气象驱动生态修复技术探讨

杨伟超 +高吉喜 +田美荣 +高志球 周佳雯

摘要：气象因子是植被生长决定性因子，也是决定生态修复成败的关键，违背气象因子及其变化规律的生态修复必将增加生态退化程度，因此明确生态修复过程气象制约因子，并通过借气象因子之力促进植被恢复，对提高生态修复效率具有重要意义。通过分析气象因子与生态修复的关系，提出气象驱动修复是指在人为对气象因子正向干扰下，使生态系统发生正向演替，快速提高生态系统功能的生态修复过程，要点包括气象驱动修复的理论基础、关注焦点以及主要手段3个方面。并给出当前存在的气象因子调控下的植被生长模式与方法，从加强气象观测、气象预报模式研究、物种调查以及后续管护等方面提出对策与建议，并对气象驱动修复的未来研究趋向进行了展望。

关键词：生态修复；气象因子；驱动修复；概念；技术措施；植物修复

中图分类号： S181文献标志码： A[HK]

文章编号：1002-1302（2017）04-0005-04

随着全球范围内的生态退化及由此而引发的生态危机、环境问题和生物多样性散失等问题的出现，诸如水土流失、森林消减、草原退化、土地荒漠化、水体污染等生态问题愈来愈严重。为此，世界范围内兴起了不同规模、不同形式的生态修复活动，旨在保护现有自然生态系统，综合整治与修复已退化的生态系统，改善生态环境，提高区域生产力，使生态系统更加有利于社会的可持续健康发展。目前，国内外对生态系统退化机理及其恢复途径有很多探索和研究[1-3]，并且已取得了良好的效果，但也不乏失败的教训。研究表明，我国各类防护林在生长发育过程中出现了林木生长停滞，甚至枯死等严重的衰退现象[4-6]。例如，先期飞播的灌木固沙林也已有成片的死亡现象[7]，自20世纪90年代初以来，在辽宁省彰武县章古台地区最早引种的樟子松固沙林出现了典型的防护林衰退现象[8]。在黄土高原地区林、草植被建设的过程中，一直存在重乔木轻灌草的问题，特别是在森林草原地带、草原地带，营造大面积乔木林违背了植被地带性分布规律，以致大面积人工林成为“小老树”林[9]。在辽西地区治理退化严重土地的过程中，将油松纯林作为普遍的恢复模式，是导致油松林衰退的根本原因[10]。

生态修复失败的主要原因是违背自然规律，不能做到“宜林则林，宜草则草”，而气象因子是影响林草生长的关键性因子，因此气象因子与植被的关系应贯穿于生态修复理论之中，以不同特点的退化具体环境为对象，从而提出并形成适用于当地生态环境修复和可持续发展的技术模式[11]。在生态修复过程中，不仅要顺应局地气候条件，同时要“借力使力”，结合气象因子辅之，进行科学合理的人工措施，通过调整气象因子以及环境条件，使区域内的气象条件或者环境条件更适于植被的生长，以达到更好地促进生态修复的过程。为此，本研究结合气象学、农业气象学以及生态修复提出气象驱动修复，从一个全新的视角给出生态修复研究趋向，并探讨现有与气象因子结合的相关修复技术，提出气象驱动修复的相关对策与建议，以期为提高生态修复效率提供理论指导。

1气象驱动修复概念与要点

1.1生态修复与气象因子之间的关系

气象因子是影响其他事物发展变化的气象原因或条件。生态系统的主体是植物，在生态修复过程中，恢复植被的生长是关键环节，农业气象工作者普遍认为，气象因子对植物生命活动的影响符合如图1所示的5个基本规律[12]。影响植被生长的气象因子主要有温度、风、湿度、降水、日照等。对于植物生命活动来说，在各气象因子中，光热水气等基本因子都是必不可少的，不可以用其他因子代替；在不同地区以及植物的不同生长期，影响植物生命活动的气象因子有主要因子、次要因子之分，因此，在进行野外生态修复时，要明确影响植被恢复的主要气象因子；在植被的生长环境中，当其他条件均满足的条件下，植被恢复生长受限于极限值因子；在野外生态修复过程中，只有各气象因子数值均处于适合植被生长发育的范围内，植被才能恢复正常生长，生态修复才能得以实现。

1.2概念

随着我国气象学、农业气象学以及人工影响天气的发展，生态修复不应只是完全依靠自然的过程，自然修复并不是被动的恢复，而是消除不利因子，创造有利于生态恢复的生态环境，其中创造适宜的自然气象条件是关键之一，即不应该局限于完全依赖于自然的天气、环境条件，我们可以进行科学合理的人工辅助措施，通过调控气象因子及环境条件，使区域内的气象条件或者环境条件更适合植被的生长，以更好地促进生态修复。因此，气象驱动修复是指在人为对气象因子正向干扰下，使生态系统发生正向演替、快速提高生态系统功能的生

态修复过程，其流程详见图2。

1.3气象驱动修复要点

1.3.1气象学与生态修复相结合是气象驱动修复的理论基础近年来，有学者认为生态修复的概念包括生态恢复、重建和改建，其内涵大体上可以理解为通过外界力量使受损（开挖、占压、污染、全球气候变化、自然灾害等）生态系统得到恢复、重建或改建（不一定完全与原来的相同）[13]。生态修复成功的关键之一是适宜的气候环境条件，而这些适宜条件的创造需要气象学知识的服务。气象学兴起较早，发展迅速，其研究领域甚广，在气象学诸多研究任务中，包括根据所认识的规律分析、诊断和预测过去、现在和未来的天气、气候，为国民经济和人们的日常生活服务，以及从理论、实践上探索和模拟人为的天气过程、人为气候环境，为人工影响天气、气候提供科学依据两大点。这2点研究内容可更好地为生态修复服务，即气象驱动修复通过对生態过程的影响，加速修复，提高生态服务功能。

1.3.2植被“适地适生”是气象驱动修复的关注焦点植被“适地适生”是指应该将植被栽植在生长最适宜的地方，也就是要使植被的生态特性与植被的立地条件相适应。植被是生态系统的主体，生态修复过程中植被的恢复是关键。不同的生态区域拥有不同环境条件，有着各自适宜生长的植被。待修复的生态系统往往迫于环境的不适，生态修复过程缓慢，甚至失败，而气象驱动修复利用气象学知识为生态修复服务的目的，就是为植被恢复生长创造适宜的环境，加速修复进程。

1.3.3气象因子调控是气象驱动修复的主要手段气象驱动修复的实施依赖于气象因子调控技术，通过对气象因子，诸如降水、温度等的调控，以创造植被适生的环境条件。随着气象学的发展，气象系统已拥有较完整的预报系统，在生态修复过程中，根据气象中降水等因子的预测结果，并结合植被的生长习性和物候期，选择并确定适宜的植被种植时间，同时也可提前为干旱少雨、极端高温等极端天气的出现做好准备，以更好地达到修复的效果。

2气象驱动技术

目前，气象驱动技术在生态修复过程中的应用还不成熟，但气象因子调控技术广泛应用于农业气象、设施农业与设施园艺，并且技术也已趋于成熟，同时，在林业种植中也有体现。气象因子调控下的植被生长模式的发展实现了对不利于植被生长发育的自然环境的调控，达到了在不利自然条件下进行作物等植被正常生长发育的目的。

2.1温度调控技术

2.2湿度与降水调控技术

适宜的空气湿度和土壤湿度是温室内植被健康生长的重要条件。在设施环境中，由于设施内植株的蒸腾作用和土壤的蒸发，设施内基本上都处于高湿环境。设施降湿措施常用的有通风降湿、地膜覆盖、膜下灌溉、滴灌、化学吸水除湿和热交换除湿等技术[23]。

目前，野外生态修复工程涉及的多数是须要进行加湿操作的生态系统，例如退化的草原、森林等生态系统，由于植被的大量减少，造成水土流失严重，土壤沙化严重，蓄水量减少，已经不能满足植被恢复生长所需。在干旱少雨地区，一方面可通过覆盖渗水地膜的方式，实现小雨资源有效化，保持地表湿度，渗水地膜采用单向渗水原理，具有保温、调温、滲水、保水、微通气、提高表土层肥料利用率等多种功能。渗水地膜覆盖比普通地膜的水分利用率高、风险性小，每年累计有 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，增加区域内的降水量，满足植物的生长。考虑到生态系统的景观结构，可建设景观式地面增雨烟炉[26]。

2.3光照调控技术

在设施环境中，设施光环境条件关系着设施内作物的生命及其干物质产量和品质，光环境调控是设施环境调控中的重要措施之一。常用的光环境调控有3类。（1）光照度的调节。如采用有一定遮光率的遮光材料，减弱光照度；使用反光膜等进行反射补光。（2）光质调节。如进行紫外线补光、使用紫光膜等。（3）人工补光调节。如安装荧光灯、钨丝灯、农艺钠灯、荧光灯或悬挂聚酯反光幕、覆盖银黑色地膜等。

除了设施光照调节外，设施外也有相关光照调控的措施。黄寿波在茶树气象生态研究中采取在茶园内种植遮阴树的方式，减少太阳直射光照射，调节光照度，降低午后最高温度，保证茶树的正常生育[27]。

目前，在野外生态修复过程中，光照调控技术应用很少。在太阳辐射强度高的待修复地区，为了减轻高温的危害，可借鉴农业中的遮阴方法，如采取种植遮阴树的措施等。

2.4风调控技术

风一般以风速、风向2个指标来表示。受气压及大气环流等的影响，不同的风引起的天气环境不同，在现阶段，虽然无法实现对大规模区域气压、大气环流的调控，但是可以对风环境进行调控。风环境的调控措施常用的有建立防护林、防护带、挡风墙等风障，用以减小风速，改变风向。在农业和种植业中，常常会在区域周围或区域中间道路两侧种植树木，形成护田林带，是一项改善区域水分状况、防止干旱和风沙的综合性措施。杨书运对茶树冻害防控方法的研究表明，设置风障可以有效降低保护区的风速[15]。风障在上风方位、下风方位各有1个有效的防护区域，薄膜材质的风障阻滞了局部气流的运动，在下风位可形成相当于2倍风障高度的静风区，防护效果较优。

在荒漠化治理中，常见的风调控措施是沙障的建设，如麦草沙障、黏土沙障、塑料网格沙障等机械沙障的建立，对控制风速、风向、风沙量起到了很好的效果，保障了沙地的修复。众多研究人员对防风固沙沙障做了相关研究。孙涛等对设置在民勤治沙综合试验站固定沙丘地带的3种机械沙障（麦草沙障、黏土沙障、塑料网格沙障）防风固沙效益进行了研究，结果表明从整体的防沙效果和使用年限上比较，整体防风固沙效益排序为塑料网格沙障>黏土沙障>麦草沙障[28]。钟卫等通过风洞试验研究比较了土工格室、石方格、不同盖度植被3种不同沙障的防沙效果，表明植被的防护效果远较土工格室和石方格为忧[29]。机械沙障固沙在我国北部、西北部沙漠以及退化草原治理中起到了重要的作用。

3气象驱动修复对策与建议

3.1加强气象自动观测站点的建设，充分了解当地的气象条件[HT]

在野外生态修复过程中，植被的恢复生长状况与当地的气象环境条件息息相关，只有在适宜的气象环境条件下，植被才能正常生长。因此，进行生态修复工程的前提之一是要充分了解当地的气象条件。在各地区，应有规律地建设精准的气象自动观测站，实现实时观测，为生态修复服务，提高生态服务功能。

3.2与气象相关技术紧密结合，加速生态修复

目前，国内外气象学研究仍处于发展中，要做到气象驱动修复的有效实施，首先要加强气候变化及其预测的研究；其次，生态修复要紧随气候变化及其预测的研究步伐，选取最合适的气象预测模型，更精准地为生态修复工程服务，以及时采取相应对策，更好、更快地实现生态修复。

3.3确定生态修复的主要气象影响因子，“对症下药”

根据气象因子对植被生命活动的影响规律[12]，研究区域内各气象因子变化与生态系统退化之间的关系，各气象因子对生态修复过程的影响以及该区域植被建设对各种气象因子的响应，确定不同区域在生态修复过程中的主要气象影响因子，并及时制定相应的应对措施。特别是如何应对全球气候变化引起的生态系统退化问题，将成为气象驱动修复模式研究的重要内容。

3.4以“适地适生”为准则，充分了解当地的物种条件

植被是生态系统的主体，野外生态修复过程中植被的恢复是关键。对于不同的地区、不同的环境条件，适合生长的植被不同。此外，随着全球气候变化及人为因素等的影响，物种多样性发生着变化，适生种也会有所改变。因此，在实施生态修复工程之前，要充分了解待修复地区的物种情况，遵循植被“适地适生”的准则，确定最适宜的恢复物种，以利于修复。

3.5加强修复后的管护工作，倡导公众参与

“三分造林七分管护”，这句话道出了造林管理的重要性，同时也折射出生态修复植被恢复后管护的重要性。生态修复工程是一项时间长且耗资大的工程。目前，多因后期管护资金不足，而导致修复后的成果不能长久地维持。因此，要加强并完善相关的资金管理工作，可实施分期拨款，增加修复成效评估，按照成效拨付款项。同时，要加强领导和宣传力度，提高公众意识，更广泛地发挥利益相关者的作用，消除人为活动危害，保护治理成果。

4结论与展望

随着科学技术的发展，人类已渐渐摆脱了“靠天吃饭”的生存模式。气象学以及气象因子调控等相关技术的发展，使得影响植被生长的气象条件和环境条件达到了人为可调控的水平，实现了植被的优质、高速、高产的生长模式。

生态修复进程受到气象条件的限制，适宜的气象条件可以加快生态修复的进程。气象驱动修复即借鉴气象驱动技术，将这些技术应用在生态修复过程中，在遵循自然规律、充分发挥自然生态系统的自我修复能力的基础上，同时结合人工调控辅助措施，对区域内的气象条件进行人为调控，可为植被恢复生长创造适宜的环境条件，以达到更好、更快地实现生态系统的修复，从而提高生态服务功能，对生态以及人类、社会的可持续发展具有重大的意义。

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