湖泊型濕地生態系統的控制論過程及滇池濕地治理研究

余 波

(昆明市晉寧區林草局，云南 昆明 650224)

1 引言

濕地因具有環境調節功能和生態效益被稱之為“地球之腎”。湖泊型濕地作為濕地生態系統中重要的類型及組成部分之一，占全國濕地總面積的16%，是重要的生態資本，具有涵養水源、調節氣候、為候鳥提供棲息地、提供人居生活環境、維持生態平衡等生態功能[1,2]。同時，湖泊作為特殊的濕地，還具有防洪蓄水、降低災害發生等重要作用。濕地生態特征是指濕地物理組分、濕地生物及濕地化學變化之間的結構及相互關系。濕地生態特征的變化大多由自然原因和人為干擾兩個原因引起的。目前，由于經濟的快速發展和人口增加帶來的與濕地爭地現象，導致人類對濕地的不合理開發日趨嚴重，濕地資源受到嚴重破壞，生態功能遭受嚴重損失。對于濕地修復，國家同樣做出了巨大努力，國務院為加強濕地修復和保護，在2004年6月下發了《關于加強濕地保護管理工作的通知》(國辦發〔2004〕50號)，2016年11月也出臺了濕地保護相關文件，為濕地的保護、管理及修復提供了法律保障，這兩個文件中明確提出加強濕地保護、推進濕地修復、建立濕地公園等重要的濕地保護新要求[3～5]。湖泊型濕地因具有水流靜止、自凈能力弱的特點，因此比河流和沼澤濕地的治理更加困難[6]，但湖泊濕地提供的涵養水源、調節局部地區氣候及為候鳥提供棲息地等生態學功能卻不容忽視，因此對湖泊型濕地的保護必不可少的。

系統論、控制論及信息論共稱為“三論”，是現代科學方法論的代表，對科學技術和思維發展起到巨大推動作用，由此作為諸多新興學科的理論基礎。控制論是研究生物和機器內部的控制與通信的一般規律學科，著重于研究過程中的數學關系。生態系統中的控制論過程是維持生態平衡的重要過程，其中的控制、信息交換、反饋調節等科學理論對于濕地生態系統的恢復和管理具有重要意義。滇池是長江上游生態安全格局的重要組成部分，作為高原湖泊，其生態地位極其重要。但由于人們對滇池的過度開發和利用，導致滇池出現水體營養化嚴重、水生態系統脆弱及流域生態環境治理困難等多種生態問題。曾經具有“高原上的明珠”之稱的滇池，其保護治理成為我國生態環境保護和水污染治理的標志性工程。如何將濕地生態系統中的控制論過程運用到滇池治理和保護中去，這個問題仍有待研究。本文就湖泊型濕地生態系統特征方面展開，討論湖泊型濕地生態系統中的主要控制論過程，并基于該理論基礎，以滇池為例，設計滇池治理方案，從而為湖泊型濕地的控制論治理過程提供科學參考。

2 湖泊型濕地生態系統中的控制論過程

濕地是水陸交互的過渡地帶，具有生態系統的“邊緣效應”，這造就了濕地生物多樣性豐富的特征[6～8]。生物多樣性豐富的濕地生態系統，包含有以植物為代表的生產者、以濕地動物為代表的消費者和以微生物為代表的分解者等多種組分，因此構成了復雜的食物網絡，各組分之間相互作用、互惠共生，使得濕地生態系統具有了更復雜的特征[9～12]。湖泊濕地的基本結構單元包括湖泊匯水面山、湖泊水體、湖泊濕地植物、湖泊濕地動物和湖泊濕地微生物，在這個生態系統中蘊含著諸多生態系統的控制論過程。為深入探索控制論過程在湖泊濕地生態系統中的應用，下面將從反饋理論、“黑箱”理論、通信和控制理論、自組織理論四個方面展開。

2.1 基于反饋理論

自然生態系統屬于一個開放系統，必需依賴外界環境的輸入維持平衡，如果輸入停止，系統則失去平衡同時也就失去了它的功能。而自然系統具有調節功能的反饋機制，通過系統的輸出決定系統未來功能的輸入，從而使系統成為控制系統，起到控制作用，圍繞某一個點，進行調節，從而保證系統平衡。反饋機制包括正反饋和負反饋，正反饋導致系統的偏離加劇，但負反饋則使系統保持穩定。生態系統通過自我的負反饋調節，通過發育和調節使生態系統達到結構上、功能上和能量輸入及輸出上的穩定，保持一個動態的平衡，從而達到維持自身的生態平衡的效果。湖泊濕地雖然具有涵養水源的能力，但若氣候干旱導致湖泊濕地蓄水量不能達到其生態系統的最小需水量，則會導致湖泊濕地萎縮，湖泊濕地生態系統遭到破壞而導致生態系統失去平衡，從而失去涵養水源的能力，高原湖泊羅布泊的消失的原因之一正是氣候干旱影響下生態系統的正反饋作用，這便是生態系統的正反饋機制作用的結果。當然，湖泊濕地中也同樣有負反饋作用的存在，當暴雨來臨，湖泊濕地進行儲蓄洪水的水量輸入，降低河流堤壩的蓄水壓力，當暴雨結束后，湖泊濕地又通過河流水量輸出和地下水補給的水量輸出，從而保持湖泊濕地水量的動態平衡。

2.2 基于“黑箱”理論

黑箱理論多用于數學統計模型，例如概率統計中的摸球模型。將未知的區域或系統看為“黑箱”，而“白箱”則是已知區域或系統，介于二者之間或偶爾可察的黑箱部分稱為“灰箱”。在生態學中，我們常常將一個未知內部結構的系統看成一個黑箱來研究，例如，詹林[13]在城市景觀生態規劃中對“黑箱”研究思路的應用，他以重慶奧林匹克花園住宅景觀濕地湖景公園的案例分析，通過對該濕地景觀生態系統中水因子的輸入與輸出關系的定量研究，提出該景觀工程設計的改造措施。

2.3 基于通信和控制理論

能值分析是以能值為基準，將生態系統中不同種類和不可比較的能量轉換成同樣標準的能值來衡量和分析，從中評價該能值在系統中的作用和地位；綜合分析系統中的各種生態流，得到能值的綜合指標(Energy Indices)，定量分析系統中的結構功能特征與生態經濟效益。生態系統是一種自組織(Self-organization)的能量等級(Energy hierarchy)系統。能量在食物鏈中傳遞、轉化的每一過程中，根據熱力學第二定律均有許多能量耗散流失。

2.4 基于自組織理論

自組織即自我設計理論，是由vander Valk和Mitsch等提出并進行完善的，他們認為，在足夠的時間內，濕地可通過環境條件合理的組織內在結構，最終改變濕地組分，達到濕地恢復的自組織效果。自組織的另一重要體現在于分形理論。分形包括自相似性與標度不變性，是非線性系統中通過自組織形成的時空有序結構，在生態系統中，也同樣存在分形理論的具體案例。例如，輸入的生長都呈現著自相似的形體特征，苔蘚的生長規律也同樣遵循自相似的分形特征。為驗證自組織理論在湖泊濕地生態系統中的運用，美國科學家利用“雙腎形”湖泊濕地，開展了長達幾年的濕地恢復，在恢復的過程中，科學家在一側湖泊采用人工重建，而另一側的湖泊采用自然恢復，多年后發現，兩側的湖泊發展成為了同樣的群落模式，這便驗證了湖泊濕地生態系統中的自組織理論。

3 湖泊型濕地治理案例—以滇池為例

3.1 滇池流域概況

滇池位于昆明市西南部，屬于低緯度高原山地季風氣候，年平均氣溫15.1 ℃，年均降雨量1075 mm，滇池湖面海拔1886 m，平均水深5 m，最深處達到8 m，滇池湖面面積330 km2，但流域總面積約為2920 km2(圖1)[14]，是云南省最大的淡水湖。

圖1 滇池流域水系

滇池流域涉及昆明市五區兩縣，53個鄉鎮(街道辦事處)，2015年流域內常駐總人口約為406.86萬人。歷史上，滇池流域常因排水不暢造成洪災，對人們的生存和生活到帶來了巨大隱患。20世紀50年代，人們在入湖上游河流修建的水庫，一方面解決了滇池歷史上的洪澇災害，另一方面，為人類生活提供了農業、工業和生活用水。但與此同時，也加深了滇池水污染狀況。滇池流域水污染源主要包括陸域點源、農業農村面源、城市面源和水土流失。2015年，滇池流域污水排放量3.6億m3，陸域主要污染物入湖量分別為化學需氧量3.97萬t、氨氮5205 t、總氮7321 t、總磷614 t。2015年，滇池外海處于中度富營養狀態，水質為劣Ⅴ類，主要超標指標為化學需氧量、總氮和總磷；滇池主要35條入湖河流中(含納入考核的16條河流)：3條河流水質為Ⅱ類，2條河流水質為Ⅲ類，16條河流水質為Ⅳ類，3條河流水質為Ⅴ類，4條河流水質為劣Ⅴ類。

3.2 滇池污染原因初探

當今湖泊型濕地的發展面臨著巨大的威脅。主要包括自然和人為兩個因子的影響，自然因子主要包括地質構造力，風沙侵襲和河流水系對湖區的淹沒及不平衡沖淤，氣候變化對湖泊空間形態、物理性狀、生態系統和環境狀況等的影響；人類活動在現階段是濕地景觀環境演變的極為重要的驅動力之一[15]，例如，大量養殖經濟性漂浮水生作物，導致湖水渾濁，底泥厚度增加；生活污水未經處理排入湖內，導致湖水污染；湖泊匯水面山的植被破壞導致湖泊水質下降等。人為活動的影響，導致湖泊生態系統破壞，濕地功能退化，制約著區域經濟的發展[16]。此時就需要采取相應的濕地生態恢復措施來進行治理，以維持湖泊生態系統的正常運行。

滇池屬云貴高原第一大淡水湖泊，被譽為“高原明珠”，其戰略性地位顯著[17]。但滇池位于昆明主城下游，是昆明主城人類污染物的唯一受納體，且其寬淺型半封閉高原湖泊的特征導致其換水周期長自凈能力差，易發生水體污染。自20世紀90年代以來，每年的4～11月，滇池湖面必出現大面積的藍藻水華。水體富營養化已經使得這顆“高原明珠”不再有那樣閃亮的光芒[18]。湖泊發育都會經歷從貧營養到富營養的演變過程，但人類的干預加速了滇池的富營養進程，使得其湖泊生態系統的迅速退化[19]，這與生態系統的正反饋機制控制理論不謀而合。李根保等[17]選取生態系統中重要的組成成份，浮游植物、底棲動物、水生植物的歷史演變和現在分布狀況數據，結合滇池的水質變化情況，揭示了滇池生態系統退化原因為：在外因上，污染物持續輸入以及圍湖造田、直立堤岸和水量交換緩慢等外力干擾加劇系統組分失衡是直接原因；在內因上，由于滇池所處的地理位置、氣候等原因，藍藻生物量對營養鹽增加的響應遠高于其他湖泊(太湖、巢湖)，草型向藻型湖泊的轉換進程更快。與長江中下游湖泊濕地不同，高原湖泊濕地生態系統相對來說更為脆弱，如物種的生態位窄、物種的同域分化等均造成系統的穩定性差、自我修復能力弱[17]，這就要加入自組織理論中相對設計理論進行指導，即通過適當的工程措施和植物群落重建，加速濕地的恢復和重建過程，因而需要進行人工修復技術的參與，使滇池恢復到原有的生態環境，維持其生態系統的正常運行。

3.3 滇池恢復的總體目標

濕地生態恢復是指通過生態工程和生態技術，對退化濕地進行修復或重建，使其發揮原有的生態服務功能[20～22]。其總體目標應為采用適當的生物、生態及工程技術，逐步恢復退化濕地生態系統的結構和功能，最終達到濕地生態系統的自我持續狀態。恢復的最終目標應是使濕地生態系統達到一個動態平衡，各功能之間也應保持平衡，濕地生態系統的代謝過程和系統與外部環境的物質交換與能量流動關系保持正常運行。由此，提出滇池的恢復總目標如下。

(1)改善水質。控制滇池水體富營養化水平，減輕藍藻水華程度，使得滇池外海水質達到穩定標準，從而使滇池生態系統走向負反饋機制控制上去。

(2)改善流域內生態環境。改善和重建濕地群落結構，對入侵魚類進行控制，保護本土魚類的正常繁衍，研究滇池微生物分解機制，并將其合理利用到滇池恢復方案中去。

(3)促進人與自然和諧相處。對滇池恢復理念進行合理的推廣和宣傳，將居民所得的恢復效益進行具體化分析，促進流域內人與自然的和諧相處。

4 結論與討論

濕地生態恢復工程耗資巨大且工程復雜，因此在確定恢復方案前，應對功能設計、結構系統、評價以及恢復指標體系等進行全面的研究和具體規劃。Henry等對濕地生態恢復工程提出如下3點要求：加強對生態恢復合理性的論證；確定精確適當的恢復目標和恢復成功與否的判定指標；監測恢復前后生態系統的變化情況，并與參考生態系統進行比較。在此基礎上，結合湖泊生態系統中的控制論過程，提出滇池流域主要恢復方案設計的建議如下。

(1)推進滇池流域經濟結構轉型升級，優化其空間布局。運用通信和控制理論，定量分析環境容量，以環境容量為基礎，加強總量管控，調控流域內產業規模和開發強度。

(2)完善污染物控制體系，削減污染負荷存量與增量，理順健康水循環體系，提高水資源利用效率。結合反饋理論和“黑箱”理論，對流域內的污染物輸入輸出源展開研究，并進行合理的管控，而流域內水循環體系則應合理利用負反饋理論進行指導，促進流域內水循環體系的健康發展，提高水資源的利用效率。

(3)合理規劃滇池生態結構，恢復流域生態功能。結合自組織理論來看，滇池流域生態系統的恢復，短期內無法利用自我設計理論完成，而通過相對設計理論則可加速其恢復進程。在湖泊濕地生態系統中，對湖濱帶的恢復不容忽視，構建合理的湖濱帶植物群落，一方面能夠降低匯水面山及人類造成的污染物的降解和控制，另一方面，能夠帶來豐富的物種多樣性，促進生態環境效益的提高。

(4)加強科技成果應用，為滇池保護治理提供科技支撐。從通信和控制理論來看，通過高新技術手段建立生態模型，運用工程技術、生物技術、信息技術、自動化控制等各種技術手段，切實提高滇池的恢復治理效益和科學化水平。

綜上所述，滇池濕地生態系統的恢復和治理應當結合湖泊濕地控制理論展開，在滇池分區分步治理的新策略和“節約優先，空間均衡，系統治理，兩手發力”的治水新思路的指導下，深入推進滇池環境質量的改善和濕地生態系統的修復，逐步改善滇池的生態環境，構建人與城市、城市與自然和諧發展的生態家園。