水地膜采用單向滲水原理，具有保溫、調溫、滲水、保水、微通氣、提高表土層肥料利用率等多種功能。滲水地膜覆蓋比普通地膜的水分利用率高、風險性小，每年累計有 100 mm 以上的小雨（每次降水量小于10 mm的小雨）可充分利用[24-25]。

此外，可以采取人工降水的方式，增加區域內的降水量，滿足植物的生長?？紤]到生態系統的景觀結構，可建設景觀式地面增雨煙爐[26]。

2.3光照調控技術

在設施環境中，設施光環境條件關系著設施內作物的生命及其干物質產量和品質，光環境調控是設施環境調控中的重要措施之一。常用的光環境調控有3類。（1）光照度的調節。如采用有一定遮光率的遮光材料，減弱光照度；使用反光膜等進行反射補光。（2）光質調節。如進行紫外線補光、使用紫光膜等。（3）人工補光調節。如安裝熒光燈、鎢絲燈、農藝鈉燈、熒光燈或懸掛聚酯反光幕、覆蓋銀黑色地膜等。

除了設施光照調節外，設施外也有相關光照調控的措施。黃壽波在茶樹氣象生態研究中采取在茶園內種植遮陰樹的方式，減少太陽直射光照射，調節光照度，降低午后最高溫度，保證茶樹的正常生育[27]。

目前，在野外生態修復過程中，光照調控技術應用很少。在太陽輻射強度高的待修復地區，為了減輕高溫的危害，可借鑒農業中的遮陰方法，如采取種植遮陰樹的措施等。

2.4風調控技術

風一般以風速、風向2個指標來表示。受氣壓及大氣環流等的影響，不同的風引起的天氣環境不同，在現階段，雖然無法實現對大規模區域氣壓、大氣環流的調控，但是可以對風環境進行調控。風環境的調控措施常用的有建立防護林、防護帶、擋風墻等風障，用以減小風速，改變風向。在農業和種植業中，常常會在區域周圍或區域中間道路兩側種植樹木，形成護田林帶，是一項改善區域水分狀況、防止干旱和風沙的綜合性措施。楊書運對茶樹凍害防控方法的研究表明，設置風障可以有效降低保護區的風速[15]。風障在上風方位、下風方位各有1個有效的防護區域，薄膜材質的風障阻滯了局部氣流的運動，在下風位可形成相當于2倍風障高度的靜風區，防護效果較優。

在荒漠化治理中，常見的風調控措施是沙障的建設，如麥草沙障、黏土沙障、塑料網格沙障等機械沙障的建立，對控制風速、風向、風沙量起到了很好的效果，保障了沙地的修復。眾多研究人員對防風固沙沙障做了相關研究。孫濤等對設置在民勤治沙綜合試驗站固定沙丘地帶的3種機械沙障（麥草沙障、黏土沙障、塑料網格沙障）防風固沙效益進行了研究，結果表明從整體的防沙效果和使用年限上比較，整體防風固沙效益排序為塑料網格沙障>黏土沙障>麥草沙障[28]。鐘衛等通過風洞試驗研究比較了土工格室、石方格、不同蓋度植被3種不同沙障的防沙效果，表明植被的防護效果遠較土工格室和石方格為憂[29]。機械沙障固沙在我國北部、西北部沙漠以及退化草原治理中起到了重要的作用。

3氣象驅動修復對策與建議

3.1加強氣象自動觀測站點的建設，充分了解當地的氣象條件[HT]

在野外生態修復過程中，植被的恢復生長狀況與當地的氣象環境條件息息相關，只有在適宜的氣象環境條件下，植被才能正常生長。因此，進行生態修復工程的前提之一是要充分了解當地的氣象條件。在各地區，應有規律地建設精準的氣象自動觀測站，實現實時觀測，為生態修復服務，提高生態服務功能。

3.2與氣象相關技術緊密結合，加速生態修復

目前，國內外氣象學研究仍處于發展中，要做到氣象驅動修復的有效實施，首先要加強氣候變化及其預測的研究；其次，生態修復要緊隨氣候變化及其預測的研究步伐，選取最合適的氣象預測模型，更精準地為生態修復工程服務，以及時采取相應對策，更好、更快地實現生態修復。

3.3確定生態修復的主要氣象影響因子，“對癥下藥”

根據氣象因子對植被生命活動的影響規律[12]，研究區域內各氣象因子變化與生態系統退化之間的關系，各氣象因子對生態修復過程的影響以及該區域植被建設對各種氣象因子的響應，確定不同區域在生態修復過程中的主要氣象影響因子，并及時制定相應的應對措施。特別是如何應對全球氣候變化引起的生態系統退化問題，將成為氣象驅動修復模式研究的重要內容。

3.4以“適地適生”為準則，充分了解當地的物種條件

植被是生態系統的主體，野外生態修復過程中植被的恢復是關鍵。對于不同的地區、不同的環境條件，適合生長的植被不同。此外，隨著全球氣候變化及人為因素等的影響，物種多樣性發生著變化，適生種也會有所改變。因此，在實施生態修復工程之前，要充分了解待修復地區的物種情況，遵循植被“適地適生”的準則，確定最適宜的恢復物種，以利于修復。

3.5加強修復后的管護工作，倡導公眾參與

“三分造林七分管護”，這句話道出了造林管理的重要性，同時也折射出生態修復植被恢復后管護的重要性。生態修復工程是一項時間長且耗資大的工程。目前，多因后期管護資金不足，而導致修復后的成果不能長久地維持。因此，要加強并完善相關的資金管理工作，可實施分期撥款，增加修復成效評估，按照成效撥付款項。同時，要加強領導和宣傳力度，提高公眾意識，更廣泛地發揮利益相關者的作用，消除人為活動危害，保護治理成果。

4結論與展望

隨著科學技術的發展，人類已漸漸擺脫了“靠天吃飯”的生存模式。氣象學以及氣象因子調控等相關技術的發展，使得影響植被生長的氣象條件和環境條件達到了人為可調控的水平，實現了植被的優質、高速、高產的生長模式。

生態修復進程受到氣象條件的限制，適宜的氣象條件可以加快生態修復的進程。氣象驅動修復即借鑒氣象驅動技術，將這些技術應用在生態修復過程中，在遵循自然規律、充分發揮自然生態系統的自我修復能力的基礎上，同時結合人工調控輔助措施，對區域內的氣象條件進行人為調控，可為植被恢復生長創造適宜的環境條件，以達到更好、更快地實現生態系統的修復，從而提高生態服務功能，對生態以及人類、社會的可持續發展具有重大的意義。

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