三峡库区澎溪河消落带生态系统修复实践探索

袁兴中

(1.重庆大学 建筑城规学院，重庆 400044；2. 重庆大学 三峡库区消落区生态修复与治理研究中心，重庆 400044；3.重庆师范大学 长江上游湿地科学研究重庆市重点实验室，重庆 401331)

1 研究背景

为了解决一系列全球性生态环境问题并实现区域可持续发展，欧美国家率先提出了基于自然的解决方案(Nature-based Solutions，NbS)概念，并以此作为应对气候变化、生物多样性衰退、土地利用/土地覆盖变化等全球问题的工具[1]。NbS概念最早由世界银行于2008年提出[2]，其后，世界自然保护联盟(IUCN)在2009年联合国气候变化框架公约中引入NbS并给予明确定义[3-4]。根据IUCN的定义(IUCN 第WCC-2016-Res-069号决议)，NbS是指保护、可持续管理和恢复自然的或改变的生态系统的行动，这些行动能有效和适应性地应对社会挑战，同时提供人类福祉和生物多样性利益。欧盟委员会认为NbS指受自然生态系统的启发而产生的解决方案[5]。

NbS的内涵强调受自然启发、由自然支持或仿效自然的行动，NbS要求进行动态的适应性管理,在应对不断变化的环境方面，增强生态系统行动方案的适应性和可持续性[1]。自NbS概念提出至今，主要的应用集中在应对气候变化[6-7]、生物多样性保护[8-9]、自然灾害防治[10]、韧性城市建设[11]等领域。NbS有别于依托传统工程技术的“灰色”解决方案。NbS关注生态系统的整体设计、综合管理和动态调控，强调人与自然的协同共生。尽管NbS关注生态系统的整体设计，但在生态系统各要素的协同设计、结构与功能的协同设计方面的研究还很薄弱。

自2010年10月三峡水库完成175 m试验性蓄水后，因“蓄清排浑”的运行方式，在海拔高程145～175 m之间形成了季节性水位变动、冬季淹没长达5～6个月的消落带[12]，蓄水后水位季节性大幅波动给消落带带来了极大的环境胁迫。水位落差达30 m的消落带导致一系列生态环境问题[13-14]，面对三峡水库消落带以及由此带来的环境胁迫，该如何应对严酷的环境挑战？如何进行消落带生态系统修复[15]？过去对三峡水库消落带的生态修复研究多注重耐淹植物的筛选[16]、土壤侵蚀与面源污染防治等方面[17]，大多数研究忽略了三峡水库蓄水后消落带的自然变化(如消落带形成后，每年出露时期正是植物生长的水热同期季节，那些能以休眠方式度过冬季水淹的草本植物会在消落带自然生长)及其所带来的启示，已有的生态修复及研究缺乏对生物多样性的关注和整体生态系统设计理念[18]。面对前所未有的复杂问题和严酷的逆境考验，基于自然的解决方案(NbS)是解决消落带复杂问题的重要途径。不能仅仅局限在“什么样的植物能够耐受长时间冬季深水淹没”这样的简单思考上，我们需要的是在适应水位变化基础上的整体生态系统设计。本文以位于三峡库区腹心区域的重庆开州区澎溪河流域消落带为例，采取基于自然的解决方案，进行消落带生态系统整体修复设计和实践。本文在论述基于自然解决方案的消落带生态系统修复设计策略和技术框架的基础上，分析了澎溪河消落带生态系统修复实践，并进行了修复成效评估，以期为具有季节性水位变化的大型湖库消落带生态修复提供科学依据和技术参照。

2 研究区域环境概况

重庆澎溪河地处三峡库区腹心区域，发源于重庆市开州区北部大巴山南坡的雪宝山国家级自然保护区，是三峡水库长江干流左岸的一级支流，受三峡水库蓄水影响(图1)。澎溪河多年平均流量102.81 m3/s，主要支流有南河、普里河、白夹溪。在三峡库区一级支流中，澎溪河消落带面积最大，从重庆云阳县澎溪河口，到开州区澎溪河支流南河的平安溪，形成周长385.46 km、面积55.47 km2的消落带。开州区人口数量多、密度大，消落带面积大，类型多，生态环境问题复杂。研究区域包括澎溪河流域开州区境内的澎溪河湿地市级自然保护区和汉丰湖国家湿地公园。澎溪河湿地自然保护区地处开州区渠口镇、厚坝镇和金峰镇，总面积4 107 hm2，由三峡水库蓄水后的澎溪河水域、消落带、河岸高地等组成。周边以澎溪河河道两岸第一层山脊为界，其中永久性水域面积382 hm2，消落带湿地面积1 920 hm2。汉丰湖国家湿地公园位于开州城区内东河与南河交汇处，乌杨水位调节坝之上，为典型的城市内湖，正常蓄水位时(175 m水位)总面积14.48 km2，东起水位调节坝，西至南河大邱坝；南以新城防护堤高程180 m为界，北到老城所在的汉丰坝。

图1 澎溪河消落带研究区域地理位置及范围Fig.1 Geographical location and domain of water level fluctuating zone in Pengxi River

研究区域属浅丘河谷区，为丘陵低山地貌，由于受地质构造和岩性的控制，呈狭长条形山脉与丘陵相间的“平行岭谷”地貌。研究区属亚热带湿润季风气候，多年平均气温18.5 ℃，多年平均降水量1 385 mm。三峡水库蓄水后，每年汛后10月份，澎溪河水位逐步升高至175 m，高水位维持到次年1月初；其后随着三峡水库的缓慢放水，水位逐步下降，至5月末降至最低水位145 m。汉丰湖具有典型的动态水位变化，由于开州城区下游4.5 km处水位调节坝的调节作用，冬季三峡水库高水位运行时，汉丰湖水位维持在175 m，调节坝的坝上(汉丰湖)、坝下(澎溪河)水位均为175 m；夏季当三峡水库水位消落到145 m时，水位调节坝下闸蓄水，汉丰湖水位保持在170.28 m，而坝下(澎溪河)水位下降到145 m。

3 生态系统修复设计策略及技术框架

3.1 设计策略

基于自然的解决方案，在澎溪河消落带的生态修复实践中，提出了NARDM策略(图2)。

图2 三峡水库消落带生态修复NARDM策略框架Fig.2 Frame of NARDM strategy for ecologicalrestoration of water fluctuating zone in the ThreeGorges Reservoir

(1)基于自然的解决方案(NbS)：基于三峡水库消落带的水位变化及澎溪河水文、地貌等自然条件，强调自然的自我设计功能，遵循“自然是母，时间为父”的原则[19]。

(2)适应性设计(Adaptive design)：针对30 m落差的水位变化，无论是植物种类选择、群落结构配置，还是生态系统修复技术，都必须适应大幅度季节性水位变化。

(3)韧性设计(Resilience design)：强调韧性设计，采用韧性材料，实施韧性施工技术，构建消落带韧性生态结构，提高消落带生态系统对冬季深水淹没的韧性应对能力及快速自我恢复能力。

(4)动态设计(Dynamic design)：在消落带生态系统修复的结构设计、功能设计和过程设计等方面，适应季节性水位变动的动态特点，体现动态节律。

(5)多功能设计(Multifunctional design)：充分考虑消落带作为水陆界面的主导生态功能，如稳定水岸、拦截净化地表径流、提升生物多样性等，强调主导生态服务功能优先，多功能并重。

3.2 设计技术框架

基于自然的解决方案，针对消落带生态系统要素、结构，充分考虑消落带主导生态服务功能，结合消落带生态过程，提出了消落带生态系统修复技术框架(图3)。

图3 三峡水库消落带生态系统修复技术框架Fig.3 Technical framework of restoration of water-level fluctuating zone in Three Gorges Reservoir

该技术框架强调基础调查、理论研究结果与修复技术实践的有机结合，从物种筛选、群落构建到生态系统修复技术，构成消落带生态系统修复技术体系，通过消落带生态系统修复实践发现问题，并反馈作用于修复技术体系，进行多功能协同调控及持续优化。

4 消落带生态系统修复实践

4.1 植物物种筛选及种源库建立

筛选适应于季节性水位变动、耐冬季深水淹没的消落带适生植物是基础工作的重要环节。在对三峡库区河岸、库岸植被及植物资源进行广泛调查的基础上，结合对国内外水库消落带植物的广泛考察及研究，综合植物的耐淹能力、环境净化功能、景观美化功能等指标，开展了适生植物资源的耐淹试验及种源栽种试验。在三峡库区重庆开州区澎溪河白夹溪、大浪坝等消落区建立了种苗筛选及繁育驯化基地，进行了原位试种、室内模拟试验及其系列定量指标测试，包括对水位变化、冬季长时间没顶淹没的模拟试验，以及对水下低温、黑暗逆境的环境适应性、生理生态分析等[20-23]。自2008年以来筛选出了一批既耐冬季水淹又耐夏季干旱的消落带适生植物物种(其中消落带适生草本植物30种，耐水淹灌木10余种，耐水淹乔木10余种)，构建了三峡库区消落带适生植物资源库，是目前国际上消落带适生植物种类最全、生活型最全、植物功能多样的植物资源库，其中乌桕(Triadicasebifera)、池杉(Taxodiumdistichum)、水松(Glyptostrobuspensilis)、杨树(Populussimoniivar.przewalskii)、秋华柳(Salixvariegata)、小梾木(Swidapaucinervis)等植物在国际上首次运用于水库消落带(图4)，突破了水库消落带适生植物资源匮乏的瓶颈。

图4 三峡水库消落带耐水淹适生植物Fig.4 Suitable plants for flood tolerance in water levelfluctuating zone of Three Gorges Reservoir

所选植物兼具岸坡稳固、环境净化、生物生境和景观美化功能，迄今为止这些植物经历了10余年高水位蓄水淹没考验，目前存活状况良好。适应水位变动和应对冬季深水淹没的植物筛选技术和资源库的构建，在三峡库区消落带生态恢复以及国内大型工程型水库消落带的生态恢复治理中具有重要意义。

4.2 近自然植物群落构建技术

针对蓄水后库区城镇消落带植物群落类型及结构单一、功能低效的瓶颈，研发了消落带近自然植物群落配置模式及构建技术，创建了以下模式：①多层复合混交群落配置模式；②复合林泽群落配置模式；③林网-基塘群落配置模式(图5)。经历了10余年水淹考验，无论是群落物种组成、空间配置模式，还是实地栽种及后期管护，结果均表明消落带近自然植物群落结构稳定，经受了大幅度水位变动和冬季深水淹没的严酷考验。

图5 三峡水库消落带近自然植物群落构建模式Fig.5 Construction models of near-natural plantcommunity in water level fluctuating zone ofThree Gorges Reservoir

4.3 多功能基塘修复技术

三峡水库坡度<15°的缓平消落带(如湖北省秭归县的香溪河、重庆开州区澎溪河、忠县东溪河、丰都县丰稳坝等)面积达204.59 km2，占消落带总面积的66.79%[24]。针对水位变化特点及底质状况，充分利用消落带冬季淹没、夏季出露，且出露期正是植物生长的水热同期特点，借鉴珠江三角洲“桑基鱼塘”的生态智慧，在澎溪河白夹溪老土地湾、大浪坝、渠口坝、汉丰湖石龙船大桥两岸、头道河口等区域，在坡面上结合原有地形，设计并开挖基塘，基塘大小、形状由坡面具体地形决定，塘的大小从10余平方米到数十平方米不等，塘基宽度平均为50～80 cm，塘的深浅从80～200 cm不等。在塘内种植耐深水淹没的湿地植物，包括菱角(Trapabispinosa)、荷花(Nelumbonucifera)、慈姑(Sagittariasagittifolia)、荸荠(Eleocharisdulcis)、水生美人蕉(Cannaglauca)、茭白(Zizanialatifolia)等(图6)。这些湿地植物具有适应水位变化、耐冬季深水淹没的特点，同时具有污染净化功能、景观观赏价值、经济利用价值。植物生长季节结束正值三峡水库开始蓄水，收割后能够进行经济利用，避免了冬季淹没在水下厌氧分解的碳排放及二次污染。

图6 三峡水库消落带多功能基塘Fig.6 Multifunctional dike ponds in water levelfluctuating zone of Three Gorges Reservoir

4.4 复合林泽修复技术

调查表明，无论是淡水沼泽林，还是很多河流的河岸林，不少木本植物都能耐受一定程度的水淹。根据前期在三峡库区调查的结果，重点在海拔高程165～175 m的消落带，栽种耐水淹乔木和灌木，形成冬水夏陆逆境下的林木群落——消落带林泽系统。主要耐淹木本植物包括池杉、落羽杉、乌桕、杨树等乔木，及秋华柳、小梾木、中华蚊母(Distyliumchinense)等灌木。复合林泽的模式包括耐水淹乔木混交模式(耐水淹针叶树与阔叶树混交)、耐水淹乔木+灌木模式、耐水淹乔木+灌木+草本植物模式、“林泽+基塘”复合系统、多带多功能缓冲系统(图7)，等等。自2009年开始，在澎溪河白夹溪、大浪坝、渠口坝、张家坝、汉丰湖乌杨坝、芙蓉坝、头道河河口等区域，实施了林泽工程。同时，在澎溪河大浪坝、汉丰湖头道河口、芙蓉坝等区域，将基塘与林泽有机结合，在塘基上种植耐水淹乔木和灌木，形成“林泽+基塘”复合系统。

图7 三峡水库汉丰湖消落带复合林泽Fig.7 Wetlands-woods complexity in water levelfluctuating zone of Hanfeng lake in ThreeGorges Reservoir

4.5 多维湿地修复技术

针对消落带水位变化，及消落带和滨水区的高程梯度，设计了从海拔高程145～175 m“林泽+基塘”复合系统至175～180 m环湖/库小微湿地群至180～185 m野花草甸的多维湿地系统，重点在汉丰湖芙蓉坝、澎溪河白夹溪管护站前实施了消落带及滨水区多维湿地系统。汉丰湖南岸芙蓉坝的多维湿地于2011年设计并实施，在芙蓉坝海拔160～175 m消落带构建多功能基塘系统，塘基上栽种耐水淹木本植物，包括中山杉、池杉、落羽杉等耐水淹乔木。2015年在175～178 m高程设计并营建环湖小微湿地群，由此形成了“环湖小微湿地+林泽+基塘”复合生态系统(图8)，沿海拔高程自上而下，从消落带以上的滨水空间，至消落带下部，形成一个多功能的多维湿地生态系统[25]。

图8 三峡水库汉丰湖消落带多维湿地Fig. 8 Multi-dimensional wetland of water level fluctua-ting zone in Hanfeng lake of Three Gorges Reservoir

4.6 地形-底质-植物-动物协同修复技术

消落带高程与地表起伏度决定着水位变化的影响，这种影响和动态变化与植物的生长密切相关。此外，消落带底质的差异(土质、卵石底质，等等)也与植物生长、无脊椎动物、鱼类及鸟类的生存息息相关。众所周知，植物群落不仅为鸟类提供食物源，还为鸟类提供栖息和庇护场所。本研究按照消落带高程以及水位变化梯度等生境梯度，结合消落带地形变化和底质类型，配置适生植物种类和群落类型，同时，兼顾不同食性、不同栖息习性鸟类的需求，进行地形-底质-植物-动物协同修复设计(图9)，并在澎溪河大浪坝、汉丰湖乌杨坝进行了修复实践。大浪坝的修复始于2009年，当时以林泽工程为主，树种较为单一，以桑树和柳树为主；2015年开始，在进行林泽改造(种植中山杉、池杉、落羽杉)的同时，在林泽中开挖基塘，形成“桑-杉林泽+基塘”复合生态系统。汉丰湖乌杨坝的协同修复实践开始于2013年，2013年底完成地形、底质修复施工，2014年4月完成植物种植及群落配置，从海拔160～180 m，地形、底质、植物的修复有机协同，为各种无脊椎动物、鱼类、鸟类提供了良好的食物资源和栖息、庇护条件，形成了一个地形-底质-植物-动物协同共生的消落带生态系统(图10)。

图9 消落带地形-底质-植物-动物协同修复模式Fig.9 Model of collaborative restoration involvingterrain, sediment, plants and animals in waterlevel fluctuating zone

图10 汉丰湖乌杨坝消落带地形-底质-植物-动物协同修复效果Fig.10 Effect of collaborative restoration involvingterrain, sediment, plants and animals in waterlevel fluctuating zone of Hanfeng Lake

5 修复成效分析

5.1 生态效益分析

(1)植物耐水淹能力明显：所筛选的耐水淹植物，无论是乔木、灌木，还是草本植物，经过10余年的水淹考验，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性。尤其是池杉、落雨杉、中山杉、乌桕、杨树、柳树等耐水淹乔木和秋华柳、小梾木等灌木，经历10余年的冬季深水淹没的影响，表现出了优良的适生性(图11)，池杉结实情况良好，林泽下层乌桕自然更新苗层发育良好(图12)。

图11 消落带耐水淹植物7年来经受冬季深水淹没的考验Fig.11 Flood resistant plants in the water levelfluctuating zone withstood the test of deep-water inundation in winter for seven years

图12 汉丰湖乌杨坝消落带林泽下层的乌桕更新苗层Fig.12 Sapium sebiferum regeneration seedling layer inthe lower layer of wetland woods in the water levelfluctuating zone of Hanfeng Lake

(2)生物多样性提升效果显著：研究区域消落带种植的耐水淹乔、灌木经历了多年季节性水位变动和冬季水淹，存活状况良好，群落结构稳定，生物多样性提升效果明显。在澎溪河白夹溪基塘区域共记录到高等维管植物45 种，其中非人工种植维管植物 29 种，分属 15 科 28 属，主要植物群落为无芒稗群落、鸭舌草群落、野荸荠群落和萤蔺群落。在汉丰湖北岸乌杨坝，2020年夏季调查表明，相比没有实施修复的乌杨坝下游消落带的62种维管植物，修复后的乌杨坝消落带植物物种多样性增加明显，共有维管植物114种，其中草本植物有92种，菊科和禾本科植物较丰富，分别占草本植物总数的15.2%和14.1%，是该区域的优势科。汉丰湖消落带生态修复区域的鸟类种类及种群数量增加明显，消落带地形-底质-植物-动物的协同修复产生了明显效果，基塘、林泽等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，提高了鸟类多样性。在汉丰湖乌杨坝修复后的区域观察到鸟类超过130种[26]，其中湿地鸟类超过50%，发现国家一级保护野生动物2种——中华秋沙鸭(Mergussquamatus)和黄胸鹀(Emberizaaureola)，国家二级保护野生动物7种——鹗(Pandionhaliaetus)、普通鵟(Buteobuteo)、白秋沙鸭(Mergellusalbellus)、花脸鸭(Sibirionettaformosa)、鸳鸯(Aixgalericulata)、黑颈(Podicepsnigricollis)和蓝喉歌鸲(Lusciniasvecica)。修复后的乌杨坝消落带，形成了从水到陆沿生境梯度的植物-鸟类复合格局，植物可为鸟类提供栖息环境及食物来源，鸟类则为植物传播其繁殖体；从水到陆，与沿高程呈带状分布的植被带相应，栖息着水鸟、傍水性鸟类、草地鸟、灌丛鸟及林鸟。目前，汉丰湖乌杨坝、芙蓉坝、澎溪河大浪坝、白夹溪的消落带生态修复区域，因人为干扰的极大减少及排除，正在经历一个再野化过程，生物多样性逐渐丰富和提升，消落带生态系统正在表现出更为良好的生态效益。

(3)碳中和效益呈现：无论是对基塘工程植物的季节性收割利用，还是消落带林泽所积累的碳，使得消落带区域成为一个沿海拔高程分布的立体碳汇系统；修复后的消落带生态系统对氮、磷等面源污染具有明显的拦截和净化作用，发挥了减源、减碳功能。因此，通过减源、增汇措施的进一步实施，消落带生态系统修复必将成为水库碳中和的重要途径之一。

5.2 环境效益分析

消落带生态修复的环境效益突出表现在对地表径流的面源污染净化方面。2015年6—9月份对汉丰湖乌杨坝实施生态修复的区域进行了水质取样和分析，在降雨期间收集修复后的河/库岸带坡顶与坡麓径流水样，6—9月份共进行4次采样，每次采样设计3个重复采样点，采集径流水样，进行监测分析。水质监测分析表明，实施生态修复后的乌杨坝河/库岸系统对地表径流总氮(TN)和总磷(TP)的削减率分别达到37%和30%，而在乌杨坝未实施生态修复的对照区总氮(TN)和总磷(TP)平均去除率仅为13%和3%。可见，澎溪河消落带生态修复所形成的界面生态结构，能够有效削减入库面源污染负荷。除了污染净化效益外，由于修复后消落带复杂的生态系统结构、多样化的植被类型及植物种类，作为水陆之间的界面，也可通过对地表径流的阻滞、吸纳、缓流等作用，发挥雨洪控制功能。

5.3 社会效益分析

澎溪河流域消落带生态系统修复，除了注重耐水淹植物筛选和环境污染防控外，更注重生态服务功能的全面优化提升，将消落带生态系统与滨水空间的景观美化协同，实现消落带生态修复与滨水空间景观建设和人居环境质量优化协同共生，形成人与自然和谐共生的美丽湿地景观，实现了生态与艺术的交相辉映。目前，澎溪河湿地自然保护区和汉丰湖国家湿地公园的消落带景观品质优良，成为开州城乡居民良好的休闲区域。开州区是三峡库区的移民大区，开州新城是一个整体搬迁的移民城市，移民生活稳定及优化其人居环境质量是三峡库区社会稳定的重要内容。目前，消落带生态修复及景观优化的生态实践已成为稳定移民的重要手段，生活在汉丰湖畔的城乡居民感受到了优美生态环境带来的幸福感。汉丰湖已成为三峡深度体验的旅游休闲胜地，2016年入选“新三峡十大旅游新景观”“2016年重庆最受游客喜爱十大景区”，2017年，入选寻找重庆新名片全媒体行动“十大旅游名片”。2018年，开州区共接待游客903.13万人次，旅游综合收入55.68亿元。开州，这座三峡库区的移民城市，在人与自然和谐共生的生态修复实践中，在守护绿水青山的同时，也收获了金山银山。

6 结 语

三峡库区澎溪河流域消落带生态系统修复实践，综合应用植物物种筛选及种源库建立、近自然植物群落构建、多功能基塘修复、复合林泽修复、多维湿地修复、地形-底质-植物-动物协同修复等技术，通过10余年的长期研究及工程实践，取得了良好成效。建立了目前国际上种类最多、生活型最全、功能多样的消落区适生植物资源库，其中乌桕、秋华柳等植物属本团队发现并首次运用于三峡库区消落区；所选植物经历了10余年高水位蓄水淹没考验，存活状况良好；修复后的消落带植物群落结构稳定，有效解决了库岸稳定、面源污染防控、景观美化问题；修复后的消落区，生物多样性提升效果、环境效益和社会效益明显，为大型湖库消落带生态修复提供了可推广、可复制的技术方法及实践模式。

解锁自然的力量，基于自然的解决方案，是大型工程型水库消落带生态修复的重要途径。消落带的生态问题，绝不仅仅是几种耐淹植物的筛选问题。消落带修复更为重要的是生态系统整体设计，目标是全面优化提升消落带生态系统服务功能，而基于自然的解决方案给这种设计提供了可能。澎溪河流域消落带生态系统修复实践，不仅解决了大幅度水位变化和冬季深水淹没的三峡库区消落带生态修复难题，创新性地构建了大型工程型水库消落带生态系统修复技术体系，拓展和创新了逆境生态设计和逆境生态修复理论，而且极大地优化了三峡库区人居环境质量。

三峡库区澎溪河消落带生态系统修复研究是大型工程型水库消落带生态修复的创新实践探索，其设计技术及模式可应用于具有水位变化的湖库消落带生态系统修复。但相关研究还存在需要改进优化和深入之处，如水位变化及复杂水文环境下消落带生态系统各要素的协同设计及调控模式，消落带生态服务功能最优情景下汉丰湖水位调节坝的调节模式，消落带生境系统设计技术等。在今后的研究中，应进一步探索消落带生态系统组成要素的相互作用和耦合机理，研究适应复杂环境变化的大型工程型水库消落带生态修复设计的系统方法和关键技术，针对全球变化背景下长江上游湖库消落带生态系统结构与功能协同修复的设计技术和调控模式开展深入研究。