极端气候对生态系统及生态修复工程的影响

常俊杰

（陕西省国土整治中心，陕西 西安 710000）

极端气候频率的增加、强度的加大和持续时间的延长是目前人类面临的最严峻挑战之一[1]。近年来，全球范围内发生了一系列引起广泛关注的极端气候，如新西兰南岛极端降雨所导致的500 年一遇的滑坡、北极海冰达到创纪录的最新低值、澳大利亚东部的超级风暴“桑迪”、2003 年和2010 年欧洲地区的高温热浪、2020 年印度巴基斯坦和撒哈拉沙漠以南非洲的干旱、2019-2020 年澳大利亚丛林大火以及我国2020 年长江大洪水、2021 年春北方肆虐多次的沙尘暴、2021 年5 月初华北地区和西北地区极端低温等。由于生态系统的自我调解与自我修复有限以及应对极端气候影响能力有限，极端气候对生态系统造成破坏和影响更严重、更持久，且不可恢复。全面、准确认识极端气候对生态系统及生态修复的影响，才能更好地降低极端气候对生态环境造成破坏及开展生态修复工作。极端干旱、极端降水、极端高温和极端低温是陕西省近几年较为常见的极端气候事件。本文针对陕西省常见的极端气候分别研究极端气候对生态系统及生态修复的影响。

1 极端气候对生态系统的影响

1.1 极端干旱对生态系统的影响

从区域和全球尺度上看，干旱被认为是影响当前世界生态系统的最主要胁迫因子之一。干旱的频繁发生和长期持续，不仅会给农业生产带来巨大的损失，还会造成水资源短缺、荒漠化加剧、沙尘暴频发等诸多生态环境问题。如：2020 年陕北遭遇了近10 年来最严重干旱，总降水量极低，造成百万亩耕地未能入种，同时带来白于山区供水饮水困难。极端干旱对植物生理生态过程、生态系统生物地球化学、地生态系统结构和功能及对生物多样性能产生影响。极端干旱直接影响到植物的生长和发育，甚至导致植物死亡；极端干旱改变了生态系统中物质循环和能量流通，改变物种间的相互作用，引起生物多样性的改变。大范围的极端干旱事件往往是导致某一区域生态系统生物地球化学循环发生巨大改变的驱动力。

极端干旱可能导致湖泊、河流水位下降，部分干涸和断流，造成水域、湿地等生态系统的破坏；干旱频率的增加也导致森林树种组成发生改变，相对更耐旱树种的比例随之增加，造成森林生态系统功能整体衰退。由于干旱缺水造成地表水源补给不足，更多的负土壤水势和较低的土壤导水率触发了茎中水分运输的栓塞和部分失效，使得农作物枯死、土壤肥力下降，造成粮食无法耕种、减产或绝收，从而造成农业生态系统退化。

1.2 极端降水对生态系统的影响

在气候变暖的背景下，极端降水发生的频率和强度逐年增加，如2017 年陕北绥德、商洛、阎良等多地洪涝灾害。极端降水对生态系统的影响主要取决于极端降水发生时生态系统的水分变化所引起的生态系统的变化。极端降水以单次降雨强度增大为特征，因此极端降水的频率增多可能会加剧土壤侵蚀，加剧土壤有机碳的剥蚀、迁移和沉积过程，产生了区域水土流失增加，植被养分流失、生长受限，导致生态系统退化。在干旱地区，极端降水导致土壤水分增加，地表径流流量增加，虽然短时间提高了区域生态系统植被的生产力，但由于干旱地区植被稀少，土壤易侵蚀，易产生大范围水土流失，造成土壤肥力的下降，造成区域耕种层生态环境退化；在湿润地区，极端降水可能造成动植物长时间处于淹水状态下，导致植被根系严重缺氧、呼吸减少，动物巢穴破坏无处躲藏、觅食，可能最终引起动植物死亡，导致区域生态系统生物种群大量消失。

1.3 极端高温对生态系统的影响

近20 年来，陕西省极端高温呈明显的上升趋势，尤其在2005 年之后，极端高温迅猛上升。极端高温影响农作物生长和发育，当温度上升到一定值，作物将停止生长甚至死亡，同时极端高温会导致土壤微生物休眠或死亡，导致农田生态系统被破坏；极端高温影响水生生态系统，当温度达到33～35℃时，大多数水生生物就不能生存，非生物成分的状态也会发生变化，并且导致溶解氧下降，无机盐浓度升高，增加底泥中氮、磷的释放，导致水生生态系统崩溃。极端高温也容易产生火灾，如2019-2020 年澳大利亚丛林大火以及四川凉山大火等，导致大面积森林毁坏，动植物死亡，森林生态紊乱，并产生大量的二氧化碳，导致全球温室效应，使得极端情况加剧。另外，极端高温伴随着极端干旱，更加加剧了极端气候对生态系统的威胁。

1.4 极端低温对生态系统的影响

极端气候会带动滞后反应，导致草原系统的土壤异养呼吸增强，抵消了生态系统碳的净吸收；土壤冻结森林系统增加了异养呼吸应对夏季干旱的敏感性。极端低温主要发生在北方的初春与深秋时节，在植被生长季初期和末期产生冻害，引起易脱水细胞的植物组织（如花蕾、叶片等）冻害，甚至死亡，表现为春季物候提前和秋季物候延迟。近年来，陕西省极端低温呈显著上升趋势，呈显著上升趋势的区域为陕北和关中地区，零散分布在汉中盆地，主要发生在春季。极端低温导致春季植被无法正常复苏，冬眠动物无法正常觅食；极端低温导致秋季植被无法正常挂果，并导致植被种子减量减质，同时动物无法储备足量食物过冬，使整个生态系统季节更替紊乱。

2 极端气候对生态修复的影响

极端气候频率的增加、强度的加大和持续时间的延长导致对生态系统的影响破坏程度更加严重，在对生态系统影响的同时还对生态修复提出新的要求。

2.1 极端气候要求生态修复应具有针对性

由于极端气候对生态系统的破坏存在极端性、突发性，要求在对生态系统修复过程中针对其特征，尽量选取稳定性好、抗自然灾害的生态修复工程技术。尤其在对矿山修复过程中，要选取更加耐瘠薄、耐干旱、耐盐碱、抗病虫害等植被，以确保生态修复成果。在易出现极端降水的区域，单次降雨强度增大，许多无法抗冲涮、固定不牢的修复工程不宜使用，如挂网喷播绿化、生态袋绿化等修复工程技术，宜采用混凝土空心砖坡面植被修复技术、浆砌石框架坡面植被修复技术、植生混凝土绿化等稳定性高的工程技术，同时需在原有工程基础上补充控水排水工程、防洪排洪措施、疏通河道措施，防止极端降水无法顺利排出，导致动植物长时间淹水，出现大规模水土流失。在易出现极端干旱、高温的区域，不能选取对水土要求高的工程技术手段，如挂网喷播绿化、生态袋绿化等，需补充集水工程、海绵工程措施，用于保留、收集与聚集足够的水资源保障生态修复的绿化植被用水需求，并且绿化植被选择尽量选取耐瘠薄、耐干旱、耐盐碱、抗病虫害的绿化植物，如有侧柏、白榆、白蜡、山桃等乔木，锦鸡儿、柠条、紫穗槐、绣线菊、丁香、荆条、枸杞等灌木，野葛、地锦、凌霄、常春藤、杠柳等藤本植物，山野豌豆、紫花苜蓿、结缕草、碱茅等草本植物。

2.2 极端气候要求绿植选取应具有多样性

生物多样性可提高生态系统生产力对极端气候事件的抵抗力。生物多样性主要通过增加对气候事件的抵抗力来稳定生态系统生产力以及与此相关的生态系统服务。极端气候造成的生物多样性丧失可能会降低生态系统的稳定性，修复生物多样性则会增加生态系统的稳定性。基于自然解决方案的生态修复要求选取植物类型多样化，具有生态层次感，具有增强植被系统及区域生态系统的稳定性，利于修复后矿山生态系统的自然恢复的植被种类。选取植物类型时，需结合乡土植物综合考虑，对乔灌木、草本以及藤本等植物进行组合选取，组成具有规律且相互协调的稳定组合，以构成多样而稳定的植物群落结构[2]，更有利于工程修复后的自然修复的稳定进行。在生态修复前期，植物种类应为环境适应性强、生长速度快的藤本植物、草本植物，便于矿山快速绿化覆盖，改善覆土土壤环境；修复后期，选取乔灌木、草本以及藤本植物等生态层次感乡土植物，以便长期稳定植被群落。选取多样绿植的同时，还需构建动物迁徙绿色廊道，引入周边的乡土动物，增加修复物种的多样性。

2.3 极端气候要求生态修复工程具有前瞻性

极端气候的频繁发生要求生态修复必须具有前瞻性，要求在设计修复设计过程中，充分考虑研究区域极端气候发生可能。在资金允许下，将修复工程的质量等级提高到能抵御50 年一遇或100 年一遇的极端气候。比如，在陕北黄土高原地区，其气候为半湿润向半干旱气候过渡区，雨型主要是雨滴大小组成，随雨强增大而增大，极端降水量主要发生在7 月，极端干旱发生在12 月。基于陕北黄土高原地区区域特点，要求生态修复既要考虑极端干旱问题，还得兼顾极端降水对土壤侵蚀的影响，需在选取耐旱耐寒绿植的基础上配套相应排水设施。

3 研究主要存在的问题

3.1 极端气候对生态修复工程的影响研究不足[3]

纵观已有的气候变化以及极端气候对国土生态修复影响的研究，大部分研究聚焦于区域气候变化的预测、绿植的选取、工程的生态效益等方向上，小部分关注气候变化对生态工程影响及评价研究，很少涉及极端气候对生态修复技术与工程的影响。综合来看，现有研究难以系统全面阐述气候变化及极端气候对生态系统、生态修复工程的影响，无法满足多系统、多功能、生物多样性与脆弱性等方面的影响研究。由于缺乏针对生态修复工程理论的研究方法，忽略了极端气候的影响，造成研究评价结果有可能存在偏差，面向极端气候对生态修复工程影响研究的科学理论与技术方法亟待完善。

3.2 生态修复工程缺乏适应极端气候变化的理念

极端干旱、极端降水、极端高温和极端低温对于生态修复工程植被极易产生负面影响，改变了植被的气候适应性。生态修复工程实施时间短、自我修复时间跨度大，在工程实施早期，气候变化对生态工程影响不显著，建设中忽视了适应气候变化的理念，导致了建设工程后期生态系统功能的退化。

3.3 缺乏有效的气候变化影响工程实施效果的评估方法

生态修复工程中生态系统恢复的动态过程是气候变化与人为活动共同作用的结果，目前定量评估气候变化影响工程实施效果的方法仍然比较少见。不同极端气候对生态修复区的时空格局及变化趋势存在不同程度的影响。由于缺乏对极端气候未来风险的分析，难以评价未来工程中生态系统面临的风险与管理措施对生态系统恢复的绩效，无法为决策者提供进行规划设计的理论依据。科学分析极端气候对生态修复工程的影响，对准确评估生态修复工程的实施效果至关重要，因此亟待研究极端气候对工程实施效果的评估理论与方法，以支持生态修复工程的实施。

4 未来研究发展方向

针对生态修复工程实施过程中极端气候对其的影响以及造成的一些问题，本文主要提出了以下几点建议。

4.1 将极端气候因素纳入工程设计和实施过程中

在生态修复工程实施过程中要充分考虑极端气候风险，特别是极端气候对生态系统结构和功能的影响，提前采取有效应对措施。如，在陕北黄土高原区，主要存在的极端气候是冬季极端干旱、夏季极端降雨，需在工程中增加防洪排水工程，在绿植选取中选择抗旱抗寒的绿植。所以要将极端气候因素纳入生态修复工程的规划和设计中，制定应对极端气候的实施办法，确保工程修复成果安全，在实现生态效益最大化的同时，也可以增加生态工程的固碳能力。

4.2 建立稳定的生态综合监测评估机制

生态修复工程应大力加强生态工程监测机制的建设，特别是加强对极端气候影响的监测。由于尚未建立天、空、地一体化综合实时监测机制，针对极端气候的影响未被囊括在监测项目中，导致生态修复工程的评价缺乏针对性、全面性和系统性，难以分析极端气候对生态修复工程的影响，使得工程应对极端气候的能力无法评估。构建全面、长期、动态的生态系统监测体系，科学评估工程的效果和气候变化的贡献，这对于工程规划、实施、成果巩固具有非常重要的意义。

4.3 构建基于极端气候的科学工程评价体系

积极探索极端气候对生态修复工程实施效果的科学评价体系，把极端气候因素纳入到工程评价体系当中，明确极端气候对生态修复工程的阻碍作用，从而更好地判断工程和气候变化在生态修复中的影响因素。构建基于极端气候的科学工程评价体系，科学合理地部署生态修复工程，客观地评估极端气候对生态修复工程效果的影响，为生态修复工程的有效实施提供保障。